专利名称：激光诱导磁记录动态测试方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光诱导磁记录动态测试方法及系统，属于光 学、磁学及信息存储技术领域。
背景技术：
磁记录己有百余年的历史，发展至今，从存储介质到技术已日臻 完善。而光存储技术兴起于二十世纪七十年代，八十年代迅速形成产 业；其后，光存储、磁存储技术一直在追求高速、高密度、海量存储 的竞争中共同发展。由于各国科技及产业界的不断努力，伴随着新材 料、新技术的不断研发，目前此类技术仍保持一定的发展势头。我国 在此领域的研究也获得了丰硕成果，并拥有一定的自主知识产权。
迄今为止，磁存储以其较高的存储线密度与磁光存储相比更胜一 筹，而磁光存储在记录道密度上略占优势。但随着科学技术的高速发 展及人们对此领域技术的需求日益增长，现有的各类存储技术，包括 得到广泛应用的磁存储技术也逐渐遇到了技术瓶颈。
传统的磁记录动态测试的方法及系统己非常成熟，并有商用的磁 记录动态测试仪，例如美国的Guzik系统，日本也有类似的测试系统。 其主要特点是采用两种磁场调制方式的磁记录头(纵向磁头或垂直磁 头)成对分置于样品磁盘上下两侧，在双面都镀有磁性记录层的盘片 上进行双面读写。其功能是模拟硬磁盘动态读写过程，包括寻址、写 入信号和读出信号。结合信号通道分析，Spinstand (自旋支架)可以 用于测试各种磁盘磁头组合的动态读写性能。传统的Guzik Spinstand 允许在运转过程中，磁头与碟片表面距离仅为十纳米量级。只适用于 现行的商用纵向或垂直磁盘的动态性能测试。随着存储密度的不断提 高，现有磁记录介质无法克服其自身存在的超顺磁效应，使得单靠现 有磁记录一种方式来提高存储密度变得非常困难，必须寻找更高矫顽 力的材料，并在记录时借助热辅助的方式来有效降低磁头的写入场。
而Guzik测试系统则因没有激光辅助方式，因此对新型高矫顽力的磁 记录介质动态性能的测试无能为力。
发明内容
本发明的目的是以Guzik系统的基本功能为基础，引入诱导激光 光源，设计并搭建一套辅助光学系统，提供一种能够适应高矫顽力、 高存储密度磁盘磁记录的动态测试方法和系统。
为了达到上述目的，本发明激光诱导磁记录动态测试方法，主要 运用磁存储介质的光频响应、热磁效应及巨磁阻效应等，实现光磁混 合动态存储性能的测试，它通过以下步骤来实现
(1) 采用激光诱导方式，波长选用范围为400 800nm、功率为0 60mW的激光作为诱导光源，以确保诱导激光束经过光学系统后，到 达记录介质时的激光功率为0 20±0.01mW可调；所述激光波长可以 为特定的405nm、 435nm、 450nm、 635nm或650nm;
(2) 采用直接成像监控系统，监控动态测试过程；
(3) 选择与光频相适应的磁记录介质制备的磁盘，置于以2000 10000转/分的转速旋转的动态测试系统中；
(4) 利用宏微结合的多维精密纳米移动台，通过运动控制器驱动 伺服系统，实现诱导激光束与磁读写头的对准和光学聚焦，完成读写 前的初始化；
(5) 采用磁场(纵向或垂直磁场)调制、巨磁阻磁头动态写读方 式进行测试；所述通过光学头输出的诱导激光束和磁头分别置于样品 磁盘盘片的上下两侧；当磁头动态写入(即记录)时，诱导激光在写 入点处给磁记录介质提供一定的热场，有效降低磁记录介质的矫顽
力，使其在适当的磁场调制(纵向磁记录或垂直磁记录方式)下，以
磁矩的形式将信号保存在介质上，从而实现2000~10000转/分转速下 的动态磁调制写入或擦除；
(6)采用巨磁阻磁头读出记录信号，完成磁记录动态测试。
按照上述测试方法工作的测试系统，由光学系统、机械及运动控 制系统、动态磁读写系统、计算机控制及数据处理系统组成
(1) 所述光学系统包括激光光源、全反镜、分束镜、无限共轭平 场物镜、半反半透镜、照明冷光源、无限共轭成像镜筒、高分辨率 CCD探测器等部件；激光束经全反镜反射至分束镜，再由分束镜透 射至无限共轭平场物镜，然后聚焦在样品磁盘上；再经磁盘盘片反射， 返回的光束经过物镜后形成近似平行光，被物镜上方的分束镜反射进 入带有成像镜筒的高分辨率CCD探测器成像;所述半反半透镜呈45° 置于分束镜和CCD探测器之间，照明冷光源的发散光经半反半透镜 反射至分束镜，再由分束镜反射经无限共轭平场物镜照射在样品磁盘 上；光学系统主要实现对诱导激光光束进行分束探测、准直、聚焦的 功能，并在监控光路和CCD探测器的协助下，最终实现对诱导激光 束及聚焦光斑尺寸的实时调控及监测；
(2) 所述机械及运动控制系统为宏微结合的多维精密纳米位移平 台，其中包括三维宏动台、三维微动台和多维运动控制卡，所述多维 运动控制卡采用全闭环控制；所述三维宏动台的分辨率为2.5拜(X) x2.5^im (Y) x2.5拜(Z)，最大行程为5mm (X) x5mm (Y) xl50mm
(Z);所述三维微动台的分辨率为3.0nm (X) x3.0nm (Y) x2.5nm (Z)，最大行程为30^im (X) x30Kim (Y) x25pm (Z);机械系统主 要完成对(光学头输出的)诱导激光束与磁读写头的准直和调焦定位 驱动，以实现光学头与磁头的跟踪伺服和聚焦伺服。光学头与磁头分 置于盘片两侧，具体采取磁头下置、激光诱导系统上置的组合方式， 这里要求双头同轴并严格垂直于盘片，磁头与盘片相对位置固定，光
学头与磁头及盘片相对位置在X、 Y、 Z轴方向三维连续可调以实现 精确跟踪及聚焦伺服；
(3) 所述动态磁读写系统的磁头与无限共轭平场物镜隔样品磁盘 相对，分置于样品磁盘上下两侧；磁读写系统主要实现与磁头的动态 读写功能相关的运动、定位、数据采集及处理；
(4) 所述计算机控制及数据处理系统通过数据线分别与上述光学 系统、机械及运动控制系统、动态磁读写系统相连接；计算机控制及 数据处理系统为这三个部分的控制中心，具有数据处理、监测及系统 控制功能，以确保实现整个动态测试系统按照指令运行。
本发明激光诱导磁记录动态测试方法及系统的优点是①由于 诱导激光束聚焦在磁写入点处，使得磁记录介质局部迅速升温，可暂 时降低局部磁记录介质的矫顽力，因此，即使使用较小的写入电流(产 生写入场)或者更高各向异性能介质材料也可完成磁记录写入操作， 从而实现超高密度的存储性能测试。②采用宏微结合的三维精密纳 米移动台驱动光学头，可以更精确地实现光头与磁头的准直和聚焦伺 服，有利于激光束更准确地聚焦于磁记录点。◎由于采用光学头与 磁头分置于盘片两侧，使得信息记录点的大小，既可由诱导激光束的 光斑大小来确定(即"小光斑"技术)，利于改善磁存储密度，又可由 记录磁头写入部分的尺寸来确定(即"大光斑"技术)，以简化光学辅 助系统，易于实现。
图1是本发明激光诱导磁记录动态测试方法的方框原理图； 图2是本发明激光诱导磁记录动态测试系统的结构示意图； 图3是本发明激光诱导磁记录动态测试系统中光学系统及机械 结构示意图4是本发明激光诱导磁记录动态测试系统中CCD成像系统的 背景照明示意7
图5是诱导激光光斑对准细调过程中大范围Tmckprofile测试曲
图中标记说明
1——半导体激光器
3-
分束镜
-半反半透镜
7——无限共轭成像镜筒
9——磁盘盘片
11——三维纳米移动台
2——全反射镜
4——无限共轭平场物镜
6——照明冷光源
8——高分辨率CCD成像系统
10——磁头
12——三维宏动调节支架
具体实施例方式
本发明激光诱导磁记录动态测试方法如图1所示，它利用一定频 率的激光作诱导光源，采用光学头与磁记录头位于磁记录盘异侧方 式，并在高分辨率CCD成像系统8的监控下，利用宏微结合的三维 精密纳米移动台驱动光学头以实现光头与磁头10的跟踪伺服和聚焦 伺服，在2000 10000转/分的转速下，诱导激光照射时，驱动GUZIK 动态磁记录系统完成信息的动态写入或擦除；无诱导激光照射时，进 行记录信息的动态读出过程，最终实现信息的高速高密度动态存储测 试。
按照上述测试方法，附图2所示是本发明激光诱导磁记录动态测 试系统的实施实例，它由光学系统、机械及运动控制系统、动态磁读 写系统、计算机控制及数据处理系统组成
光学系统的功能有两个聚焦诱导激光准确作用于磁记录介质和 监控聚焦光斑与磁头相对位置；其结构分为两部分， 一部分利用 Spinstand的结构，直接搭建一个小平台于Spinstand上方，上面摆放 一台半导体激光器1及高分辨率CCD成像监控系统8。半导体激光 器l位于一个升降支架(图中未示)上，具有YZ二维调节功能。水
平出射的激光光束经过45度倾斜的加强铝全反射镜2反射，出射光 束垂直照射于磁盘盘片9的表面。
光学系统的另一部分固定于Spinstand的侧面，如图3所示。主 要包括一个小平台、多维宏微动结合调节架，多维宏微动结合调节架 由三维纳米移动台11和三维宏动调节支架12构成，分束镜3以及无 限共轭平场物镜4，其中无限共轭平场物镜4也充当激光聚焦镜，在 本发明里其放大率为40倍，数值孔径为0.6，工作距离为3.7mm。 分束镜3和无限共轭平场物镜4都固定在三维纳米移动台11上，而 三维纳米移动台11固定在三维宏动调节支架12上。经全反射镜2反 射下来的激光光束依次透过分束镜3和无限共轭平场物镜4,并聚焦 成微米量级(约为2士0.2^m)的小光斑照射在磁记录介质上表面。无 限共轭平场物镜4的功能有两个 一是聚焦；二是成像。由于其共轭 长度无限，因此在约3.7 mm的工作距离上，能同时达到聚焦和成像 功能，所以能实时监控聚焦光斑的真实聚焦情况。被盘片表面反射返 回的光束经过无限共轭平场物镜4后形成近似平行光，被无限共轭平 场物镜4上方的分束镜3反射进入带有无限共轭成像镜筒7的高分辨 率CCD成像系统8上成像。为了成像清晰和提高对比度，在分束镜 3和高分辨率CCD成像系统8之间再加入一个45度摆放的半透半反 镜5，引入发散的照明冷光源6以照亮记录介质上的背景，如图4所
不o
三维精密纳米移动台11的分辨率为XY方向为3.0 nm, Z方向 2.5 nm， XY方向最大行程为30pm， Z方向最大行程为25pm。通过 控制三维纳米移动台11，可以实现控制聚焦光斑在磁记录介质上的 小范围精确移动和聚焦效果。宏动台Z方向最大行程为150mm，分 辨率为2.5^im，是用于更换磁盘时抬升镜头以及激光聚焦粗调。无限 共轭成像镜筒7前后为一块平凸透镜和一块平凹透镜，镜筒通过一个 C型的转接环联接在CCD上，对于平行光成像。高分辨率CCD成像
系统8、无限共轭成像镜筒7、无限共轭平场物镜4三者构成一套无 限共轭显微成像系统。
经过聚焦后激光光斑尺寸(FWHM)约为2土0.2^im;经过对准后， 聚焦光斑和磁头10分置于磁记录盘片的上下两个表面。在写入过程 中引入诱导激光束，可暂时降低局部磁记录介质的矫顽力。因此，既 使使用较小的写入电流(写入场)或者更高各向异性能介质材料也可 进行磁记录写入操作。在本发明中，由于使用远场光学手段聚焦激光 束，激光光斑尺寸大于磁头的最小记录单元尺寸(约200nmxl00nm)。 但由于本发明的装置主要用于单轨道磁记录性能进行研究，因而研究 磁记录介质材料的物性和大部分动态读写性能。而通过三维纳米移动 台11和Spinstand的磁头定位和扫描轨道平均信号强度功能，可以方 便地找到诱导激光光斑的加热效果最佳的位置，并实现在约30pm范 围内激光光斑对磁头IO跟踪功能。
磁读写系统主要借助Guzik Spinstand 1701A+,其功能是模拟硬 磁盘动态读写过程；RWA2585主要是用于分析信号；配合各种磁记 录盘片，以及商用硬盘磁头，该磁测试系统能模拟硬盘的所有功能， 包括寻址，写入信号和读出信号。结合信号通道分析，Spinstand可 以用于测试各种磁盘和磁头10组合的动态读写性能。传统的Guzik Spinstand允许同时装载上下两个磁头，在双面都镀有磁性记录层的 盘片上进行双面读写。在运转过程中，磁头10与盘片表面距离仅为 十纳米量级。在本发明中，为了更方便地引入激光束，仅使用下磁头 IO进行读写。Guzik Spinstand 1701A+是为纵向磁记录设计的动态测 试仪，因此实验中使用的是纵向磁记录磁头。若要测试更高各向异性 能材料的磁记录介质，可在本发明装置中选用更高级别的Guzik Spinstand系统进行升级，整个系统的其它部分无需任何改动，就可 以实现垂直磁记录。
磁读写系统由一台专用的PC机控制，控制软件为Guzik
WITE32，用于完成各种功能的磁记录动态测试。光学系统由另一台 PC机控制，自行研发了控制软件，其功能包括三维纳米移动台11的 控制、405nm波长激光器的功率调节及CCD成像，配合Guzik WITE32 软件，可实现对激光诱导磁记录动态测试系统的自动控制并测量待测 磁盘的各种动态参数。
本发明为激光诱导磁记录动态测试方法及以此为基础研制的动 态测试系统。在其光学系统中选用了出射波长为405nm的半导体激 光器，其输出功率0 60mW连续可调。分束镜3在405nm波段反射 率/透射率比为30/70,以调节激光光束的功率分配，提高聚焦后诱导 激光光斑的功率密度，从而获得对磁记录介质足够的作用效果。在本 发明里，激光光束经过全反射镜2、分束镜3和无限共轭平场物镜4 等一系列光学元件后的功率约为21 ±0.01 mW，从而保证到达磁记录 介质的激光功率最高可达20 士0.01mW。在本发明的无限共轭显微成 像系统中，物镜放大倍数为40倍、数值孔径0.6。高分辨率CCD成 像系统8的成像单元为1/2英寸，有效像素为1620 x 1236，采集的 CCD信号通过Cameral Link接口传输到PC控制电脑，总放大倍数约 为4000倍，使用19寸显示器(分辨率设置为1280 x 1024)输出， 在装载透明玻璃盘片的情况下可以对盘片下表面的磁头读写单元清 晰成像。
为使诱导激光光斑精确作用于磁记录盘片上的磁头10写入位 置，激光光斑和磁头10必须进行对准，包括粗调和细调。粗调利用 CCD成像观察光斑位置和磁头IO读写单元相对位置。粗调过程中， 使用的是镀有润滑涂覆层的透明玻璃盘片替代不透明的记录用磁盘， 润滑层的作用是保证磁头10在高速转动的盘片上飞行时不会因摩擦 而损坏。由于磁头IO对静电很敏感，并且Spinstand工作状态下磁头 10到盘片表面的距离只有约十纳米量级，因此本发明装置必须放置 在超净化(10级)的环境中运行，符合磁记录动态测试的典型标准。
启动Spinstand测试功能后，玻璃盘片按照设定的转速高速转动 (2000 10000转/分)，磁头10接近磁盘盘片9并贴紧下表面，仅留 10nm的空气隙，通过WITE32软件，可以控制磁头10运动到磁盘 盘片9上的指定磁道。在背景冷光源的照射下，调节磁头10位置、 镜头位置和高低，直至在CCD视场中心清晰观察到磁头读写单元。 打开激光器并使用最小功率(约l~2mW)，可以在视场中观察到聚焦 在盘片上的激光光斑。调节磁头10位置(通过改变磁头所在轨道数)、 镜头位置(XYZ方向粗细调)，观察显示器上CCD成像，直到光斑 覆盖磁头读写单元，此时可以认为粗调完成。记录磁道号码，停止 Spinstand，然后升起物镜，将透明玻璃盘片更换为用于测试的高矫顽 力磁性介质盘片，准备在指定的磁道上进行激光诱导磁记录的动态测
试o
由于本发明装置需要运动的部件比较多，不可避免会存在一定的 机械误差，而光磁混合记录对光斑定位的要求很高，因此在动态测试
之前对光斑和磁头10进行再次细调对准十分重要，这对于确定聚焦 光斑最佳作用位置也十分有效。在提高激光功率的情况下，利用 Spinstand的TrackProfile测试功能进行对准的细调。TmckProfile测试 是对垂直磁道方向平均信号强度分布的测试， 一般对单条磁道进行测 试。为了细调聚焦激光光斑位置，在前面粗调得到的磁道附近区域 (-120pIn至120^iln)，每隔12pln写入一条低频信号。然后用 TrackProfile的扫描功能，将扫描范围设置在-120^iIn至120pln，步长 为lpln。设置激光功率等于O的情况下，得到每条磁道的信号强度几 乎不变；将激光功率逐步加大，重复上述写入和扫描的步骤，可以看 到某些磁道的信号强度开始增强。图5给出了激光功率为OmW和 21mW的磁道信号分布。可以看出，在第二条曲线中，加入激光后， 有诱导激光照射的区域信号明显增强，而没有诱导激光照射的区域， 信号基本保持不变；而诱导激光作用效果最好的位置，距离粗调时磁
头10位置偏离(offset=0nln)偏差A 25pIn。通过Spinstand调节磁 头10的轨道位置，或者利用三维纳米移动台11微调聚焦物镜的位置， 都可以达到A 0，此时信号增强最大，即在固定的轨道上实现诱导激 光光斑和磁头10的最佳对准位置。
因此，利用本发明的动态测试系统可成功实现激光诱导磁记录动 态测试的功能，并可以用于研究纵向或垂直磁记录介质磁盘的动态读 写性能。
权利要求
1. 一种激光诱导磁记录动态测试方法，主要运用磁存储介质的光频响应、热磁效应及巨磁阻(GMR)效应，实现光磁混合动态存储性能的动态测试，其特征在于它通过以下步骤来实现(1)采用激光诱导方式，选用波长为400～800nm、功率为0～60mW的激光作为热诱导光源，以确保诱导激光束经过光学系统后，到达记录介质时的激光功率为0～20±0.01mW可调；(2)采用直接成像监控系统，监控动态测试过程；(3)选择与光频相适应的磁记录介质制备的磁盘，置于以2000～10000转/分的转速旋转的动态测试系统中；(4)利用宏微结合的多维精密纳米移动台，通过运动控制器驱动伺服系统，实现诱导激光束与磁读写头的对准和光学聚焦，完成读写前的初始化；(5)采用磁场(纵向或垂直磁场)调制、巨磁阻磁头动态写读方式进行测试；(6)采用巨磁阻磁头读出记录信号。
2. 如权利要求1所述的激光诱导磁记录动态测试方法，其特征 在于所述诱导激光束和磁头分别置于样品磁盘盘片的上下两侧；所 述激光波长为特定的405nm、 435nm、 450nm、 635nm或650nm。
3.以权利要求1或2所述激光诱导磁记录动态测试方法的测试 系统，由光学系统、机械及运动控制系统、动态磁读写系统、计算机 控制及数据处理系统组成，其特征在于(1)所述光学系统包括激光光源、全反镜、分束镜、无限共轭平 场物镜、半反半透镜、照明冷光源、无限共轭成像镜筒、高分辨率 CCD探测器等部件；激光束经全反镜反射至分束镜，再由分束镜透 射经无限共轭平场物镜聚焦在样品磁盘上；盘片表面反射返回的光束经过物镜后形成近似平行光，被物镜上方的分束镜反射进入带有成像镜筒的高分辨率CCD探测器成像；所述半反半透镜呈45。置于分束 镜和CCD探测器之间，照明冷光源的发散光经半反半透镜反射至分 束镜，再由分束镜反射经无限共轭平场物镜照射在样品磁盘上；(2) 所述机械及运动控制系统为宏微结合的多维精密纳米位移平 台，其中包括三维宏动台、三维微动台和多维运动控制卡，所述多维 运动控制卡采用全闭环控制；(3) 所述动态磁读写系统的磁头与无限共轭平场物镜隔样品磁盘 相对，分置于样品磁盘上下两侧；(4) 所述计算机控制及数据处理系统通过数据线分别与上述光学 系统、机械及运动控制系统、动态磁读写系统相连接。
4.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于(1) 所述三维宏动台的分辨率为2.5nm (X) x2.5iom (Y) x2.5拜 (Z),最大行程为5mm (X) x5mm (Y) xl50mm (Z);(2) 所述三维微动台的分辨率为3.0nm (X) x3.0nm (Y) x2.5nm (Z)，最大行程为30nm (X) x30|xm (Y) x25拜(Z)。
全文摘要
本发明是激光诱导磁记录动态测试方法及测试系统，主要是运用磁存储介质对光频的选择响应、热磁效应及巨磁阻效应等，实现的一种超高密度高速、光磁混合动态存储技术方案。是目前光、磁存储技术发展领域中的创新方法与技术。采用一定波长及功率连续可调的激光为诱导热辅助光源，选择与光频相匹配的磁记录介质制成的盘片，在2000～10000转/分的转速下，利用磁场调制、巨磁阻磁头动态写读方式，在信息记录点处使介质在适当的磁场调制(水平磁记录或垂直磁记录)下实现磁畴翻转，从而实现激光诱导磁调制动态写入、擦除及读出。
文档编号G11B11/105GK101393764SQ20081020009
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者廖嘉霖, 晶 李, 金庆原, 魏慎金 申请人:复旦大学