專利名稱：激光輔助縱向磁頭對垂直記錄介質磁盤的動態(tài)存儲方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光輔助縱向磁頭實現(xiàn)垂直記錄介質磁盤的動 態(tài)存儲方法，屬于磁學、光學及信息存儲技術領域。
背景技術：
磁記錄系統(tǒng)，包括硬磁盤和磁帶驅動器，是信息存儲的核心技術
之一。磁記錄技術發(fā)明至今已經(jīng)有一百多年。自上世紀50年代起， 磁記錄技術發(fā)展迅速。特別是進入90年代后，由于磁電阻磁頭的應 用，硬磁盤驅動器的記錄密度，容量和存取速度都有大幅度的提升， 是當今計算機系統(tǒng)里最重要的信息存儲方式。
硬磁盤記錄系統(tǒng)有一個非常重要的性能指標是盤片上單位面積 能容納的信息量。為了提高記錄面密度，必須縮小記錄單元的尺寸， 相應地磁頭讀寫單元的尺寸和靈敏度也必須改進。目前硬磁盤驅動器 使用的記錄介質中的磁性記錄層是連續(xù)顆粒薄膜，每個記錄單元內包 含多個磁化方向一致的磁性單疇晶粒。由于磁信號主要表現(xiàn)為相鄰記 錄單元的磁化方向，為了達到一定的信噪比，要求每個記錄位內必須 包含一定數(shù)目的單晶顆粒。因此，在提高面密度的同時保持適當?shù)慕?質信噪比，就必須減小磁性晶粒的尺寸。然而，減小尺寸帶來的問題 是隨著磁性顆粒的減小，被記錄的磁矩變得容易受熱擾動的影響。對 于特定的某種材料而言，當顆粒體積達到某個臨界值以下，顆粒的磁 矩將無法固定在一個方向，而會做隨機的轉動^i^就是超順磁現(xiàn) 象。
對于一個體積為F的單疇磁性顆粒而言，在熱擾動的情況下為了 保持其磁矩的方向，要求其磁晶各向異性能i^必須遠大于熱能&r。 對于磁記錄系統(tǒng)而言，為了達到常規(guī)的信息保持壽命， 一個典型的標 準是
各向異性能取決于介質材料的選擇，而顆粒體積^隨著記錄單元尺寸 的縮小而縮小，并且為了保持一個比較高的信噪比(SNR)，每個記 錄單元內的顆粒數(shù)iV必須足夠大，因為SNR與7V之間存在比例關系， 大概在A^到W之間。因此，為了提高記錄密度，需要尋找更高磁各 向異性的介質材料。然而各向異性能K不能任意提高，因為隨著《 增加，改變介質磁化方向所需的平均翻轉場也相應增加，所以要求感 應式磁頭的寫入磁場也必須增加。在已知的磁頭材料中，最高的飽和 磁化強度為J^ 1^^ ，所以在寫入過程中，介質的各向異性常數(shù)X
/ 〃0
嚴格受限于磁頭的最大輸出磁場。目前硬盤磁記錄主流已發(fā)展為垂直 磁記錄，其記錄單元磁化方向垂直于盤片表面，這樣既能提高記錄單 元的熱穩(wěn)定性，并且因采用了單極磁頭，更能充分地利用磁頭寫入場。 但隨著記錄密度進一步提高(> 500 Gbit/in2)，垂直磁記錄也將遇到 寫入困難的瓶頸。
對于鐵磁性材料，當溫度升高到接近居里溫度時，其各向異性能 《降為0，而通常記錄介質所用的Fe、 Co、 Ni合金的居里溫度一般
高出室溫幾百度。根據(jù)這一特性，假設介質材料的《(r)從室溫升高
到居里溫度的變化過程是單調下降，那么可以預期7(7V尺(7^/V7 在室溫時處于高值，隨著介質溫度的升高將變小，甚至等于零。如果 在磁記錄寫入的瞬間局部加熱介質，使得介質局部的矯頑力下降到磁 頭可以寫入的水平，在完成記錄之后，介質快速冷卻重新保持其高的 各向異性，即可解決高密度磁記錄的熱穩(wěn)定性和寫入能力的矛盾。這 一過程稱為熱磁記錄，其原理在磁光記錄(MO)中已有應用，并在 上世紀80年代成功推出商業(yè)產(chǎn)品。熱磁記錄又稱為光磁混合存儲、 熱輔助磁存儲(HAMR)、光輔助磁記錄等，是近年來磁存儲領域的
一個研究熱點，有希望成為突破傳統(tǒng)磁記錄超順磁極限的新型記錄方
式，使得磁記錄面密度達到Tbit/in2的量級。
盡管HAMR的實際應用還存在許多問題，特別是關于磁頭寫入 單元的設計和集成，其加熱方式涉及近場光學手段，但作為起步階段 的研究，利用遠場光學的方法為介質提供加熱誘導，用于研究介質材 料特性和模擬熱磁記錄過程是一個方便和有效的手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在利用現(xiàn)有技術條件，在無需升級到垂直磁記錄系統(tǒng)的 情況下，實現(xiàn)激光輔助縱向磁頭記錄垂直記錄介質磁盤的方法。
本發(fā)明的技術方案是激光輔助縱向磁頭對垂直記錄介質磁盤的 動態(tài)存儲方法，基于激光誘導磁記錄原理，它通過以下步驟來實現(xiàn)
(1) 利用縱向磁頭一端的垂直磁場分量作為磁記錄場；
(2) 采用激光誘導方式，選用波長為405nm的激光作為誘導光源；
(3) 采用一個無限共軛平場物鏡作為聚焦鏡，對誘導激光的光束 進行聚焦，形成亞微米直徑的誘導光斑；所述激光束和縱向磁頭分別 置于記錄磁盤盤片的上下兩側。
(4) 以物鏡、分束鏡、成像鏡筒和CCD探測器共同組成成像監(jiān)控 系統(tǒng)，其總放大倍數(shù)約為4000倍，可監(jiān)控光斑大小和位置以實現(xiàn)與 磁頭端寫入單元的對準；
(5) 利用宏微結合的多維精密納米移動臺，通過運動控制器驅動 伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)誘導激光束與磁讀寫頭的對準和光學聚焦，完成讀寫 前的初始化；
(6) 在405nm波長激光聚焦光斑的誘導作用下，局部加熱以 2000-10000轉/分高速旋轉的垂直記錄介質磁盤，從而實現(xiàn)縱向磁頭 一端的垂直磁場分量對磁信息的寫入。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點①利用縱向磁頭一端的垂直磁場分量作為
磁記錄場在誘導激光作用下對垂直記錄介質磁盤進行動態(tài)存儲，有效 利用了縱向磁頭，大大降低了建立垂直磁記錄系統(tǒng)所需的資金投入， 從而有效降低了超高密度磁盤的測試成本，同時提高了現(xiàn)有設備的利
用率；②由于誘導激光束聚焦在磁寫入點處，使得磁記錄介質局部 迅速升溫，可暫時降低局部磁記錄介質的矯頑力，因此，即使使用較 小的寫入電流(產(chǎn)生寫入場)或者更高各向異性能介質材料也可完成 磁記錄寫入操作，從而實現(xiàn)超高密度的存儲性能測試。③采用宏微 結合的三維精密納米移動臺驅動光學頭，可以更精確地實現(xiàn)光頭與磁 頭的準直和聚焦伺服，有利于激光束更準確地聚焦于磁記錄點。④由 于采用光學頭與磁頭分置于盤片兩側，使得信息記錄點的大小，既可 由誘導激光束的光斑大小來確定(即"小光斑"技術)，利于改善磁存 儲密度，又可由記錄磁頭寫入部分的尺寸來確定(即"大光斑"技術)， 以簡化光學輔助系統(tǒng)，易于實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明激光輔助縱向磁頭對垂直記錄介質磁盤的動態(tài)存 儲方法的方框原理圖2是利用本發(fā)明方法對單條磁道的Tmckprofile測試曲線； 圖3是利用本發(fā)明方法對單條磁道的Saturation Curve測試曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明激光輔助縱向磁頭對垂直記錄介質磁盤的動態(tài)存儲方法 的原理如圖1所示，它利用傳統(tǒng)的Guzik Spinstand磁盤動態(tài)測試儀， 結合自行設計和搭建的光學平臺，利用縱向磁頭一端的垂直磁場分量 作為新的磁記錄場，在約2±0.2^im直徑的405nrn波長激光聚焦光斑 的誘導作用下，局部加熱高速旋轉(2000 10000轉/分)的垂直介質 磁盤，在信號寫入的過程中有效降低磁記錄介質的矯頑力，從而實現(xiàn) 縱向磁頭一端的垂直磁場分量對磁信息的寫入。
使用本發(fā)明方法建立動態(tài)測試系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)(包括激光光 源、分束器、無限共軛平場物鏡、半反半透鏡、無限共軛成像鏡筒及
CCD探測器等部件)、機械系統(tǒng)(宏微結合的三維精密納米位移平臺 [三維宏動臺分辨率為2.5pm (X) x2.5pm (Y) x2.5nm (Z)，最大 行程為5mm (X) x5mm (Y) xl50mm (Z);三維微動臺分辨率為 3.0腿(X) x3.0腿(Y) x2.5腦(Z)，最大行程為30拜(X) x30nm (Y) x25nm (Z)]及運動控制器)、磁學系統(tǒng)(GUZIK動態(tài)磁讀寫 系統(tǒng))以及計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四部分構成。其四部分的基本 特征與功能如下1)光學系統(tǒng)主要對誘導激光光束進行分束探測、 準直、聚焦，以實現(xiàn)對誘導激光束和光斑的尺寸和能量的實時控制及 監(jiān)測；2)機械系統(tǒng)主要進行(光學頭輸出的)誘導激光束與磁讀寫 頭的準直和調焦，以實現(xiàn)光頭與磁頭的跟蹤伺服和聚焦伺服。具體采 取縱向磁頭下置、激光輔助部件上置的組合方式，這里要求雙頭同軸 并嚴格垂直于盤片，磁頭與盤片相對位置固定，光學頭與磁頭及盤片 相對位置在X、 Y、 Z軸方向三維可調以實現(xiàn)跟蹤及聚焦伺服；3)磁 學系統(tǒng)是Guzik Spinstand 1701A+，其功能是模擬硬磁盤動態(tài)讀寫過 程；RWA 2585,主要用于是分析信號；配合各種磁記錄盤片，以及 商用硬盤磁頭，該磁學系統(tǒng)能模擬硬盤的所有功能，包括尋址，寫入 信號和讀出信號。磁學系統(tǒng)主要實現(xiàn)與磁頭的動態(tài)讀寫功能相關的運 動、定位、數(shù)據(jù)采集及處理；4)計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為以上 三部分的控制中心，具有數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測及系統(tǒng)控制功能，以確保實 現(xiàn)整個動態(tài)測試系統(tǒng)按照指令運行。
傳統(tǒng)的Guzik Spinstand允許同時裝載上下兩個磁頭，在雙面都鍍 有磁性記錄層的盤片上進行雙面讀寫。在運轉過程中，磁頭與盤片表 面距離僅為十納米量級。在本發(fā)明中，為了更方便地引入激光，我們 僅使用下磁頭進行讀寫。Guzik Spinstand 1701A+是為縱向磁頭設計的 動態(tài)測試儀，因此我們只能使用縱向磁記錄磁頭，但為了測試更高各
向異性能材料的磁記錄介質，在本發(fā)明的測試方法中，采用了自行定 制的垂直磁記錄介質磁盤，而非縱向磁記錄介質磁盤。在透明玻璃盤 基上，只鍍制單面垂直磁性記錄介質層，并加蓋潤滑層以便磁頭讀寫。 利用縱向磁頭寫入場的垂直分量最終實現(xiàn)垂直磁記錄。
該系統(tǒng)的光學系統(tǒng)部分中的半導體激光器輸出405nrn波長的激 光束(束徑約lmm)，輸出功率0 60mW連續(xù)可調。激光束經(jīng)過全 反鏡，分束鏡和平場物鏡等光學元件后，到達測試磁盤盤面的功率約 為0 21mW連續(xù)可調。經(jīng)過聚焦后激光光斑尺寸(FWHM)可控制 在約為2i0.2pm，經(jīng)過精確對準后，聚焦光斑和磁頭分置于記錄盤片 的上下兩側，激光光斑覆蓋磁頭寫入?yún)^(qū)。在寫入的過程中加入誘導激 光可暫時降低局部磁介質的矯頑力，因此，既使使用較小的寫入電流 (產(chǎn)生寫入場)或者更高各向異性能介質材料也能完成磁記錄寫入操 作。單條磁道的Tmckprofile測試曲線如圖2所示，用于分析在垂直 磁道方向信號的分布。對單條磁道的Saturation Curve測試曲線如圖3 所示，用于測試隨著寫入電流的提高，寫入信號強度的變化。在本發(fā) 明中，使用遠場光學手段聚焦激光束，激光光斑尺寸大于Spinstand 最小記錄單元尺寸(約200 nmxl00 nm),從而使誘導激光光斑與磁 頭的準直更加方便。再通過多維精密納米移動臺和Spinstand的磁頭 定位和掃描軌道平均信號強度功能，可以方便地尋找到聚焦光斑誘導 效果最佳的位置，通過物鏡、分束鏡、成像鏡筒和CCD共同組成成 像監(jiān)控系統(tǒng)，其總放大倍數(shù)約為4000倍，可監(jiān)控光斑大小和位置以 實現(xiàn)與磁頭端寫入單元的對準，實現(xiàn)在約3(Him范圍內激光光斑對磁 頭的跟蹤功能。因此，本發(fā)明中可以在不對Guzik Spinstand縱向磁頭 磁記錄系統(tǒng)進行升級的情況下，順利進行針對垂直磁記錄介質盤片的 寫入與讀出，確保了本發(fā)明的測試方法的成功實施。同時，節(jié)省了大 量資金。
下面結合具體實驗過程對本發(fā)明進一步描述
實驗開始時，為了使得激光光斑精確作用于磁頭寫入的位置，激
光光斑和磁頭必須進行對準。啟動Spinstand測試功能后，玻璃盤片 按照設定的轉速(2000 10000轉/分)高速轉動，磁頭接近盤片并貼 緊下表面，僅留約10nm空氣隙，通過WITE32軟件，可以控制磁頭 運動到盤片上的指定磁道。在背景冷光源的照射下，調節(jié)磁頭位置， 鏡頭位置和高低，可以在CCD視場中心清晰觀察到磁頭讀寫單元。 打開激光器并使用最小輸出功率(約l~2mW)，可以在視場中觀察到 聚焦在盤片上的激光光斑。調節(jié)磁頭位置(通過改變磁頭所在軌道 數(shù))、鏡頭位置(XYZ方向粗調)，觀察顯示器上的CCD成像，直到 光斑覆蓋磁頭讀寫單元，此時可以認為粗調完成。記錄磁道號碼，停 止Spinstand,升起物鏡，將透明玻璃盤片更換為用于測試的高矯頑 力垂直磁記錄介質盤片，準備在指定的磁道上進行激光誘導縱向磁頭 對垂直磁記錄介質盤片的動態(tài)存儲測試。
TmckProfile測試是對垂直磁道方向平均信號強度分布的測試， 一般對單條磁道進行測試。為了細調誘導激光作用位置，我們在粗調 中得到的磁道附近區(qū)域(-120 pln至120 pln)，每隔12 pln寫入一條 低頻信號。然后用TmckProfile的掃描功能，將掃描范圍設置在-120 pin至120 pln，步長為l pln。在激光輸出功率等于0的情況下，得 到每條磁道的信號強度幾乎不變；將激光功率加大，重復上述寫入和 掃描的步驟，可以觀察到某些磁道的信號強度開始增強。
如圖2、圖3所示，為完成激光光斑和磁頭細調對準后，對于單 條磁道的動態(tài)測試結果。圖2為對單條磁道做的TrackProfile測試， 在經(jīng)過信號擦除的介質區(qū)域，不加入激光的情況下，以較低的電流
(15mA)寫入一定頻率的磁信號，通過小范圍掃描得到磁道平均信 號強度分布(-50pIn至50pln，掃描步長0.3|iln);加入誘導激光
(20mW)，重復上述步驟寫入相同的信號，采用同樣的掃描范圍和 步長得到第二條磁道信號強度分布。從圖上可以看出，對于高矯頑力
的垂直磁記錄介質，激光熱誘導使其信號顯著增強。
圖3為激光誘導磁記錄的飽和曲線測試結果。飽和曲線測試是對 于單一磁道，以不同的電流寫入信號，在低電流的情況下，由于磁頭 的寫入場比較小，對于高矯頑力的介質磁化不充分，因此信號較低； 隨著寫入電流的增大，介質被磁化達到飽和，因此讀出信號也趨于飽 和。從圖3可以看出，加入誘導激光(20mW)后，不僅軌道整體信 號強度增加，而且飽和磁化所需要的電流也減小了。即在誘導激光光 斑的作用下，以較小的寫入電流，即可飽和磁化記錄介質，符合激光 誘導縱向磁頭實現(xiàn)對垂直磁記錄介質盤片的存儲要求和預期。
對于高矯頑力(>6kOe)并且垂直各向異性的磁記錄介質，利用 縱向磁記錄磁頭和誘導激光，可以成功實現(xiàn)激光誘導磁存儲的功能， 并可以用于研究垂直磁記錄介質的動態(tài)讀寫性能
權利要求
1. 一種激光輔助縱向磁頭對垂直記錄介質磁盤的動態(tài)存儲方法，基于激光誘導磁記錄原理，其特征在于它通過以下步驟來實現(xiàn)(1)利用縱向磁頭一端的垂直磁場分量作為磁記錄場；(2)采用激光誘導方式，選用波長為405nm的激光作為誘導光源；(3)采用一個無限共軛平場物鏡作為聚焦鏡，對誘導激光的光束進行聚焦，形成亞微米直徑的誘導光斑；(4)以物鏡、分束鏡、成像鏡筒和CCD探測器共同組成成像監(jiān)控系統(tǒng)，其總放大倍數(shù)約為4000倍，可監(jiān)控光斑大小和位置以實現(xiàn)與磁頭端寫入單元的對準；(5)利用宏微結合的多維精密納米移動臺，通過運動控制器驅動伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)誘導激光束與磁讀寫頭的對準和光學聚焦，完成讀寫前的初始化；(6)在405nm波長激光聚焦光斑的誘導作用下，局部加熱以2000～10000轉/分高速旋轉的垂直記錄介質磁盤，從而實現(xiàn)縱向磁頭一端的垂直磁場分量對磁信息的寫入。
2. 如權利要求1所述的動態(tài)存儲方法，其特征在于所述激光 束和縱向磁頭分別置于記錄磁盤盤片的上下兩側。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光輔助縱向磁頭實現(xiàn)垂直記錄介質磁盤的動態(tài)存儲方法，屬于磁學、光學及信息存儲技術領域。該方法基于激光誘導磁記錄原理，利用縱向磁頭一端的垂直磁場分量作為新的磁記錄場，在約2±0.2μm直徑的405nm波長激光聚焦光斑的誘導下，局部加熱高速旋轉的垂直記錄介質磁盤，在信號寫入的過程中有效降低磁記錄介質的矯頑力，從而實現(xiàn)縱向磁頭一端的垂直磁場分量對磁信息的寫入。本發(fā)明提供了一種無需升級磁記錄動態(tài)測試系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)激光輔助縱向磁頭記錄垂直記錄介質磁盤的有效手段，可有效降低系統(tǒng)成本，同時提高了現(xiàn)有設備的利用率。
文檔編號G11B5/02GK101393746SQ20081020009
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權日2008年9月18日
發(fā)明者廖嘉霖, 晶 李, 金慶原, 魏慎金 申請人:復旦大學