立足传统学科优势 开辟学科新领域
清华大学精密仪器与机械学教授 徐端颐
光/热效应型光盘读写擦技术及系统是光学数字式数据（光盘）存储及光盘系统中的核心技术，也是当今光盘存储主流产品使用的前沿技术。目前国内外大规模生产的CD-R，CD-RW，DVD-R及DVD-RW光盘和光盘机都是根据此原理设计制造的。此项成果无论是对我国掌握光存储技术或我国光盘工业的发展都产生了深远的影响，为光学及精密机械技术的应用开辟了一个新的领域。此项研究开发工作前后历时十五年，经历了漫长曲折的道路，回顾其过程，或许对调整传统学科研究方向,开辟交叉学科新应用领域和高建设新技术产业有一定参考价值。
我校提出用纯光/热效应原理进行数据存储的研究是在1979年，当时国际上光盘存储的主流研究方向是以磁光原理为基础的光存储技术。以磁/光原理为基础的光存储技术为基础的光盘存储系统虽然存在结构较复杂，记录介质选择余地较少等缺点，但此技术已有良好的研究基础，有大量的文献可供参考，成功的把握大，技术风险较小。因此，当我校提出这一研究项目的建议时，基本上得不到社会支持，其原因除了技术上偏离国际主流研究方向外,更重要的是国内一般单位没有这样的实验研究条件，没有试验依据,论据不够充分。
我校是依靠自筹资金和改装旧设备开展这项研究的。我校之所以能走出这一步，率先采用纯光/热效应原理进行数字式数据存储的研究，是因为我校精密仪器系，微细工程研究所过去在光学微细加工方面拥有雄厚的研究基础和技术积累。曾经系统研究开发了用于大规模集成电路制造的各种不同类型的光学微细加工设备，在光与物质相互作用、光束超精细聚焦、自动调焦、自动寻址等交叉学科方面都有较多的经验，并拥有不可多得的自制光、机、电一体化设备的能力。所以我校立足于已有的条件，发挥建立在交叉学科基础之上的光学微细加工技术优势，在较短的时间内完成了光/热效应记录信息的原理实验系统的研制，并开展了高密度精密聚焦光束与物质相互作用的实验研究。在平面二维点源曝光系统中进行可逆差光学数字式数据存储实验取得了重要突破，并于1983年完成了国内第一台可擦写光学数字式数据存储系统，成为当时国内唯一的，也是国际第一次公开的光/热效应型信息写入、读取与擦除实验装置。此阶段成果得到了社会及国家主管部门的肯定，奠定了我校在研究领域的基础。
当然，将用于集成电路制造的光学微细加工技术转移到光信息存储时也不是没有困难的。从表面上看光存储所用的技术基本上与集成电路制造中的技术相似（80年代初光存储的研究目标也是0.8微米），所以相应的其他相关技术的指标，如自动调焦、寻址跟踪等要求的精度的确也大体相同（也在0.1-0.2微米量级）。最大的问题在于使用环境完全不同！集成电路制造设备的工作是在有防震、恒温、恒湿及特殊供电的环境中工作，而光盘机作为计算机的外部设备和家用电器，不仅不可能恒温、恒湿、防震，光盘机还需要满足用于汽车或个人携带有突发振动的恶劣环境。要求在这种条件下把直径不到0.8微米、焦深允差不到0.2微米的光点，将信息精确的记录在间距为1.6微米，厚度为1微米高速旋转的记录介质上,并能适实读取，技术难度可想而知。不可能简单的技术移置。
我校经过整整10年的时间去解决将一种传统技术移植到另一新领域存在的普遍问题。例如原来用于投影光刻机的精度为0.2微米的自动调焦系，体积达9000立方厘米，自重达数公斤。而用于光盘的同样精度的自动调焦系统，体积为16立方厘米，自重仅24克（今后还要进一步减小到5克以内）。实际上不仅是外形尺寸及重量的改变，结构原理都发生了变化。当然这种涉及核心技术的改变，反过来又推动了传统光学－精密机械技术的发展。本项目在被列入国家重点科技攻关计划后，我校又相继完成了下列重要研究课题：1）晶态与非晶态介质在不同波长和能量密度的光束作反复作用下光学性能变化；2）微区热场梯度分布对读取信号S/N的影响；3）不同波长激光束的隔离及同一波长激光束相干噪音的抑制；4）精密聚焦光束焦面附近能量分布的计算与数学模拟；5）以光束通过不同媒体和系统后的综合空间传递函数分析计算代替传统的光学计算方法进行设计，提高系统实际分辨率；6）系统中光学元件加工精度及位置误差引起的噪声分析与抑制等，使我校在这一领域的研究工作跃居国际先进行列，为这项发明奠定了基础。这些技术还被用在我校研制的多种光盘机、光盘库、光盘阵列及光盘测试设备，获国家教委、北京市部委级科技进步奖3项。其中部分成果被用于生产，建立了清华同方光盘股份有限公司，为我校高科技产业的建设作出了一定贡献。与此同时，随着将光学技术用于数字式数据存储的深入研究，使得光学－精密机械技术本身也得到新发展。例如用标量衍射理论来分析解释超高密度光信息存储读出的信号、用经典的概率论来分析光盘阵列存储数据的可靠性时都存在很大误差，所以随着研究工作的不断深入，学科本身也得到很大发展。
此外，纯光/热效应型光盘读写擦技术及系统的研究，不仅拓宽了光存储介质的范围而且从根本上解决了可擦除、写入后不可擦和只读型三类光盘机结构的统一和简化问题，以此为基础1990年完成的国家“七五”重点科技攻关项目:“相变可直接改写光盘机” 的研制，该机的记录密度为16Mb/mm2,盘容量为1500MB，达到当时世界先进水平，并使我国成为世界上掌握这一技术的两个国家之一。此后，我校继续深入进行纯光/热效应型光盘读写擦技术及系统的研究。改进光学头的结构，使可用记录介质的类型从晶态与非晶态介质扩大到其他无机和有机材料，并相继完成了用同一光学头对可擦，不可擦及只读型光盘的实验以及多功能光盘机的设计研究。这些技术大部分为国际首创，拥有10余项国家发明专利，达到国际先进水平，95年“光/热效应型光盘读、写、擦除技术及系统”获国家发明二等奖。同时，由于我校在光盘存储技术领域的领先地位，国家计委决定在我校设立光盘国家工程研究中心，成为国内最大的光盘技术研究开发基地，为不断扩大推出各种类型的具有国际水准的系列新产品奠定了良好基础。1999年底科技部还批准了以我校为首申报的国家重点基础研究“973”项目“超高密度光存储基础研究”计划，是对过去我校研究工作的肯定，同时为本学科的发展勾画了又一幅新蓝图。
