飛秒激光在透明介質(zhì)中的三維光存儲研究.pdf

1、摘要論文指導教師:陳國夫 作者:劉青飛秒激光在透明介質(zhì)中的三維光存儲研究摘 要將一束能量為亞微焦量級， 中 心波長為8 0 0 n m ， 脈沖寬度 1 5 0 f s , 1 k H z 重復頻率的激光脈沖緊聚焦到透明 介質(zhì)體內(nèi)，導 致激光脈沖的能量被物質(zhì)非線性地吸收， 可以 在介質(zhì)體內(nèi) 形成一個亞微米尺度的永久性結(jié)構(gòu)改變區(qū)域。 介質(zhì)內(nèi) 結(jié)構(gòu)改變的性質(zhì)隨著入射激光脈沖能量的增加而不同: 從小的 折射率改變， 到形成微爆而導 致一個空腔

2、結(jié)構(gòu)。 通過這種空腔型位點 在介質(zhì)體內(nèi)的空間 排列， 可以實 現(xiàn)三維高密度光存儲。 物質(zhì)中的小折射率改變可以 用于多種光子器件的制作。本文主要針對目 前飛 秒激光三維光存儲研究中 存在的一些難題，開展了 一系列的研究工作， 具體研究內(nèi) 容及結(jié)果如下:( 1 ) 用激光放大器內(nèi) 調(diào)制的方法， 創(chuàng)新性地實 現(xiàn)了 對 1 k H z 的8 0 0 n m ,1 5 0 f s 脈沖激光的 數(shù)字信號調(diào)制。( 2 ) 建立了 一套可用于 “ 飛秒

3、脈沖在透明介質(zhì)中三維光存儲寫/ 讀演示”的光、機、電一體化系統(tǒng)。 此系統(tǒng)也可以 用來進行飛秒脈沖激光對物質(zhì)的微加工和光子器件的 制作工作。( 3 ) 觀測了 不同 能量的 激光脈沖在P M M A和熔融石英玻璃介質(zhì)中 不同深度處所形成的 損傷形態(tài)、能量損傷閩值，以 及在介質(zhì)中形成高信噪比 損傷位點的深度范圍。并從理論上分析和解釋了 在實驗中觀察到的各種非線性現(xiàn)象。( 4 ) 在國際上首次實現(xiàn)了 “ 飛秒激光脈沖在透明介質(zhì)中三維光存儲”的

4、實用性演示。 針對C C D并行讀出的方法設計了 三維存儲格式;通過控制三維移動平臺的移動與調(diào)制系統(tǒng)的同步， 數(shù)據(jù)的 編碼和解碼、 計算機圖像處理、 數(shù)據(jù)位點的 識別等工作， 在P M M A中 完成了 二進制數(shù)據(jù)三維光存儲的多層寫入和準確讀出的 演示。 每層中 存儲位點的 點間 距均為1 5 1 u n ， 層間 距為1 5 w m ， 共 存 儲了5 層7Ab s t r a c tI n v e s t i g a t i o n

5、 o f t h e T h r e e - D i m e n s i o n a l O p t i c a l S t o r a g e i nT r a n s p a r e n t Ma t e r i a l U s i n g F e m t o s e c o n d L a s e r P u l s e sL i u Q i n g ( O p t i c s )D i r e c t e

6、 d b y C h e n G u o - f uAb s t r a c tA n i n t e n s e f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e w i t h n J e n e r g y , 8 0 0 n m ,r a t e o f 1 - k H z i s t i g h t l y f o c u s e d i n s i d e

7、 t h e m a t e r i a l , i1 5 0 - f s a t r e p e t i t i o nn d u c i n g t h e e n e r g yo f p u l s e a b s o r b e d b y m a t e r i a l , l e a v i n g a p e r m a n e n t s t r u c t u r e c h a n g

8、e s w i t hs u b - m i c r o m e t e r p r e c i s i o n i n t h e m a t e r i a l . T h e s i z e o f t h e s t r u c t u r e i n c r e a s e s w i t h t h ee n e r g y o f l a s e r p u l s e 一 f r o m

9、 s m a l l d e n s i t y v a r i a t i o n s , t o v o i d s . T h e a r r a y o f t h e s ev o i d s i n d i f f e r e n t l a y e r s i s l o c a l i z e d i n s i d e t h e b u l k o f t h e m a t e

10、 r i a l ,t h r e e - d i m e n s i o n a l o p t i c a l s t o r a g e i s r e c o r d e d i n s i d e t h e s a m p l e . T h e r e f r a c t i v e i n d e xc h a n g e s c a n b e u s e d f o r m i c r

11、o m a c h i n i n g a n d f a b r i c a t i o n s o f o p t i c a l d e v i c e s .I n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e m a i n a i m i s t o s t u d y e x p e r i m e n t a l l y s o m e d i f i c

12、 u l tp r o b l e m i n t h r e e - d i m e n s i o n a l h i g h - d e n s i t y o p t i c a l s t o r a g e i n t r a n s p a r e n t m a t e r i a l su s i n g f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e . T

13、 h e c o n t e x t a n d c o n c l u d e i s s u m m a r i z e d a s f o l l o w :( 1 ) A c r e a t i v e w o r k t h a t a t r a i n o f l a s e r p u l s e s w i t h I k H z f r e q u e n c y i sm o

14、 d u l a t e d b y d i g i t a l s i g n a l i s a c h i e v e d f o r t h e f i r s t t i m e .( 2 ) I t i s s e t 即a s y s t e m t o w r i t e a n d r e a d , i n c l u d i n g a s o f t w a r e s y

15、 s t e m a n d ah a r d w a r e s y s t e m . T h i s s y s t e m c a n b e u s e d f o r m i c r o m a c h i n i n g a n df a b r i c a t i o n s o f o p t i c a l d e v i c e s .( 3 ) I t i s i n v e s

16、t i g a t e d f o r p u l s e w i t h d i f f e r e n t e n e r g y , t h e b u l k s t r u c t u r a lc h a n g e m o r p h o l o g y i n s i d e P M M A ( p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ) a n

17、 d f u s e ds i l i c a i n d u c e d b y t i g h t l y f o c u s e d f s l a s e r p u l s e s , a n d t h e s c a l e c h a n g e o ft h e v o x e l s w i t h d i f e r e n t d e p t h b e n e a t h