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飞秒激光在透明介质中的三维光存储研究

作　者: 刘青
导　师: 陈国夫
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学
关键词: 飞秒脉冲三维光存储透明物质非线性电离衍射光栅
分类号: TN24
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

将一束能量为亚微焦量级，中心波长为800nm，脉冲宽度150fs，1kHz重复频率的激光脉冲紧聚焦到透明介质体内，导致激光脉冲的能量被物质非线性地吸收，可以在介质体内形成一个亚微米尺度的永久性结构改变区域。介质内结构改变的性质随着入射激光脉冲能量的增加而不同：从小的折射率改变，到形成微爆而导致一个空腔结构。通过这种空腔型位点在介质体内的空间排列，可以实现三维高密度光存储。物质中的小折射率改变可以用于多种光子器件的制作。本文主要针对目前飞秒激光三维光存储研究中存在的一些难题，开展了一系列的研究工作，具体研究内容及结果如下： (1)用激光放大器内调制的方法，创新性地实现了对1kHz的800nm，150fs脉冲激光的数字信号调制。 (2)建立了一套可用于“飞秒脉冲在透明介质中三维光存储写/读演示”的光、机、电一体化系统。此系统也可以用来进行飞秒脉冲激光对物质的微加工和光子器件的制作工作。 (3)观测了不同能量的激光脉沖在PMMA和熔融石英玻璃介质中不同深度处所形成的损伤形态、能量损伤阈值，以及在介质中形成高信噪比损伤位点的深度范围。并从理论上分析和解释了在实验中观察到的各种非线性现象。 (4)在国际上首次实现了“飞秒激光脉冲在透明介质中三维光存储”的实用性演示。针对CCD并行读出的方法设计了三维存储格式；通过控制三维移动平台的移动与调制系统的同步，数据的编码和解码、计算机图像处理、数据位点的识别等工作，在PMMA中完成了二进制数据三维光存储的多层写入和准确读出的演示。每层中存储位点的点间距均为2.5μm，层间距为15μm，共存储了5层飞秒激光在透明介质中的三维光存储研究数据信息。存储密度达到10‘、its/c m3。以存储厚度为1~计算，一张与直径为120rnrn的CD光盘同样存储面积的这种存储盘，其存储容量比现在的光盘存储容量大1600多倍。(5)利用损伤阂值附近能量的飞秒激光脉冲序列进行了衍射光栅的制作。获得了有一定衍射效率的相位型衍射光栅，并对其结果进行了相应的数值拟合计算。提出了提高衍射效率的主要途径。关键词:飞秒脉冲;三维光存储;透明物质;非线性电离;衍射光栅

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第一章引言  13-21
  §1．1 超短脉冲激光的应用领域  13-15
  §1．2 研究背景和动机  15-16
  §1．3 本文安排  16-18
  参考文献  18-21
第二章透明介质中的超短激光脉冲  21-38
  §2．1 光在介质中的线性传播  21-23
  §2．2 光在介质中的非线性传播  23-26
    2．2．1 非线性折射率  24-25
    2．2．2 自聚焦  25-26
  §2．3 强激光导致物质的非线性电离  26-30
    2．3．1 非线性光电离  26-28
    2．3．2 雪崩电离  28-30
    2．3．3 等离子体的自由载流子吸收  30
    2．3．4 等离子体离焦  30
  §2．4 激光在透明物质中导致的损伤  30-33
    2．4．1 长脉冲  31-32
    2．4．2 短脉冲  32-33
  §2．5 超短脉冲激光系统  33-35
  参考文献  35-38
第三章飞秒激光脉冲导致透明介质的体结构改变  38-62
  §3．1 引言  39-41
  §3．2 对透明介质中形成的结构改变形态的观察  41-49
    3．2．1 皮秒激光脉冲在透明介质中形成的损伤  41-44
    3．2．2 150fs激光脉冲在透明介质中形成的结构改变  44-48
    3．2．3 讨论  48-49
  §3．3 激光能量在透明介质中的沉积  49-53
    3．3．1 小的折射率改变  51-52
    3．3．2 圆锥形结构  52
    3．3．3 空腔  52-53
  §3．4 讨论  53-57
    3．4．1 短脉冲激光与透明介质的相互作用  53
    3．4．2 多光子电离与雪崩电离  53-55
    3．4．3 自聚焦阈值及其对非线性电离的影响  55-57
  参考文献  57-62
第四章在透明介质中写入多层损伤位点阵列  62-83
  §4．1 引言  62-63
  §4．2 各种三维光存储技术  63-69
    4．2．1 双光子吸收存储  64-65
    4．2．2 光谱烧孔光存储  65-66
    4．2．3 激光全息存储  66-67
    4．2．4 飞秒脉冲在透明介质中的三维光存储  67-69
  §4．3 不同深度处形成的损伤位点实验  69-76
    4．3．1 实验装置  70-71
    4．3．2 透明介质中不同深度处微爆型损伤位点的测量  71-76
  §4．4 透明介质中三维空间上的多层损伤位点阵列  76-79
  §4．5 串行读出的可行性实验  79-80
  §4．6 结论  80-81
  参考文献  81-83
第五章飞秒激光三维光数据的存储和读出  83-100
  §5．1 飞秒激光在透明介质中的三维光存储的写入、读出系统  83-85
  §5．2 飞秒脉冲激光的数字信号调制  85-87
    5．2．1 飞秒经过脉冲的信号调制原理  85-86
    5．2．2 对调制的激光脉冲的检验  86-87
  §5．3 存储格式  87-89
  §5．4 编码和解码  89-91
    5．4．1 编码  89-91
    5．4．2 解码  91
  §5．5 图像处理和数据的识别  91-95
    5．5．1 图像亮度不均匀的校正  91-92
    5．5．2 通过图像处理得到各数据位点的形心坐标  92-94
    5．5．3 读出图像对应的二进制数据信息的获得  94-95
  §5．6 实验结果  95-97
  §5．7 结论  97-99
  参考文献  99-100
第六章飞秒激光微加工应用-透射式衍射光栅的制作  100-109
  §6．1 引言  100-101
  §6．2 实验装置及刻写光栅技术  101-103
    6．2．1 在K9玻璃和ZK6玻璃中刻写的光栅  101-102
    6．2．2 对光栅相对衍射效率的测量  102-103
  §6．3 讨论  103-106
  §6．4 结论  106-107
  参考文献  107-109
第七章结论和展望  109-112
附录A：光强度、电场强度和光强，功率和能流量  112-115
博士期间发表的文章目录  115-118
致谢  118-120

飞秒激光在透明介质中的三维光存储研究

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