（光学专业论文）光致双折射及双光子光存储机理研究.pdf

中国事 学技术太学旗士擘缱论文 攘要 摘要 唾 f 本文的研究工作是在国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 ) 的资助下完成 的扛要鹭究了翌娄孟擅金趁卷宜鳢和基于光致双拼射的撞煎壅登黎盒塑i 竖 篮持性。f 本文的研究内容和特色在于： i 、在双光予超分辨光存储中提出了用带有环型光阑滤波器的物镜提高双光 予存镶的记录密度静方法，对径自积辘肉的分辨率的摄离作了分析，当环形光阑 的内径为物镜孑l 经懿；时，记录瑟密度霹以提离1 6 倍。用飞秒激光在光致抗馈 4 刻上实现了双光子存储实验，锝到不同曝光强度下静双光子存储圈戬及记录蠲值 和损伤闵值。 2 、进行偶氮液f 貉聚合物薄膜连续激光和脉冲激光的光致敬折射效应的实验 硪究，萼l 入瀑度效应，提出了基予温度效应黪长久巍致双折射的概念。给出了基 于光致双折射效应的长久光信息记录的解释。 3 、实验分祈了记渌光强、曝光时间、聚焦深度等对偶氮液晶聚合物光存储 记录密度豹影哟。彗次逶过i 琏场方法研究诡秉点，得到了近场透射像和表面形貌， 提出了超分辨的非偏振读越，提赢电录和读蛾的分辨率。分柝表嘤造戏偶氮液晶 聚合物记录点表面起伏的原因是热引起的物质扩散。 4 、对偶氮液器聚合物豹多灰阶存储方案提出了线性分阶；f 【l 菲线性分阶的方 法，并对这两秘愤况下的1 6 哈存储系统的读出误码率进霉亍了详细分柝，绘如了 实验和理论曲线。完成了线性分阶和非线性分阶的1 6 阶存储实验记录。讨论了 样品厚度对多阶存储的影响。在样晶簿度为l p m 时，计算出当膜厚起伏小于 5 4 6 r i m 时，光强可以细分1 0 0 除无串拢；对于1 6 阶线性署珏非线性的分阶方法， 要求膜厚起伏分别小于3 4 2 n m 和3 9 ，2 r i m 。首次提出了偶氮液晶聚合物基于光致 双辑射的多阶存储的极餐读豳方法，避免了裔诡录密度时的商频读出信号的起伏 造成的误码。奁样品厚度为劢m 对，分享厅了1 8 除极僮读出，诗算出要求膜孵趣 伏小于1 8 6 n m 。 5 、对偶氮液晶聚合物的双光予和单光子记录的位相光稀的衍射特性进行深 入分机，给出了双光予无载傻和有盟傻记泶的光掇蓊射熬物璞模型。测量了绱氮 液晶聚合物在不同的记录光强下光栅衍射效率的时间变化曲线，理论与实验基本 v 中国科学技术人学博上学位论文摘要 吻合。结合近场扫描显微镜得到的表面形貌图和透射像，分析了双折射光栅和表 面光栅的形成机制。在偶氮液晶聚合物薄膜上实现了全息透镜的记录和读出的原 理性实验。 6 、在偶氮液晶聚合物薄膜上利用光致双折射性质和偏振敏感的光致折射率 变化，用包括双频光栅的简单结构记录了三重光栅，采用顺序曝光记录方案，实 现各全息图的等衍射效率。提出了偶氮液晶聚合物基于光栅编码的多页存储的概 、 念，设计了角度复用的多页存储的实验。 本论文的主要创新点包括： 1 、对偶氮液晶聚合物的多狄阶存储方案提出了线性分阶和非线性分阶方法，完 成了线性分阶和非线性分阶的1 6 阶存储实验记录，获得了较好的实验结果； 首次提出了偶氮液晶聚合物的基于光致双折射的多阶存储的极值读出方法； 2 、首次用近场方法获得了偶氮液晶聚合物记录点的近场透射像和表面形貌，基 于表面形貌提出了超分辨的非偏振读出方法，提高了记录和读出的分辨率； 3 、在偶氮液晶聚合物上利用光致双折射性质和偏振敏感的光致折射率，用包括 双频光栅的简单结构记录了三重光栅；提出了偶氮液晶聚合物基于光栅编码 的多页存储的概念，设计了角度复用的多页存储的实验； 4 、在双光子超分辨光记录中提出带环型光阑滤波器的物镜提高双光子存储的记 1 录密度的方法，分析表明，当环形光阑的内径为物镜孔径的三时，记录面密度 4 可以提高1 6 倍。 v i 里型堂垫查盔兰堕：! ：兰垡堡苎 垒生! 竺! a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si ss p o n s o r e db yn a t i o n a lr e s e a r c hf u n d f o r f u n d a m e n t a lk e yp r o j e c t sn o 9 7 3 p h o t o - i n d u c e db i r e f r i n g e n c eb a s e do p t i c a l s t o r a g ei na z o b e n z e n el i q u i dc r y s t a lp o l y m e r ( a z o - l c p ) a n dt w o p h o t o no p t i c a l s t o r a g e a r es t u d i e d t h em a i nw o r ka n dc h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e ： 1 ar i n ga p e r t u r ei sp r o p o s e dt op l a c ei nf r o n to ft h ef o c u so b j e c t i v el e n st o i m p r o v et h er e s o l u t i o no ft w o - p h o t o no p t i c a ls t o r a g e t h ea n a l y s i si s t a k e na t r a d i u sa n da x i a ld i r e c t i o n w h e nt h ed i a m e t e ro ft h eb l o c kc i r c l ei s3 4t i m e st h e a p e r t u r eo ft h el e u s ，t h et w od i m e n s i o n a lp l a n a rr e c o r d i n gd e n s i t y c o u l db e i m p r o v e d 1 6t i m e s t h e t w o p h o t o no p t i c a ls t o r a g ee x p e r i m e n t s a r e d e m o n s t r a t e di np h o t o r e s i s tb yu s i n gf e m t o s e c o n dp u l s e dl a s e r t h et w o - p h o t o n o p t i c a ls t o r a g ep a t t e r n sa td i f f e r e n te x p o s u r ei n t e n s i t y , t h ee x p o s u r et h r e s h o l d a n dt h ed a m a g et h r e s h o l da r eo b t a i n e d 2 t h ep h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c ee x p e r i m e n t si r r a d i a t e db yp u l s e dl a s e r a n dc o n t i n u o u sw a v ea r ed e m o n s t r a t e da n dc o m p a r e di na z o l c p t h ec o n c e p t o fs t a b l eb i r e f r i n g e n c ei s p r o p o s e db a s e do nt e m p e r a t u r ee f f e c tt oe x p l a i nt h e s t a b l eo p t i c a l r e c o r d i n g i na z o - l c p 3 t h ee f f e c t so fr e c o r d i n gi n t e n s i t y , e x p o s u r et i m ea n df o c u sd e p t ho nt h e o p t i c a ls t o r a g ed e n s i t yi na z o l c pa r ea n a l y z e de x p e r i m e n t a l i y t h en e a r - f i e l d t r a n s m i t t a n c ei m a g ea n dt h es u r f a c ep r o f i l eo ft h ew r i t i n gs p o t si na z o - l c pa r e o b t a i n e d ，b a s e do nw h i c ht h es u p e r - r e s o l u t i o nu n p o l a r i z e dr e a d i n gm e t h o di s p r o p o s e dt oi m p r o v et h er e s o l u t i o no ft h ew r i t i n ga n dr e a d i n gd a t a t h em a s s d i f f u s i o nd u et ot h e t e m p e r a t u r er i s e i s r e s p o n s i b l ef o rt h ef o r m a t i o no ft h e s u r f a c ep r o f i l eo ft h er e c o r d i n gs p o t s 4 t h el i n e a ra n dn o n l i n e a rm u l t i - l e v e lo p t i c a ls t o r a g em e t h o d sa r e p r o p o s e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n g 1 6 - | e v e s t u r a g ee x p e r i m e n t s a r ed e m o n s t r a t e d t h e r e a d o u tb i te r r o rr a t e ( b e r ) i sa n a l y z e d t h ee f f e c to ft h ef i l mt h i c k n e s so nt h e m u l t i - l e v e lo p t i c a ls t o r a g ei sd i s c u s s e d i ft h et h i c k n e s so ft h ef i l mi s l p m ，t h e v 中国科学技术人学博i j 学位论文 a b s t r a c t r e a d o u ti n t e n s i t ym a yb ed i v i d e di n t o1 0 0l e v e l sw i t h o u tc r o s s t a l kw h e nt h ee r r o r o ft h i c k n e s si sc o n t r o l l e dl o w e rt h a n5 4 6 n m f o rt h e1 6 - l e v e il i n e a ra n d n o n l i n e a rs t o r a g es t r a t e g y , t h ee r r o r so ft h i c k n e s sa r er e q u i r e dr e s p e c t i v e l y 3 4 2 n ma n d3 9 2 r i m t h ee x t r e m e r e a d i n g m e t h o di sp r o p o s e df i rt h ef i r s tt i m et o a v o i dt h eb i te r r o rc a u s e db yt h eh i g hf r e q u e n c yr e a d o u ts i g n a la th i g hs t o r a g e d e n s i t y t h e1 6 - l e v e le x t r e m er e a d i n gi sa n a l y z e dw h e nt h et h i c k n e s so ft h ef i l m i s 砸m ，w h o s e e r r o ri sr e q u i r e dl o w e rt h a n1 8 6 n m 5 t h ed i f f r a c t i o np r o p e r t i e so ft h ep h a s e g r a t i n g sr e c o r d e db ys i n g l e p h o t o n a n dt w o - p h o t o ns “u a t i o n sa r ea n a l y z e dp r o f o u n d l y t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h e d i f f r a c t i o ni s g i v e n o nt h e g r a t i n g s r e c o r d e da t t w o - p h o t o n s i t u a t i o nw i t h t h r e s h o l da n dw i t h o u tt h r e s h o l d t h ef i r s t - o r d e rd i f f r a c t i v ee f f i c i e n c i e so ft h e g r a t i n g si n a z o l c pc h a n g e dw i t ht i m ea r em e a s u r e da td i f f e r e n ti r r a d i a t i o n i n t e n s i t y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si si nc o i n c i d e n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e b i r e f r i n g e n c eg r a t i n g ，t h es u r f a c eg r a t i n ga n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma r e s t u d i e db yt h en e a r - f i e l dt r a n s m i t t a n c e i m a g e a n dt h es u r f a c e p r o f i l eo b t a i n e di n n e a r - f i e l ds c a n n i n g o p t i c a lm i c r o s c o p e t h ep r i n c i p l ee x p e r i m e n t so fh o l o g r a p h i c l e n sa r er e a l i z e di na z o l c pf i l m s 6 - t h e t r i p l eg r a t i n g sa r er e c o r d e di na z o - l c pf i l m sb yu s i n gt h es i m p l e c o n f i g u r a t i o ni n c l u d i n gd o u b l e - f r e q u e n c yg r a t i n g t h e e q u a l d i f f r a c t i o n e f f i e i e n c i e so ft h eh o l o g r a m sa r er e a l i z e db y s e q u e n t i a le x p o s u r e t h ec o n c e p to f g r a t i n g - e n c o d e dm u l t i p a g eo p t i c a ls t o r a g ei n a z o l c pi s p r o p o s e da n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t i sd e s i g n e d v 1 1 1 中国科学技术大学博上学位论义第一章综述 1 1 光存储概述 第一章综述 2 1 世纪是经济信息化、信息数字化的高科技时代，人们处理的不仅是数据、 文字、声音、图片，而且需要处理高清晰度的活动图像，这就要求有高度先进 的信息存储技术。与这一需求相适应，光存储技术近年来得到了迅速发展。从 8 0 年代米的激光唱片( c d ) 和激光视盘( l d ) ，到9 0 年代的电视光盘( v c d ) 和 数字多用光盘( d v d ) ，光存储技术在声视应用领域中现已独领风骚。在计算机 外存设备应用领域，从较早的只读式光盘( c d r o m ) 到最近可记录光盘( c d r ) 和可擦重写光盘( c d e ) ，光存储技术与磁存储技术竟相发展，各有千秋。 从原理上讲，光学信息存储是利用介质对光的敏感性，而将信息暂时或永久 记录于介质中的一种技术。只要材料的某种性质对光敏感，在载有信息的光束照 射下，能产生理化性质的变化，都可以作为光存储介质。在信息的“写入”过程 中，通常使写入激光被待存储信息( 模拟量或数字量) 所调制，而记录介质上有 无物理化学性质的变化则代表了信息的有无。在信息的“读出”过程中，用低强 度的稳定激光束扫描信息轨道，随着光盘的高速旋转，介质表面的反射光强度( 或 其他性质) 随存储的信息位而变化。用光电探测器检测反射光信号并加以解调， 便可取出所需要的信息。 1 1 1 光盘存储技术的特点 与磁存储技术相比，光盘存储技术具有以下特点： 1 、存储寿命长，只要光盘存储介质稳定，一般寿命在l o 年以上，而磁存储的信 息一般只能保存3 - 5 年； 2 、非接触式读写和擦( 目前光盘机中光头和光盘问约有卜2 m m 的距离) ，光头 不会磨损或划伤盘面，应此盘面可以自由更换。 3 、信息的信噪比( s n r ) 高，可达5 0 d g 以上，而且经多次读写不降低，因此光 盘多次读出的音质和图象的清晰度是磁带和磁盘无法比拟的； 中函科学技术人学博l ：学位论义 第一章综述 4 、信息位的价格低，是磁记录的几十分之一。 5 、存储密度高。理论估计，光学存储的面密度为1 齐的数量级。通过使用多层 记录材料、分区使用记录材料的动念范围或利用超分辨结构等技术，可以使存储 密度显著增大。 可以预测，今后十年内磁存储和光盘存储仍为高密度信息外存储的主要手 段，高性能光盘用于脱机可卸式海量存储和信息分布存储。 1 1 2 提高存储密度和存储容量的方法 提高存储密度和数据传输率一直是光盘存储技术的主要发展目标。为了提高 只读光盘的存储容量，可以采取的主要方法有： 1 、用短波长激光读写。存储密度与使用的光波长的平方成反比，如激光波长由 目前的0 6 um 缩短到o 3 um ，记录的面密度可提高4 倍。近年来，随着短波长 激光二极管的商品化，采用短波长激光读写已经可行。 2 、聚焦物镜的数值孔径。在光的衍射极限下，光束聚焦的直径( d ) 与记录波长( 五) ， 成正比而与光学头的数值孔径( n a ) 成反比，d = 1 2 2 。而存储密度正比于 v a f 半1 。所以要提高存储的位密度，就要缩短激光波长和提高物镜的数值孔径。 3 、向空间要容量，开发多数据层的光盘。利用三维存储技术，实现多层记录，如 全息三维体存储，双光子三维存储技术。采用多光道并行存储技术，在多条平行 轨道上同时存取数据。 4 、近场光存储技术。扫描探针技术和固体浸没透镜近场光存储技术，打破光的 衍射极限的限制，从光的远场记录发展到近场记录，提高存储分辨率。 5 、超分辨存储技术。通过采用热虹食读出和调整光盘结构来实现超高密度光存 储的技术。近几年发展起来的近场超分辨结构( s u p e r r e n s ) 技术使存储密度大 为提高。 6 、多灰阶存储技术。改进目前通用的二进制记录和读出模式，采用多阶信号的 记录和读出，在记录密度不变的情况下，提高存储容量。 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 1 1 3 光存储介质 为了适合高密度光盘存储技术的要求，目前广泛使用和研究的主要有： 1 、磁光型记录介质。磁光型记录介质具有磁各向异性，在垂直于薄膜表面方向 有一易磁化轴，产生垂直磁记录磁畴，为可擦重写记录材料。 2 、相变型记录介质。相变型记录介质主要是t e 基和非t e 基的半导体合金，它 们的熔点较低并能快速实现晶念和非晶态转变，为直接重写记录材料。 3 、有机光存储材料。包括光折变有机材料和光致变色有机材料。与无机材料相 比，有机材料具有敏感度高、容易加工、便于调整结构性能以及价格低廉等 优点。作为理想的光存储介质应具有以下性质：( 1 ) 记录稳定性好。( 2 ) 可 多次重复擦写，即耐疲劳性好。( 3 ) 感光度高。( 4 ) 反应速度快。( 5 ) 可非 破坏性读取。随着有机材料的光、热稳定性的提高，存储介质光吸收带与激 光波长的匹配，有机光记录材料正在走向实用化。 1 2 双光子超分辨三维存储技术 基于双光子过程的存储是一种三维光学存储技术。双光子过程指的是：介质 中的分子同时吸收同一光束或两个不同光束中的两个光子而被激发到高的电子 能态。两个光子的波长可以相同也可以不同。双光子激发过程的速率正比于入射 两束光强度的乘积，故只有在光强度极高的两光束聚焦区域才能发生双光子激 发。信息只能记录在两光束相交的地方，使得三维体积中的任何一点都可以独立 地被寻址，层与层之问的串绕极小。对于面内存储密度也有一定程度的提高。 进行双光子三维存储有三种方式，一是单光束双光子写入( 图2 - 1 ( a ) ) ，二 是垂直双光束双光子写入( 图2 1 ( b ) ) ，三是相遇双光束双光子写入( 图2 1 ( c ) ) 。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 ( a ) 靠鬻 图2 - i 双光子三维写入过程 三种方式皆可以扫描形成三维存储，在聚焦点完成如图2 2 所示的双光子跃 迁过程，电子被激发到上能级形成激发念，这就是记录过程。这两步所需的激发 能量可相同( 图2 - 2 ( a ) ) ，也可不同( 图2 2 ( b ) ) ，即两束光的波长可以相同或不 同。 lj 2 h m = e 2 一e i ( a ) j j h i + h z = b ( b ) 图2 - 2 双光子吸收的能级跃迁 用作双光子存储的记录介质有光致变色材料、光折变晶体和聚合物等。1 9 8 9 年，美国国家科学院院士r e n t z e p i s 教授首先提出用螺毗哺类化合物作为记录 4 中国科学技术大学博上学位论文 第一章综述 材料实现双光子三维存储 6 1 。螺吡哺类化合物具有a b 两种，异构体a 的吸收波 段小于4 5 0 n m ，其在紫外光的激发下异构化为b ，b 的吸收波段在6 0 0 n m 左右。 异构体b 在5 0 0 - - 7 0 0 n m 的光激发下会再发射7 0 0 n m 荧光。两光子的波长对应 为1 0 6 4 n m 和5 3 2 n m ( 3 5 5 n m 激发) 或都为5 3 2 n m ( 2 6 6 n m 处激发) ，两光子的交汇 处异构体a 转变为b 。读取采取同一类型的双光子过程。当异构体吸收两个1 0 6 4 n m 的光子而激发，会放出荧光，探测荧光即读取数据。 随后美国康乃尔大学的w w w e b b ”用6 2 0 n m 的飞秒激光和数值孔径为1 4 的物镜 在光折变聚合物上记录了1 0 层，点间距为lum ，层间距为3um 。读出采用差分 干涉相衬显微镜。日本大阪大学的s k a w a t a 8 1 等用近红外的飞秒脉冲在光折变晶 体上成功地记录了7 层，点间距为4 ui l l ，层间距为2 0 um 。澳大利亚的顾敏【9 , 1 0 等研究了用连续激光在光致漂白染料搀杂的聚合物上进行双光子存储，并和用超 短激光曝光进行了对比。加州大学的e y a b l o n o v i t c h 分别在商用照相胶片和 光刻胶【l2 j 上进行了双光子曝光实验。此外，通过在聚合物里搀杂染料和引发剂， 易于选择合适的光源满足双光子激发条件。加州理工大学就完成了0 3 5 u m 的最 小记录光半径。他们在聚合物里加入光致聚合引发剂，通过双光子激发引发剂， 出色地完成了三维光存储并制作了光子能带结构【b 】。最新有报道指出，日本的 最小记录半径已经达到8 0 n m 。 1 3 近场光存储技术 近场光存储技术的关键是在近场记录，克服瑞利( r a y l e i g h ) 衍射分辨极限。 目前广泛研究的方法包括固体浸没透镜近场存储、扫描微探针技术。 1 、固体浸没透镜近场存储 固体浸没透镜是一种高折射率的近场物镜。最初由g s k i n o 等人1 1 4 】在1 9 9 0 年制成，光学读写头包括一个物镜l 1 和一个s i l ，它是一个平切的半球或超半 球透镜，如图2 3 所示。激光首先由l 1 会聚，继而由s i l 聚焦在光盘记录介质 上。s i l 可以通过较大的光通量，与盘面的距离属近场范围。聚焦光斑的直径随 s i l 的介质折射率及飞行高度的不同而改变。例如，1 9 9 9 年，k h i r o t a 等人用 g a p 制成的s i l ，n = 3 3 ，n a = i 9 8 ，飞行高度5 0 n m ，入射面光斑直径估算为2 8 0 h m ， 中国科学技术人学博i ：学位论文 第一章综述 聚焦面光斑直径估算为1 8 0 h m 1 5 】。由于固体浸没透镜必须在近场范围接近盘片， 飞行高度难以控制，而且s i l 采用传统光学系统实现光束聚焦，没有从根本上超 越瑞利衍射极限，对存储密度的提高有限，对这种方法的研究一直处在实验室阶 段。 ；三? s l i 彳 ， k 、y 7 ，飞 7i 先生 图2 - 3 固体浸没透镜超分辨存储结构 2 、扫描微探针技术 扫描微探针技术给高密度光存储带来全新的概念。它取消了物镜，将光源通 入一光纤，其另一端是经过熔拉或化学腐蚀成针后，再将表面镀上一层金属膜， 使其尖端形成一纳米量级孔穴的光纤探针，再将光纤探针尖端以特殊的回馈控制 方法，维持在与记录层表面上约数个纳米的近场距离，作近场光学的写入或读出。 理论上探针孔穴越小，所得到的光点就越小。但是，此种方法存在一些问题，包 括需要精确的探针高度控制、数据的读写速率很低、扫描范围很窄，光纤探针的 信号衰减极大( 光源通过光纤探针的衰减量级约为l o 一一1 0 。3 ) ，很难获得实用化。 1 4 超分辨光存储技术 超分辨是通过采用热虹食读出和调整光盘结构来实现的新型超高密度存储 技术。热虹食读出的原理为：光盘有两层工作薄膜，一层为记录层，另一层为掩 膜层。读出光束使掩膜层温度升高，由于激光束的强度在空间呈高斯型分布，在 光斑的各部分的温度上升也不一致，使之产生光学常数的不均匀分布形成热虹 食。其中光斑内的部分光被掩膜遮住从而使光斑减小。图2 4 为超分辨光盘的读 6 中国科学技术大学博j ：学位论义 第一章综述 出原理示意图。由于在超分辨光盘读出时，光点后部的温度超过掩膜的变化阚值， 使掩膜变化为高透过的开态，类似于照相机的快门开启，同时光点前部的温度仍 保持在掩膜的变化阈值以下，因此光点被有效地减小。超分辨的关键是掩膜层材 料，它可以是无机材料，例如锑6 i 、氧化银( a g o x ) 0 7 t ，也可以是有机染料1 8 1 ， 也可能是无机、有机复合材料。关键在于：( 1 ) 有较强的非线性可逆开关特性， ( 2 ) 快速光响应，( 3 ) 热稳定性好。( 4 ) 噪声小。 釉i 图2 4 为超分辨光盘的读出原理示意图，( a ) 一般光盘的读出，( b ) 超分辨光 盘的读出，( c ) 掩膜层的光密度分布和温度分布曲线 超分辨近场结构( s u p e r r e n s ) 是把掩膜层和记录层之间的距离很好的控制 在近场范围内，利用掩膜层小孔的近场倏逝波记录，集近场和超分辨存储的优点 于一身。其中研究最多的掩膜层为锑和氧化银。氧化银结构的工作机制稍有不同， 如图2 5 所示。当记录光经过硫化锌一二氧化硅( z n s s i ( h ) 及氧化银( a g o 。) 后聚焦 照射于记录层上时，记录层被照射的区域温度会升高，此时记录层的热也会传至 氧化银层。当传至氧化银层的热到达约1 6 0 度时，银和氧会分开，但是由于上下 被两层硫化锌一二氧化硅( z n s 。s i0 2 ) 包覆，因此氧并不会流失，而存在于银原子 四周极近的距离内，此时银原子在受光照射后会发生极强的区域性表面等离子体 效应，使穿透光点的中央区域发生区域性增强，在记录层写下小于衍射极限的记 录点，当记录光离开后银与氧便会再度结合为初始的状态。氧化银结构虽然比锑 7 中国科学技术人学博上学位论文 第一章综述 薄膜结构稳定，氧化银层的银氧分离温度( 约1 6 0 c ) 和记录层的相变化温度太过 接近，因此在读记录点时，有可能会使记录层发生相变化，而发生读越多次信号 的c n r 值越低的现象。最近富永淳二便提出在锗锑碲( g e s b t e ) 相变化材质中加入 氧( 0 ) 来提升其相变化温度至约2 0 0 。c 以解决这个问题。 图2 - 5a g o x 超分辨近场结构( s u p e r r e n s ) 1 5 多灰阶存储技术 多灰阶调制概念早在8 0 年代就已经在存储界确认了“们，但至今仍很少有人 把它用到光盘上，因为需要去发展适用于多阶的新的、廉价的、实用性的技术， 而且二进制系统正不断寻求增加存储容量的途径。随着近年来光存储工业所面临 的挑战，即在1 2 0 r a m 直径光盘上单层记录2 0 g b 的容量，多狄阶调制技术刊逐渐 引起人们的兴趣。2 3 1 。 美国c a l i m e t r i c s 公司眨4 。2 53 的研究证明多狄阶存储概念能在现有的光盘读 写系统中实现，并在光刻胶上用凹坑深度调制( 图2 5 ) 以及在相变光盘上用振 幅调制实现了8 灰阶存储实验。定义每道读出信号的统计分布半高宽与8 阶信号 总的动态范围的比值s d r 在卜2 。s d r 越小，误码率也越小。实验测得的8 阶分 布直方图与光盘的表面性质，预处理过程等有关。在二进制系统的存储容量受到 极限分辨的局限时，除了考虑超分辨和多层存储之外，多灰阶存储不失为另一解 决之道。 中国科学技术大学博士学位论文第一章综述 图2 5 多灰阶存储的凹坑深度调制 1 6 偶氮液晶聚合物的光致双折射 偶氮液晶聚合物中的偶氮苯生色团是一类具有光致异构特性的介晶基元，其 分子结构是在两个芳坏之间以n = n 双键连接为特征。偶氮苯生色团具有反式 ( 肌哪) 和顺式( c i s ) 两种结构。在光和热的作用下，偶氮化合物能产生在顺式( c 妇) 和反式( 1 r a n s ) 之间的异构化反应。由于偶氮基团的c 捃构型里拐状，轴径比较 小，不能作为介晶基元，而t r a n s 的偶氮基团是具有较大轴径比的棒状基团，可 以作为介晶基元，通过基团的l r a n s c i s t r a n s 的异构化循环过程可以使介质产生 液晶态的转变。偶氮聚合物的光致双折射现象普遍认为起因于偶氮基团吸收光后 会发生反一顺反( t r a n s c i s t r a n s ) 周期性异构循环，沿着与光电场矢量垂直的方 向取向。 岽 一b 图l 偶氮基团的光异构化和热异构化 1 6 1 偶氮基团的光致取向 1 9 8 3 年，日本的t o d o r o v 等人1 2 6 首次将偶氮染料( 甲基红和甲基橙) 分散 9 中国科学技术人学博i ：学位论文 第一章综述 在聚合物母体中，所得的聚合物材料在4 8 8 n m 的线偏振激光的作用下会产生光 二向色性和双折射，从而成为一种光学记录材料，但这种光诱导的各向异性即使 在黑暗中也只能保持很短的时阳j 。1 9 9 2 年，r o c h o n 等发现【2 7 1 ，无定形态的侧链 偶氮聚合物可以作为一种光学记忆材料。在远低于聚合物玻璃化转变温度的室温 下，用一束波长为5 1 4 5 r i m 的偏振氩激光照射在含有偶氮基团的各向同性的聚合 物上，聚合物在光的诱导下会显示出二向色性和双折射现象。同时，这种稳定的 光学编码可以通过加热或光学擦除的方法来除去，并且再次受到线性偏振光照射 时可以重新取向。他们还发现，不管是记录还是擦写过程都很好地符合双对数函 数，认为他们都是由一个首先发生的快反应过程和随后发生的慢反应过程组成 2 8 1 。 通过照射含有偶氮基团的无定形聚合物，可以诱导出光学各向异性，但得到 的双折射非常小。而使用塞金塑邃丛则可以得到很强的双折射。 1 6 2 偶氮基团的光致取向机制 关于偶氮液晶聚合物中偶氮基团的光致取向的具体过程还不十分清楚，人们 一般认为这种取向排列是由偶氮基团的光致c i s t r a n s 转变造成的 2 9 - 3 】。偶氮液晶 中的偶氮基团在光和热的作用下，是可以进行互相转变的，在一定波长光的作用 下，棒状的t r a n s 偶氮基团会异构成拐状的c i s 基团，同时由于c i s 相对于t r a n s 的热力学不稳定性，c i s 也会自发地向t r a n s 转变，最终达到一个平衡状态。但实 际上这种光致构型转变作用对于在入射光场中处于不同方向的偶氮基团的激发 作用是不同的。 p a | t o 等人1 3 2 , 3 3 1 提出了另一个模型。这个模型是以材料的多相畴模型为基础 的，而且其中的每个相都可以用一个分子的角度分布来描述。经过光照以后，各 个相的方向矢量都偏离了入射光的方向而旋转到了一个近似垂直于入射光电矢 量的方向上，变成了一个单光轴的体系，而这个体系是很稳定的，这就解释了光 致各向异性稳定存在的原因。 t h o m a s 等人于1 9 9 7 年在p a l t o 的理论基础上提出了中间场理论【3 4 】，对于偶 氮液晶中的偶氮基团的光致取向排列可以长时间稳定存在作出了进一步的解释。 分子从反式泵浦到顺式的几率正比于c o s 2 0 p ，其中e p 是泵浦光电场方向与分子 中国科学技术大学博j 。学位论义 第一章综述 轴向之间的夹角。如果作用光是线偏振光，并且只要分子的电偶极矩在泵浦光偏 振方向上有分量，偶氮基团会继续吸收泵浦光，产生可逆的顺反异构。经过多次 循环后，反式的偶氮基团将沿着垂直于光场偏振方向的方向重新取向，形成取向 有序性。 1 6 3 影响光致取向的因素 对偶氮液晶中的偶氮基团的光致取向的实验研究发现，s p a c e r 的长度i 3 5 , 3 6 、 与偶氮基团连接的取代基的结构和激发光强度等都会影响偶氮基团的光致取向 行为。 y i l i a n gw u 等人研究了一系列在侧链上含有不同偶氮基团的液晶聚合物后 发现，对于含有相同主链的聚合物，随着位于4 和4 位上的吸电子和供电子基团 作用的增强，c i s t r a n s 转变的速度有所增加，聚合物中c i s 态的偶氮基团的数目 显著减少，使得液晶相的稳定有所增加。其整体上的光致定向排列的速度大大提 高 3 7 , 3 8 】。 t s u t s u m i 等人【3 9 1 合成了一种侧链型偶氮聚合物液晶，其偶氮基团在4 ，4 的 位置分别带有吸电子和供电子取代基团。通过对这种聚合物薄膜的测试，在 1 3 5 0 c 时其热致i - n 相转变过程发生在约8 0 0 m s 的时间里，这个速度要比不含有 d o n o r - a c c e p t o r 取代基的液晶聚合物的相转变速度快一个数量级。通过研究不同 主链的聚合物他们还发现，以甲基丙稀酸酯为主链的聚合物的热致i n 相转变过 程要比以丙稀酸酯为主链的聚合物的速度要慢一些。这可能是因为甲基丙稀酸酯 中链段的运动受到阻碍的缘故。他们也报道了含有很强的d o n o r - a c c e p t o r 取代基 的聚合物的热致i - n 相转变在1 4 6 0 c 的时候只需要8 m s 的时间【4 0 】。 1 7 偶氮液晶聚合物的光存储 偶氮基团的光致取向特性，使得偶氮液晶聚合物通过光照就可以实现信息的 储存和擦除。而光致双折射可以因分子问的相互作用保持较长时间，因此通常利 用偶氮化合物的光致双折射效应进行信息存储。偶氮液晶聚合物独特的光致双折 射特性以及在光存储、光全息及光信息处理方面具有潜在的应用价值，近年来引 起人们广泛的研究【41 - 4 6 o 产生光致双折射的区域在正交偏光显微镜下观察便是 中国科学技术大学博士学位论文第一章综述 暗环境中的亮点，也就形成了光信息点的记录。偶氮染料具备良好的光学性能、 热稳定性、溶解性和制备方法简单等优点，被认为是很有前途的光存储材料。 1 9 9 5 年，日本东京工学院的i k e d a 等人报道了用偶氮液晶聚合物作光开关和 光存储的实验【”1 。利用t r a n s c i s 快异构化过程，采用相变型存储机理，使介质 记录时发生从各向异性( n ) 到各向同性( i ) 的相变。他们采用表面锚泊技术， 使薄膜样品内t r a n s 基团沿基面取向，形成光学各向异性的向列型( n ) 单畴膜。 在脉冲光激发下，t r a n s 构型的基团发生光化学异构反应，很快转变为c i s 型，使 样品产生n l 相变。当激发光撤除后，热异构化使c i s 逐渐恢复为t r a n s ，但恢复 后的t r a n s 基团取向已变成随机分布，不再回到光照前的n 态而变成i 态。 1 8 偶氮液晶聚合物的全息记录 偶氮基团的t r a n s c i s t r a n s 异构循环形成的光致双折射使偶氮液晶聚合物成 为理想的实时全息记录介质。1 9 9 0 年，德国的m e i c h t 4 7 1 等分析了在偶氮液晶聚 合物上记录光栅和反转全息图，记录光栅的线密度为3 0 0 0 1 m m ，衍射效率为5 0 加拿大皇家军事学院的e r o c h o n t 4 2 1 等人多年来没有间断过对偶氮液晶聚合 物的研究，从光致双折射性质到全息记录特性以及偶氮液晶聚合物的表面光栅及 在平面光波导上的应用。 丹麦的p s r a m a n u j a m t 4 9 l 着重研究记录光和探测光的偏振特性对记录光栅特 性的影响。他指出，偏振全息可用于实时测量光诱导的双折射。 国内的吉林大学，中科院长春物理所，中山大学等也都开展了对偶氮液晶聚 合物的全息记录性质的研究h 9 刮1 。通过对光栅记录和探测的分析，进一步了解偶 氮液晶聚合物的光致双折射的形成机理6 4 5 创。 1 9 本文的主要内容： 本文的工作共分七章进行论述。 第一章概述光存储的发展现状和偶氮液晶聚合物的研究背景。 第二章在双光子超分辨光存储中提出了用带有环型光阑滤波器的物镜提高 中国科学技术大学博【j 学位论文 第一章综述 双光子存储的记录密度的方法，对径向和轴向的分辨率的提高作了分析，当环形 1 光阑的内径为物镜孔径的s 3 - 时，记录面密度可以提高1 6 倍。用飞秒激光在光致 斗 抗蚀剂上实现了双光子存储实验，得到不同曝光强度下的双光予存储图以及记录 嗣值和损伤闼值。 第三章对现有的偶氮聚合物光致双折射的理论和实验研究工作进行了描述 和总结，对光致取向的过程进行了分析；比较连续激光和脉冲激光作用下，偶氮 侧链液晶聚合物薄膜的光致双折射效应，引入温度效应，提出了基于温度效应的 长久光致双折射的概念。给出了基于光致双折射效应的长久光信息记录的解释。 第四章实验分析了记录光强、曝光时间、聚焦深度等对偶氮液晶聚合物光存 储记录密度的影响。首次通过近场方法研究记录点，得到了近场透射像和表面形 貌，提出了超分辨的非偏振读出，提高记录和读出的分辨率。分析表明造成偶氮 液晶聚合物记录点表面起伏的原因是热引起的物质扩散。 第五章对偶氮液晶聚合物的多狄阶存储方案提出了线性分阶和非线性分阶 的方法，并对这两种情况下的1 6 阶存储系统的读出误码率进行了详细分析，给 出了实验和理论曲线。完成了线性分阶和非线性分阶的1 6 阶存储实验记录。讨 论了样品厚度对多阶存储的影响。在样品厚度为l t m 时，计算出当膜厚起伏小于 5 4 6 n m 时，光强可以细分1 0 0 阶无串扰，对于1 6 阶线性和非线性的分阶策略，要 求膜厚起伏分别小于3 4 2 n m 和3 9 2 n m 。首次提出了偶氨液晶聚合物的基于光致 双折射的多阶存储的极值读出方法，避免了高记录密度时的高频读出信号的起伏 造成的误码。在样品厚度为缸r n 时，分析了1 6 阶极值读出，计算出要求膜厚起 伏小于1 8 6 n m 。 第六章对偶氮液晶聚合物的双光子和单光子记录的位相光栅的衍射特性进 行深入分析，给出了双光子无闽值和有陶值记录的光栅衍射的物理模型。测量了 偶氮液晶聚合物在不同的记录光强下光栅衍射效率的时间变化曲线，理论