（精密仪器及机械专业论文）双光子共焦激光扫描荧光显微镜及其在三维光学信息存储中的应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 随着信息技术的发展，人们对信息存储容量的要求越来越高。多层( 三维) 光学信息存储作为一种提高信息存储容量的手段受到人们的广泛关注。 本课题在国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 5 1 4 0 ) 及“8 6 3 ”项目( m e m s 2 0 0 3 a a 4 0 4 0 5 0 ) 资助下进行。本文采用的三维信息读写方式分别为双光子激发写 入和共焦显微镜读出。由于双光子吸收的非线性，采用双光子写入的方法可以避 免层间的干扰，提高存储密度。共焦显微镜作为一种具有三维分辨能力的读出方 式，同样可以避免层间信息的干扰，得到更高的信噪比。本课题主要研究成果包 括以下几个方面： 首先，我们自行组建了适用于三维存储和微细加工要求的实验系统包括：共 焦光学读出系统，压电陶瓷驱动的扫描工作台，钛宝石飞秒激光器，共焦显微镜 控制器和相应的软件。实验表明整个系统工作良好。 其次，采用上述的实验系统，在一种新的光致色变材料中实现了十层三维信 息的双光子写入，单光子共焦读出。并对双光子写入的工艺参数，共焦读出的激 光能量及其对数据破坏程度的关系等问题进行了实验研究，为今后的三维存储的 实用化提供了依据。 再次，由于三维数据点存储在介质的内部，因此在读写过程中激光需要经过 两层不同折射率的介质。折射率的失配将影响物镜焦点处激光光强的分布，进而 影响读写效果。本文从理论上和实验上分析了折射率失配对激光焦点处点扩展函 数的影响，并提出了一种新的实验数据处理方法，使实验结果和理论分析较好的 吻合。 最后，对三维数据的发展方向进行了探讨，多光子多焦点显微镜( m u l t i f o c a l m u l t i p h o t o n m i c r o s c o p y ，m m m ) 提供了一种快速读写三维数据的方法。但高斯光束 的不均匀性将导致光束中心的光强大于周边的地方。我们提出种整形方法将高 斯光束转变为均匀的光束，并从理论上讨论了整形的效果。 总之，我们对三维存储所涉及的一些问题进行了研究，对这些问题的研究为 今后三维信息存储向实用化方向发展打下了基础。 关键词：三维存储共焦双光子光致变色折射率失配并行读写 中国科拳艋米大学博士论卫 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n t s f o rh i g h d e n s i t y o fd a t a s t o r a g e a g e i n c r e a s i n g a sam e t h o do fh i g h e rs t o r a g e c a p a c i t y , t h r e e d i m e r ”i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g eh a sb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e d ， t h i s p r o j e c t w a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 2 7 51 4 0 ) a n d “8 6 3 ”p r o j e c t ( m e m s2 0 0 3 a a 4 0 4 0 5 0 ) t h es t o r a g em o d ew c a d o p t e di st w b p h o t o nw r i t i n ga n do n e p h o t o nc o n f o c a lr e a d o u t s i n c en o n l i n e a ro f t w o - p h o t o ne x c i t a t i o n ，t w o p h o t o na b s o r p t i o no n l yo c c u r sa tt h ef o c u sp o s i t i o ni nt h e s u b m i c r o m e t e rv o l u m eo 【1m a t e r i a l 5 a i th a st b x e e d i m e n s i o n a lr e s o l u t i o n ，a sa t h r e e d i m e n s i o n a lr e a d o n lm e t h o d ，c o n f o c a lm i c r o s c o p ec a ng e tn ) d r eh i g h e rs n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) a n da v o i dt h ec r o s s t a l kb e t w e e na d j a c e n tl a y e r s t h eo u t c o m e s o f t h i sp a p e ri n c l u d ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y “+ ee s t a b l i s h e dw t l rh o m e m a d ee x p e r i m e n t a ls e t u pw h i c hw a s s u i t a b l ef o r t h r e e d i m e n s i o n a lm e m o r y a n dm i c r o f a b r i c a t i o n i n c l u d i n gc o n f o c a lo p t i c a ls y s t e m ， a s c a n n i l l gs t a g e d r i v c a h y p z t a g t u a t 0 1 f i ：s a p p h i r e f e m t o s e c o u dl a 。e r t h e c o n t r o l l e ro fe o n t b c a lm i c r o s c o p ea n d1 h es o f t w a r e o u re x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t t h ew h o l e s y s t e mw o r k e dv e r yw e l l s e c o n 4 1 y 、h yu s i n gt h ee x p e r i m e u t a ls e t u pa b , a v e 。w ca c h ( e v e 4k l a y e r s9 p c i c a l d a t as t o r a g ei nad e w p h o l c , c h r o m i cm a i g l i a lw j t ht w o p h o t o nw r i t i n ga n d o n e - p h o t o n c o n f b c a l r e a d o u t b ye m p l o y i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，w ea l s oi n v e s t i g a t e d t h e p a r a m e t e r s 。ft v r i t i n gp r o c e s s ，r e 畋o a s h i 口o ft h 号p 6 q v e rt 靠r e m o u tt a 3 r ra n d d e s t r u c t i o nd e g r e eo fd a t ab i t s a l lt h e s e s t u d yw i l l b e h e l p f i dt op r a c t i c a l t h r e e d i m e n s i o n a ls t o r a g ed e v i c e s t h i r d l ) s i n c et h ed a t ab i t 童甜e5 t o r e dw i t h i nt h em e d i a ，s a s e rl i g h lw 狲p a s s t h r o u g ht w ok i n d so fm e d i a ( s u c ha sa i ra n ds t o r a g em e d i a ) w i t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v e i n d e x t h em i s m a t c ho fr e f r a c t i v ei n d e xw i l li n f l u e n c et h ep r o f i l eo f l a s e r i n t e n s i t yi n t h ef o c u sp o i n tw e a a a l y z e dt h ee f f e c t 5o fr e f r a c t i v e 啦i m a 纯h 。丌i a t e n r yo fp o i m s p r e a df u n c t i o nj nt h e o r ya n de x p e r i m e n t w ea l s od e v e l o p e dan e wd a t ap r o c e e d i n g 中国科学控术大学博二l 论文 m e t h o dt h a tm a k et h et h e o r e t i c a lr e s u l t sc o m p a t i b l ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h e e n d ，w ed i s c u s st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l d a t a s t o r a g e m u l t i f o c a lm u l t i p h o t o nm i c r o s c o p y ( m m m ) p r o v i d e s a g o o dc h o i c ew i t h p a r a l l e lw r i t i n ga n dr e a d i n gt h r e e d i m e n s i o n a l d a t ab i t s s i n c eg a u s s i a nl a s e rb e a m p r o f i l ew i l lr e s u l ti nl e s sl i g h ti nt h ec o m e r s t h a nt h ec e n t e r w ep r o v i d e dar e s h a p i n g m e t h o dt h a tc a l lc o n v e r tt h eg a o s s i a np r o f i l e si n t of l a tb e a m sa n dt h e r e s h a p i n g e r i e c t sa r ea l s od i s c u s s e d i nc o n c l u s i o n ，w es t u d ys o m ea s p e c t so ft h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g e ， w h i c hw i l lb eh e l p f u lt o p u tt h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g em e t h o di n t o p r a c t i c e k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g e ，c o n f o c a lm i c r o s c o p e ，t w o p h o t o n ， p h o t o c h r o m i cm a t e r i a l ，m i s m a t c ho f r e f r a c t i v ei n d e x ，p a r a l l e lw r i t i n ga n dr e a d i n g i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得生国型堂撞盔太堂或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢昧蜉签字日期卿_ r 月咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解虫国型堂拉盔态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，本人授权生国科堂撞盔盍堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：雠 签字日期7 晰，月肛日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： - - y , 又i 素 廿、tu 签字日期：瑚4 年朔龃 电话： 邮编： 、，f p入 步 ! 璺型兰垫查查兰竖主笙壅 第一章绪论 随着人类社会现代科学技术的进步，信息存储技术也在日新月异地发展。最 初，人类发明了留声机、磁带录音机能够将声音信号以模拟的方式记录下来。后 来由于数字技术的普及，经过量化编码的声音的存储方式正成为市场的主流。现 在，除了声音，其它种类的信息如图像、各种文档、软件等均可以以数字方式存 储在各种介质中。数字存储技术相对于模拟存储有明显的优势，如高保真、易复 制等，因此对其存储容量的要求也越来越高。目前主流的数字存储方式主要有两 种：磁存储和光存储。磁存储的存储密度在近凡年的增长速度约为每年l o o ， 目前市场上已经可以买到1 2 0 g 的硬盘。 1 光学信息存储的研究概况 相对来讲，光存储在容量和密度上的进展比磁存储缓慢。而光存储之所以还 能成为信息存储的重要分支，在于它的可移动性：硬盘的存储介质必须和它的驱 动器连在一起，而光盘却可以在任何合适的驱动器中读写。因此，光盘成为软件 和数字化音像制品发行的主要方式。 1 1 c d 和d v d 目前市场上主要的两种光存储格式是c d ( c o m p a c td i s k ) 和d v d ( d i g i t a l v e r s a t i l ed i s k ) 。随着消费者对存储容量和读取速度的要求，c d r o m 正在经历 逐渐被d v d 取代的过程。相对于c d ，d v d 标准采用了更高的面存储密度，可 以有多达四层的存储信息，因此能存储多达几个小时的高质量的视频压缩信号。 表1 1 为c d 和d v d 一些技术标准的比较。图1 1 为c d 盘和d v d 盘信息点在 盘片上的分布的比较。c d 和d v d 上的数据点是由一些信息坑组成的。光束经 过信息坑边缘时反射光强发生变化时为“l ”，而在坑内和坑面上时均为“0 ”。从 表中我们可以看出，d v d 通过采用较短的激光波长、较高的数值孔径实现了更 高的面密度。同时d v d 还可以提供最多达4 层的信息存储面。 表1 1c d 与d v d 标准比较 中国科学技术大学博士论文 容量激光波长数值轨道密度虽小坑点面密度数据传输 孔径长度速率 c do 6 5 g b7 8 0n m0 4 5i 6 0 0 0 i n c h0 8 3 3h m0 3 9 g b i n c h 2f 4 7 m b s d v d47 g b6 5 0n m0 63 4 0 0 0 i n c h0 4 t i m2 7 7g b i n c h 21 1 0 8 m b s f i g 1 1c o m p a r i s o no f b i tp i t so f c da n d d v d 图1 1c d 盘与d v d 盘信息坑点比较 1 2 提高光存储面密度的途径 从图1 1 可以看出，要想提高信息存储的面密度，就必须减小信息坑的尺寸。 而为使信息坑能被有效的识别出来，它的尺寸不能小于聚焦光斑的衍射极限。因 此，光盘的存储面密度取决于衍射光斑的大小。而我们知道，物镜的衍射光斑为： d2 2 n a ，其中，d 为光斑的直径， 为激光波长，n a 是物镜的数值孔径。 从中我们也得到两种最直接的提高面密度的方式：短波长激光和高数值孔径的物 镜。 早期的光存储产品由于缺乏合适的激光器，只能采用8 3 0 n m 7 8 0 n m 的红外 激光器作为光源a 现在蓝色激光已经在实验室实现了高密度光学信息存储，并将 很快进入消费市场。如果激光波长从8 0 0 n m 降到4 0 0 r i m ，光盘的存储密度将提 高4 倍。目前已经开发出绿色4 9 0 r i m z n s e 激光和蓝色g a n 激光可用于光存储中。 j v c 以及日立及三菱的研究小组正再研究深紫外激光2 5 7 n m 应用于光存储中。 增加数值孔径来提高存储面密度的方法也正在被许多研究小组采用。然而， 数值孔径的增加可能会带来一些技术上的困难。因为数值孔径的增加会使焦深变 中国科学技术大学博士论文 短，焦深与n a 2 成反比关系2 。这样为保证数据层在焦面上，对制造精度及控制 司服精度提出了更高的要求。虽然在空气中物镜的数值孔径的最大值为1 0 ，但 在物镜和样品之间加入浸润物后可以增加数值孔径。日立及三菱的研究小组在物 镜和光盘之间加入水后使物镜的数值孔径增加到1 2 。此外，固体浸入物镜( s o l i d i m m e r s i o nl e n s ) 也被用于提高数值孔径，这也就是近场光学信息存储3 。 近场光学信息存储最初 扫b e t z i ga n dt r a u t m a n 提出，并利用近场光学扫描显 微镜( n e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，n s o m ) 实现4 ”。近场光学信息存 储的主要优势是光斑的大小不受衍射极限的限制，从而实现了极高的空间分辨 率。然而近场光学要求n s o m 的探针针尖与样品的距离小于一个波长，这样在实 际的应用中针尖容易发生机械损伤。t e r r i se ta l6 采用固体浸入透镜克服了这一 问题，并实现了很高的写入速度。控制近场读写头与记录介质之间的距离以及小 孔的大小是近场光学信息存储的主要技术瓶颈。 1 ，3 磁光存储 另一种被广泛研究的光存储方式是磁光存储，它的记录介质是对温度极为敏 感的磁性材料。利用激光的热效应，在外加磁场的作用下，激光光斑通过对磁性 介质的加热使信息点被记录在介质中。当位于激光焦点处的磁性介质被加热超过 某一温度( 居里温度) 时，该部分沿外加磁场的方向被磁化，这样信息被存储在 介质中。 利用磁光记录材料的所谓克尔( k e r r ) 效应2 ，便可读出存储的信息。克尔效 应是指线性偏振光从磁化介质表面反射时，其偏振面将发生旋转的现象。当入射 光传播方向与磁化方向相同时，从光的方向看去，其偏振面将向左旋转一个角度， 相反则向右旋转一个角度。因此，通过探测偏振面旋转方向的变化，可以探测出 介质的磁化方向，进而读出记录的信息。 由于激光束强度的分布存在梯度( 如高斯分布) ，在极短的曝光时间内只有 光斑中心处的温度达到居里温度，而光斑的周边部分的温度低于居里温度，这样 磁化的区域会小于衍射光斑，甚至直径只有l o o n m 7 。然而用光学方法来探测如 此小的信息点很不容易，通常透镜的衍射光斑会含盖十多个这样小的信息点。但 磁化超分辨率技术( m a g n e t i cs u p e r r e s o l u t i o n ，m s r ) 能够克服这一问题8 。它是 在标准的磁光层上加入一层读出层，在读出信号时产生掩模，从而有效地减小读 ! 望型兰垫查查兰堕主堡苎一 出光点的探测孔径，降低相邻标记问的信号串扰。 1 4 光谱烧孔存储 为了增加光存储密度，提出把频率作为附加的存储因素，用光谱烧孔 ( s p e c t r a lh o l eb u r n i n g ) 的方法，在同一空间的光斑上可将存储密度提高千倍 以上9 。因此，光谱烧孔存储也可以认为是一种三维的存储方式( 频谱作为第三 维) 。通过光谱烧孔效应可将诸多信息记录在介质的同一位置上，而读出时，可 依据读出光的透射频率分布再现记录的信息。由于光谱烧孔介质对频率及外加电 场具有敏锐的选择性，因此在介质的同一点上可记录大量信息，实现超高密度的 光子存储。 光谱烧孔现象有p e r s o n o v 首先发现，s z a b o 提出将此现象应用于光学存储。 原子能级间的能量差决定吸收光谱为均匀增宽谱线，由于固体中原子所处的环境 的差异造成不同环境中的粒子增宽潜线的中心频率不同。这些中心频率不同的均 匀增宽谱线叠加在一起形成了非均匀增宽谱线。谱线上某一频率对应一群特定的 粒子，当用该频率附近的窄带激光照射时，可使这群粒子共振吸收而发生光化学 或光物理变化，使整个吸收谱线在该频率附近出现一个凹陷，即所谓的烧孔。 由于目前材料的电子俘获陷阱不能深，因而烧孔的孔深较浅，而且在序列烧 孔过程中，先烧出的孔容易出现逐渐被填充的现象，因而寻找室温下能烧孔的材 料是关键”。 2 三维( 立体) 光学信息存储的研究与发展概况 在前面介绍的光学存储和磁存储中，数据点作为一种光学特性或磁特性的变 化存储在介质的一个平面上。尽管研究人员采用了各种方法提高存储面密度，然 而每种方法都存在一定的密度极限。信息点越来越小，使写入和读出也变得越来 越困难。一些专家认为，传统的面存储将在今后几年的发展中遇到困难，也有一 些专家认为在五年或更长的时间内面存储技术仍然有发展的空间。然而无论哪种 情况，寻找其它提高存储容量的方法是必要的。将信息存储在介质的整个立体体 积中，而不只是表面，成为现在研究人员追逐的热点之一。 传统的二维光学数据存储( 如果不采用近场技术的话) ，受衍射极限的限制， 存储密度约为i 2o 而三维体存储，其理论上的存储体密度可达i 30 如果激 光波长5 0 0 n m ，在一张c d 大小的光盘上( 直径1 2 0 m m ，厚度l m m ) 可存储最 里型兰壁查查堂竖圭丝壅一 多4 g b 的信息量。而采用体存储的方法存储量将增加2 0 0 0 倍，达8 t b a 2 。1 多层荧光光盘存储 多层荧光光盘( m u l t i l a y e rf l u e r e s c e n c ed i s k ，m f d ) 存储是指存储介质被人 为地分成很多层。每层含有填入荧光物质的沟道或信息坑。荧光物质吸收入射激 光并发射与入射光不相干的荧光，一般荧光相对于入射光有一定的红移。通过光 学滤波可以排除入射光的干扰而读出高信噪比的荧光信号，从而读出预存在盘上 的数据。m f d 的制造工艺与c d 和d v d 类似，只是层数较多，每层的厚度较薄( 约 2 5um ) ”。据最先开发出m f d 的c o n s t e l l a t i o n3 d 公司介绍，m f d 研发主要得 益于下列几项技术的成熟与应用，它们分别是：薄层技术，薄层模压技术，坑填 技术，薄层控制、分层和组合技术等。图1 2 为c o n s t e l l a t i o n3 d 公司制作的 f i g 1 2 7l a y e mf l u o r e s c e n c eo p t i c a ld i s km a d eb yc o n s t e l l a t i o n3 d 图1 2c o n s t e l l a t i o n3 d 公司制作的7 层荧光多层光盘结构 7 层多层荧光光盘的结构。 相对于反射式多层光盘，多层荧光只读光盘的主要优点是：多层荧光光盘具 有光通透性和单一性；每层光吸收率很低( 4 2 0n m ) 黄色逐渐消失， 无色溶液的吸收谱又恢复，说明黄色的闭环态转变为无色的开环态。 w a v e l e n g t h ，n mw a v e g i n t n m f i 9 3 。2 。a b s o r p t l o ns p e c t r ai nh e x a n e ：r ) b e f o r ep h o t o i r r a d i a t i o na n d ( 1 ) a f t e ri r r a d i a t i o nw i t h 3 6 5n ma tr o o mt e m p e r a t u r e a ：1 ( 7 6 3 1 0 一m o l - l 1 ) ；b ：2 ( 6 5 4x1 0 r e e l l 1 ) 图3 2 在正己烷溶液中的吸收光谱；室温下用3 9 0 r i m ( - - ) 曝光前( ) 曝光后。 a ：1 ( 7 6 3 1 0 m o l l ) ；b ：2 ( 6 5 4 x1 0 r e e l l 。) 从图3 ，2 中可以看出，开环态的吸收峰在3 9 0 n m ，而在5 0 0 h m 之后几乎没有 吸收。将这种化合物以适当的浓度掺入p m m a 膜中，吸收峰将红移至4 3 0 n m 。因 此这是一种典型的可用8 0 0 n m 飞秒激光激发的双光子吸收材料。在3 8 0 n m 单光子 激发或8 0 0 n m 双光子激发后，在3 9 0 n m 的吸收峰减小，而在4 6 0 n m 附近出现一个 小的但比较宽的吸收峰。通常材料在p w , a 中的吸收光谱相比在溶液中会有约 5 0 n m 的红移，因此在5 3 2 n m 激光单光子激发下，p m m a 膜中闭环态能被激发出较 强的荧光而开环态荧光非常弱。两种形态吸收峰值的红移可能是由于p m m a 膜中 所掺杂的化合物的浓度不同造成的。图3 3 为材料在p m m a 膜中用8 0 0 n m 双光子 激发后的闭环态及未激发部分的开环态的荧光光谱。可以看出，在5 1 4 5 n m 激光 的激发下，闭环态的荧光强度比开环态大四倍以上。这种强荧光可以作为存储在 介质中的逻辑信息( 0 或1 ) 而被探测器读出。同时，闭环态的荧光光谱的峰值 相比开环态的荧光光谱峰值有7 0 n m 左右的红移，因此，在光学上也可以滤除一 部分背景光的干扰。 该化合物表现出非常好的热稳定性。材料在4 0 。c 的黑暗环境中存放一个月 中国科学技术大学博士论文 后，它的紫外和可见光谱几乎没有变化。材料在空气中存放一年多的时间后也未 w a v e l e n g t hin m ) f i g 3 3 f l u o r e s c e n c es p e c t r ao fo p e n a n dc l o s e d r i n g f o m l s d o p e di np m m af i l me x c i t e dw i t h5 1 4 n ml a s e r 图3 3 p m m a 中开环态和闭环态的荧光光谱。5 1 4 n m 激光激发。 发现有分解的现象。该材料还表现出极好的抗疲劳性。在经过1 0 0 0 次的环化和 裂环循环反应后，其闭环态的吸收光谱未发生变化。在经过1 0 0 0 0 次的环化和裂 环循环反应后，其光色变的性能维持9 0 以上。 f i g 3 4m o l e c u l a r s t r u c t r u r eo f m a t e r i a lb 图3 4 材料b 的分子结构式 具有对称结构的材料b 的分子式及其在溶液中的吸收光谱如图3 4 和图3 5 所示。材料b 在3 9 0 n m 左右同样有较强的吸收，因此也是一种典型的8 0 0 n m 光子 吸收材料。与材料a 相比，材料b 的开环态和闭环态的吸收光谱没有明显分离。 其闭环态在4 0 0 n m 以后的吸收峰也较小，这不利于获得较强的荧光信号。 由于较好的热稳定性和抗疲劳性，光致色变二芳基类化合物在光学存储和光 学开关方面具有极强的吸引力1 “1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 。不幸的是，对称结构的这类化合物 在裂环反应时具有极高的量子产率，这一现象不利于三维光学存储。我们使用的 新的非对称结构的化台物具有新的取代基( s u b s t i t u e m ) ，其闭环态表现出具有极 高的荧光量子产率，开环态表现为较低的背景荧光产率。因此适合于荧光模式的 读出方法。 我们同样还研究了两种材料在固态环境中的光致色变性能。在p m m a 膜中它 们的吸收光谱比液态情况下红移至少5 0 n m 。此外，在p m m a 膜中由开环态向闭环 态转变的光转化率比液态情况下低。这可能是由于在p m m a 膜中材料分子的浓度 相对较高。环境因素也可能有影响，在固态环境中色变分子被限制在其内部空间 影响了其构象的变化。 图3 5 材料b 的开环态和闭环态在正己烷溶液中的吸收谱 f i g 3 5a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f o p e na n dc l o s e df o r mi n h e x a n es o l u t i o n 双光子吸收界面是三维光学数据存储材料的重要参数。我们以罗丹明b 2 1 为 参照测量了其在波长8 0 0 n m 下的双光子吸收截面。我们采用激发态技术( e x c i t e d s t a t et e c h n i q u e ) ，即对比它们在氯仿溶液中单光子和双光子荧光强度，测得材料a 的双光子吸收界面为1 1 2 x1 0 4 9c m 4 s p h o t o n ，而材料b 的双光子吸收界面为 5 1 8 1 0 。5 0 c m 4 s p h o t o n 。从这一点上来讲，材料a 的性能比材料b 的性能更适 合于三维光学存储。 3 三维光学信息存储实验 第二章详细介绍了我们研制的用于三维高密光学信息存储的双光子共焦激 中国科学技术大学博士论文 光扫描荧光显微镜的各部分。图3 4 是用于实验的总体系统原理图。在数据写入 时自行组建的锁模钛宝石激光器产生8 0 0 n m 、8 0 f s 、8 0 m h z 的激发光束，其泵 f i g 3 4s e t u po f t w o p h o t o nr e c o r d i n ga n dr e a d o u t 图3 4双光子写入和读出装置 浦源为5 3 2 n m 的n d ：y v 0 4 激光( v e r d i 一5 ，c o h e r e n t ) 。飞秒激光经过扩束后被分色 镜反射，然后山物镜将其会聚到样品中。扫描工作台和光闸由计算机控制其动作 顺序。物镜、分色镜、小孔、光电倍增管和扫描工作台等组成了共焦激光扫描荧 光显微镜，用于读出数据。当读出数据时，切换分色镜使5 3 2 n m 的连续激光代 替飞秒激光反射进物镜。读出和写入时都使用4 0 x ( n ao 6 5 ) 的物镜。在光电倍增 管前有一个滤色片用于选择不同波长的荧光并阻挡激光的散射光及其它噪声光 进入探测器。 存储介质是上述的二芳基类衍生物材料a 掺杂到p m m a 膜中制备的。制备 时将纯度大于9 9 5 的该化合物和p m m a ( 1 ：5 0 ) 溶入氯仿溶液中混合均匀。然后 在室温下将其滴在载波片上形成厚度约1 5 0pm 的厚膜。 存储的实验结果如图3 5 所示。我们在存储介质中写入了十层数据，每层的 间隔大约为9 9 m ，相邻两点之间的间距约为4 9 m 。写入时激光的平均功率约为 1 2 m w ，每点的曝光时间为5 0 m s 。在上述共焦荧光显微镜下用功率1 0 w 的 5 3 2 n m 激光读出图像。共焦小孔的大小约为1 5 0 b t r n 。 计算机控制的写入过程如下：首先将需要写入的字符按3 2 x 3 2 的点阵进行编 中国科学拄术大学博士论文 码，得到由0 和1 组成的3 2 x 3 2 的矩阵。例如，在3 2 x 3 2 的矩阵中由1 组成需要 写入字符的形状。整个二维扫描范围也按3 2 x 3 2 划分，因此扫描工作台的步长为 扫描范围的1 3 2 。扫描台每走一步，根据字符的矩阵编码是否为l 确定该位置 f i g 3 。5e x a m p l e so ft e n l a y e r d a t a s t o r a g ea n dr e a d o u tw i t h c o n f o c a lf l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p e 。t h et w oa d j a c e n tb i t sd i s t a n c ei ne a c hl a y e ra n dt h et w oa d j a c e n tl a y e r s i n t e r v a la r e4 p _ mm a d9 a m ，r e s p e c t i v e l y 图3 5 十层数据存储，共焦荧光显微镜读出。每层相邻点的间距和相邻层的间距分别为4 9 i n 和 9 1 a m 。 是否需要曝光。如果需要，则打开光闸并按事先确定的曝光时间进行延时、曝光， 然后关闭光闸。这样，每完成一层二维扫描，写入一个字符。然后沿光轴移动样 品，或计算机控制伸缩物镜使物镜会聚焦点进入下一层，写入下一层字符。 从图3 5 中可以看出，随着存储深度逐渐加大，图像的对比度也逐渐的减小。 实验中我们用共焦荧光显微镜读出的同时观察信号发现在读出字母a ( 第一层) 时信号的信嗓比约为2 2 d b 。而在读出最下一层时信噪比约为8 5 d b 。从图中我们 还可以发现，存储达到一定的深度后，层与层之间的信号窜扰开始出现。尤其字 母f 和g 可以比较明显地看出其它层信息的干扰。 我们分析后认为，在一定深度下的层问窜扰主要是由于折射率失配引起的。 在一定的深度下，由于光束通过物镜后先进入空气中然后进入介质中。空气和介 质之间的折射率不同，导致激光在介质中的点扩展函数发生畸变。主要是在光轴 方向上点扩展函数的半高宽有明显的加宽。其详细的理论分析我们将在下一章中 给出。点扩展函数的畸变不仅影响双光子的写入过程，同时也影响共焦荧光显微 中国科学技术大学博士论文 镜的读出过程。因为点扩展函数的畸变也影响了共焦荧光显微镜的轴向分辨率。 折射率失配引起的点扩张函数的畸变同时也造成了点扩展函数最大光强的 减小。这也是造成图像对比度减小的一个原因。此外，即光在样品中的散射，吸 收等也会造成写入时最大光强的减小，从而使材料的光化学反应中开环态向闭环 态的转化率降低。 f i g 3 ，6s c a n n i n gi m a g eo f t w ol a y e r sd a t ab i t si nx zd i r e c t i o n 图3 6 在x - z 方向两层信息点的扫描图像 图3 6 为x - z 方向的两层信息点的扫描图像。图像由自行研制的共焦激光扫 描荧光显微镜读出。点间距和层间距分别为4 um 和1 0 um ，从图中可以看出， 信息点在z 方向的尺寸明显大于在x y 方向的尺寸。这一点与理论分析相吻合。 理论分析表明，激光在介质中的点扩展函数的轴向半高宽明显大于横向半高宽。 信息点在x z 方向的尺寸受多种因素的影响，如存储的深度，写入激光功率、材 料、物镜的数值孔径等。因此在z 方向的层间距应根据不同的情况确定。 4 超低能量的读出实验 光色变材料的一个普遍问题是当使用可见光读出时，写入的信息容易擦除。 也就是闭环态在可见光激发下发生光化学反应而失去原有的荧光特性，或恢复到 开环态。为解决这一问题，a t o r i u m i 等”采用红外光为读出光源来读取介质 中的折变信息。由于一般光色变材料对红外光没有吸收，所以对写入的数据几乎 没有破坏。但红外光通常并不能激发出较强的荧光，因此a t o r i u m i 等用红外 光探测光色变材料不同异构体之间的折射率变化。由于折射率的变化很小，这种 方法得到的信号的信噪比不高，通常采用的光学系统也较为复杂，如相衬显微镜 或微分干涉显微镜。这里我们采用另外一种方法，即将高信噪比的共焦显微镜和 非常低的读出激光能量相结合，来得到高信噪比的图像并且对数据的破坏极小。 4 7 主里型兰垫查查兰竖主堡兰 首先，共焦荧光显微镜中采用了分色镜和滤色片，使小于5 7 0 n m 的激光的散 射光和杂散光被阻挡在探测器之外，而荧光能够j f n 幂, j 进入探测器，有利于提高信 噪比。更重要的是，共焦小孔作为一个空间滤波器，能阻挡非焦面的噪声光进入 探测器。因此理论上讲共焦显微镜的信噪比比普通显微镜至少大十倍2 2 。而且由 于我们的材料具有较强的荧光，在能量极低的读出光的激发下能得到高对比度的 图像。 读出激光的能量需要在信息点的破坏程度和信号的信噪比之间进行优化。实 验表明，读出激光的能量有一个最佳阂值。当读出激光的能量大于最佳闽值时， 信息点的破坏程度也较大，虽然得到的信号强度比较大，但同时噪声信号也加大， 最终得到的信噪比却不会提高。而当读出激光的能量小于最佳阈值时，虽然破坏 程度会降低，但信号强度衰减较快，信噪比也会降低。根据我们的实验系统和材 料，这一最佳闽值约为1 0 。w 。当读出激光的能量为l o 6 w 时，即能够得到较高的 信噪比，又能够时信息点的破坏程度降至极低。 在超低能量读出的情况下，我们发现信息点的破坏程度不仅和读出激光的能 量有关，还跟激光在每点上的驻留时间有关。为得到激光能量和驻留时间的关系， 表3 1 数据点破坏程度和驻留时间的关系 n u m b e r s c a n n i n gs e t t l i n gt i m eo fe a c hc y c l e s o f a v e r a g e s n r s p e e d b i t i no n ec y c l e s c a n m n g o f e a c hb i t 1o 5 m m ，s8 m s12 1 2 d b 1 2 4 1 d b 22 5 m m s1 6 m s 52 0 4 d b 1 2 5 9 d b 3 1 0 m m s0 4 m s52 3 8 d b 2 01 9 9 d b 中国科学技术大学博士论文 我们在不同的扫描速度和读出循环次数下测量了读出荧光的强度，如表3 】所 示。所有的数据点使用相同功率( 1 2 m w ) 的飞秒激光写入和相同功率的5 3 2 n m 连续激光( 1 0 4 w ) 读出。数据点受到一定程度的破坏后其荧光强度会下降，从而 导致信号的信噪比下降，因此我们可以用信噪比来表示数据点的破坏程度。从表 中可以看出，在相同的扫描速度下，随着总的驻留时间( 总驻留时间等于在每个 点每次循环的驻留时间乘以扫描循环次数) 的增加，信噪比的平均值下降。而如 勺 一 一 i , , i j 山 一 比 z r e a d o u tc y c l e s f i g 3 7d e p e n d e n c eo fr e a d o u tc y c l e so ns n rl e v e l sf o rt w od i f f e r e n c er e a d o u tl a s e r p o w e r s 图3 7 在两种不同的读出激光功率下，读出循环次数和信噪比的关系。 果总的驻留时间相等，则无论扫描速度是多少，每个信息点的信噪比的平均值没 有多大的变化。也就是说，决定信息点破坏程度的是总的驻留时间，跟扫描次数 和扫描速度没有关系。这给我们一个提示，在不减小信噪比的情况下，可以通过 提高扫描速度来实现较多的扫描次数。 幸运的是，随着现代科学技术的进步，商业化的光驱的扫描速度越来越快。 现在5 0 x 的光驱的平均线速度约为3 0 m s 2 3 。我们根据总驻留时间相等的原则可 以估算出在5 0 x 光驱的读盘速度下，这一读出方法所能达到的读出循环次数。 图3 6 为我们的实验结果。我们实验时的扫描速度为2 5 m s ，按照总驻留时间相 4 9 中国科学技术大学博士论文 等的原则每次读出循环相当于5 0 x 光驱的1 2 0 0 0 次读出循环。实验时所有的数 据点在相同功率的飞秒激光和相同的曝光时间下写入。从图3 7 中可以看出，在 1 0 击w 读出激光功率下，以5 0 x 光驱的扫描速度在经过1 0 7 读出循环后，平均信 噪比下降了1 8 d b ( 从2 6 8 d b 下降2 5 d b 到) 。而当我们用1 0 4 w 的激光读出时。 在相同的循环次数下平均信噪比从2 7 1 d b 下降到2 0 8 d b 。 当然在我们的估计中未考虑探测系统的时间常数对信号的影响。每一种探测 系统都有一定的时间常数( 或带宽) ，当扫描速度很快时信号的变化频率也非常 快。当信号的变化频率接近或超过探测