飞秒激光诱导材料微结构及其在光存储的应用探索

发布时间：2020-03-30 06:53

【摘要】：21世纪是一个大数据,信息化的时代,爆炸的信息存储与传播量对人类社会提出新的挑战。纵观全球,每天有大量的数据以文档、报纸、图片、音频、视频等形式产生,尤其移动互联网的高速发展推动了信息的产生与传播。目前,通过缩小记录元素以提高存储容量的方法能有效地将信息以磁存储,光学存储和半导体固态存储的形式保存。然而,所有这些二维的存储方法的存储容量已经接近其物理极限。多维存储技术能将存储容量提高多个数量级,是存储技术发展的必然方向。由于光与物质相互作用过程中有许多的物理化学变化可用于多维信息记录,多维光存储在近些年引起人们广泛的关注。飞秒激光具有超短的脉冲宽度和极高的脉冲峰值功率,聚焦后与材料相互作用时会发生多光子电离、隧道电离和雪崩电离等非线性过程,从而实现对特定材料空间选择性的微结构改性,在近些年不断深入的研究中,飞秒激光已经成为一个三维修饰材料物理性能的重要工具。本文利用飞秒激光在不同材料中诱导的多种功能微结构,对其进行表征和原理的探讨,并探索了不同的微结构在光存储领域的潜在应用。具体如下:(1)采用高温熔融法制备了Cr~(3+)离子掺杂的铝硅酸盐玻璃,在高重频飞秒激光辐照后,成功实现了ZnAl_2O_4纳米晶的析出。此外,玻璃中的Cr~(3+)嵌入所诱导的晶体中,在辐照区域观测到了Cr~(3+)的宽带发光,分析了其用于三维光存储的可能性;(2)利用不同频率的飞秒激光辐照ZnO-TeO_2-P_2O_5体系玻璃,实现了玻璃内部从团簇到纳米颗粒的可控析出,利用拉曼成像表征了团簇与纳米颗粒在所诱导微结构中的不同分布,探讨了其形成的机理,基于团簇的近红外发光,进一步演示了其在三维光存储的可行性。(3)利用1 kHz飞秒激光辐照掺银磷酸盐玻璃,基于银离子的价态和荧光变化,验证了该方法可以实现单脉冲超快光存储。进一步探究了记录的层间串扰、体密度和信息的热稳定性,并从理论上计算了所存储信息的寿命;利用得出的结论,我们演示了其在三维存储的应用,并获得了很高的信噪比。(4)利用静电纺丝技术制备了取向金纳米棒掺杂的PVA纤维膜,探索了不同长径比的纳米棒在偏振激光作用后信号读取的相关系数。尝试了多层的存储读取,为进一步发展基于取向金纳米棒的多维光存储奠定基础。
【图文】：

物理现象,飞秒激光,时间尺度,隧道电离

华南理工大学硕士学位论文纳秒和皮秒加工必然出现的热效应，，能进行超精细结构修饰。又因为激光光子密度极大，理论分析表明激光焦点处产生的巨大场强(1010V/cm)已经自身的库仓场强，所以即便透明介质材料对激光波长没有本征吸收，也会离、隧道电离等吸收光子使电子吸收能量跃迁并进一步引发电子雪崩，进线性过程来对材料实行特定区域的改性。

自相位调制

飞秒激光束能量的空间强度分布呈高斯分布的，这引起激光入向有所变化。当材料非线性系数是正值时，激光束中心强度最输速度最慢，相反的激光束外围区域强度较低，折射率较小，普通光通过凸透镜聚焦时类似，由于是飞秒激光自身性质引起材料的非线性折射率为负值时，就如同光通过凹透镜相似而现象。位调制调制指的是飞秒激光在介质中的波长随单脉冲前后时间不同而示，超强超短飞秒激光单个脉冲的峰尖和峰尖前后在介质内速尺度内会引起相位频率改变，脉冲的前沿频率减小波长变长，大波长变短，造成脉冲频谱展宽。在一些介质中，可以观察到白光。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TB303

【参考文献】