飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理

1、2003年3月March2003飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理刘青1,23程光华王屹山赵卫陈国夫(2宁夏大学物理与电气信息工程系,银川750021)1111(1中国科学院西安光机所瞬态光学技术国家重点实验室,西安710068)摘要使用经钛宝石啁啾脉冲放大的脉冲宽度为200fs、波长为800nm、重复频率为1kHz的超短脉冲激光束,紧聚焦到熔融石英中实现了三维逐位式光数据存储,记录下20层三维数据位点,利用CCD和数码相机对数据位进行了观察1讨论了飞秒超短脉冲与透明介质的相互作用,以及产生等离子体的雪崩电离和多光子吸收电离的机理1实验结果表明:在飞秒超短脉冲与透明光学介质的相互作用中起

2、主要作用的是多光子吸收1关键词三维光存储;飞秒脉冲;等离子体产生;机理中图分类号TN249文献标识码A激光能量,在透明介质体内聚焦点附近将物质消融,0引言直接通过汽化改变物质的局部结构形成一个微小的随着激光技术的不断发展,激光脉冲宽度变得空腔1相对于长脉冲和连续激光来说,超短激光脉越来越短,同时导致激光单脉冲功率越来越高,从而冲几乎不会产生热作用区域和热损伤,能更精密地出现了许多超短脉冲的新应用领域1飞秒脉冲激光改变介质的局部物理化学结构1三维光数据体存储由于其极高的脉冲峰值功率和极短的作用时间,成就是利用飞秒脉冲激光对光学介质的非线性作用,为人们从事多项研究工作的重要工具1由于飞秒脉从而引起

3、透明介质体内某空间位置上结构的改变,冲激光对被照射物质有很强的非线性作用,可以快导致介质折射率发生较大的变化1用这种办法在介速准确地将能量沉积在物质内部某个部位上,使得质中记录多层逐位式二进制数据1本文介绍了飞秒原本透明的介质在局部变得不透明,并强烈地吸收13激光能量,近年来,一些研究者利用飞秒脉冲的这种性质,在透明介质中进行了多层光数据存储的47研究,同时也有许多研究工作者致力于超短脉冲与物质的相互作用机理的研究1随着信息科学的迅猛发展,人们对数据存储器的存储密度和存储容量的要求也在不断地提高,对超高密度、大容量数据存储方法的研究是当前信息科学重要的研究热点之一1自从光存储走向实用化以来,激

4、光束可以聚焦到1m的程度,从而极大地提高了光数据存储的密度,但是在光数据存储中,每个数据位的尺度受所用光学系统的衍射极限的限制,这一点限制了光存储面密度的进一步提高1而现在使用的光存储技术一般还只是在单面或双面光盘上存储数据,新的DVD技术也仅只能存储几层数据1为进一步提高数据的存储密度,充分利用存储介质的空间,三维体存储是首选的方法之一1将高功率飞秒脉冲紧聚焦到物质体中,通过单光子或多光子电离激励过程能迅速在局部产生一个高温、高密度的等离子体结构,从而吸收大部分后续3中国科学院知识创新工程方向性项目Email:liuq收稿日期:20020823脉冲三维光数据存储的实验方法,并对实验结果加以讨

5、论,研究了飞秒激光脉冲与透明介质的相互作用机理11实验及结果实验用钛宝石啁啾脉冲再生放大器,获得了脉冲J以上、重复频率为1宽度为200fs,单脉冲能量100kHz、脉冲波长800nm的超短脉冲激光1脉冲激光束通过一个中性衰减器,得到不同功率的输出光束,用一个数值孔径为0.65的40倍聚焦透镜将超短脉冲激光束紧聚焦到透明介质(熔融石英)内部指定的位置1熔融石英被置于由计算机控制的三维精密移动平台上,从而在熔融石英样品中产生三维数据位点阵列(图1),分别通过一个CCD成像系统和相位对比光学图1三维光数据存储图Fig.1Thediagramof32Dopticsstorage© 1995-

6、2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3期刘青等1飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理277显微镜对数据进行了监控和读出1首先用不同单脉冲能量的激光束入射到熔融石英中,以检测出能产生可见的光损伤区域的阈值能量,得出对于入射的800nm、200fs的超短脉冲激光来说,能量阈值在接近于1J附近1图2、3分别为单脉冲能量为1J的超短激光束在熔融石英中产生的多层记录位点阵列的正、侧面相位对比光学显微镜图像,每个位点一个脉冲,记录位点的点间距分别为2.5m,层间距为7m1图2是通过相位对比光学显微镜由数码相

7、机沿平行于入射光束方向拍摄13的,单脉冲能量为1J(功率密度约为7×10WP2cm)脉冲宽度为200fs的超短脉冲在熔融石英中产图2的观察对象相同,是从垂直于入射光方向拍摄到的数据位点阵列的多层图像1从图3中可以看到超短激光脉冲在聚焦点附近产生的不是一个圆柱形的洞,而是一个圆锥形的空腔,圆锥尖的指向与入射脉冲激光光束的传播方向相同1时,透明介质会变得不再“透明”,将表现出对激光束强烈的吸收性质1一般认为强激光对介质的损伤可能由以下原因产生:高密度等离子体的产生,电磁冲击波,自聚焦现象,高次谐波等1其中高密度等离子体的产生是最为人们所普遍接受的观点1高功率密度的脉冲激光在透明体内先产生

8、了一个具有极高密182034度自由电子(1010电子Pcm)的等离子体结构1高密度等离子体使得介质在局部能吸收全部或大部分的激光能量,进而将能量传递给介质,导致激光对介质的微破坏1对于激光导致的高密度等离子体的产生有两种机制:多光子吸收和雪崩电离12.1多光子吸收光场的多个光子同时被原子或分子所吸收,并产生原子或分子的电离等过程1这种由一个电子同时吸收多个光子,而获得足够的能量以摆脱束缚状态,成为自由电子的现象,称为“多光子吸收”现象1对于本文的实验来说,由于熔融石英(SiO2)的电离,需要波长为140能E约为9eV,根据公式E=hnm的一个光子将能量全部传给SiO2的一个束缚电子,才能直接使

9、该束缚电子电离1因实验中使用的是波长为800nm的近红外光束,所以单个光子是不可能使SiO2分子产生电离的1如果有6个光子同时被一个束缚态电子吸收,就能使得该电子脱离分子的束缚,成为自由电子1多光子吸收发生的几率与光电场的高次项成正比,只有能量密度极高的光束才能表现出多光子吸收现象1对于SiO2来说,E=9eV1下式是被广泛使用的、描述凝聚态中多光子吸收所产生的电子密8度表达式d9mpahexp(12)3/2图2熔融石英中点间距215m的数据位点图像Fig.2BitsplanewritteninsidethefusedsilicaI(t,z)E216nc0m26E6-h(1)其中是电子密度,n

10、是折射率,c是光速,m是电子2离子的简化质量,是激光角频率,(x)表示图3熔融石英中数据位点侧面图像,点间距215m,层间距7mwithinaplaneandabout7mbetweenplanesDawson积分(x)=exp(-x)exp(y)dy02x=exp(-x)6r=02r+12激光与介质的相互作用机理在利用激光对电离能较高的透明介质(包括熔融石英)的处理过程中,通常要求在物质上沉淀足够的能量,但这些介质在较低功率的激光入射时,一般会表现出很强的透光能力,只有很小的能量吸收.当入射激光的功率密度增加到介质的“损伤阈值”以上r!(2r+1)对多光现讨论光电场强度(E)和脉冲宽度(子吸

11、收的影响,从式(1)可以看出,对于多光子吸收:(a)要求有极高的激光功率密度或电场强度(E),才能保证多光子电离的发生1光强每增加一倍(电场强度变为原来的四倍),多光子吸收(实际是66光子吸收)率(E)将变为原来的2倍;© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.278光子学报32卷(b)激光脉冲作用时间(脉冲宽度)对多光子间,激光作用时间延长一倍,产生的自由电子数目将增加2e倍1(c)电场强度E的影响1电场强度E将决定自由电子与分子P离子的一次碰撞导致自由电子动能的增加量1电场强度

12、E将决定下式中的e1tPee=02吸收的影响远不如电场强度大,脉冲宽度增加1倍,自由电子的数目增加1倍1式(1)中假定未电离的束缚电子密度几乎不变,如果考虑到未电离的束缚电子数将随着时间的增加而减少,多光子吸收的电离率将随着未电离的束缚电子数的减少而减少,故可以预计脉冲宽度增加一倍,自由电子数增加不足1倍12.2雪崩电离雪崩电离机制如下:当物质中已经存在有自由电子时,一个这样的自由电子(种子电子)先要吸收光子以提高其动能,但因自由电子与光子的相互作用要满足能量和动量守恒定律,只有在电子与其它分子或离子发生碰撞时,才能同时满足能量和动量的守恒,因此只当自由电子与其它分子或离子发生碰撞时,自由电子

13、才能吸收激光能量(逆向韧致辐射)1当自由电子的动能高于分子或离子的电离能时,它们通过与分子或离子的碰撞而电离出新的自由电子,从而出现两个低动能的自由电子,这种过程使得自由电子的数目呈几何级数增加,这就是等离子体产生的“雪崩电离”机理1对于由雪崩电离而产生的自由电子,首先要保证存在有种子电子1对于透明的绝缘介质来说,这些自由电子可以由多光子吸收或介质的不纯性等原因产生1其次低动能的自由电子要吸收至少6个光子的能量变为通过碰撞能电离分子P离子的高能量的自由电子,自由电子是通过逆向韧致辐射的方式吸收激光能量的,这种吸收只有在自由电子与其它分子或离子发生碰撞时才能发生,而电子和其它分子或离子的碰撞需要

14、一定的时间1电子与分子或离子碰撞的弛豫时间为e=1/nmvee1其中nm为SiO2分子和离子的密度,ve为电子速度,e为电子/可以看出,脉冲时间的延长,对雪崩电离最有利;而对于多光子电离来说,最有利的因素是光电场强度的增加12.3激光脉冲宽度对介质的影响对于长脉冲(例如纳秒脉冲)来说,由于其脉冲的作用时间较长,有利于雪崩电离,而其脉冲功率密度较弱,对多光子吸收有很大的限制,因此等离子体的产生主要是由雪崩电离导致的1因此,在长脉冲激光光束对透明介质的作用中,雪崩电离起到了主要的作用1对于短脉冲(例如飞秒脉冲)来说,由于激光作用时间较短,不利于对时间要求较长的雪崩电离,但因为其激光功率密度很高,使

15、得多光子吸收发生的几率大大增强了,因此,相对于长脉冲激光来说,在短脉冲激光与透明介质的相互作用中,多光子吸收起到了更为重要的作用1有了高强度的等离子体之后,等离子体中的自由电子通过逆向轫致辐射,吸收大部分的入射激光能量,达到很高的温度1自由电子通过与离子或晶格的碰撞,再将能量传递给离子和晶格,使得介质很小的局部被加热到很高的温度(数千度),发生微爆,导致物质的蒸发1这就是激光消融的过程13结束语本文利用超短脉冲激光进行了高密度32D光数据存储的实验研究1在每个记录数据位上经过微爆,在局部产生了一个亚微米尺度的具有高折射率的微结构1讨论了超短脉冲对SiO2透明介质的相互作用机理1用超短脉冲激光在

16、透明介质中进行三维光数据存储,可供选择的存储介质很多1研究结果证明,用超短脉冲在透明介质中进行三维光数据体存储是可行的1参考文献storageusingthree2dimensionaloptics.OptEng,2001,40(10):224722542GlezerEN,MilosavlfevicM,HuangL,etal.Three2dimensionalopticalstorageinsidetransparentmaterials.OpticsLetters,1996,21(24):202320125传输截面积1自由电子吸收能量变为高能量的自由电子后,要电离出其它的束缚电子,也要与分子

17、或离子发生碰撞,由于此时自由电子的速度要比低能量的电子的速度高得多,其弛豫时间也就比低能量的自由电子的弛豫时间低得多1所以雪崩电离的发生,或者说自由电子通过雪崩电离而使得其数目增加,是需要一定的时间的,这主要由低能量的自由电子进行逆向韧致辐射时的弛豫时间决定1对于雪崩电离:(a)要求存在种子电子,在初始时刻,种子电子数量的多少,直接影响到自由电子总数达到一定值所用的时间1(b)激光作用时间(脉冲宽度)对雪崩电离十分重要,如果用e表示自由电子数目增加一倍的时© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights r

18、eserved.3期刘青等1飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理storageinsideasilicaglassbyusingafocusedfemtosecondultrashortlaserpulses.Optics&LasersTechnology,2001,33:4874914FanChH,LongtinJP.Modelingopticalbreakdownindielectricsduringultrafastlaserprocessing.AppliedOptics,2001,40(18):31243131withultrashortlaserpulses.IEEEJ

19、QuantumElectron,1997,33(10):1706168NoackJ,VogelA.Laser2InducedPlasmaFormationinWateratNanosecondtoFemtosecondTimeScales:CalculatioonofThresholds,AbsorptioonCoefficeents,andEnergyDensity.IEEEJofQuanElec,1999,35(8):11561167Three2DimensionalOpticalStorageInsideSilicaGlassUsingFemtosecondPulseandMechani

20、smStudyLiuQing1,2,ChengGuanghua,WangYishan,ZhaoWei,ChenGuofuChineseAcademyofScience,Xian710068,P.R.China11111StateKeyLaboratoryofTransientOpticsTechnology,XianInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,Receiveddate0823AbstractThree2dimensionalopticaldatastorageisproducedbyusingtightlyfocusedintoinsideasilicaglassth