飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲及其機理

1、第32卷第3期光子學報Vol.32No.32003年3月March2003飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲及其機理劉青1,23程光華王屹山趙衛(wèi)陳國夫(2寧夏大學物理與電氣信息工程系,銀川750021)1111(1中國科學院西安光機所瞬態(tài)光學技術國家重點實驗室,西安710068)摘要使用經(jīng)鈦寶石啁啾脈沖放大的脈沖寬度為200fs、波長為800nm、重復頻率為1kHz的超短脈沖激光束,緊聚焦到熔融石英中實現(xiàn)了三維逐位式光數(shù)據(jù)存儲,記錄下20層三維數(shù)據(jù)位點,利用CCD和數(shù)碼相機對數(shù)據(jù)位進行了觀察1討論了飛秒超短脈沖與透明介質(zhì)的相互作用,以及產(chǎn)生等離子體的雪崩電離和多光子吸收電離的機理1實驗結(jié)果表明:

2、在飛秒超短脈沖與透明光學介質(zhì)的相互作用中起主要作用的是多光子吸收1關鍵詞三維光存儲;飛秒脈沖;等離子體產(chǎn)生;機理中圖分類號TN249文獻標識碼A激光能量,在透明介質(zhì)體內(nèi)聚焦點附近將物質(zhì)消融,0引言直接通過汽化改變物質(zhì)的局部結(jié)構(gòu)形成一個微小的隨著激光技術的不斷發(fā)展,激光脈沖寬度變得空腔1相對于長脈沖和連續(xù)激光來說,超短激光脈越來越短,同時導致激光單脈沖功率越來越高,從而沖幾乎不會產(chǎn)生熱作用區(qū)域和熱損傷,能更精密地出現(xiàn)了許多超短脈沖的新應用領域1飛秒脈沖激光改變介質(zhì)的局部物理化學結(jié)構(gòu)1三維光數(shù)據(jù)體存儲由于其極高的脈沖峰值功率和極短的作用時間,成就是利用飛秒脈沖激光對光學介質(zhì)的非線性作用,為人們從事

3、多項研究工作的重要工具1由于飛秒脈從而引起透明介質(zhì)體內(nèi)某空間位置上結(jié)構(gòu)的改變,沖激光對被照射物質(zhì)有很強的非線性作用,可以快導致介質(zhì)折射率發(fā)生較大的變化1用這種辦法在介速準確地將能量沉積在物質(zhì)內(nèi)部某個部位上,使得質(zhì)中記錄多層逐位式二進制數(shù)據(jù)1本文介紹了飛秒原本透明的介質(zhì)在局部變得不透明,并強烈地吸收13激光能量,近年來,一些研究者利用飛秒脈沖的這種性質(zhì),在透明介質(zhì)中進行了多層光數(shù)據(jù)存儲的47研究,同時也有許多研究工作者致力于超短脈沖與物質(zhì)的相互作用機理的研究1隨著信息科學的迅猛發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)存儲器的存儲密度和存儲容量的要求也在不斷地提高,對超高密度、大容量數(shù)據(jù)存儲方法的研究是當前信息科學重要的

4、研究熱點之一1自從光存儲走向?qū)嵱没詠?激光束可以聚焦到1m的程度,從而極大地提高了光數(shù)據(jù)存儲的密度,但是在光數(shù)據(jù)存儲中,每個數(shù)據(jù)位的尺度受所用光學系統(tǒng)的衍射極限的限制,這一點限制了光存儲面密度的進一步提高1而現(xiàn)在使用的光存儲技術一般還只是在單面或雙面光盤上存儲數(shù)據(jù),新的DVD技術也僅只能存儲幾層數(shù)據(jù)1為進一步提高數(shù)據(jù)的存儲密度,充分利用存儲介質(zhì)的空間,三維體存儲是首選的方法之一1將高功率飛秒脈沖緊聚焦到物質(zhì)體中,通過單光子或多光子電離激勵過程能迅速在局部產(chǎn)生一個高溫、高密度的等離子體結(jié)構(gòu),從而吸收大部分后續(xù)3中國科學院知識創(chuàng)新工程方向性項目Email:liuq收稿日期:20020823脈沖三

5、維光數(shù)據(jù)存儲的實驗方法,并對實驗結(jié)果加以討論,研究了飛秒激光脈沖與透明介質(zhì)的相互作用機理11實驗及結(jié)果實驗用鈦寶石啁啾脈沖再生放大器,獲得了脈沖J以上、重復頻率為1寬度為200fs,單脈沖能量100kHz、脈沖波長800nm的超短脈沖激光1脈沖激光束通過一個中性衰減器,得到不同功率的輸出光束,用一個數(shù)值孔徑為0.65的40倍聚焦透鏡將超短脈沖激光束緊聚焦到透明介質(zhì)(熔融石英)內(nèi)部指定的位置1熔融石英被置于由計算機控制的三維精密移動平臺上,從而在熔融石英樣品中產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)位點陣列(圖1),分別通過一個CCD成像系統(tǒng)和相位對比光學圖1三維光數(shù)據(jù)存儲圖Fig.1Thediagramof32Dopti

6、csstorage© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3期劉青等1飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲及其機理277顯微鏡對數(shù)據(jù)進行了監(jiān)控和讀出1首先用不同單脈沖能量的激光束入射到熔融石英中,以檢測出能產(chǎn)生可見的光損傷區(qū)域的閾值能量,得出對于入射的800nm、200fs的超短脈沖激光來說,能量閾值在接近于1J附近1圖2、3分別為單脈沖能量為1J的超短激光束在熔融石英中產(chǎn)生的多層記錄位點陣列的正、側(cè)面相位對比光學顯微鏡圖像,每個位點一個脈沖,記錄位點的點間距分別為2.5m,層間距為

7、7m1圖2是通過相位對比光學顯微鏡由數(shù)碼相機沿平行于入射光束方向拍攝13的,單脈沖能量為1J(功率密度約為7×10WP2cm)脈沖寬度為200fs的超短脈沖在熔融石英中產(chǎn)生的點間距為2.5m×2.5m的透射圖像1圖3與圖2的觀察對象相同,是從垂直于入射光方向拍攝到的數(shù)據(jù)位點陣列的多層圖像1從圖3中可以看到超短激光脈沖在聚焦點附近產(chǎn)生的不是一個圓柱形的洞,而是一個圓錐形的空腔,圓錐尖的指向與入射脈沖激光光束的傳播方向相同1時,透明介質(zhì)會變得不再“透明”,將表現(xiàn)出對激光束強烈的吸收性質(zhì)1一般認為強激光對介質(zhì)的損傷可能由以下原因產(chǎn)生:高密度等離子體的產(chǎn)生,電磁沖擊波,自聚焦現(xiàn)象,

8、高次諧波等1其中高密度等離子體的產(chǎn)生是最為人們所普遍接受的觀點1高功率密度的脈沖激光在透明體內(nèi)先產(chǎn)生了一個具有極高密182034度自由電子(1010電子Pcm)的等離子體結(jié)構(gòu)1高密度等離子體使得介質(zhì)在局部能吸收全部或大部分的激光能量,進而將能量傳遞給介質(zhì),導致激光對介質(zhì)的微破壞1對于激光導致的高密度等離子體的產(chǎn)生有兩種機制:多光子吸收和雪崩電離12.1多光子吸收光場的多個光子同時被原子或分子所吸收,并產(chǎn)生原子或分子的電離等過程1這種由一個電子同時吸收多個光子,而獲得足夠的能量以擺脫束縛狀態(tài),成為自由電子的現(xiàn)象,稱為“多光子吸收”現(xiàn)象1對于本文的實驗來說,由于熔融石英(SiO2)的電離,需要波長

9、為140能E約為9eV,根據(jù)公式E=hnm的一個光子將能量全部傳給SiO2的一個束縛電子,才能直接使該束縛電子電離1因?qū)嶒炛惺褂玫氖遣ㄩL為800nm的近紅外光束,所以單個光子是不可能使SiO2分子產(chǎn)生電離的1如果有6個光子同時被一個束縛態(tài)電子吸收,就能使得該電子脫離分子的束縛,成為自由電子1多光子吸收發(fā)生的幾率與光電場的高次項成正比,只有能量密度極高的光束才能表現(xiàn)出多光子吸收現(xiàn)象1對于SiO2來說,E=9eV1下式是被廣泛使用的、描述凝聚態(tài)中多光子吸收所產(chǎn)生的電子密8度表達式d9mpahexp(12)3/2圖2熔融石英中點間距215m的數(shù)據(jù)位點圖像Fig.2Bitsplanewrittenin

10、sidethefusedsilicawithspacing2.5mI(t,z)E216nc0m26E6-h(1)其中是電子密度,n是折射率,c是光速,m是電子2離子的簡化質(zhì)量,是激光角頻率,(x)表示圖3熔融石英中數(shù)據(jù)位點側(cè)面圖像,點間距215m,層間距7mFig.3Side2viewimagesofbitsarraywithaspacing2.5mwithinaplaneandabout7mbetweenplanesDawson積分(x)=exp(-x)exp(y)dy02x=exp(-x)6r=02r+12激光與介質(zhì)的相互作用機理在利用激光對電離能較高的透明介質(zhì)(包括熔融石英)的處理過程中

11、,通常要求在物質(zhì)上沉淀足夠的能量,但這些介質(zhì)在較低功率的激光入射時,一般會表現(xiàn)出很強的透光能力,只有很小的能量吸收.當入射激光的功率密度增加到介質(zhì)的“損傷閾值”以上r!(2r+1)對多光現(xiàn)討論光電場強度(E)和脈沖寬度(子吸收的影響,從式(1)可以看出,對于多光子吸收:(a)要求有極高的激光功率密度或電場強度(E),才能保證多光子電離的發(fā)生1光強每增加一倍(電場強度變?yōu)樵瓉淼乃谋?,多光子吸收(實際是66光子吸收)率(E)將變?yōu)樵瓉淼?倍;© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

12、278光子學報32卷(b)激光脈沖作用時間(脈沖寬度)對多光子間,激光作用時間延長一倍,產(chǎn)生的自由電子數(shù)目將增加2e倍1(c)電場強度E的影響1電場強度E將決定自由電子與分子P離子的一次碰撞導致自由電子動能的增加量1電場強度E將決定下式中的e1tPee=02吸收的影響遠不如電場強度大,脈沖寬度增加1倍,自由電子的數(shù)目增加1倍1式(1)中假定未電離的束縛電子密度幾乎不變,如果考慮到未電離的束縛電子數(shù)將隨著時間的增加而減少,多光子吸收的電離率將隨著未電離的束縛電子數(shù)的減少而減少,故可以預計脈沖寬度增加一倍,自由電子數(shù)增加不足1倍12.2雪崩電離雪崩電離機制如下:當物質(zhì)中已經(jīng)存在有自由電子時,一個這

13、樣的自由電子(種子電子)先要吸收光子以提高其動能,但因自由電子與光子的相互作用要滿足能量和動量守恒定律,只有在電子與其它分子或離子發(fā)生碰撞時,才能同時滿足能量和動量的守恒,因此只當自由電子與其它分子或離子發(fā)生碰撞時,自由電子才能吸收激光能量(逆向韌致輻射)1當自由電子的動能高于分子或離子的電離能時,它們通過與分子或離子的碰撞而電離出新的自由電子,從而出現(xiàn)兩個低動能的自由電子,這種過程使得自由電子的數(shù)目呈幾何級數(shù)增加,這就是等離子體產(chǎn)生的“雪崩電離”機理1對于由雪崩電離而產(chǎn)生的自由電子,首先要保證存在有種子電子1對于透明的絕緣介質(zhì)來說,這些自由電子可以由多光子吸收或介質(zhì)的不純性等原因產(chǎn)生1其次低

14、動能的自由電子要吸收至少6個光子的能量變?yōu)橥ㄟ^碰撞能電離分子P離子的高能量的自由電子,自由電子是通過逆向韌致輻射的方式吸收激光能量的,這種吸收只有在自由電子與其它分子或離子發(fā)生碰撞時才能發(fā)生,而電子和其它分子或離子的碰撞需要一定的時間1電子與分子或離子碰撞的弛豫時間為e=1/nmvee1其中nm為SiO2分子和離子的密度,ve為電子速度,e為電子/可以看出,脈沖時間的延長,對雪崩電離最有利;而對于多光子電離來說,最有利的因素是光電場強度的增加12.3激光脈沖寬度對介質(zhì)的影響對于長脈沖(例如納秒脈沖)來說,由于其脈沖的作用時間較長,有利于雪崩電離,而其脈沖功率密度較弱,對多光子吸收有很大的限制,

15、因此等離子體的產(chǎn)生主要是由雪崩電離導致的1因此,在長脈沖激光光束對透明介質(zhì)的作用中,雪崩電離起到了主要的作用1對于短脈沖(例如飛秒脈沖)來說,由于激光作用時間較短,不利于對時間要求較長的雪崩電離,但因為其激光功率密度很高,使得多光子吸收發(fā)生的幾率大大增強了,因此,相對于長脈沖激光來說,在短脈沖激光與透明介質(zhì)的相互作用中,多光子吸收起到了更為重要的作用1有了高強度的等離子體之后,等離子體中的自由電子通過逆向軔致輻射,吸收大部分的入射激光能量,達到很高的溫度1自由電子通過與離子或晶格的碰撞,再將能量傳遞給離子和晶格,使得介質(zhì)很小的局部被加熱到很高的溫度(數(shù)千度),發(fā)生微爆,導致物質(zhì)的蒸發(fā)1這就是激

16、光消融的過程13結(jié)束語本文利用超短脈沖激光進行了高密度32D光數(shù)據(jù)存儲的實驗研究1在每個記錄數(shù)據(jù)位上經(jīng)過微爆,在局部產(chǎn)生了一個亞微米尺度的具有高折射率的微結(jié)構(gòu)1討論了超短脈沖對SiO2透明介質(zhì)的相互作用機理1用超短脈沖激光在透明介質(zhì)中進行三維光數(shù)據(jù)存儲,可供選擇的存儲介質(zhì)很多1研究結(jié)果證明,用超短脈沖在透明介質(zhì)中進行三維光數(shù)據(jù)體存儲是可行的1參考文獻1KawataY,NakanoM,LeeSC.Three2dimensionalopticaldatastorageusingthree2dimensionaloptics.OptEng,2001,40(10):224722542GlezerEN,

17、MilosavlfevicM,HuangL,etal.Three2dimensionalopticalstorageinsidetransparentmaterials.OpticsLetters,1996,21(24):202320125傳輸截面積1自由電子吸收能量變?yōu)楦吣芰康淖杂呻娮雍?要電離出其它的束縛電子,也要與分子或離子發(fā)生碰撞,由于此時自由電子的速度要比低能量的電子的速度高得多,其弛豫時間也就比低能量的自由電子的弛豫時間低得多1所以雪崩電離的發(fā)生,或者說自由電子通過雪崩電離而使得其數(shù)目增加,是需要一定的時間的,這主要由低能量的自由電子進行逆向韌致輻射時的弛豫時間決定1對于雪崩電離:

18、(a)要求存在種子電子,在初始時刻,種子電子數(shù)量的多少,直接影響到自由電子總數(shù)達到一定值所用的時間1(b)激光作用時間(脈沖寬度)對雪崩電離十分重要,如果用e表示自由電子數(shù)目增加一倍的時© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3期劉青等1飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲及其機理3QiuJR,MiuraK,InouyeH,etal.Three2dimensionalopticalstorageinsideasilicaglassbyusingafocusedfemtosecondp

19、ulsedlaser.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchB,1998,141:6997032796DuD,LiuX,KornG,etal1Laser2inducedbreakdownbyimpactionizationinSiO2withpulsewidthsfrom7nsto150fs.ApplPhysLett.1997,33(10):170617167ZhaoJX,HuettnerB,MenschigA.Microablationwithultrashortlaserpulses.Optics&LasersTechnology

20、,2001,33:4874914FanChH,LongtinJP.Modelingopticalbreakdownindielectricsduringultrafastlaserprocessing.AppliedOptics,2001,40(18):312431315LiuX,DuD,MourouG.Laserablationandmicromachiningwithultrashortlaserpulses.IEEEJQuantumElectron,1997,33(10):1706168NoackJ,VogelA.Laser2InducedPlasmaFormationinWaterat

21、NanosecondtoFemtosecondTimeScales:CalculatioonofThresholds,AbsorptioonCoefficeents,andEnergyDensity.IEEEJofQuanElec,1999,35(8):11561167Three2DimensionalOpticalStorageInsideSilicaGlassUsingFemtosecondPulseandMechanismStudyLiuQing1,2,ChengGuanghua,WangYishan,ZhaoWei,ChenGuofuChineseAcademyofScience,Xi

22、an710068,P.R.China11111StateKeyLaboratoryofTransientOpticsTechnology,XianInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,2NingxiaUniversity,Yingchuan,750021,P.R.ChinaReceiveddate0823AbstractThree2dimensionalopticaldatastorageisproducedbyusingtightlyfocusedintoinsideasilicaglassthatchirpedamplifiedfemtosecondlaserpulseswith800nm,200fs,1kHz,total20bitsplanes.Read