偏振操控图像和双光子荧光偏振调制的研究

摘要

受益于高方向性、高亮度的激光光源，在进入21世纪后光学信息存储获得飞速的发展并正式步入实际应用范畴。相比于磁存储和半导体存储，光存储具有更高的存储密度和信噪比并且可以重复擦写等优势，顺应时代的潮流，具有不可估量的应用前景。近年来，有机高分子材料在光学逻辑、光学存储、光纤通信、光限幅以及光学显微等方面都表现出了广阔的应用价值，相比于无机材料材料来说这类材料非线性系数更好、非线性响应速度更快、光学损伤阈值更高且分子结构容易根据实际需求而修改等优势，因此正式步入光学应用的黄金期后，有机高分子材料的研究获得了急速的发展。其中最为典型的类光学材料便是偶氮聚合物材料，当出现吸收带内的强激光泵浦下，偶氮材料具有出色的光致各向异性，使得该类材料在光学存储应用方面有着很大的应用前景。另外，双光子荧光成像技术由于双光子荧光的非线性本质具有强穿透力、很强的选择激发性、高横向及纵向分辨率并且降低生物组织对激发光的吸收和散射等特点，因此针对双光子荧光的调控技术对双光子荧光应用来说是有趣并且具有广泛的应用前景。在本论文中，我们运用偶氮聚合物材料优秀的光致各向异性以及一类 D-π-A材料优异的双光子荧光效应对非线性光学应用以及双光子荧光偏振调制进行了一系列的研究。
　　第一章，描述了信息存储的研究史，其中重点介绍了光信息存储技术的发展史，对现阶段应用较为广泛的的全息存储与偏振全息光存储的存储机理和特点进行了简单的描述，并且分析了相比于普通的全息存储，偏振全息存储的优势及应用前景进而引出本论文中最重要的研究材料：偶氮材料，随后介绍了含偶氮功能团材料的结构特征和光致各向异性。最后对双光子荧光的应用发展进行介绍，分析了双光子荧光在应用中的优缺点及发展瓶颈。最后引出本文的创新点并概述了本文的主要提纲。
　　第二章，研究了偶氮聚合物材料的光致双折射性质，并对实验结果进行了理论分析。结果表明在室温下偶氮侧链液晶材料样品的双折射存储非常稳定，在关闭泵浦光后会弛豫到一稳定数值并且长时间保持不变，是一种非常适合进行偏振全息存储的材料。并且研究了外界条件（泵浦光强和温度）对材料光致双折射的影响，发现改变泵浦光的强度或者材料样品温度能有效的控制光致双折射值的大小，文中对其机理进行了讨论。
　　第三章，基于偶氮液晶材料物材料的光致各向异性，我们在材料薄膜中完成了线以及圆偏振全息光栅的记录并对所记录的偏振全息光栅的偏振转换特性进行了详细的实验研究和理论推导。此外，采用二次曝光的方法在样品的同一个点上记录了两个不同的圆偏振全息光栅，并对其偏振转换特性进行了研究。通过理论计算和实验结果，发现记录的二次曝光的偏振全息光栅并非是两个单独光栅的简单的叠加，其偏振转换特性有了一定的变化。最后利用二次记录的偏振全息光栅进行了图像的存储与调控，实现对图像光强、形貌及偏振态的实时控制。
　　第四章，作为光学领域的一个重要分支，光学逻辑运算具有着高度的互联性与并行性、高传递速度以及高开关速度等优势，本章中，我们利用偶氮材料光致双折射对线-圆偏振光的不同响应实现“与”、“或”、“异或”等全光逻辑门。另外，利用二次曝光的偏振全息光栅实现光学逻辑运算中的加法和减法，并且完成“或”和“异或”的光学逻辑门的实验设计。
　　第五章，本章中，我们对两种有机高分子材料的双光子荧光进行了测量并对它们的荧光偏振调制特性进行了研究，实验中发现，这两种D-π-A型荧光材料具有优异的双光子荧光效应，并且它们的双光子荧光强度受到泵浦光的偏振调制并且与其调制特性激发光的线偏振组分紧密相关，且改变一些外在因素双光子荧光的偏振调制效率也会产生改变。结合分子聚合以及激发态吸收的特性，对双光子荧光偏振调制效率的变化进行了详细的讨论。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光信息存储简介

1.2 全息存储

1.3 偶氮材料的结构特征与光致各向异性

1.4 双光子技术

1.5 本论文的研究内容和创新点

参考文献

第二章 偶氮聚合物光致双折射研究

2.1 引言

2.2 光致双折射测量原理

2.3 实验部分

2.4 小结

参考文献

第三章 偏振全息存储技术的研究及图像控制

3.1 引言

3.2 正交线偏振光记录偏振光栅的实验

3.3 正交圆偏振光记录偏振光栅的实验

3.4 二次曝光的正交圆偏振光记录偏振光栅的实验

3.5 图像的存储与偏振调控

3.6 小结

参考文献

第四章 基于偏振操控的光学逻辑运算

4.1 引言

4.2 光致双折射光逻辑运算

4.3 偏振全息光逻辑运算

4.4 小结

参考文献

第五章 双光子荧光的偏振调制研究

5.1 引言

5.2 双光子荧光的偏振调制

5.3 外界条件对双光子荧光偏振调制的影响

5.4 小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

攻读博士期间的科研成果