飞秒激光三维光存储是实现高密度和超高密度光存储的重要方法之一。对一种新的微爆材料(以PMMA为基质掺杂Sm0.5Ce0.5(DBM)3Phen染料) 的吸收光谱进行了测量和分析, 以波长为514.5 nm的激光作为激光光源获得了激发前后的荧光光谱, 以800 nm飞秒激光作为激发光源得到激发前后的电子旋转共振光谱特性, 并分析了不同激光脉冲能量下存储数据点尺寸和存储点读出灰度值的变化情况, 并实现了该材料的飞秒激光四层光信息存储, 点间距为4 μm, 层间距为16 μm, 实验结果表明: 这种材料可以很好地应用于三维光信息存储。

飞秒激光三维光存储是实现高密度光存储的重要方法。为了提高飞秒激光三维光存储技术的实用化，基于DVD聚焦、循道伺服技术搭建了一套飞秒激光三维光盘存储系统。针对DVD光学头建立音圈电机电气模型，并通过典型二阶系统参数计算可获得详细的光头传递函数。针对DVD光学头传递函数，采用模糊PID算法，构建模糊PID控制系统的仿真模型，通过模糊控制规则在线对PID参数进行整定，并进行计算机Matlab仿真。仿真结果表明：模糊PID控制算法可使系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等达到系统性能指标的要求。

设计了一种单激光器双光子三维光存储系统。区别于目前普遍采用的双激光器方案, 单激光器双光子三维光存储系统结构紧凑、体积小、光程短、所需元器件少。通过衍射光学元件的使用, 实现了单一激光器, 单一物镜和单一主光路的目标。该系统的聚焦伺服线性区为4λ, 与现有的DVD伺服系统兼容。系统选层距离与衍射光学元件的位移距离呈近似的线性关系, 选层伺服易于控制。当选层厚度为0.3mm时, 衍射光学元件的最大位移距离为5.254mm, 系统所需空间小。衍射光学元件表面微结构的最小环带间距为18.202μm, 高度为1.6μm。

设计并合成了3种具有较高双光子吸收截面的新型二苯乙烯衍生物双光子生色团，利用在飞秒激光下的双光子漂白现象，在掺杂有3种二苯乙烯衍生物的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜内进行了三维数据光存储实验，研究了三者的双光子漂白能力并分析了激发功率对双光子荧光行为的影响。双光子漂白光存储的特性表明：曝光时间一定时，降低激发功率可以提高分辨率；激发功率不变，降低曝光时间也可以提高分辨率；但要提高存储速度，需用较大的激发功率。采用较大的激发功率（13.4 mW）和较短的曝光时间（20 ms），利用双光子写入和读出方法在掺杂薄膜内部实现了三维超高密度光存储，理论存储密度可达14 Gbit/cm3。双光子漂白速率对激发功率的依赖关系的研究表明，双光子漂白的机理涉及到三个光子的协同作用。

为实现三维光存储中折射率失配引起的球差补偿，建立了光学存储系统模型，获得了折射率失配引起的波前偏差函数与存储深度的表达式.采用泽尔尼克循环多项式对波前偏差函数进行补偿展开.在双光子荧光和单光子共焦荧光读出方式下，均可获得读出荧光强度与存储深度的关系:在折射率失配引起的球差未得到补偿矫正的情况下，存储深度在200 μm左右读出荧光强度基本上下降为零；当折射率失配引起的初级球差被补偿矫正后，读出荧光强度随存储深度的下降得到较好改善；当折射率失配引起的二级球差被补偿矫正后，存储深度在1 mm内存储点强度随深度基本上没有明显地变化.并且对像差补偿方法进行了具体地分析.

为提高双光子三维光存储的深层存储信息的读出信号强度和存储容量, 根据Torok的光在多层介质中传播理论, 模拟了折射率失配情况下(介质折射率为1.48,数值孔径为NA=0.65)双光子写入光束在不同存储深度处会聚点的强度分布, 分析得到了会聚点处最大光强平方与存储深度的关系; 根据原子的光吸收基本理论, 分析得到了等曝光量写入光强不变情况下曝光时间随存储深度增加的递增关系; 根据上述结果和利用自制的双光子三维光存储系统在光致变色存储材料中实现了连续八层的信息存储对比实验, 实验结果表明等曝光量时间递增存储方法可有效提高存储容量和深层存储信息的读出信号强度。

为进一步提高光存储密度，利用固体侵没透镜(SIL)与数值孔径为0．55的长工作距离物镜对飞秒激光脉冲进行聚焦，完成了PMMA及石英介质上的存储实验，并对聚焦物镜焦点与SIL底面离焦时的介质内焦点位置和系统的数值孔径进行了模拟。实验结果表明：当聚焦物镜焦点与SIL底面适当离焦时，实际聚焦在介质内的焦点深度不断加深，且系统的有效数值孔径不断增大。利用这一结果，在距PMMA表面20 μm的地方得到了点间距1μm，层间距2．5 μm的6层空间点阵；在距石英介质表面15 μm的地方获得了点间距为0．6μm，层间距为2．5μm的5层空间点阵，其存储密度可达1．1×10¹²bits／cm³。

基于LiF:F2晶体在近红外飞秒脉冲激光作用下产生F2色心向F3+色心的转变,以及两种色心荧光光谱的不同,实现了荧光反射共焦读出和多光子写入的三维光数据存储的原理性实验.钛宝石再生放大器输出的脉冲宽度100 fs、中心波长800 nm、重复频率1 kHz的超短脉冲激光束,用数值孔径0.68的显微物镜聚焦到LiF:F2晶体内部,通过移动晶体实现了三维逐位式数据写入;用405 nm的连续蓝光激发存储位,通过探测F3+色心产生的540 nm荧光,实现了对信息位进行快速非破坏性的反射共焦读出.与多光子三维存储的透射共焦散射读出和相衬读出相比,格式与现存光盘技术兼容,结构简单;更重要的是,存储信息位是依靠荧光光谱的变化,折射率变化很小,可以有效增加读出层数.

为实现共焦双光头多层数据存储系统,需要对双光头同步聚焦误差进行检测,以确定聚焦伺服跟踪精度,验证系统的可行性。首先利用几何光学的ABCD变换矩阵计算双光头输出能量与光头间距离的关系,确定其线性工作范围；其次通过输入不同频率的正弦信号驱动音圈电机,获得静止状态、下光头运动状态以及双光头同步运动状态下,四象限探测器的输出信号；最后对输出信号进行频域分析,可计算得到由于双光头参量失配而导致的同步聚焦误差在不同频率下的幅值。实验结果表明,在20 Hz、峰峰值0.5 V正弦信号作用下,同步聚焦误差幅值在1 μm以下,可以满足共焦双光头多层数据存储系统的聚焦伺服跟踪要求。

用飞秒激光(200 fs,1 kHz,800 nm)脉冲在掺杂稀土离子Ce3＋的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜中进行了光存储实验研究,包括对样品的吸收光谱、激光照射前后的电子旋转共振(Electron spin resonance,ESR)光谱的测量和讨论。结果表明掺杂稀土离子Ce3＋的聚甲基丙烯酸甲酯膜具有较低的写入阈值,有利于高速、并行的三维光存储。实验结果采用传统光学显微镜并行读出。给出了四层存储结果(点间距和层间距分别是4 μm和16 μm),并讨论了脉冲能量的大小对空腔尺寸的影响,进行高密度存储时,在保证读出信号灰度值足够大的情况下,应选择尽量小的激光脉冲写入能量。实验结果表明这种材料可以应用于三维光信息存储。