作者姓名：郭漢明
　　論文題目：折射率變化型多層光存儲的矢量衍射理論
　　作者簡介：郭漢明，男，?1977年12月出生，2003年09月師從于上海理工大學莊松林教授，于2007年08月獲博士學位。

　　中文摘要
　　多層光存儲是解決信息社會對高密度大容量數(shù)據(jù)存儲要求的重要技術之一，而建立相應的電磁理論模型對促進多層光存儲技術的迅速發(fā)展具有重要意義。折射率變化型多層光存儲記錄的信息坑是因為其折射率不同于其周圍的介質，利用信息坑對光的散射而讀出信息，因此可以利用脈沖激光在各種透明材料中記錄信息，可以不需要光敏材料，從而不會像光敏聚合物那樣存在因收縮或流動而導致的畸變現(xiàn)象和因紫外光產生的異構化問題，也不會像光折變材料那樣存在記錄數(shù)據(jù)的固定難題。與全息體存儲、雙光子多層光存儲和熒光多層光存儲相比較，折射率變化型多層光存儲在下一代高密度光存儲中占有顯著的優(yōu)勢。根據(jù)折射率變化型多層光存儲的讀入光入射方式，折射率變化型多層光存儲可以分成采用傳統(tǒng)讀取方式（讀入光是通過物鏡沿垂直于光盤的表面方向聚焦到待讀層，進行信息的讀取，例如DVD光盤）的多層光存儲（簡稱傳統(tǒng)多層光存儲）和波導多層光存儲（讀入光被物鏡從光盤的側面耦合到待讀平面波導單元的芯層并激發(fā)出導模，該導模遇到信息坑時將散射出光波導，從而實現(xiàn)信息的讀取）。本論文的目的就是根據(jù)傳統(tǒng)多層光存儲和波導多層光存儲的工作原理，建立折射率變化型多層光存儲嚴格的矢量衍射模型，以便能夠精確地描述信息坑的散射光在探測器平面上的像場分布、光盤結構參數(shù)對串擾和調制度等光存儲性能的影響機理，為折射率變化型多層光存儲的實驗研究及優(yōu)化設計提供理論指導，促進多層光存儲技術的實用化發(fā)展。
　　針對這一目的，本論文首先根據(jù)建立折射率變化型多層光存儲的工作原理，將其讀取系統(tǒng)分解為讀系統(tǒng)、多層光盤（即存儲介質）和探測系統(tǒng)，然后提出利用光學成像的矢量場理論來解決讀系統(tǒng)和探測系統(tǒng)的像場計算，利用李普曼—薛維格爾方程和平面分層均勻介質的并矢格林函數(shù)來解決讀入光與信息坑相互作用后的散射場計算，從而實現(xiàn)用嚴格的電磁理論描述折射率變化型多層光存儲工作的完整過程。在該思路的指導下，本論文在第二章詳細推導出平面分層均勻介質的并矢格林函數(shù)后，建立了一種有效的平面分層均勻介質并矢格林函數(shù)的數(shù)值計算方法。為了解決平面分層均勻介質并矢格林函數(shù)中由于被積函數(shù)具有高振蕩和奇點特性而導致的計算難題，我們深入分析了各種已知的數(shù)值算法，利用平面波導的矩陣轉移理論和圖解法推導出分層均勻介質并矢格林函數(shù)極點以及計算這些極點的留數(shù)的遞推公式；利用復平面變換積分路徑方法和正弦或正切變量替換成功地建立了一種有效的分層均勻介質并矢格林函數(shù)的數(shù)值計算方法。該數(shù)值計算方法由于考慮了極點處留數(shù)的貢獻，即提取了表面波，從而能夠用于遠場區(qū)域的計算，這在多層光存儲的模型計算中是必須考慮的。
　　由于高密度光存儲的信息坑尺寸接近甚至小于波長，而且光學頭的數(shù)值孔徑會超過0.9（如藍光存儲），因此光存儲中的讀系統(tǒng)和探測系統(tǒng)的像場計算必須基于矢量成像理論。然而目前國內外光學系統(tǒng)成像的矢量場理論尚未完善，有較大的應用局限性及不足，不能滿足光存儲中的理論需求。為此，本論文在第三章系統(tǒng)地建立了消球差光學系統(tǒng)成像的矢量場理論。在這一部分，本論文①利用橫向電磁場的模式展開式建立了均勻介質中任意偏振電磁場的矢量平面波譜公式。該矢量平面波譜公式由TM波和TE波組成，且每個平面波的振幅和偏振態(tài)完全分離，與文獻(Opt.?Commun.,?1998,?152:108-118)中的矢量平面波譜公式相比（每個平面波的振幅和偏振態(tài)沒有分離），具有更加明顯的物理意義，在某些場合中應用更加便利。我們利用該矢量平面波譜公式成功地證明了“方位角偏振光經過透鏡聚焦耦合到平面波導芯層時，將在波導芯層中僅僅激發(fā)出TE模；而徑向偏振光則僅僅激發(fā)出TM模”。②利用電磁波的矢量平面波譜公式和穩(wěn)相法建立了相干點源位于光軸上任意位置時，消球差共軸光學系統(tǒng)成像的矢量衍射理論，并且通過數(shù)值模擬研究驗證了物方孔徑角、像方孔徑角和光源偏振態(tài)等對像場結構、光學系統(tǒng)分辨率等方面的影響，證明了經典的Wolf成像矢量場理論(Proc.?R.?Soc.?London,?Ser.?A,?1959,?253,?358-370)的不足，同時表明Wolf成像矢量場理論只適用于點源位于光軸無窮遠情況，無法直接應用于物方為大數(shù)值孔徑角的情況。③首次建立了一種類似于標量衍射理論中相干傳遞函數(shù)的矢量相干傳遞函數(shù)，推導出基于矢量衍射理論的光學系統(tǒng)成像中聯(lián)系像場和物場的簡單關系式。該關系式表明像場的矢量平面波譜等于對應x偏振和y偏振單位振幅點電場源的矢量相干傳遞函數(shù)和相應的橫向物場分量的標量譜的乘積之和。④首次利用矢量相干傳遞函數(shù)和分層均勻介質的并矢格林函數(shù)建立了消球差光學系統(tǒng)物方和像方分別為分層均勻介質時矢量點源的成像物理模型，并且證明了文獻[J.?Mod.?Optics,?1998,?45(8):1681-1698]認為“物空間入射光線和像空間對應出射光線相對于光軸的夾角隨散射體在光軸上的位置變化而變化”的錯誤觀念，同時指出了正確的應用方法。這一系列成果基本完善了消球差光學系統(tǒng)成像的矢量場理論，也解決了折射率變化型多層光存儲中成像系統(tǒng)的嚴格矢量衍射理論問題。
　　根據(jù)傳統(tǒng)多層光存儲與波導多層光存儲的工作原理及其讀入光入射方式的差異，本論文利用在平面分層均勻介質并矢格林函數(shù)數(shù)值計算方法和光學成像的矢量場理論方面取得的研究成果，在第四章和第五章首次系統(tǒng)地建立了折射率變化型多層光存儲的矢量衍射理論，包括傳統(tǒng)多層光存儲和波導多層光存儲的矢量衍射模型。該矢量衍射模型可以適用于動態(tài)的信號讀出、計算信號功率、探測器表面上的場分布、調制度和串擾隨信息坑尺寸的變化、道間距和層間距對串擾的影響、以及碼間影響等參數(shù)。編制了一個折射率變化型多層光存儲的模擬計算軟件，分析了光源偏振態(tài)、波長、探測系統(tǒng)數(shù)值孔徑對信號功率及其像場分布的影響；計算了沿信道方向二進制碼的信號功率分布；分析了調制度和串擾隨信息坑長度、寬度和深度的變化以及光源偏振態(tài)和數(shù)據(jù)層厚度對調制度的影響。通過模擬計算，得到了一系列重要結論。例如，在波導多層光存儲中，讀入光的最優(yōu)偏振態(tài)為方位角偏振(azimuthal?polarization)，因為方位角偏振光經過透鏡聚焦耦合到平面波導芯層時，將在波導芯層中僅僅激發(fā)出TE模，而TE模相對于TM模而言，可以使波導多層光存儲的讀出信號功率更高、串擾更低、調制度更大。又如，在傳統(tǒng)多層光存儲中，探測器接收的來自多層存儲介質分界面的反射光功率越大，讀出信號的調制度越大，因此每個數(shù)據(jù)層的厚度最好設計成半波長或者波長的整數(shù)倍，此時調制度可以超過0.9，甚至接近1。
　　本論文的研究成果將不僅促進折射率變化型多層光存儲的實用化發(fā)展和性能提高，還將促進光學系統(tǒng)成像矢量場理論的發(fā)展及完善。

　　關鍵詞：多層光存儲　波導多層光存儲?傳統(tǒng)多層光存儲?矢量成像理論　并矢格林函數(shù)?李普曼—薛維格爾方程