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

　　中文摘要
　　多層光存儲(chǔ)是解決信息社會(huì)對(duì)高密度大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的重要技術(shù)之一，而建立相應(yīng)的電磁理論模型對(duì)促進(jìn)多層光存儲(chǔ)技術(shù)的迅速發(fā)展具有重要意義。折射率變化型多層光存儲(chǔ)記錄的信息坑是因?yàn)槠湔凵渎什煌谄渲車慕橘|(zhì)，利用信息坑對(duì)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(huì)像光敏聚合物那樣存在因收縮或流動(dòng)而導(dǎo)致的畸變現(xiàn)象和因紫外光產(chǎn)生的異構(gòu)化問題，也不會(huì)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(chǔ)、雙光子多層光存儲(chǔ)和熒光多層光存儲(chǔ)相比較，折射率變化型多層光存儲(chǔ)在下一代高密度光存儲(chǔ)中占有顯著的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)折射率變化型多層光存儲(chǔ)的讀入光入射方式，折射率變化型多層光存儲(chǔ)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(jìn)行信息的讀取，例如DVD光盤）的多層光存儲(chǔ)（簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)多層光存儲(chǔ)）和波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)（讀入光被物鏡從光盤的側(cè)面耦合到待讀平面波導(dǎo)單元的芯層并激發(fā)出導(dǎo)模，該導(dǎo)模遇到信息坑時(shí)將散射出光波導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)信息的讀?。?。本論文的目的就是根據(jù)傳統(tǒng)多層光存儲(chǔ)和波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)的工作原理，建立折射率變化型多層光存儲(chǔ)嚴(yán)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(cè)器平面上的像場(chǎng)分布、光盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)串?dāng)_和調(diào)制度等光存儲(chǔ)性能的影響機(jī)理，為折射率變化型多層光存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，促進(jìn)多層光存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。
　　針對(duì)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(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)）和探測(cè)系統(tǒng)，然后提出利用光學(xué)成像的矢量場(chǎng)理論來解決讀系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)的像場(chǎng)計(jì)算，利用李普曼—薛維格爾方程和平面分層均勻介質(zhì)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(chǎng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)用嚴(yán)格的電磁理論描述折射率變化型多層光存儲(chǔ)工作的完整過程。在該思路的指導(dǎo)下，本論文在第二章詳細(xì)推導(dǎo)出平面分層均勻介質(zhì)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(zhì)并矢格林函數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法。為了解決平面分層均勻介質(zhì)并矢格林函數(shù)中由于被積函數(shù)具有高振蕩和奇點(diǎn)特性而導(dǎo)致的計(jì)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(dǎo)的矩陣轉(zhuǎn)移理論和圖解法推導(dǎo)出分層均勻介質(zhì)并矢格林函數(shù)極點(diǎn)以及計(jì)算這些極點(diǎn)的留數(shù)的遞推公式；利用復(fù)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(zhì)并矢格林函數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法。該數(shù)值計(jì)算方法由于考慮了極點(diǎn)處留數(shù)的貢獻(xiàn)，即提取了表面波，從而能夠用于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的計(jì)算，這在多層光存儲(chǔ)的模型計(jì)算中是必須考慮的。
　　由于高密度光存儲(chǔ)的信息坑尺寸接近甚至小于波長(zhǎng)，而且光學(xué)頭的數(shù)值孔徑會(huì)超過0.9（如藍(lán)光存儲(chǔ)），因此光存儲(chǔ)中的讀系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)的像場(chǎng)計(jì)算必須基于矢量成像理論。然而目前國(guó)內(nèi)外光學(xué)系統(tǒng)成像的矢量場(chǎng)理論尚未完善，有較大的應(yīng)用局限性及不足，不能滿足光存儲(chǔ)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(xué)系統(tǒng)成像的矢量場(chǎng)理論。在這一部分，本論文①利用橫向電磁場(chǎng)的模式展開式建立了均勻介質(zhì)中任意偏振電磁場(chǎng)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(gè)平面波的振幅和偏振態(tài)完全分離，與文獻(xiàn)(Opt.?Commun.,?1998,?152:108-118)中的矢量平面波譜公式相比（每個(gè)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(chǎng)合中應(yīng)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(jīng)過透鏡聚焦耦合到平面波導(dǎo)芯層時(shí)，將在波導(dǎo)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?！?。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(diǎn)源位于光軸上任意位置時(shí)，消球差共軸光學(xué)系統(tǒng)成像的矢量衍射理論，并且通過數(shù)值模擬研究驗(yàn)證了物方孔徑角、像方孔徑角和光源偏振態(tài)等對(duì)像場(chǎng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)分辨率等方面的影響，證明了經(jīng)典的Wolf成像矢量場(chǎng)理論(Proc.?R.?Soc.?London,?Ser.?A,?1959,?253,?358-370)的不足，同時(shí)表明Wolf成像矢量場(chǎng)理論只適用于點(diǎn)源位于光軸無窮遠(yuǎn)情況，無法直接應(yīng)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(biāo)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(dǎo)出基于矢量衍射理論的光學(xué)系統(tǒng)成像中聯(lián)系像場(chǎng)和物場(chǎng)的簡(jiǎn)單關(guān)系式。該關(guān)系式表明像場(chǎng)的矢量平面波譜等于對(duì)應(yīng)x偏振和y偏振單位振幅點(diǎn)電場(chǎng)源的矢量相干傳遞函數(shù)和相應(yīng)的橫向物場(chǎng)分量的標(biāo)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(zhì)的并矢格林函數(shù)建立了消球差光學(xué)系統(tǒng)物方和像方分別為分層均勻介質(zhì)時(shí)矢量點(diǎn)源的成像物理模型，并且證明了文獻(xiàn)[J.?Mod.?Optics,?1998,?45(8):1681-1698]認(rèn)為“物空間入射光線和像空間對(duì)應(yīng)出射光線相對(duì)于光軸的夾角隨散射體在光軸上的位置變化而變化”的錯(cuò)誤觀念，同時(shí)指出了正確的應(yīng)用方法。這一系列成果基本完善了消球差光學(xué)系統(tǒng)成像的矢量場(chǎng)理論，也解決了折射率變化型多層光存儲(chǔ)中成像系統(tǒng)的嚴(yán)格矢量衍射理論問題。
　　根據(jù)傳統(tǒng)多層光存儲(chǔ)與波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)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(zhì)并矢格林函數(shù)數(shù)值計(jì)算方法和光學(xué)成像的矢量場(chǎng)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(chǔ)的矢量衍射理論，包括傳統(tǒng)多層光存儲(chǔ)和波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)的矢量衍射模型。該矢量衍射模型可以適用于動(dòng)態(tài)的信號(hào)讀出、計(jì)算信號(hào)功率、探測(cè)器表面上的場(chǎng)分布、調(diào)制度和串?dāng)_隨信息坑尺寸的變化、道間距和層間距對(duì)串?dāng)_的影響、以及碼間影響等參數(shù)。編制了一個(gè)折射率變化型多層光存儲(chǔ)的模擬計(jì)算軟件，分析了光源偏振態(tài)、波長(zhǎng)、探測(cè)系統(tǒng)數(shù)值孔徑對(duì)信號(hào)功率及其像場(chǎng)分布的影響；計(jì)算了沿信道方向二進(jìn)制碼的信號(hào)功率分布；分析了調(diào)制度和串?dāng)_隨信息坑長(zhǎng)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(duì)調(diào)制度的影響。通過模擬計(jì)算，得到了一系列重要結(jié)論。例如，在波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)中，讀入光的最優(yōu)偏振態(tài)為方位角偏振(azimuthal?polarization)，因?yàn)榉轿唤瞧窆饨?jīng)過透鏡聚焦耦合到平面波導(dǎo)芯層時(shí)，將在波導(dǎo)芯層中僅僅激發(fā)出TE模，而TE模相對(duì)于TM模而言，可以使波導(dǎo)多層光存儲(chǔ)的讀出信號(hào)功率更高、串?dāng)_更低、調(diào)制度更大。又如，在傳統(tǒng)多層光存儲(chǔ)中，探測(cè)器接收的來自多層存儲(chǔ)介質(zhì)分界面的反射光功率越大，讀出信號(hào)的調(diào)制度越大，因此每個(gè)數(shù)據(jù)層的厚度最好設(shè)計(jì)成半波長(zhǎng)或者波長(zhǎng)的整數(shù)倍，此時(shí)調(diào)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(jìn)折射率變化型多層光存儲(chǔ)的實(shí)用化發(fā)展和性能提高，還將促進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)成像矢量場(chǎng)理論的發(fā)展及完善。

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