随着信息技术的飞速发展，人们对信息存储容量的需求越来越大。三维光信息存储作为一种提高信息存储容量的手段越来越受到人们的广泛关注。本课题在国家自然科学基金（No．50275140，No．50335050）资助下完成。为了实现高密度三维光信息存储，并与现有CD／DVD系统相兼容，本博士论文基于现有CD／DVD成熟的聚焦、循道伺服技术，采用双光子激发信息写入，单光子共焦显微镜读出或双光子读出方法，搭建了一套与CD／DVD系统相兼容的双光子三维光盘存储实验系统，并进行双光子三维光存储相关关键技术研究。由于双光子吸收的非线性，采用双光子写入和读出的方法可以有效地解决层与层之间的相互干扰问题，从而提高多层之间的抗干扰能力。共焦读出方式具有很强的三维分辨能力，同时也可以避免层间信息的干扰，得到更高的信噪比。本博士论文主要研究成果包括以下几个方面：第一，基于双光子吸收技术和CD／DVD伺服技术，自行搭建了一套双光头三维光盘存储实验系统，包括：声光开关（声光调制器）控制，CD／DVD伺服系统的应用，荧光共焦读写系统，音圈电机控制系统，聚焦和循道误差信号的提取与传输，加法器电路的实现，与荧光信号检测系统等。并对双光头同步误差进行了测试，结果表明在一定条件下双光头同步误差基本符合双光头三维光存储系统正常运行需满足双光头同步误差小于2μm的要求。第二，由于三维光信息存储点在介质的内部，因此在读写过程中激光需要经过两层不同折射率的介质（空气和存储介质），可能会对像差和存储效果产生很大的影响。为此建立了光学存储系统模型，在平行平板条件下，利用波像差函数推导展开，获得五项初级（赛德耳）像差，即球差、慧差、像散、场曲、畸变，从理论和实验上分析系统各项光学参数对折射率失配引起的像差的影响。采用泽尔尼克多项式对折射率失配引起的像差进行补偿理论研究，并对补偿方法进行了相应地分析。第三，对一种新的光致漂白材料二苯乙烯衍生物进行吸收光谱和荧光光谱特性分析，并且在三维光存储实验系统上，进行了二进制编码信息的双光子存储和读出实验研究，实现了三层光信息存储，信息点间距和信息层间距分别为4μm和15μm，用Matlab软件读出信息的信号强度并对其进行了识别，识别结果与写入的二进制编码信息完全一致。对一种新的微爆材料（以PMMA为基质掺杂Ce（DBM）₃Phen染料）进行了详细的存储性能分析和实验研究，实现了四层信息存储，点间距和层间距分别是4μm和16μm。第四，总结了本文的研究内容和主要创新点，并展望三维光存储未来的发展方向。上述研究工作为今后三维信息存储向实用化方向发展打下了基础。