光學(xué)晶體波導(dǎo)中的激光和非線性效應(yīng).pdf

1、從上個(gè)世紀(jì)末開(kāi)始迅速發(fā)展的集成光學(xué)技術(shù)，可將多個(gè)光學(xué)元件集成在同一塊基片材料上，形成結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的多功能小型/微型器件，以實(shí)現(xiàn)一種或多種光學(xué)功能，在信息傳輸/通信、環(huán)境檢測(cè)、生物和化學(xué)傳感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。光波導(dǎo)是集成光學(xué)最基本的元件，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光密度與體材料相比大大增強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)行光信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換，直接決定了集成光學(xué)元件的性能和作用。低損耗的光波導(dǎo)制備以及波導(dǎo)的各種光學(xué)性質(zhì)研究，一直是集成光學(xué)重要的研究課題。光波導(dǎo)有多種制備方法，

2、例如離子注入、聚焦質(zhì)子束直寫(xiě)、快重離子輻照、飛秒激光直寫(xiě)、離子交換、擴(kuò)散和薄膜沉積等。其中，離子注入和飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)可以適用于多種光學(xué)材料，是目前適用范圍最廣的兩種波導(dǎo)制備方法。在離子注入過(guò)程中，注入離子通過(guò)與材料的相互作用遺失自己的能量，造成核能量損傷和電子能量損傷。這些能量損傷將會(huì)導(dǎo)致襯底材料的結(jié)構(gòu)畸變，引起材料注入?yún)^(qū)折射率的變化，在離子注入末端折射率降低的光位壘，或者注入誘導(dǎo)產(chǎn)生的折射率增強(qiáng)勢(shì)阱。通過(guò)光位壘和增強(qiáng)勢(shì)阱對(duì)光傳輸進(jìn)行

3、限制，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。以MeV氧離子注入鈮酸鋰晶體為例，在離子注入末端，由于核能量損傷的影響會(huì)形成一個(gè)折射率降低的光位壘；同時(shí)由于電子能量損傷的影響，在光位壘和空氣之間，材料的異常光折射率上升形成增強(qiáng)勢(shì)阱，通過(guò)光位壘、增強(qiáng)勢(shì)阱和空氣對(duì)光的共同限制，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。飛秒激光導(dǎo)致的材料折射率變化，依賴(lài)于激光與材料之間的相互作用，這個(gè)過(guò)程包含很多復(fù)雜的物理過(guò)程，例如離子重排、品格壓縮、熱積累等等。折射率的變化可以分成兩類(lèi)：通過(guò)非線性作用在焦點(diǎn)處使

4、材料折射率升高形成波導(dǎo)；焦點(diǎn)處折射率降低，焦點(diǎn)周?chē)恼凵渎书g接的升高，在晶體中寫(xiě)入多條徑跡，徑跡之間形成波導(dǎo)。波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)依賴(lài)于各種制備手段對(duì)材料折射率的調(diào)制。這種調(diào)制有時(shí)會(huì)改變材料的光學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)的變化直接影響到集成器件的應(yīng)用價(jià)值。因此，研究光波導(dǎo)內(nèi)各項(xiàng)光學(xué)性質(zhì)的變化，具有重要的意義。從另一方面來(lái)講，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與體材料相比具有獨(dú)特的性質(zhì)。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，光被限制在一個(gè)很小的空間內(nèi)，光的能量密度在很低的入射能量下就可以達(dá)到很高的量級(jí)。因此

5、體材料中的某些光學(xué)性質(zhì)，例如非線性效應(yīng)、激光性能，在波導(dǎo)中可以得到一定程度的加強(qiáng)。對(duì)波導(dǎo)性質(zhì)的研究在集成光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上都具有重要作用。
　　 本文研究了離子注入和飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在釹摻雜釩酸釔(Nd：YVO4)晶體、釹摻雜釩酸釓(Nd：GdVO4)晶體、釹摻雜釔鋁石榴石(Nd：YAG)陶瓷、鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、鈮酸鍶鋇(SBN)晶體、釹摻雜鈮酸鈣鋇(Nd：CBN)晶體、釹摻雜氟化釔鋰(Nd：YLiF4)晶體等光學(xué)

6、材料上波導(dǎo)的形成方法；測(cè)量波導(dǎo)的傳輸模式、損耗，通過(guò)退火處理優(yōu)化波導(dǎo)的性質(zhì)；用共聚焦顯微鏡、二波混頻等技術(shù)手段研究波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)(例如光折變、熒光性質(zhì)、熱光性質(zhì)等)，對(duì)波導(dǎo)性質(zhì)變化機(jī)理進(jìn)行探討；在離子注入和飛秒激光直寫(xiě)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)激光輸出，通過(guò)測(cè)量泵浦閾值、斜率效率等多個(gè)激光參數(shù)，討論波導(dǎo)激光性能優(yōu)化的方法；根據(jù)對(duì)波導(dǎo)腐蝕性質(zhì)和光折變性質(zhì)的研究，發(fā)明一種脊型波導(dǎo)制備方法和一種光誘導(dǎo)波導(dǎo)陣列制備方法；制作二元波導(dǎo)陣列，研究該陣列中的帶隙光孤

7、子。主要結(jié)果如下：釹離子摻雜釩酸釔(Nd：YVO4)晶體是一種應(yīng)用廣泛的固體激光器增益介質(zhì)，因?yàn)樗哂谐錾臒晒庑再|(zhì)，例如大發(fā)射截面、寬吸收帶、優(yōu)良的機(jī)械性質(zhì)等。本文用飛秒激光直寫(xiě)地方法在Nd：YVO4晶體內(nèi)部寫(xiě)入條形波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)表明Nd：YVO4晶體條形波導(dǎo)的損耗為～1dB/cm；晶體的熒光性質(zhì)在波導(dǎo)中被很好的保留下來(lái)。基于該波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為1.06μm的單波長(zhǎng)波導(dǎo)激光和波長(zhǎng)為1.06μm和1.34μm的雙波長(zhǎng)波導(dǎo)激光輸出。波導(dǎo)激光的最

8、高斜率效率為～60％，最低泵浦閾值為～17mW。釹離子摻雜釩酸釓(Nd：GdVO4)晶體與Nd：YVO4晶體性質(zhì)相似，也是一種優(yōu)良的激光介質(zhì)，具有出色的熒光性能。與Nd：YVO4晶體相比，它具有高熱導(dǎo)率、高損傷閾值等特點(diǎn)。在中高功率二極管泵浦固體激光器中，有極大的應(yīng)用前景。本文用飛秒激光直寫(xiě)的方法，在該晶體內(nèi)制備條形波導(dǎo)。飛秒激光的寫(xiě)入速度高達(dá)17mm/s，而制備的波導(dǎo)損耗僅僅為～0.5dB/cm。利用808nm激光泵浦，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為1.

9、06μm的波導(dǎo)激光輸出，波導(dǎo)激光的閾值為52mW，斜率效率為～70％，接近理論極限。釹離子摻雜釔鋁石榴石(Nd：YAG)透明陶瓷是近幾年出現(xiàn)的一種優(yōu)良的激光材料。與Nd：YAG晶體相比它更容易進(jìn)行加工和生產(chǎn)，可以進(jìn)行高濃度摻雜。本文用離子注入的方法在Nd：YAG透明陶瓷表面形成平而波導(dǎo)，研究波導(dǎo)的熒光性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輕離子注入后，波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生了熒光焠滅現(xiàn)象；重離子注入后，波導(dǎo)內(nèi)熒光性質(zhì)基本不變。在對(duì)波導(dǎo)熒光性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)平面波導(dǎo)激光

10、輸出，激光的斜率效率為～11％；泵浦閾值為～19.5mW。鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是集成光學(xué)中應(yīng)用最多的一種晶體材料。本文研究離子注入鈮酸鋰波導(dǎo)中，電子阻止本領(lǐng)對(duì)LiNbO3晶體熱光性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)電子阻止本領(lǐng)對(duì)熱光性質(zhì)的影響存在一個(gè)閾值(～2.2keV/nm)，當(dāng)?shù)陀诖碎撝禃r(shí)，晶體的熱光性質(zhì)被很好的保留在波導(dǎo)中；當(dāng)高于這個(gè)閾值時(shí)，品格結(jié)構(gòu)受到破壞，熱光性質(zhì)在波導(dǎo)中發(fā)生變化。
　　 本文研究了氫離子(質(zhì)子)注入LiNbO3

11、波導(dǎo)的腐蝕性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明離子注入后晶體的腐蝕性質(zhì)基本不變?；谠撗芯拷Y(jié)果，本文提出一種脊型波導(dǎo)制備方法，選擇性的對(duì)氫離子注入z切LiNbO3晶體進(jìn)行腐蝕，依靠空氣和光位壘對(duì)光進(jìn)行限制形成脊型波導(dǎo)。經(jīng)過(guò)400℃、30min退火，脊型波導(dǎo)的損耗降至～0.9dB/cm。用端面耦合和FD-BPM模擬的方法，研究波導(dǎo)的傳輸模式。稀土元素?fù)诫sLiNbO3晶體既具有稀土元素的熒光性質(zhì)，又具有LiNbO3晶體的電光和非線性性質(zhì)，可以制備多種光學(xué)和電

12、光器件，例如調(diào)Q、自倍頻激光等。本文用離子注入的方法，在稀土元素?fù)诫sLiNbO3晶體表面，制備平面和條形波導(dǎo)。對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，并測(cè)量波導(dǎo)的傳輸損耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明退火后光波導(dǎo)損耗可以保持在一個(gè)較低的水平(～1dB/cm)。使用共聚焦顯微鏡對(duì)波導(dǎo)的熒光性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)晶體材料的熒光性質(zhì)，在波導(dǎo)中被很好的保留下來(lái)。Fe：LiNbO3晶體是一種優(yōu)秀的光折變晶體，在很低的入射光強(qiáng)下就可以產(chǎn)生較大的折射率改變，在全息存儲(chǔ)和光通信等方面有著重要

13、的應(yīng)用。本文用二波混頻的方法研究離子注入Fe：LiNbO3晶體波導(dǎo)中的光折變性質(zhì)；對(duì)體材料和波導(dǎo)的增益系數(shù)和光電導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Fe：LiNbO3晶體的光折變性質(zhì)在氧離子注入波導(dǎo)中沒(méi)有發(fā)生變化。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在相同的入射光強(qiáng)下，波導(dǎo)中光折變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間要比體材料中低一個(gè)數(shù)量級(jí)。鈮酸鍶鋇(SBN)晶體是一種著名的光折變晶體，在光信號(hào)放大、全息存儲(chǔ)等方面有著重要應(yīng)用。鈮酸鈣鋇(CBN)晶體與SBN晶體相比，居里溫度更高(～280℃)，