晶體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)激光與倍頻.pdf

1、光波導(dǎo)是由折射率較低的介質(zhì)包裹折射率較高的介質(zhì)而形成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐獠ㄏ拗圃谖⒚琢考壍膮^(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳輸，是連接集成光路中各種器件的基本元件和重要組成部分。集成光路類似于集成電路，但具有更高的信息處理與傳播速率，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。波導(dǎo)器件包括無源光波導(dǎo)器件和有源光波導(dǎo)器件，無源光波導(dǎo)器件對光波呈靜態(tài)特性，能用作光開關(guān)、分波器、合波器以及耦合器等;有源光波導(dǎo)器件能夠?qū)膺M(jìn)行調(diào)制，得到不同功能的光學(xué)器件。體材料中存在的許多

2、光學(xué)現(xiàn)象都能夠在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)，如激光振蕩，頻率轉(zhuǎn)換等，從而形成波導(dǎo)激光器、波導(dǎo)頻率轉(zhuǎn)換器等。由于波導(dǎo)腔內(nèi)光密度很高，波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象得到加強(qiáng)，如激光泵浦閾值更低、非線性響應(yīng)速度更快，這對于波導(dǎo)器件以及集成光路的應(yīng)用是非常有益的。
　　 高分子化合物、半導(dǎo)體材料、玻璃、晶體材料、透明陶瓷（多晶）等是常用的制備光波導(dǎo)的基質(zhì)材料，其中，光學(xué)晶體具有優(yōu)良的物理、化學(xué)以及光學(xué)特性，是很多光學(xué)器件的核心部分。迄今為止，人們已經(jīng)利用多種方法在

3、晶體材料上制備了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，例如，利用離子注入或快重離子輻照的方法制備平面波導(dǎo)。在離子注入與快重離子輻照過程中，離子與靶材料的之間發(fā)生相互作用，原子核或電子相互碰撞，致使靶材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，折射率隨之改變。這兩種方法最顯著的優(yōu)勢在于廣泛的材料適用性;它們與一定的微加工技術(shù)，如光刻顯影技術(shù)相結(jié)合，能夠制備條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。近年來，飛秒激光寫入技術(shù)被廣泛應(yīng)用于條形波導(dǎo)的制備。在激光寫入的過程中，激光焦點(diǎn)處較高的光能量通過非線性的多光子

4、吸收沉積在襯底中，使得寫入處材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，折射率的改變就是這種材料改性的結(jié)果之一。飛秒激光寫入能夠在多種材料中直接寫入埋入型三維結(jié)構(gòu)且不需要超凈環(huán)境，因此這種方法引起了人們越來越多的關(guān)注。
　　 本論文利用上述方法在激光晶體、透明陶瓷以及非線性晶體等多種材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并開展了一系列的實(shí)驗(yàn)，測試評估波導(dǎo)質(zhì)量，包括波導(dǎo)的暗模特性、折射率分布、導(dǎo)波模式、傳輸損耗、微熒光或微拉曼光譜等性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行波導(dǎo)激光泵浦或頻率

5、轉(zhuǎn)換，分析波導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。按照波導(dǎo)制備方法的不同，可以將本論文的研究工作及結(jié)果歸納如下:
　　 利用離子注入技術(shù)，在釹摻雜釓鎵石榴石(Nd:GGG)晶體以及釹摻雜硅酸鉀鑭(Nd:LGS)晶體上制備了平面或條形光波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)表明，所制備波導(dǎo)的折射率分布均為“勢阱”+“位壘”型，條形光波導(dǎo)的傳輸損耗均小于2dB/cm。通過對Nd:LGS條形光波導(dǎo)微熒光譜的研究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)區(qū)材料的熒光特性得到很好的保留，這對于波導(dǎo)的應(yīng)用是非常有利的。

6、更為重要的是，在多能量H+離子注入的Nd:GGG平面光波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了低閾值的波導(dǎo)激光振蕩(閾值功率為49.3mW)，其斜效率為30％。
　　 利用快重離子輻照技術(shù)，在釹摻雜釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體，釹摻雜硼酸鈣氧鹽(Nd:GdCOB、Nd:YCOB)晶體中制備了平面光波導(dǎo)。對于Nd:YAG晶體光波導(dǎo)的制備，分別采用能量為60MeV、劑量為2×1012ions/cm2的Ar4+離子和能量為20MeV、劑量為2×1014ion

7、s/cm2的N3+離子對樣品進(jìn)行輻照。實(shí)驗(yàn)表明，在離子劑量較大時(shí)，存在累積效應(yīng)，輻照過程中材料晶格破壞程度較大，能夠引起較大的折射率變化。在上述兩種波導(dǎo)中都實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，且激光性能相類似。利用能量為17MeV、劑量為2×1014ions/cm2的C5+離子輻照Nd:GdCOB晶體形成了平面光波導(dǎo)，在波導(dǎo)中通過I類相位匹配實(shí)現(xiàn)了由1064nm至532nm的頻率轉(zhuǎn)換，在脈沖激光激勵(lì)下，得到最大倍頻光功率為0.72mW，頻率轉(zhuǎn)換效率為6.8

8、％W-1。利用能量為170MeV、劑量為2×1014ions/cm2的Ar8+離子輻照Nd:YCOB晶體制備了平面光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了1061.2nm的連續(xù)激光輸出，斜效率高達(dá)67.9％，利用1064nm脈沖激光器，在波導(dǎo)中通過倍頻實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，效率為0.12％，通過810nm激光激勵(lì)，在波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了自倍頻，得到36μW的綠光激光輸出。
　　 利用飛秒激光寫入技術(shù)，在Nd:LGS，Nd:YCOB晶體以及Tm:YAG陶瓷中制備了包層結(jié)構(gòu)

9、的光波導(dǎo)，在釹摻雜釩酸镥(Nd:LuVO4)晶體中制備了雙線型光波導(dǎo)。Nd:LGS包層波導(dǎo)的直徑為50μm與120μm，二者都能夠很好地限制近紅外激光的傳輸且具有較低的損耗，對波導(dǎo)進(jìn)行激光泵浦，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在50μm波導(dǎo)中激光振蕩閾值較低(54mW)而在120μm波導(dǎo)中激光斜效率較高(24.2％)。在Nd:YCOB晶體包層光波導(dǎo)中也實(shí)現(xiàn)了低閾值的近紅外激光輸出，更為重要的是，波導(dǎo)中通過自倍頻實(shí)現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換，得到531nm綠光，其功率為0.1

10、mW，是迄今為止波導(dǎo)自倍頻綠光輸出功率的最大值。在Tm:YAG陶瓷中，制備了能夠?qū)t外到中紅外波段進(jìn)行限制傳輸?shù)穆駥硬▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了波長為2μm的多模或單模激光，其中多模激光具有較高斜效率(27％)，而單模激光在較低入射泵浦功率下即可實(shí)現(xiàn)（閾值功率為100mW）。利用石墨烯薄層制作可飽和吸收鏡，在Tm:YAG陶瓷單模包層光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q鎖模脈沖激光輸出，獲得了684kHz的調(diào)Q脈沖包絡(luò)以及7.8GHz的鎖模脈沖序列。對Nd:LuV