飛秒激光制備鈮酸鋰和釔鋁石榴石晶體光波導(dǎo)器件及性質(zhì)研究.pdf

1、集成光路，是20世紀(jì)60年代提出來的一種類似于集成電路的概念，它可以將光信號限制在高度集成化空間內(nèi)進行傳輸和處理，但是它比集成電路具備更快速的處理信息能力，而且具有體積小、損耗小、穩(wěn)定性等優(yōu)勢，因此傳統(tǒng)的集成電路逐漸被集成光路所替代。而且與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差相比，集成光學(xué)通過將不同功能、不同集成度的光學(xué)器件集成（如分束器、定向耦合器、激光器、相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器等），可以實現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微小型化，并且其抗電磁干

2、擾、信息量大、穩(wěn)定性好，因此它具有更大的傳遞信息和信息處理能力。
　　光波導(dǎo)是集成光路最基本的元件，它是由折射率較低的區(qū)域包裹著折射率較高的區(qū)域組成，基于全反射原理可以將光限制在折射率較高的區(qū)域內(nèi)傳輸，一般情況下，該區(qū)域尺寸一般在微米甚至納米量級，因此可以較大程度增強波導(dǎo)腔內(nèi)的光密度，從而使得諸如激光特性和非線性光學(xué)特性等光學(xué)性質(zhì)得到增強。根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特性，可以分為一維(1D)光波導(dǎo)，如平面光波導(dǎo);二維(2D)光波導(dǎo)，如通道光波導(dǎo)

3、;以及三維(3D)光波導(dǎo)，如分支光波導(dǎo)。其中平面光波導(dǎo)只能在一個方向上限制光的傳輸，而通道光波導(dǎo)可以將傳輸光進行兩維空間限制，從而將絕大部分入射光限制在傳輸方向進行傳播，因此二維光波導(dǎo)相比一維光波導(dǎo)的光密度更大，波導(dǎo)尺寸更小，有利于集成光路的微型化和集成化。三維光波導(dǎo)形態(tài)多樣，常見的如波導(dǎo)分支器和定向耦合器等，他們具備更加復(fù)雜的功能，在集成光學(xué)中有著非常廣泛的應(yīng)用。因此二維和三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比一維光波導(dǎo)具有更高的研究價值和更廣闊的應(yīng)用前景

4、。
　　介電晶體材料在現(xiàn)代人們生活中有著重要的作用。例如，電光晶體，是制備相位、功率以及偏振調(diào)制器的理想材料;非線性晶體，在頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中有著重要作用;激光晶體，是制備固體激光器最理想的增益介質(zhì)，相比玻璃，它具有更低的激光閡值。近年來，結(jié)合介電晶體材料的多功能特性以及光波導(dǎo)的緊湊結(jié)構(gòu)，越來越多的介電晶體光學(xué)器件在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
　　迄今為止，人們已經(jīng)利用多種技術(shù)在介電晶體中實現(xiàn)了光波導(dǎo)的制備，如離子束注入/輻照技術(shù)

5、、質(zhì)子交換技術(shù)、薄膜沉積技術(shù)、外延層沉積技術(shù)、金屬離子擴散、飛秒激光寫入技術(shù)等。其中飛秒激光寫入技術(shù)具有加工精度高、熱效應(yīng)小、可實現(xiàn)三維精細加工等諸多優(yōu)點，并廣泛應(yīng)用于透明光學(xué)材料的三維加工。在加工過程中，飛秒激光系統(tǒng)可以很容易產(chǎn)生峰值功率達太瓦級的脈沖能量，當(dāng)聚焦于材料表面或內(nèi)部時誘導(dǎo)發(fā)生多光子吸收、雪崩電離或隧穿電離等強烈的非線性光學(xué)效應(yīng)，從而在焦點附近產(chǎn)生局域化的高溫高密度等離子體。隨后高溫等離子經(jīng)過快速淬冷并固化，導(dǎo)致其折射率發(fā)

6、生變化。通過設(shè)計飛秒激光加工參數(shù)（脈沖能量、重復(fù)頻率、掃描速率、聚焦深度等）可以加工不同類型及結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)。
　　以飛秒激光在介電材料中誘導(dǎo)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可加工出多種微小型光子器件，例如分束器、定向耦合器、波導(dǎo)激光器、頻率轉(zhuǎn)換器等有源或者無源器件。在現(xiàn)代化的集成光路中，多樣化的光子器件扮演了不可或缺的角色，也是集成光路基本的元件。此外飛秒激光加工技術(shù)結(jié)合離子注入技術(shù)可以制備出限制光傳輸能力更強的類光纖光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，飛秒激光加工

7、技術(shù)結(jié)合酸腐蝕可以制備性能優(yōu)異的類光晶體光波導(dǎo)。
　　本論文的主要內(nèi)容包括飛秒激光加工技術(shù)在介電晶體材料中制備不同類型的通道光波導(dǎo)，以及以光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的光子器件的制備，包括分束器、定向耦合器、波導(dǎo)激光器;通過實驗對波導(dǎo)及光子器件的導(dǎo)波特性進行研究;以及結(jié)合介電晶體固有特性，研究介電晶體波導(dǎo)及光子器件的特性。根據(jù)實驗選用介電晶體材料及所制備光波導(dǎo)器件類型的不同，可以將本論文的主要工作歸納如下:
　　利用飛秒激光在z切LiNbO

8、3晶體中制備不同類型的通道光波導(dǎo)，包括雙線型通道光波導(dǎo)、包層型通道光波導(dǎo)以及Ⅰ類光波導(dǎo)。首先利用飛秒激光在z切MgO∶LiNbO3晶體中制備雙線型光波導(dǎo)和包層光波導(dǎo)，其中包括三個具有不同掃描速率而其它制備參數(shù)相同的雙線型光波導(dǎo)和一個直徑約為30μm的包層光波導(dǎo)?；诙嗣骜詈蠝y量了各波導(dǎo)在632.8nm下的近場光強分布，并且發(fā)現(xiàn)雙線型光波導(dǎo)僅支持TM偏振下的單模傳輸;而包層光波導(dǎo)支持TE和TM偏振下的多模傳輸，且TE偏振傳輸模式優(yōu)于TM偏

9、振，該包層光波導(dǎo)的傳輸損耗低至0.94dB/cm?；谡凵渎手貥?gòu)，發(fā)現(xiàn)這兩種類型光波導(dǎo)的折射率變化值量級均為10-3。對于雙線型光波導(dǎo)，隨著掃描速率的增大折射率變化越小，對于包層光波導(dǎo)TE偏振下的折射率變化大于TM偏振。基于重構(gòu)的雙線型光波導(dǎo)的折射率分布，模擬了其傳輸模式，發(fā)現(xiàn)與實驗測量的632.8nm波長下模式分布幾乎一致?；贚iNbO3晶體摻雜Mg2+離子的抗光損傷特性，測量光波導(dǎo)的抗光損傷閾值，結(jié)果表明雙線型光波導(dǎo)的抗光損傷閾值

10、(～105W/cm2)比包層光波導(dǎo)的抗光損傷閡值(～104W/cm2)高一個數(shù)量級。與之前報道離子注入制備光波導(dǎo)的抗光損傷閾值進行比較，發(fā)現(xiàn)飛秒激光加工技術(shù)制備的光波導(dǎo)的抗光損傷性能更優(yōu)異。此外，采用飛秒激光加工技術(shù)在z切Er,MgO∶LiNbO3晶體中制備出Ⅰ類光波導(dǎo)。研究表明Ⅰ類光波導(dǎo)在1064nm和1550nm下僅支持TM偏振態(tài)的基模傳輸。基于Er3+離子特性，波導(dǎo)在980nm激光泵浦下實現(xiàn)了550nm和528nm的上轉(zhuǎn)換熒光效應(yīng)

11、以及1450-1625nm的近紅外熒光效應(yīng)，并且波導(dǎo)發(fā)射出的熒光強度高于體材料。最終結(jié)果表明，飛秒激光加工技術(shù)具有加工各種類型光波導(dǎo)的能力，為集成光路的發(fā)展提供了強有力的后盾技術(shù)。
　　利用飛秒激光加工技術(shù)在LiNbO3晶體中制備多種類型的波導(dǎo)光子器件，包括Ⅰ類波導(dǎo)分束器、類光晶格波導(dǎo)分束器以及Ⅰ類波導(dǎo)定向耦合器。對于Ⅰ類波導(dǎo)分束器來說，它是飛秒激光單次掃入，掃描痕跡處即為波導(dǎo)區(qū)，其包括2D(1×2)和3D(1×4)分支結(jié)構(gòu)，并且

12、在632.8nm和1064nm下僅支持TM偏振的基模傳輸?；谥貥?gòu)的折射率分布，模擬了1×4分束器的傳輸模式，與實驗測量的模式分布一致。該類型分束器的傳輸損耗均小于4dB/cm，且各分支的光功率分配幾乎相等。對于類光晶格分束器來說，它是由飛秒激光多次寫入組成六角形微結(jié)構(gòu)，由于應(yīng)力作用，波導(dǎo)區(qū)位于六角形的中心區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)同樣可以通過掃描設(shè)計實現(xiàn)波導(dǎo)光束分支功能。通過設(shè)計，制備出2D(1×2)和3D(1×3)分支結(jié)構(gòu)。在1550nm下僅支

13、持TE偏振下的基模傳輸，并且與理論模擬結(jié)果相一致。1×3波導(dǎo)分束器的傳輸損耗約為2.1dB/cm，且各分支光功率分配基本相等。對于Ⅰ類波導(dǎo)定向耦合器來說，它不同于分束器的Y分支結(jié)構(gòu)，它是由距離很近的波導(dǎo)通過消逝場的耦合實現(xiàn)光功率分配的。在本文中，同樣制備出2D(1×2)和3D(1×4)的耦合器，并且在632.8nm下的僅支持TM偏振下的基模傳輸，并且證明了通過消逝場耦合來進行光路分支比Y分支結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損耗更低。結(jié)果表明，飛秒激光加工技

14、術(shù)是制備集成光路中微小型波導(dǎo)光子器件的有效方法。
　　利用飛秒激光加工技術(shù)結(jié)合離子注入技術(shù)在Nd∶YAG晶體中制備出類包層光波導(dǎo)，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比于飛秒激光或離子注入加工單層波導(dǎo)有著更強的限制光束傳輸?shù)哪芰?，因此有利于作為激光泵浦的研究?；诙嗣骜詈舷到y(tǒng)，在810nin激光泵浦下實現(xiàn)了1064nm的連續(xù)波導(dǎo)激光輸出，其最大輸出功率為28.4mW，斜效率為27.8％。利用WS2作為可飽和吸收體，最終在Nd∶YAG晶體類包層波導(dǎo)中實現(xiàn)

15、調(diào)Q脈沖激光的輸出，其脈沖寬度為45ns。此工作開創(chuàng)了結(jié)合飛秒激光加工技術(shù)和離子注入技術(shù)可以在多種光學(xué)材料中制備新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新方法。
　　利用飛秒激光直寫技術(shù)結(jié)合H3PO4酸腐蝕在YAG晶體中制備類光子晶體光波導(dǎo)。在腐蝕的過程中，H3PO4酸溶液對飛秒激光掃描痕跡各個方向的腐蝕速率不同。根據(jù)有限光束傳播法計算模擬發(fā)現(xiàn)隨著波長的增大，該類光子晶體光波導(dǎo)的透過率越高。然后基于實驗研究表明該光子晶體光波導(dǎo)在4μm入射光下在TE和TM偏