介電晶體通道光波導(dǎo)的制備及其激光與二次諧波產(chǎn)生.pdf

1、光波導(dǎo)為折射率較低的包層區(qū)域包圍折射率較高的波導(dǎo)區(qū)域所形成的結(jié)構(gòu)，是多功能集成光子學(xué)系統(tǒng)的最基本的元件。通常來說，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐獾膫鬏斚拗圃谖⒚琢考壋叽绲奈⑿^(qū)域內(nèi)，使波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)光的強度增強到體材料中無法達到的量級?；谶@個獨特的優(yōu)點，許多材料的光學(xué)性質(zhì)（如非線性性質(zhì)、激光性質(zhì)等）在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中都能夠得到一定的加強，大大拓展了光波導(dǎo)在微小型集成光子學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠在兩個維度上對光的傳輸進行限制，尺寸更加緊湊，因此在波

2、導(dǎo)區(qū)域中能夠得到更高的光密度，也更易于形成可集成的多功能器件，與僅能在一個維度上對光的傳輸進行限制的平面光波導(dǎo)相比具有更加廣泛的應(yīng)用前景和價值。
　　介電晶體材料在光學(xué)多個領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用。例如，非線性光學(xué)晶體是制備頻率轉(zhuǎn)換（光學(xué)參量振蕩、倍頻、和頻與差頻等）器件的核心材料;激光晶體是如今應(yīng)用最廣泛的固態(tài)激光系統(tǒng)的增益介質(zhì)，具有比玻璃材料更低的激光閾值和更佳的熱學(xué)性質(zhì);電光晶體是調(diào)制光的相位、能量、和偏振最理想的材料。迄今為

3、止，介電晶體器件已經(jīng)在光學(xué)多個領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用?；诖耍Y(jié)合具有緊湊型結(jié)構(gòu)的通道光波導(dǎo)和多功能介電晶體材料的介電晶體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在微小型集成光子學(xué)系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)勢。
　　目前，人們已經(jīng)利用數(shù)種方法在介電晶體材料中實現(xiàn)了通道光波導(dǎo)的制備，包括飛秒激光微加工、離子注入/輻照、聚焦質(zhì)子束寫入、離子內(nèi)擴散、離子交換等。其中，飛秒激光微加工技術(shù)是對透明光學(xué)晶體材料進行三維微加工最有效的方法之一。在加工過程中，飛秒激光脈沖聚焦在

4、晶體的表面以下特定的位置，脈沖能量通過多光子吸收、隧穿電離或雪崩電離等多種光致電離非線性過程被材料所吸收，導(dǎo)致聚焦位置附近微米量級區(qū)域內(nèi)局部的折射率變化。在此基礎(chǔ)上，通過對樣品的掃描可以很容易地制備出通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子注入/輻照技術(shù)也是一種有效的波導(dǎo)制備技術(shù)，目前已經(jīng)在百余種光學(xué)材料中成功制備了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中也包括多種介電晶體。一般來說，離子注入/輻照技術(shù)主要是通過物理機制，即經(jīng)過加速器后具有一定能量的離子與靶材料中的原子和電子相互碰

5、撞，造成靶材料中一定的晶格損傷，從而導(dǎo)致折射率的改變。此過程與靶材料的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，因此離子注入/輻照技術(shù)具有廣泛的材料適用性。此外，結(jié)合掩膜技術(shù)以及飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割技術(shù)等微加工技術(shù)，離子注入/輻照可以制備通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　本論文的主要內(nèi)容包括介電晶體材料中通道光波導(dǎo)的制備、激光晶體中連續(xù)和調(diào)Q脈沖波導(dǎo)激光的產(chǎn)生以及非線性波導(dǎo)中二次諧波的產(chǎn)生。其中制備方法包括飛秒激光微加工、離子注入/輻照、精密金剛石刀切割和光刻

6、掩膜技術(shù)。根據(jù)制備的通道光波導(dǎo)的不同類型，可以將本論文的主要工作歸納為如下內(nèi)容:
　　利用飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割與離子注入/輻照相結(jié)合的方法在釹摻雜釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體/陶瓷、釹摻雜釓鎵石榴石(Nd∶GGG)晶體中制備了連續(xù)和調(diào)Q脈沖脊型波導(dǎo)激光，在非線性晶體釹摻雜硼酸鈣氧釓(Nd∶GdCOB)中實現(xiàn)了脊型波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生。結(jié)果表明，制備的脊型波導(dǎo)具有比平面波導(dǎo)更加優(yōu)異的激光和倍頻性質(zhì)。具體來說，利用飛秒激光燒

7、蝕結(jié)合17 MeV的氧離子輻照、2.5 MeV的氦離子注入和17 MeV的碳離子輻照分別在Nd∶YAG晶體、Nd∶YAG陶瓷和Nd∶GGG晶體中制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了1.06μm的脊型波導(dǎo)激光輸出，激光閾值分別為39.6、64.9和71.6 mW，斜效率分別為35％、42.5％和41.8％。此外，在另外一塊Nd∶YAG晶體中，利用飛秒激光燒蝕結(jié)合670 MeV的氪離子（Kr8+）輻照制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了連續(xù)和調(diào)Q脈沖（

8、利用石墨烯材料作為被動調(diào)Q的可飽和吸收體）的波導(dǎo)激光的輸出。連續(xù)波導(dǎo)激光的最大輸出功率為182 mW，脈沖波導(dǎo)激光的重復(fù)頻率變化幅度為0.9-4.2 MHz，單脈沖能量為26.5 nJ，脈沖寬度為90 ns。利用精密金剛石刀切割結(jié)合15 MeV碳離子輻照的方法在Nd∶YAG晶體中制備了側(cè)壁較為光滑的脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了最大輸出功率為84 mW，斜效率為43％的波導(dǎo)激光。此外，利用飛秒激光燒蝕與17 MeV碳離子輻照技術(shù)在非線性晶體N

9、d∶GdCOB中制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并在脊型波導(dǎo)中實現(xiàn)了有效的連續(xù)和脈沖的1064→532 nm的二次諧波產(chǎn)生。其中，脈沖1064 nm的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達到了11.4％。
　　利用飛秒激光寫入技術(shù)在激光材料鐿摻雜釔鋁石榴石(Yb∶YAG)陶瓷、釹摻雜釩酸釔(Nd∶YVO4)晶體和非線性光學(xué)晶體三硼酸鉍(BIBO)、Nd∶GdCOB中制備了單包層和雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了波導(dǎo)激光和波導(dǎo)二次諧波的產(chǎn)生。結(jié)果表明，飛秒激光微加工包

10、層光波導(dǎo)是有效的制備集成光子學(xué)系統(tǒng)中微小型激光光源和頻率轉(zhuǎn)換器件的方法。另外，雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有比單包層光波導(dǎo)更優(yōu)異的導(dǎo)波性質(zhì)和倍頻性質(zhì)。我們在Nd∶YVO4晶體中制備了直徑為100和120μm的包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并在兩個互相垂直的偏振方向（TE和TM偏振）上實現(xiàn)了有效的導(dǎo)波傳輸。在808 nm激光的泵浦下，得到了1064 nm的波導(dǎo)激光的輸出，最大輸出功率為335 mW，斜效率為65％。此外，在BIBO包層光波導(dǎo)中實現(xiàn)了1064→53

11、2 nm和800→400 nm的二次諧波產(chǎn)生。通過對波導(dǎo)區(qū)域的微二次諧波的研究發(fā)現(xiàn)BIBO晶體原有的非線性性質(zhì)在包層光波導(dǎo)區(qū)域得到很好的保存。在1064 nm（連續(xù)和脈沖）和800 nm（連續(xù)）激光的激勵下，得到了532 nm（連續(xù)和脈沖）和400 nm（連續(xù)）的倍頻光的產(chǎn)生。此外，在Yb∶YAG陶瓷和Nd∶GdCOB晶體中制備了內(nèi)包層直徑為30μm，外包層直徑為100-200μm的雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在連續(xù)946 nm激光泵浦下得到了單

12、模傳輸?shù)倪B續(xù)1030nm的Yb∶YAG雙包層波導(dǎo)激光，最大輸出功率為80.2 mW，斜效率為62.9％。在Nd∶GdCOB雙包層光波導(dǎo)中，通過對波導(dǎo)區(qū)的共聚焦微熒光和微二次諧波性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)Nd∶GdCOB晶體原有的熒光和非線性性質(zhì)在波導(dǎo)區(qū)得到很好的保存。在1064 nm脈沖激光的激勵下，在Nd∶GdCOB雙包層光波導(dǎo)中實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率為5.1％，峰值輸出功率為184W的1064→532nm二次諧波產(chǎn)生。與單包層光波導(dǎo)相比，具有更加優(yōu)異

13、的波導(dǎo)倍頻性質(zhì)。
　　利用能量為500 keV、劑量為6×1016 ions/cm2的質(zhì)子(He+)注入結(jié)合光刻掩膜技術(shù)在硒化鋅(ZnSe)晶體中制備了條形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其折射率分布是典型的增強型勢阱+位壘型。基于折射率分布，通過端面耦合系統(tǒng)對波導(dǎo)的模式進行了測量，實驗結(jié)果與理論模擬的模式分布一致，說明了重構(gòu)折射率分布的合理性。經(jīng)過對條形光波導(dǎo)在200℃下的退火處理，利用法布里珀羅方法測得波導(dǎo)在632.8nm傳輸損耗由10 dB/c

14、m降低到了4 dB/cm。
　　利用飛秒激光微加工技術(shù)在Nd∶YAG晶體中制備了一種可設(shè)計的六角形類光子晶格導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)，這種導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三維的有源和無源的波導(dǎo)光束分支以及環(huán)狀的波導(dǎo)光束轉(zhuǎn)換功能，在光束分支和轉(zhuǎn)換的過程中導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)具有極低的損耗，且不依懶于激勵光的偏振方向，表現(xiàn)出了極其優(yōu)良的光束導(dǎo)波、分支和調(diào)制性能。在808nm的連續(xù)光的泵浦下，實現(xiàn)了1064nm連續(xù)和被動調(diào)Q脈沖波導(dǎo)（分支型和環(huán)形導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)）激光的產(chǎn)生（利用