光學晶體波導中的激光和非線性效應.pdf

1、從上個世紀末開始迅速發(fā)展的集成光學技術，可將多個光學元件集成在同一塊基片材料上，形成結構相對復雜的多功能小型/微型器件，以實現(xiàn)一種或多種光學功能，在信息傳輸/通信、環(huán)境檢測、生物和化學傳感等領域都有廣泛的應用。光波導是集成光學最基本的元件，波導結構中的光密度與體材料相比大大增強，同時進行光信號傳輸和轉換，直接決定了集成光學元件的性能和作用。低損耗的光波導制備以及波導的各種光學性質研究，一直是集成光學重要的研究課題。光波導有多種制備方法，

2、例如離子注入、聚焦質子束直寫、快重離子輻照、飛秒激光直寫、離子交換、擴散和薄膜沉積等。其中，離子注入和飛秒激光直寫技術可以適用于多種光學材料，是目前適用范圍最廣的兩種波導制備方法。在離子注入過程中，注入離子通過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。這些能量損傷將會導致襯底材料的結構畸變，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，或者注入誘導產(chǎn)生的折射率增強勢阱。通過光位壘和增強勢阱對光傳輸進行

3、限制，形成波導結構。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形成一個折射率降低的光位壘；同時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勢阱，通過光位壘、增強勢阱和空氣對光的共同限制，形成波導結構。飛秒激光導致的材料折射率變化，依賴于激光與材料之間的相互作用，這個過程包含很多復雜的物理過程，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：通過非線性作用在焦點處使

4、材料折射率升高形成波導；焦點處折射率降低，焦點周圍的折射率間接的升高，在晶體中寫入多條徑跡，徑跡之間形成波導。波導的結構依賴于各種制備手段對材料折射率的調制。這種調制有時會改變材料的光學性質，這些性質的變化直接影響到集成器件的應用價值。因此，研究光波導內各項光學性質的變化，具有重要的意義。從另一方面來講，波導結構與體材料相比具有獨特的性質。在波導結構中，光被限制在一個很小的空間內，光的能量密度在很低的入射能量下就可以達到很高的量級。因此

5、體材料中的某些光學性質，例如非線性效應、激光性能，在波導中可以得到一定程度的加強。對波導性質的研究在集成光學元件的設計和應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技術在釹摻雜釩酸釔(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

6、材料上波導的形成方法；測量波導的傳輸模式、損耗，通過退火處理優(yōu)化波導的性質；用共聚焦顯微鏡、二波混頻等技術手段研究波導的光學性質(例如光折變、熒光性質、熱光性質等)，對波導性質變化機理進行探討；在離子注入和飛秒激光直寫波導中實現(xiàn)激光輸出，通過測量泵浦閾值、斜率效率等多個激光參數(shù)，討論波導激光性能優(yōu)化的方法；根據(jù)對波導腐蝕性質和光折變性質的研究，發(fā)明一種脊型波導制備方法和一種光誘導波導陣列制備方法；制作二元波導陣列，研究該陣列中的帶隙光孤

7、子。主要結果如下：釹離子摻雜釩酸釔(Nd：YVO4)晶體是一種應用廣泛的固體激光器增益介質，因為它具有出色的熒光性質，例如大發(fā)射截面、寬吸收帶、優(yōu)良的機械性質等。本文用飛秒激光直寫地方法在Nd：YVO4晶體內部寫入條形波導。實驗表明Nd：YVO4晶體條形波導的損耗為～1dB/cm；晶體的熒光性質在波導中被很好的保留下來?；谠摬▽崿F(xiàn)了波長為1.06μm的單波長波導激光和波長為1.06μm和1.34μm的雙波長波導激光輸出。波導激光的最

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晶體性質相似，也是一種優(yōu)良的激光介質，具有出色的熒光性能。與Nd：YVO4晶體相比，它具有高熱導率、高損傷閾值等特點。在中高功率二極管泵浦固體激光器中，有極大的應用前景。本文用飛秒激光直寫的方法，在該晶體內制備條形波導。飛秒激光的寫入速度高達17mm/s，而制備的波導損耗僅僅為～0.5dB/cm。利用808nm激光泵浦，實現(xiàn)波長為1.

9、06μm的波導激光輸出，波導激光的閾值為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行加工和生產(chǎn)，可以進行高濃度摻雜。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，研究波導的熒光性質。實驗發(fā)現(xiàn)輕離子注入后，波導內發(fā)生了熒光焠滅現(xiàn)象；重離子注入后，波導內熒光性質基本不變。在對波導熒光性質研究的基礎上，實現(xiàn)平面波導激光

10、輸出，激光的斜率效率為～11％；泵浦閾值為～19.5mW。鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是集成光學中應用最多的一種晶體材料。本文研究離子注入鈮酸鋰波導中，電子阻止本領對LiNbO3晶體熱光性質的影響。研究發(fā)現(xiàn)電子阻止本領對熱光性質的影響存在一個閾值(～2.2keV/nm)，當?shù)陀诖碎撝禃r，晶體的熱光性質被很好的保留在波導中；當高于這個閾值時，品格結構受到破壞，熱光性質在波導中發(fā)生變化。
　　 本文研究了氫離子(質子)注入LiNbO3

11、波導的腐蝕性質，實驗結果表明離子注入后晶體的腐蝕性質基本不變。基于該研究結果，本文提出一種脊型波導制備方法，選擇性的對氫離子注入z切LiNbO3晶體進行腐蝕，依靠空氣和光位壘對光進行限制形成脊型波導。經(jīng)過400℃、30min退火，脊型波導的損耗降至～0.9dB/cm。用端面耦合和FD-BPM模擬的方法，研究波導的傳輸模式。稀土元素摻雜LiNbO3晶體既具有稀土元素的熒光性質，又具有LiNbO3晶體的電光和非線性性質，可以制備多種光學和電

12、光器件，例如調Q、自倍頻激光等。本文用離子注入的方法，在稀土元素摻雜LiNbO3晶體表面，制備平面和條形波導。對樣品進行退火處理，并測量波導的傳輸損耗，實驗結果表明退火后光波導損耗可以保持在一個較低的水平(～1dB/cm)。使用共聚焦顯微鏡對波導的熒光性質進行研究，發(fā)現(xiàn)晶體材料的熒光性質，在波導中被很好的保留下來。Fe：LiNbO3晶體是一種優(yōu)秀的光折變晶體，在很低的入射光強下就可以產(chǎn)生較大的折射率改變，在全息存儲和光通信等方面有著重要

13、的應用。本文用二波混頻的方法研究離子注入Fe：LiNbO3晶體波導中的光折變性質；對體材料和波導的增益系數(shù)和光電導系數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)Fe：LiNbO3晶體的光折變性質在氧離子注入波導中沒有發(fā)生變化。同時，研究發(fā)現(xiàn)在相同的入射光強下，波導中光折變效應的響應時間要比體材料中低一個數(shù)量級。鈮酸鍶鋇(SBN)晶體是一種著名的光折變晶體，在光信號放大、全息存儲等方面有著重要應用。鈮酸鈣鋇(CBN)晶體與SBN晶體相比，居里溫度更高(～280℃)，