釩酸鹽晶體與薄膜的生長、結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在光學(xué)、激光和電子學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們正在開拓光電子學(xué)的一個新領(lǐng)域一集成光學(xué)。所謂集成光學(xué)，簡單說來，就是在光波段把相干光波的振蕩、放大、傳輸、耦合、變頻、調(diào)制等功能組合在一起，實現(xiàn)光學(xué)器件和回路的集成化、小型化。在光集成回路中，光波在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播，可以方便地利用波導(dǎo)的各種特性對光波進行處理。作為光集成回路基本構(gòu)件的介質(zhì)波導(dǎo)，目前主要有薄膜和纖維兩種形式，前者多用于集成回路，后者多用于長距離傳輸。與體塊晶體相比

2、，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光薄膜材料具有低的閾值，高的震蕩效率，易于集成等優(yōu)點，因此，人們對薄膜光波導(dǎo)材料給予了極大的關(guān)注。 光波導(dǎo)材料實驗研究的基礎(chǔ)是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備，改進實驗方法、優(yōu)化實驗條件是提高光波導(dǎo)薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵。本論文在新型激光晶體YbV0<,4>與Er：YbVO<,4>的生長、結(jié)構(gòu)分析及其熱學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，采用PLD薄膜制備技術(shù)，在不同的襯底材料上，成功地制備了一系列釩酸鹽(Nd：GdV0<,4>、Nd：LuVO<,4

3、>、Nd：YV0<,4>、YbV0<,4>及Er：YbV0<,4>)的波導(dǎo)薄膜，并利用多種測試手段表征了薄膜，論文主要內(nèi)容包括： 1．經(jīng)典光波導(dǎo)理論概述。介紹了薄膜波導(dǎo)理論基本概念和術(shù)語，包括傳導(dǎo)模的性質(zhì)、導(dǎo)模、傳播常數(shù)、導(dǎo)模截止等。對制備的光波導(dǎo)薄膜，采用臺階儀、盧瑟福背散射(RBS)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(X-ray)、掃描電鏡(SEM)、高分辨掃描電鏡(HRSEM)、原子力顯微鏡(AFM)以及棱鏡耦合等技

4、術(shù)研究其特性。 2.YbV0<,4>與Er：YbV0<,4>的生長、結(jié)構(gòu)分析及其熱學(xué)性能研究。生長了高光學(xué)質(zhì)量YbV0<,4>與Er：YbV0<,4>單晶；采用浮力法測得YbV0<,4>晶體密度為6.233 g/cm<'3>：測量了YbV0<,4>晶體的熱膨脹系數(shù)為α<,l>=2.1×10<'-6>/K，α<,3>=8.3 x 10<'-6>/K(298.15～573.15K)：在330K時，YbV0<,4>晶體的比熱為0.37

5、Jg<'-1>iK<'-1>(25.47cal mol<'-1>K<'-1>)；室溫下，YbV0<,4>晶體沿<100>方向的熱導(dǎo)率為3.90W/m.K，<001>方向的熱導(dǎo)率為5.09 W/m.K。 3．Nd：GdV0<,4>光波導(dǎo)薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)(1) 在石英玻璃及(006)藍寶石材料襯底上用PLD法制備了Nd：GdVO<,4>光波導(dǎo)薄膜。 (2) 用RBS法確定了薄膜中Gd和V元素的比例，并利用XRD、

6、AFM、SEM等手段系統(tǒng)地表征了薄膜樣品的微觀結(jié)構(gòu)。 (3) 用棱鏡耦合法測試波導(dǎo)的暗模特性，發(fā)現(xiàn)零級波導(dǎo)模的有效折射率和體材料折射率較接近，所制備的薄膜材料的折射率小于體材料折射率值，這可能是由于所制備的薄膜材料排列不如體材料密實所致。在部分樣品中得到非常尖銳的下降峰，表明光進入波導(dǎo)區(qū)，并在其中傳播。 4．Nd:LuV04光波導(dǎo)薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和性質(zhì) (1) 以石英玻璃、n(100)Si/SiO<,2>、(

7、006)寶石片及(001)LGS晶片為襯底，用PLD法成功地制備了Nd:IuVO<,4>光波導(dǎo)薄膜。 (2)不同襯底材料，利用RBS、XRD、AFM、SEM及棱鏡耦合分析技術(shù)研究了不同制備條件(襯底材料、襯底溫度及氧氣壓強)對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，薄膜樣品中Lu和V的比與體塊材料中元素成分基本一致。不同條件下，在Si/SiO<,2>、石英玻璃及藍寶石襯底上都得到了沿(200)方向高度擇優(yōu)取向的單向膜，并發(fā)現(xiàn)，LGS襯底

8、上Nd:LuVO<,4>薄膜樣品的初始結(jié)晶溫度為700℃。觀察薄膜表面形貌，發(fā)現(xiàn)多晶薄膜是以三維島狀生長模式生長的，并對其生長原理作了分析。同時，對樣品表面顆粒物的成因及減少顆粒物的途徑作了介紹，為今后制備高性能薄膜奠定了基礎(chǔ)。在不同的襯底材料上，都觀察到了較好的波導(dǎo)性能。 5．采用PLD法分別在n(100)Si/SiO<,2>及石英玻璃襯底上制備出了Nd:YVO<,4>波導(dǎo)薄膜。XPS分析表明所制備的薄膜樣品中元素的價態(tài)與體材

9、料中元素的價態(tài)是一致的。實驗發(fā)現(xiàn)，在同一襯底溫度下，不同襯底材料上沉積的Nd:YVO<,4>薄膜的結(jié)晶情況不同。同種材料的襯底上，不同的制備條件下沉積的Nd:YVO<,4>薄膜的結(jié)晶情況也不同。確定了適合制備Nd:YVO<,4>薄膜的條件為襯底溫度700℃、氧氣壓強10Pa，在此條件下，石英玻璃襯底上樣品的波導(dǎo)特性明顯好于其它樣品的波導(dǎo)特性。 6．采用PLD法在(006)藍寶石及不同Si/SiO<,2>襯底上制備出了YbVO<,