基于晶体的微纳光学结构及其激光非线性特性研究

发布时间：2020-04-01 12:51

【摘要】：集成光路可以在集成化空间内实现对光信号高速、稳定、低损耗地传输和处理。通过对多种不同功能光学元件(如激光器、分支器、耦合器、光开关、偏振器、光栅等)的片上集成,可以在一块基底材料上制备出体积小、功能多、速度快、容量大的全光器件,从而广泛应用于光纤通信、化学传感、生物医疗、环境监测、光谱研究、材料科学和光子计算机研究等领域。为了更好的实现高性能光学系统的集成化,光学结构的尺寸逐渐向着微米甚至纳米量级发展,可以通过直接缩减功能型元器件的体积或者对体材料进行微区改性等方式来制备微纳光学元件并达到优化提升性能的目的。本文工作主要通过对体材料微区改性在晶体内制备光波导微结构与金属纳米颗粒。光波导是由高折射率导光中心被低折射率区域包覆构成的光学结构,可以将光波限制在微米或者亚微米量级进行传输,极大的增强了波导腔内光密度,从而使体材料自身的光学性质得以增强,如激光增益介质的激光性能、非线性材料的非线性光学特性等。基于这种光波导结构,可以制备出许多结构紧凑、集成度高、功能多样化、性能优异的集成光路基本元件,如波导分支器、波导耦合器和波导激光器等;金属纳米颗粒是指将金属材料的尺寸至少在一个维度上限制在100 nm以内的粒子,具有与尺寸相关的独特光学性能。在特定波段入射光的激励下,会产生表面等离子共振(SPR)效应,周围的局域电磁场得到显著增强,使衬底材料的光学性质如荧光和拉曼光谱强度、非线性光学系数等得到数量级上的提升,从而实现信号放大,降低了激发条件。在集成光学领域可以作为集成度高、稳定性高的可饱和吸收体产生波导脉冲激光,也可以作为高精度传感器实现微纳尺度的集成。作为微纳光学结构的理想基质材料,晶体介质由于其突出的光学特性而广泛应用于固体激光、光放大、非线性光学、电光开关等各种领域。其中,激光晶体具有激光阈值低、硬度大、增益高、热导率高等优良特性,常作为增益介质材料应用于固体激光器中;非线性晶体,可以通过倍频、混频和光参量振荡等方式进行激光频率转换,从而实现特定波长激光的产生;电光晶体,可以通过控制外加电场强度改变其折射率,在光调制开关、高速光通信等领域有广阔的应用前景。结合此类功能型晶体材料,微纳光学结构不仅可以实现微纳尺度的器件集成,而且还能兼顾光学器件功能的多样化,最终使集成光学系统的整体性能得到大幅度提升。多功能、高性能的微纳光学结构的制备方法多种多样,包括飞秒激光微加工技术、聚焦离子束(FIB)技术、光刻技术、离子注入与离子辐照、离子交换与质子交换、等离子体刻蚀等。本文主要应用飞秒激光加工及离子注入技术在功能晶体材料中分别制备光波导微结构及金属纳米颗粒。飞秒激光微加工技术利用聚焦的飞秒脉冲激光在晶体等透明介质中根据设计图案构建三维微纳结构,具有精度高、三维化、热效应小、无污染等优点。通过激光与晶体介质材料的相互作用改变加工区域的折射率,形成光波导微结构。在离子注入过程中,浓度足够高的带电离子通过与晶体靶材料的相互作用损失自身能量停留在衬底材料中,最终析出形成纳米颗粒。相比于其他合成方法,离子注入可以自由调控纳米颗粒种类、大小、注入深度及浓度,不受固溶度和热力学平衡条件的影响,使镶嵌在固体材料中的纳米颗粒具有耐高温、高纯度、高稳定性等优势。本论文的主要工作基于多功能晶体材料,分别对飞秒激光写入的光波导微结构和离子注入合成的金属纳米颗粒这两类集成化微纳光学结构进行研究,包括制备合成方法、基本特性表征及其在激光和非线性光学特性上的应用。根据微纳结构类型与衬底材料功能的不同,可以将本论文的主要研究内容和结果归纳如下:基于不同切向的激光晶体Nd:YAP,通过飞秒激光写入制备了类光子晶格和包层两种通道型光波导,并实现了双波长波导激光的产生。基于Nd:YAP晶体的切向和偏振敏感性,分别在a切和b切两种切向的晶体中制备了通道型光波导微结构,通过改变加工过程中飞秒激光的偏振方向和波导激光实验中泵浦激光的偏振方向分别对光波导的特性进行了研究。在a切的Nd:YAP晶体中,通过对飞秒激光辐照痕迹的周期性排列制备了一组类光子晶格通道型光波导微结构,改变飞秒激光的偏振方向,可以实现类光子晶格微结构中导光位置的变化,使光束在相邻痕迹间或周期性排列围成的类包层结构中心进行有效传输。利用共聚焦荧光显微镜,从折射率变化的角度分析讨论了不同飞秒激光偏振造成微结构导光性质变化的原因。通过812 nm激光泵浦,在微结构中实现了 1 μμm附近的双波长激光输出;在b切的Nd:YAP晶体中,利用飞秒激光写入制备了低损耗包层波导微结构,通过812 nm激光泵浦,实现了保偏型1064 nm和1079 nm双波长波导激光。改变812 nm泵浦光的偏振方向,产生的双波长波导激光的功率比会随之发生周期性变化,但出射激光的偏振方向保持在TM方向不发生变化。其最大出射激光总功率为200 mW,斜效率为33.4%。基于激光晶体Nd:YV04,采用飞秒激光加工技术实现了表面型和埋入型包层光波导微结构的制备。利用相变材料V02、二维材料石墨烯和WS2、纳米材料Au纳米棒分别作为可饱和吸收体在两种包层波导系统中实现了室温条件下的调Q波导激光和调Q锁模波导激光。当V02分别处于绝缘态和金属态时呈反饱和吸收特性,而当其发生从绝缘态到金属态的相变过程中,呈现可饱和吸收特性,且可饱和强度较低,调制深度较大,响应时间较短,为高性能超快脉冲激光的实现提供了可能。在808 nm泵浦光激励下,基于表面包层波导激光系统,对相变材料V02、二维材料石墨烯和WS2作为可饱和吸收体产生的1064 nm调Q波导激光特性进行了比较。结果表明,基于V02的调Q波导激光具有最短的脉冲宽度(690 ps),最小的激光阈值(18.8 mW)和最大的峰值功率(33.1 W),而基于石墨烯的调Q波导激光具有最大的重复频率(7.8 MHz),基于WS2的调Q波导激光具有最大的平均输出功率(161.9 mW);基于埋入式包层波导激光系统,选用Au纳米棒作为可饱和吸收体实现了调Q锁模波导激光,脉冲性能得到进一步优化,其脉冲宽度短至27 ps,重复频率高达6.54 GHz。基于非线性晶体KTP,利用飞秒激光加工技术制备了一组具有光束整形或模场调控功能的三维类光子晶格波导微结构,并在微结构中实现了可见光波段二次谐波的产生(SHG)。根据设计在晶体中合适位置处引入损伤痕迹形成导光中心位置或面积不同的微结构单元,通过对这些微结构单元的自由组合实现集成光子学器件的不同功能:激光分束或模式调控,与晶体自身的非线性光学特性相结合,通过II类相位匹配,成功实现1064nm→532 nm倍频激光的输出,为集成光学领域制备紧凑型、多功能的频率转换器件提供了实验依据。结果显示,通过改变导光中心位置,飞秒激光写入KTP类光子晶格微结构可以通过两种方式对光束实现一分四的空间分束,得到的分支微结构中最大倍频归一化转化效率为3.6%/W/cm2和3.6%/W/cm2;通过改变导光中心区域面积,从较大芯径到较小芯径两部分组成锥形类光子晶格结构,既可以实现与小芯径通道型波导结构相似的532 nm倍频光的近单模输出,又能得到与大芯径通道型波导结构(1.2%/W/Ccm2)相当的较高归一化转化效率(1.1%/W/Ccm2),实现了光波导微结构中的单模倍频传输。基于晶体Nd:YAG和Pr:CaF2,利用离子注入的方法分别合成了内嵌型金(Au)和银(Ag)纳米球颗粒。通过可见光激发,纳米颗粒的SPR效应使周围电磁场得到增强,从而提升了晶体自身的非线性光学和拉曼荧光光谱特性,有利于实现高性能脉冲激光的集成以及微弱信号的放大。结果显示,离子注入可以通过调节注入剂量对纳米颗粒的尺寸和浓度进行控制,从而影响金属纳米颗粒的线性吸收光谱。在Nd:YAG晶体中,结合后期热退火技术合成了平均直径约为2.7 nm的金纳米颗粒,实验测得的SPR吸收峰位于561 nm处。在515 rnn飞秒激光的激发下,由于纳米颗粒的存在,样品的非线性吸收系数和非线性折射率分别实现了近5个和4个数量级的提升,且呈现可饱和吸收和自聚焦效应。选用内嵌纳米颗粒的样品作为可饱和吸收体,以Pr:LuLiF4晶体为增益介质实现了639 nm的脉冲激光。在Pr:CaF2晶体中,合成了平均直径约为5.3 nm的银纳米颗粒,实验测得的共振吸收峰位于417 nm处,在473 nm连续光的激发下,测得内嵌银纳米颗粒的样品荧光强度较原样品实现了最大60%的增强,结合荧光寿命测量结果可知荧光光谱的增强是由纳米颗粒周围增强的电磁场引发稀土离子激发效率提高导致的。另外,内嵌银纳米颗粒的样品在532 nm激发下还呈现出表面增强拉曼散射效应,在312 cm-1处的增强因子为31。
【图文】：

光波导是基于全反射原理通过折射率较低区域包裹折射率较高区域形成的逡逑一种集成化光子器件，可以将光场限制在微米量级进行传输。根据波导对空间光逡逑场的限制功能，可以分为一维、二维和三维光波导，如图２．１．１所示。一维光波逡逑导主要以平面光波导为代表（见图２．１．１（ａ）），可以在单个维度对光的传输进行逡逑限制，结构相对简单，是复杂波导结构理论研究的基础；二维光波导主要为通道逡逑型光波导（见图２．１．１（ｂ）），可以在光束传输截面上对光场进行二维限制，因此逡逑导光性能更佳，腔内光密度较大，使材料自身的性质在导波区域可以得到一定的逡逑增强，在集成光学系统中的应用最为广泛。根据其所处位置不同大致可以分为脊逡逑型光波导、表面型光波导、埋层型光波导和光纤；三维光波导（见图２．１．１（ｃ））逡逑可以在三维空间对光束传导进行限制，通常被用作多功能光子器件，，实现光束整逡逑型、模场调控等复杂功能，常用的三维光波导有波导分束器、波导耦合器等。本逡逑论文的工作主要基于二维光波导和三维光波导微结构。逡逑图２．Ｌ］邋（ａ）—维平面光波导、（ｂ）二维通道型光波导（从左到右依次为脊型光波导、逡逑表面型光波导、埋层型光波导和光纤）以及（ｃ）三维光波导逡逑２．１．１导模形成条件逡逑为了实现光波导的导波功能

型、模场调控等复杂功能，常用的三维光波导有波导分束器、波导耦合器等。本逡逑论文的工作主要基于二维光波导和三维光波导微结构。逡逑图２．Ｌ］邋（ａ）—维平面光波导、（ｂ）二维通道型光波导（从左到右依次为脊型光波导、逡逑表面型光波导、埋层型光波导和光纤）以及（ｃ）三维光波导逡逑２．１．１导模形成条件逡逑为了实现光波导的导波功能，控制波导中的模式分布，入射光和光波导结构逡逑均需要满足一定的条件。通过对经典麦克斯韦方程组求解边界条件可以推算光场逡逑模式１＇图２．１．２是平面波导结构示意图，其中覆盖层、波导层和衬底层的折射逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74;TN491


本文编号：2610477