几种透明光学材料中波导结构的制备及其特性研究

发布时间：2018-05-13 14:25

  本文选题：飞秒激光加工 + 通道光波导　； 参考：《山东大学》2017年博士论文

【摘要】：集成光路可以将光信号限制在高度集成化的区域内进行传输或处理,由于其具有体积小、稳定性好、损耗小等优势,自20世纪60年代集成光路的概念被提出以来,传统的集成电路逐渐被集成光路所替代。集成光路由多种功能性元件集合而成,主要包括:连接器、功率分束器、反射器、定向耦合器、偏振片、偏振分束器、相位调制器、功率调制器、TE/TM模式转换器和频移器。而各功能元件都基于集成光学中的基本结构——光波导。光波导区域相对于周围区域折射率较高,利用全反射原理可以将光限制在其内部传输,由于光波的波长较短,可以将光信号控制在微米甚至亚微米尺度内,使得腔内光密度达到一个较高的水平。光波导作为集成光路的基本元件,可以连接各功能元件对光信号进行操控,实现耦合、分支、开关、复用等功能。依照波导结构对光信号在三维空间中传输时的限制能力,光波导可分为一维、二维和三维光波导。其中,一维光波导即平面光波导;二维光波导根据其结构形态又可划分为脊型、条形、埋层通道光波导和光纤;三维光波导形态多样,常见的如光子晶体结构和波导分支器,可实现复杂的功能。二维和三维光波导结构更紧凑,更易获得较高的腔内光能量密度,易于多功能性集成,具有更高的研究和应用价值。迄今为止,人们已在多种透明光学材料中成功制备了光波导结构,包括玻璃、陶瓷、晶体、聚合物等。制备方法多样,主要有离子注入/辐照、脉冲激光沉积、离子交换、聚焦质子直写、外延生长、飞秒激光微纳加工(写入)技术等。其中,飞秒激光微纳加工技术是利用超快脉冲(飞秒)激光对透明光学材料进行微加工。由于飞秒激光加工技术具有操作简单、结构灵活、分辨率高、可加工三维精细形态等优点,近年来受到科研和技术加工领域的广泛关注。本论文主要采用飞秒激光加工技术在几种透明光学材料中制备光波导结构,飞秒激光的参数灵活多变,如偏振方向、工作波长、重复频率、脉冲能量及扫描过程中可以调节的扫描速率、扫描间隔、聚焦深度和扫描方向等,合理的参数设置可以实现不同的折射率变化和分布,从而制备不同结构和形态的光波导结构,同时保留材料的优异性质。光波导的特点和优势主要表现在紧凑的结构和较高的光能量密度,但由此引起的热效应也更明显,对波导的性能和寿命有着不可忽视的影响。例如,在波导激光振荡中,泵浦光的吸收使得波导温度升高,可能造成波导折射率变化,引起波导退化,寿命降低,激光性能下降。因此对光波导工作过程中的温度进行表征具有重要的研究价值。进一步地,通过对波导温度的监控可以大大优化波导的性能及其作为集成光学器件的应用。荧光测温方法是一种通过对材料荧光性质的表征获取温度信息的测量技术,由于其适用范围广、非接触、样品无损耗等优势而受到广泛关注。本论文结合共聚焦荧光显微镜技术和荧光强度比率法对激光泵浦下的光波导进行三维高分辨热成像。本论文的主要研究内容包括利用飞秒激光加工(写入)在多种透明光学材料中制备通道光波导及波导分支器;对波导在可见光、近红外直至中红外各波段的导波特性进行研究;利用石墨烯材料作为可饱和吸收体在光波导中实现调Q脉冲激光振荡;利用荧光强度比率法结合共聚焦荧光显微镜技术对泵浦所致波导温度变化进行表征等。根据实验选用的光学材料及所制备光波导类型的不同,可以将本论文的主要工作概括如下:利用飞秒激光写入技术在锗酸铋(BGO)晶体中制备了双线型、包层、折射率升高型通道光波导及波导分支器,通过对飞秒激光参数的调试,实现不同的折射率改变,结合多种形态结构制备了几种光波导结构。结果表明,双线型光波导位于两条平行的飞秒激光辐照痕迹之间,其中飞秒激光辐照区域折射率降低约1.4 ×10-3。基于重构的波导折射率分布,模拟了波导的传输模式,与实验测量的632.8 nm波长下近场模式分布一致。结果表明,BGO晶体双线型波导支持TE和TM两个垂直的偏振方向下的单模传输。经高温退火处理后,飞秒激光单脉冲能量为2.52 μJ,写入痕迹间隔为20 μm的双线型光波导的传输损耗可降低至0.5 dB/cm。直径为100 μm的BGO晶体包层光波导支持TE和TM偏振下632.8 nm波长的多模传输,且对偏振不敏感。经260℃的退火处理后,波导的传输损耗降低至～2.1 dB/cm。一般地,飞秒激光直写制备折射率升高型光波导较难在晶体中实现,通过对飞秒激光参数的调试,我们在BGO晶体中采用优化的飞秒激光参数成功制备了折射率升高型通道光波导。端面耦合结果表明,折射率升高型BGO晶体光波导支持中红外波段的导波,且具有偏振不敏感性。波导在4 μm波长端面耦合下的传输损耗约为3.5 dB/cm。最后,基于BGO晶体折射率升高型光波导的制备参数,利用飞秒激光写入制备了波导分支器(1×2,1×3,1×4)。通过端面耦合装置研究了其在中红外波段(4 μm)的分支性能。各分支器均支持4 μm波长下的单模输出,无偏振效应,且分支比例均匀接近1:1,分支引起的损耗低至～0.3 dB,表明BGO折射率升高型波导分支器性质优异,可利用于中红外分支器件。利用飞秒激光加工在掺铵钒酸钇(Nd:YVO4)晶体中分别制备双线型、单包层及双包层通道光波导,并利用石墨烯材料作为可饱和吸收体,实现调Q脉冲激光振荡。双线型通道光波导的双线间隔为20 μm,在820 nm连续激光泵浦下,输出中心波长为1064.4 nm的脉冲激光。相比于TM偏振,TE偏振下的激光性能更优,这得益于TE偏振下较小的传输损耗:～1.2dB/cm(TE)和～1.9dB/cm(TM)。在1.2 W的TE偏振激光泵浦下,脉冲激光获得最大平均输出功率为129 mW,最小脉冲宽度为25.0 ns,最高重复频率为16.3 MHz,最大单脉冲能量为8.1 nJ。此外,在直径分别为42 μm和114 μm的单包层光波导和内/外径为42/114μm的双包层光波导中实现了 1065.2 nm的调Q脉冲激光输出。结果表明,包层光波导具有更对称的形态,更低的损耗,且相比于单包层,双包层光波导具有更优异的激光性能,激光阈值仅为103mW/123mW@TE/TM偏振。其中在1.2W的TE偏振光泵浦下,双包层光波导中得到脉冲激光的最大平均输出功率为361 mW,相应的激光脉冲的重复频率为14.5 MHz,单脉冲能量为24.9 nJ,脉宽为31 ns，，利用共聚焦荧光强度比率法对掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体和铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er:Yb:phosphate glass)中的飞秒激光加工表面型通道光波导进行温度表征。在功率为100mW,波长为808 nm的激光泵浦下,Nd:YAG波导内部温度升高约10℃。实验和理论结果均表明,飞秒激光辐照区域折射率降低,与空气表面共同形成一个折射率较低的包层,将光限制在波导内部传输;同时,飞秒激光写入痕迹处的热导率降低,形成热阻抗限制热量的扩散,使得温度变化主要发生在波导内部。此外,铒镱共掺磷酸盐玻璃中的荧光分析利用了铒离子的双光子吸收,由于磷酸盐玻璃的导热系数低、热敏感度高,导致波导中的温度变化更明显。结合高分辨率多光子吸收荧光成像技术,在铒镱共掺磷酸盐玻璃波导中实现了高分辨率的三维热成像。在波长为980 nm、功率为120 mW的激光泵浦条件下,铒镱共掺磷酸盐玻璃波导内部温度升高值高达200℃。为降低波导泵浦中的热效应,我们对泵浦激光进行时间调制,产生方脉冲激光,在不改变脉冲激光峰值功率和脉宽的情况下,增大脉冲间隔,降低相邻脉冲之间的热量累计效应,减小波导温度升高值。通过理论计算和实验测量对此调制方法进行检测,结果一致地证明了该方法的可行性。利用飞秒激光加工在x切铌酸锂(LiNbO3)晶体中制备了包层通道光波导,研究了波导直径和传输方向对其导波性质的影响。分别采用可见光(0.633 μm)、近红外(1.064 μm)和中红外(4μm)激光作为入射光,利用端面耦合系统使得激光在直径分别为50 μm和110 μm,传输方向分别沿y轴和z轴的波导中传输。结果表明,直径为50 μm的波导在4 μm下为单模传输,其余情况下均为多模传输。其中直径为110 μm沿z方向传输的波导具有最低的损耗,经过260℃高温退火一小时后,该波导在1064 nm波长下的插入损耗低至0.5 dB。
[Abstract]:The integrated optical path can be divided into one - dimensional , two - dimensional and three - dimensional optical waveguides , and the optical waveguide can be divided into one - dimensional , two - dimensional and three - dimensional optical waveguides . In this paper , the characteristics and advantages of optical waveguide are studied by using femtosecond laser processing technology in several transparent optical materials , such as polarization direction , working wavelength , repetition frequency , pulse energy and scanning direction . In this paper , the propagation loss of the waveguide is reduced to 0 . 5 dB / cm . Under the condition of high temperature annealing , the transmission loss of the double - wire type optical waveguide is reduced to 0 . 5 dB / cm . At the end of the annealing treatment at 260.degree . C . , the propagation loss of the waveguide is reduced to ~ 2.1 dB / cm . In general , the optical waveguide with a diameter of 100 渭m is better than that of the optical waveguide with a wavelength of 1064 . 4 nm . The results of the end - end coupling show that the lower transmission loss of the TE polarization is : ~ 1.2dB / cm ( TE ) and ~ 1.9 dB / cm ( TM ) . The results show that the maximum average output power of Nd : YAG laser is about 10 鈩

本文编号：1883577