基于载能离子束辐照技术制备的脊形晶体波导光学特性研究

发布时间：2017-12-15 15:34

  本文关键词：基于载能离子束辐照技术制备的脊形晶体波导光学特性研究

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【摘要】：集成光学是一门研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元器件集成化的学科。集成光学的概念,是由美国贝尔实验室的S. E. Mille博士在1969年首次提出并逐渐发展起来的一门新兴学科,它是现代光电子学的一个重要分支。集成光学的主要任务是将传统的光学元器件和系统微型化,并按照一定方式将这些元器件或系统“集成”,从而形成具有多种功能的集成光学体系。光波导作为集成光学的基本元件,是由折射率较低的区域包裹折射率较高的区域构成的,利用光在折射率不同的两种物质界面上的全反射原理,将光波限制在微米量级的微小结构内传输并且达到较高的光密度。从几何结构上区分,光波导可以分为一维光波导和二维光波导。一维光波导又称为平面光波导或薄膜光波导,它仅在一个维度上对光的传输进行限制；二维光波导包括埋层光波导、表面光波导和脊形光波导,它可以在两个维度上对光的传输进行限制,能够达到更高的光密度,集成度更高。由于脊形光波导器件的尺寸易于与集成光学中的其它元件相结合,组成复杂的“集成光子芯片”,实现更多的功能,具有非常广阔的应用前景,也一直是集成光学领域的重要研究课题。目前,光波导的主要制备方法包括载能离子束辐照、飞秒激光加工、脉冲激光沉积、分子束外延、离子交换与热扩散和键合技术等。其中,载能离子束辐照作为一种比较成熟的技术,适用材料非常广泛,近年来被广泛应用于光波导结构的制备。载能离子束辐照是一种有效的晶体材料表面改性技术,具有一定能量的带电离子进入衬底材料后,与靶材料原子核和电子发生相互碰撞而失去能量,引起靶材料的晶格结构损伤,从而改变材料特定区域的折射率分布,最终在表面形成光波导结构。载能离子束辐照技术制备光波导需要的注入离子剂量较小,几乎没有掺杂效应,可以保留材料的原有组分；而且通过适当的热退火处理,可以消除波导中的色心和点缺陷,最大程度的保留材料的原有性能。由于这种技术在制备过程中不受温度限制,通过选择合适的体材料和离子的种类、剂量、能量,并且合理的搭配辐照条件,可以精确控制波导的维度和折射率分布,从而实现结构复杂的高质量的光波导器件。迄今为止,应用载能离子束辐照技术已经在超过80种绝缘体光学材料中成功制备了光波导结构。另外,通过将载能离子束辐照技术与飞秒激光烧蚀或精密金刚石刀切割等附加工艺相结合,可以制备脊形光波导结构。本论文利用载能离子束辐照技术在中红外晶体、稀土离子掺杂激光晶体以及非线性晶体等多种材料上制备平面光波导,随后采用飞秒激光烧蚀或精密金刚石刀切割技术进一步加工成脊形光波导。系统研究波导结构的导波特性,包括显微结构、折射率分布、传输模式、传输损耗、拉曼光谱和荧光光谱等,并在此基础上实现波导激光和波导倍频,探讨光波导器件的实际应用价值。根据制备材料的不同,可以将本论文研究工作及结果归纳如下：ZnSe晶体作为一种重要的中红外材料,具有较高的热导率和优良的机械性能,是制造红外透镜、激光窗口和红外热像仪的首选材料。通过Kr8+离子辐照在ZnSe晶体表面制备平面光波导,随后采用精密金刚石刀切割技术在ZnSe晶体平面光波导基础上制备了不同宽度的脊形光波导。通过实验测量发现,在中红外波长(～4μm)下,光在脊形波导中以多模模式传输,最低传输损耗为1.1 dB/cm。通过测量沿着辐照离子径迹的拉曼光谱,表明快重离子辐照并没有引起波导区晶格结构的明显改变。本实验为ZnSe脊形光波导器件在中红外光通讯领域的应用提供了研究基础。LiNbO3晶体是一种重要的多功能晶体材料,具有优良的电光、声光、压电、铁电和非线性光学性质。利用05+离子辐照结合精密金刚石刀切割在MgO:LiNbO3晶体上制备脊形光波导结构。通过端面耦合测量发现,MgO:LiNbO3晶体脊形光波导在中红外波长(～4 μm)TM偏振下能够较好地限制光波的传输。经过一系列的热退火处理工艺可以有效地提高脊形光波导的传输性能,并且将传输损耗降低至1.0 dB/cm。实验结果表明,快重离子辐照结合精密金刚石刀切割技术制备的MgO:LiNbO3晶体脊形光波导在中红外集成光学领域具有重要的应用前景。Nd:YAG晶体是迄今为止综合特性最优良的固体激光材料,其具有激光增益高、泵浦阈值低、功率高、1064 nm光吸收小、热传导性好等特性。首先利用Kr8+离子辐照在Nd:YAG晶体上制备平面光波导结构,接下来采用精密金刚石刀切割技术在平面波导上制备出脊形光波导结构。实验测得平面和脊形波导在632.8 nm波长下的传输损耗分别为2.1 dB/cm和3.7 dB/cm。在808 nm激光的泵浦条件下,实现了室温下1065 nm波导连续激光的输出。平面波导的最大激光输出功率为49.3 mW,斜效率为45.6%。脊形波导的最大激光输出功率为71.5 mW,斜效率为60.8%。结果表明,脊形波导比平面波导的激光性能更加优异,本实验提供了一种性能优良的近红外波长微型波导激光器的制备方法。Yb:YAG晶体是一种性能优良的固体激光材料,具有掺杂浓度高、量子转换效率高,荧光寿命长、吸收带宽大等特点。首先利用C5+离子辐照在Yb:YAG晶体表面制备平面光波导,接下来采用飞秒激光烧蚀在平面光波导上烧蚀出四条不同参数的脊形光波导结构。通过端面耦合装置研究脊形光波导在632.8 nm波长下的导波特性,比较不同制备参数的脊形波导的传输损耗,发现扫描速度最低、宽度最大的脊形光波导的传输损耗最低。通过测量波导的最大受光角估算出波导的最大折射率变化△n≈+0.004,基于重建的折射率分布,利用FD-BPM对波导的近场模式进行模拟,与实验结果符合较好。本实验为优化Yb:YAG脊形光波导的传输特性,寻找最佳的波导器件的制备参数提供了实验依据。LGS晶体是一种新型的多功能材料,具有优异的电光性能、较大的机电耦合系数和压电常数,且室温至熔点(147℃)无相变。利用C5+离子辐照结合精密金刚石刀切割在Nd:LGS晶体上制备脊形光波导结构。经过对样品进行200℃热退火处理,脊形光波导结构在632.8 nm和1064 nm波长TM偏振下均能够有效的限制光波的传输,测量的最低传输损耗分别为1.6 dB/cm和1.2 dB/cm。通过测量波导和衬底的拉曼光谱和荧光光谱,发现碳离子辐照并未引起波导区晶格结构的明显改变,Nd3-+离子的荧光特性得到了很好的保留。此实验结果表明该波导器件具有优良的导波特性,在可见光和近红外集成光学领域具有较大应用潜力。KTP晶体是一种性能优良的非线性光学材料,具有大的非线性光学系数、高光电转换效率和低介电常数,良好的机械性能以及高的热传导系数。采用O5+离子辐照结合飞秒激光烧蚀技术在KTP晶体上制备了脊形光波导结构。通过棱镜耦合仪测量波导在632.8 nm波长下的暗模特性,并利用RCM重构波导的折射率分布。在脉冲1064 nm激光激励下,在KTP平面和脊形波导中实现了1064-→532nm的二次谐波产生,最大转换效率分别为11.5%和25.4%。实验表明,此种方法制备的KTP脊形波导具有比平面波导更加优异的倍频性能,这为制备高质量、结构紧凑的波导倍频器件提供了实验方法。YCOB晶体是一种用途非常广泛的非线性功能材料,其化学稳定性好,不易潮解,激光损伤阈值高,透光波段宽。利用C5+离子辐照结合精密金刚石刀切割在Yb:YCOB晶体上制备脊形光波导结构,并进行260℃热退火处理。研究利用SRIM模拟C5+离子辐照Yb:YCOB晶体的能量沉积过程。脊形光波导在1064 nm波长TM偏振下显示出较好的导波特性,测量的最低传输损耗为1.7 dB/cm。通过测量波导的最大受光角估算出波导的最大折射率变化△n≈+0.004,基于重建的折射率分布,利用FD-BPM对脊形波导的近场光强分布进行模拟,与实验结果符合较好。拉曼光谱表明,碳离子辐照并未对波导区晶格结构造成较大的应力改变。荧光光谱表明,波导区的Nd3+离子的荧光特性得到了很好的保留。此实验结果表明,快重离子辐照结合精密金刚石刀切割技术是一种在Yb:YCOB晶体中制备高效、紧凑的脊形光波导器件的有效手段。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN25

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