飛秒激光制備鈮酸鋰和釔鋁石榴石晶體光波導器件及性質研究.pdf

1、集成光路，是20世紀60年代提出來的一種類似于集成電路的概念，它可以將光信號限制在高度集成化空間內進行傳輸和處理，但是它比集成電路具備更快速的處理信息能力，而且具有體積小、損耗小、穩(wěn)定性等優(yōu)勢，因此傳統的集成電路逐漸被集成光路所替代。而且與傳統光學系統體積大、穩(wěn)定性差相比，集成光學通過將不同功能、不同集成度的光學器件集成（如分束器、定向耦合器、激光器、相位調制器、偏振調制器等），可以實現光學信息處理系統的集成化和微小型化，并且其抗電磁干

2、擾、信息量大、穩(wěn)定性好，因此它具有更大的傳遞信息和信息處理能力。
　　光波導是集成光路最基本的元件，它是由折射率較低的區(qū)域包裹著折射率較高的區(qū)域組成，基于全反射原理可以將光限制在折射率較高的區(qū)域內傳輸，一般情況下，該區(qū)域尺寸一般在微米甚至納米量級，因此可以較大程度增強波導腔內的光密度，從而使得諸如激光特性和非線性光學特性等光學性質得到增強。根據波導結構特性，可以分為一維(1D)光波導，如平面光波導;二維(2D)光波導，如通道光波導

3、;以及三維(3D)光波導，如分支光波導。其中平面光波導只能在一個方向上限制光的傳輸，而通道光波導可以將傳輸光進行兩維空間限制，從而將絕大部分入射光限制在傳輸方向進行傳播，因此二維光波導相比一維光波導的光密度更大，波導尺寸更小，有利于集成光路的微型化和集成化。三維光波導形態(tài)多樣，常見的如波導分支器和定向耦合器等，他們具備更加復雜的功能，在集成光學中有著非常廣泛的應用。因此二維和三維光波導結構比一維光波導具有更高的研究價值和更廣闊的應用前景

4、。
　　介電晶體材料在現代人們生活中有著重要的作用。例如，電光晶體，是制備相位、功率以及偏振調制器的理想材料;非線性晶體，在頻率轉換領域中有著重要作用;激光晶體，是制備固體激光器最理想的增益介質，相比玻璃，它具有更低的激光閡值。近年來，結合介電晶體材料的多功能特性以及光波導的緊湊結構，越來越多的介電晶體光學器件在多個領域發(fā)揮著重要作用。
　　迄今為止，人們已經利用多種技術在介電晶體中實現了光波導的制備，如離子束注入/輻照技術

5、、質子交換技術、薄膜沉積技術、外延層沉積技術、金屬離子擴散、飛秒激光寫入技術等。其中飛秒激光寫入技術具有加工精度高、熱效應小、可實現三維精細加工等諸多優(yōu)點，并廣泛應用于透明光學材料的三維加工。在加工過程中，飛秒激光系統可以很容易產生峰值功率達太瓦級的脈沖能量，當聚焦于材料表面或內部時誘導發(fā)生多光子吸收、雪崩電離或隧穿電離等強烈的非線性光學效應，從而在焦點附近產生局域化的高溫高密度等離子體。隨后高溫等離子經過快速淬冷并固化，導致其折射率發(fā)

6、生變化。通過設計飛秒激光加工參數（脈沖能量、重復頻率、掃描速率、聚焦深度等）可以加工不同類型及結構的光波導。
　　以飛秒激光在介電材料中誘導的光波導結構為基礎，可加工出多種微小型光子器件，例如分束器、定向耦合器、波導激光器、頻率轉換器等有源或者無源器件。在現代化的集成光路中，多樣化的光子器件扮演了不可或缺的角色，也是集成光路基本的元件。此外飛秒激光加工技術結合離子注入技術可以制備出限制光傳輸能力更強的類光纖光波導結構，飛秒激光加工

7、技術結合酸腐蝕可以制備性能優(yōu)異的類光晶體光波導。
　　本論文的主要內容包括飛秒激光加工技術在介電晶體材料中制備不同類型的通道光波導，以及以光波導為基礎的光子器件的制備，包括分束器、定向耦合器、波導激光器;通過實驗對波導及光子器件的導波特性進行研究;以及結合介電晶體固有特性，研究介電晶體波導及光子器件的特性。根據實驗選用介電晶體材料及所制備光波導器件類型的不同，可以將本論文的主要工作歸納如下:
　　利用飛秒激光在z切LiNbO

8、3晶體中制備不同類型的通道光波導，包括雙線型通道光波導、包層型通道光波導以及Ⅰ類光波導。首先利用飛秒激光在z切MgO∶LiNbO3晶體中制備雙線型光波導和包層光波導，其中包括三個具有不同掃描速率而其它制備參數相同的雙線型光波導和一個直徑約為30μm的包層光波導?；诙嗣骜詈蠝y量了各波導在632.8nm下的近場光強分布，并且發(fā)現雙線型光波導僅支持TM偏振下的單模傳輸;而包層光波導支持TE和TM偏振下的多模傳輸，且TE偏振傳輸模式優(yōu)于TM偏

9、振，該包層光波導的傳輸損耗低至0.94dB/cm?；谡凵渎手貥嫞l(fā)現這兩種類型光波導的折射率變化值量級均為10-3。對于雙線型光波導，隨著掃描速率的增大折射率變化越小，對于包層光波導TE偏振下的折射率變化大于TM偏振?；谥貥嫷碾p線型光波導的折射率分布，模擬了其傳輸模式，發(fā)現與實驗測量的632.8nm波長下模式分布幾乎一致?；贚iNbO3晶體摻雜Mg2+離子的抗光損傷特性，測量光波導的抗光損傷閾值，結果表明雙線型光波導的抗光損傷閾值

10、(～105W/cm2)比包層光波導的抗光損傷閡值(～104W/cm2)高一個數量級。與之前報道離子注入制備光波導的抗光損傷閾值進行比較，發(fā)現飛秒激光加工技術制備的光波導的抗光損傷性能更優(yōu)異。此外，采用飛秒激光加工技術在z切Er,MgO∶LiNbO3晶體中制備出Ⅰ類光波導。研究表明Ⅰ類光波導在1064nm和1550nm下僅支持TM偏振態(tài)的基模傳輸?；贓r3+離子特性，波導在980nm激光泵浦下實現了550nm和528nm的上轉換熒光效應

11、以及1450-1625nm的近紅外熒光效應，并且波導發(fā)射出的熒光強度高于體材料。最終結果表明，飛秒激光加工技術具有加工各種類型光波導的能力，為集成光路的發(fā)展提供了強有力的后盾技術。
　　利用飛秒激光加工技術在LiNbO3晶體中制備多種類型的波導光子器件，包括Ⅰ類波導分束器、類光晶格波導分束器以及Ⅰ類波導定向耦合器。對于Ⅰ類波導分束器來說，它是飛秒激光單次掃入，掃描痕跡處即為波導區(qū)，其包括2D(1×2)和3D(1×4)分支結構，并且

12、在632.8nm和1064nm下僅支持TM偏振的基模傳輸?；谥貥嫷恼凵渎史植?，模擬了1×4分束器的傳輸模式，與實驗測量的模式分布一致。該類型分束器的傳輸損耗均小于4dB/cm，且各分支的光功率分配幾乎相等。對于類光晶格分束器來說，它是由飛秒激光多次寫入組成六角形微結構，由于應力作用，波導區(qū)位于六角形的中心區(qū)域，這種結構同樣可以通過掃描設計實現波導光束分支功能。通過設計，制備出2D(1×2)和3D(1×3)分支結構。在1550nm下僅支

13、持TE偏振下的基模傳輸，并且與理論模擬結果相一致。1×3波導分束器的傳輸損耗約為2.1dB/cm，且各分支光功率分配基本相等。對于Ⅰ類波導定向耦合器來說，它不同于分束器的Y分支結構，它是由距離很近的波導通過消逝場的耦合實現光功率分配的。在本文中，同樣制備出2D(1×2)和3D(1×4)的耦合器，并且在632.8nm下的僅支持TM偏振下的基模傳輸，并且證明了通過消逝場耦合來進行光路分支比Y分支結構所產生的損耗更低。結果表明，飛秒激光加工技

14、術是制備集成光路中微小型波導光子器件的有效方法。
　　利用飛秒激光加工技術結合離子注入技術在Nd∶YAG晶體中制備出類包層光波導，這種波導結構相比于飛秒激光或離子注入加工單層波導有著更強的限制光束傳輸的能力，因此有利于作為激光泵浦的研究?；诙嗣骜詈舷到y，在810nin激光泵浦下實現了1064nm的連續(xù)波導激光輸出，其最大輸出功率為28.4mW，斜效率為27.8％。利用WS2作為可飽和吸收體，最終在Nd∶YAG晶體類包層波導中實現

15、調Q脈沖激光的輸出，其脈沖寬度為45ns。此工作開創(chuàng)了結合飛秒激光加工技術和離子注入技術可以在多種光學材料中制備新型波導結構的新方法。
　　利用飛秒激光直寫技術結合H3PO4酸腐蝕在YAG晶體中制備類光子晶體光波導。在腐蝕的過程中，H3PO4酸溶液對飛秒激光掃描痕跡各個方向的腐蝕速率不同。根據有限光束傳播法計算模擬發(fā)現隨著波長的增大，該類光子晶體光波導的透過率越高。然后基于實驗研究表明該光子晶體光波導在4μm入射光下在TE和TM偏