新机制载能离子束制备的晶体激光波导

【摘要】光波导是由低折射率区域包裹高折射率区域而成,其结构类似于光纤,通过全反射的方式限制光波的传输,其尺寸往往只有微米量级。通过不同的制备手段,目前已经可以制作具有不同结构特点的波导器件,如平面光波导、通道(条形)光波导以及脊型光波导,以实现不同维度下的光场限制。其灵活的构型和高集成化的特点,使得光波导器件成为集成光学系统中不可或缺的基础元件。在集成光路中,光波导不仅起着限制、引导光波传输的作用,更是实现光耦合、光开关、多路复用等功能的载体,以波导结构为基础的波导激光器、激光放大器、频率转换器等光学器件,更是实现集成光学芯片功能化的重要保证。另外,由于波导结构具有微米量级的尺寸,光在波导中可以达到非常高的能量密度,这非常有利于波导激光效率的提升,以及各种非线性光学现象的实现。自从1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光技术在工业生产、通讯技术、精密测量、科学研究等领域都发挥着越来越重要的作用。现在,激光仍然是现代光学中一个重要和活跃的研究领域,且呈现出许多新的发展态势,其中一个重要的趋势是向着进一步小型化和集成化的方向发展,而波导激光则顺应了这一趋势。波导激光以波导结构作为激光谐振腔,具有小型化、集成化、稳定性高的特点。波导激光往往采用端面泵浦的方式,由于泵浦光和激光都被限制在狭小的波导区域,模场重合度高,从而能够在较低能量输入的情况下达到很高的光功率密度,这在通道波导等二维波导结构中表现得尤为明显。波导激光易于与各种光学元件实现结合,共同构成功能化的集成光学芯片,实现电光、声光调制以及非线性效应,是集成光学系统中不可缺少的重要基础元件。波导激光的性能优劣,与波导器件的质量有密切的关系。因此,制备高性能的光波导器件,对于整个集成光学的发展和实用化,都具有重要的现实意义,也一直是集成光学领域的重要研究课题。目前,光波导器件的制备已经可以藉由多种方式实现,其中较为常用的方法包括载能离子注入、超快激光写入、离子交换、金属离子热扩散和薄膜沉积等。其中,离子注入技术是一种较为成熟的波导制备技术,适用材料非常广泛,通过对载能离子种类和辐照能量等参数的调控,可以对波导的折射率分布进行较为精确的控制。通过与光刻技术、选择性化学腐蚀等附加工艺相结合,离子注入技术也可以应用于制备各种二维波导结构。作为一种强有力的材料改性手段,近年来,载能离子束工艺也展现出一些新的发展态势,其中较为典型的包括聚焦质子束写入(ProtonBeamWriting,PBW)技术,以及快重离子辐照(Swift-HeavyIonIrradiation,SHI)技术。聚焦质子束写入技术具有非常高的空间分辨率,可以实现对点的直接加工,非常适用于高精度的三维集成光学器件的加工；而快重离子辐照技术在红外波段波导器件的制备方面具有显著优势,对材料折射率的调控范围大,并且能够显著降低加工过程中需要的离子剂量。聚焦质子束写入和快重离子辐照丰富和发展了载能离子束加工技术,在光波导等集成光学元件的制备上具有独特的优势。在聚焦质子束写入和快重离子辐照过程中,也存在许多与传统离子注入不同的新的物理现象。本论文的主要研究内容是采用聚焦质子束写入和快重离子辐照技术在多种光学晶体及透明陶瓷中制备光波导结构,对波导的传输性能、荧光性质等展开研究,以及在此基础上的波导激光的实现。聚焦质子束写入波导的传输损耗主要来源于写入过程所引入的缺陷所产生的散射效应,有可能通过退火过程得到一定程度的优化。我们以聚焦质子束写入的Nd:YAG晶体波导为例,首次对该类型波导的退火效应进行了研究。传统的离子注入技术由于是对整个面的加工,需要结合一些附加工艺,如采用光刻技术在样品表面制备掩膜,才能够实现二维的通道型波导的制备。然而,光刻掩膜一般只有几个微米的厚度,难以在快重离子辐照过程中应用,这限制了快重离子辐照技术在二维波导结构制备中的应用,针对这一问题,我们提出了新的制备技术,成功将快重离子辐照应用于通道型波导结构的制备。本论文的主要研究结果如下：首次采用聚焦质子束写入技术在Nd:YAG晶体材料中制备了埋层的通道波导,波导在不同偏振方向下都具有良好的单模传输特性。波导结构产生于离子射程的末端,写入过程中的核碰撞效应引发了局域内的晶格膨胀和电极化性改变,引起写入区域的折射率升高,从而形成波导结构。共聚焦荧光显微镜测试表明,写入过程中波导区域的Nd离子荧光性能得到了很好的保留。在该波导结构的基础上,我们采用808nm连续激光进行泵浦,实现了室温下1064.2nm的波导激光运转,产生激光的泵浦阂值为94mW,斜效率达到40%。采用聚焦质子束写入技术在Nd:GGG晶体材料中制备了通道型波导,波导在TE,TM不同偏振模式下,都具有良好的单模传输性能。我们对该波导结构的折射率分布情况进行了重建,结果表明波导区域折射率升高的幅度为-1.2×10-3。通过合理选择谐振腔镜,我们在该波导中实现了1063.7nm的高效波导激光输出,激光的斜效率高达66%,是离子束工艺所制备的波导激光中所实现的最高效率。这说明了聚焦质子束写入技术在波导激光器制备方面具有非常大的潜力。采用聚焦氢或氦离子束写入的方法,在Nd:YAG透明陶瓷中制备了通道型光波导,并均取得了良好的效果。波导结构出现在表面下一定深度区域,对应于SRIM模拟得到的离子束射程末端区域,即该区域发生了折射率的升高。我们对其中聚焦氦离子束写入波导的折射率分布进行了重构,其波导区折射率变化的幅度为～1.4×10-3。在200℃下对样品进行0.5小时退火后,用Fabry-Perot方法测量得到的波导传输损耗为1.5-2dB/cm。对聚焦质子束写入Nd:YAG晶体波导的退火效应进行了研究,对波导的传输性能和荧光特性随退火温度升高的变化规律进行了测试和分析。研究发现,聚焦质子束写入Nd:YAG晶体波导结构在500℃以下的退火行为中保持稳定,而750℃以上的退火则会造成波导的完全退化。荧光测试结果表明,波导的退化(擦除)与热效应引起的晶格复原,及由此引发的电极化性恢复有关。波导的传输损耗可以由退火过程得到优化,最佳退火温度在400℃左右,在此条件下波导的传输损耗可以降低至～1dB/cm。掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体和掺钕钒酸钆(Nd:GdVO4)晶体是中低功率固体激光中应用十分广泛的激光介质。我们采用快重离子辐照的方法在这两种晶体材料中制备了具有较大厚度的平面波导。在实验选用的辐照条件下,我们成功将辐照离子的剂量降低至了～1011/cm2量级。我们用共聚焦显微镜对Ar8+离子辐照Nd:YVO4晶体波导的荧光性质进行了测试。研究表明,辐照过程中的电子能量损失是波导区域晶格结构变化以及折射率改变的主要原因。波导均具有“势阱”型的折射率分布特点。我们在波导结构的基础上成功实现了连续的波导激光输出,其中Kr8+离子辐照Nd:GdVO4晶体波导激光的激光斜效率达到了66%。我们采用新的制备方法,在C5+离子辐照条件下,成功在Nd:YAG晶体材料中制备了通道型波导。实验过程中,我们用激光切割的镍金属孔板代替传统的光刻掩膜,起到了很好的效果,并大大简化了工艺流程。并且,该方法适用于具有较大能量的离子辐照过程,这是传统的光刻掩膜工艺所不能达到的。利用这一技术,我们在Nd:YAG晶体材料中制备了具有20～100μm不同宽度的通道波导。在808nm激光泵浦条件下,实现了室温下1064nm波导激光的输出,激光的斜效率为38%,得到最大波导激光功率为36mW。并且实验结果表明,其波导的传输损耗在1dB/cm以下。这显示了该方法在高质量通道波导制备方面的良好潜力。
【作者】姚一村；
【导师】陈峰；
【作者基本信息】山东大学，光学，2014，博士
【关键词】光波导；激光晶体；聚焦质子束写入；快重离子辐照；波导激光；

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