離子注入YAG激光晶體光波導(dǎo).pdf

1、集成光學(xué)是在光通信、光計(jì)算機(jī)及光信息處理等新興技術(shù)需求的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。集成光學(xué)的概念是在1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Miller博士提出的，它是在光電子學(xué)和微電子學(xué)基礎(chǔ)上，采用集成方法研究和發(fā)展光學(xué)器件和混合光學(xué)，電子學(xué)器件系統(tǒng)的--門(mén)新的科學(xué)。集成光學(xué)將光纖和以平面介質(zhì)光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的集成光路相結(jié)合，極大地促進(jìn)了光通信的長(zhǎng)足發(fā)展。集成光路通常是利用光波導(dǎo)將發(fā)光元件、透鏡、光傳輸、光調(diào)制、光耦合以及光接收等器件連接在一起，集成在襯底上

2、，構(gòu)成具有一定獨(dú)立功能的微型光學(xué)體系。光波導(dǎo)作為集成光路的最基本的組成單元，以其獨(dú)特的性能、高集成化以及規(guī)模生產(chǎn)的低成本，在各種光器件的制造中起著重要的作用。迄今為止，人們已經(jīng)探索出很多種方法來(lái)制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)?，F(xiàn)在常用的制備波導(dǎo)的方法主要有離子注入、交換、擴(kuò)散和薄膜沉積等。離子注入技術(shù)作為一種成熟的材料表面改性技術(shù)，是一種制備光波導(dǎo)的有效手段，具有注入劑量和形成波導(dǎo)厚度可精確控制、對(duì)形成光波導(dǎo)的材料和方向性限制較少以及對(duì)形成波導(dǎo)的

3、溫度要求較低等優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，人們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括電光晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)化合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料上形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 光波導(dǎo)可以把光限制在較小的區(qū)域傳播以提高光密度，從而更好的利用非線性晶體的非線性性質(zhì)或者降低激光材料的泵浦閾值。光波導(dǎo)應(yīng)用于波導(dǎo)激光，使它在光電子領(lǐng)域中，特別是光通信和固體激光器的發(fā)展中有重要的應(yīng)用前景。與體激光相比，波導(dǎo)激光可以降低激勵(lì)用的光功率，實(shí)現(xiàn)高效率的激光振蕩與放大，使激光器的泵

4、浦閾值減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在激光晶體上制備光波導(dǎo)，是產(chǎn)生波導(dǎo)激光的前提準(zhǔn)備和研究波導(dǎo)激光的基礎(chǔ)，具有重要的實(shí)際意義。目前，應(yīng)用離子注入技術(shù)已經(jīng)在很多激光晶體材料上形成了光波導(dǎo)。
　　 釔鋁石榴石晶體，化學(xué)通式是Y3A15012(YAG)，屬于立方晶系，具有石榴石型結(jié)構(gòu)。它具有優(yōu)良的光學(xué)、物理、化學(xué)特性及機(jī)械穩(wěn)定性，如高熱導(dǎo)、高熱光穩(wěn)定性等。YAG晶體在紅外、可見(jiàn)、紫外波段均有很高的透過(guò)率，是用作光學(xué)窗口、基片的優(yōu)秀材料，在多個(gè)領(lǐng)域已

5、得到廣泛應(yīng)用，特別是在高溫及高能輻射的應(yīng)用場(chǎng)合。YAG晶體還具有光學(xué)各向同性、無(wú)雙折射效應(yīng)和良好的材料均勻性，因而在很多場(chǎng)合下成為首選光學(xué)材料。摻釹釔鋁石榴石晶體是以釔鋁石榴石(簡(jiǎn)稱YAG)單晶為基質(zhì)材料，摻入適量的三價(jià)稀土離子Nd3+，取代了原來(lái)的Y3+離子，而形成了淡紫色的Nd3+:YAG晶體。Nd:YAG晶體具有高增益、激光閾值低、功率高、1064nm光波吸收少、良好的熱傳導(dǎo)性和熱沖擊性，適用于多種工作方式（連續(xù)、脈沖、Q開(kāi)關(guān)、鎖

6、模等），常用于近遠(yuǎn)紅外固體激光及其倍頻、三倍頻應(yīng)用中，并廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。摻釹摻鈰的釔鋁石榴石(Nd:Ce:YAG)激光晶體的脈沖激光效率比優(yōu)質(zhì)摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG提高70％以上，具有激光閾值低，抗紫外輻射能力強(qiáng)，重復(fù)頻率工作穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境溫度的穩(wěn)定性和冷卻要求低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于重復(fù)頻率工作的中小能量脈沖激光器。
　　 本論文主要包括兩個(gè)方面的工作，具體如下：
　　 (1)離子注入Nd:YAG

7、激光晶體光波導(dǎo)的特性研究。我們利用能量500keV劑量為6×1016ions/cm2的IT離子注入Nd:YAG晶體形成波導(dǎo)區(qū)折射率增加型的平面光波導(dǎo)。利用棱鏡耦合測(cè)量了該平面光波導(dǎo)的暗模特性并利用RCM擬合得到其折射率分布，利用端面耦合的方法測(cè)量了波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布以及傳輸損耗。我們利用6MeV的03+離子注入Nd:YAG激光晶體形成平面光波導(dǎo)，研究了其導(dǎo)波模式、損耗、光在波導(dǎo)中的近場(chǎng)光強(qiáng)分布、退火特性以及其熒光特性。我們利用6MeV的

8、03+離子，劑量為1×1015ions/cm2，結(jié)合光刻工藝制各光刻膠掩膜注入Nd:YAG激光晶體上形成條形光波導(dǎo)，對(duì)其導(dǎo)波模式、損耗、光在波導(dǎo)中的近場(chǎng)光強(qiáng)分布、退火特性進(jìn)行了研究。
　　 (2)首次利用離子注入的方法，在Nd:Ce:YAG激光晶體上形成條形光波導(dǎo)。利用能量為6MeV劑量為2x1015ions/cm2的C3+離子注入Nd:Ce:YAG晶體形成條形光波導(dǎo)，研究了其導(dǎo)波模式、損耗、光在波導(dǎo)中的近場(chǎng)光強(qiáng)分布、退火特性以