飛秒激光寫入制備的激光晶體和陶瓷通道光波導(dǎo).pdf

1、集成電路可以在高度集成化空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對電信號的傳輸和信息處理，但目前發(fā)展遇到諸如體積問題、功耗問題等瓶頸。與之相比，集成光路具備在微小區(qū)域?qū)庑盘枌?shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和低功耗高速傳輸和高速處理的能力，在未來光通信、光信息處理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。自從二十世紀(jì)六十年代末集成光學(xué)概念被提出后，人們開始了對集成光路的研究。與傳統(tǒng)光學(xué)器件的大體積、低穩(wěn)定性、光束準(zhǔn)直困難不同，集成光路是主要依賴于光子器件和光波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)集成化、微小型化的集成光子學(xué)系

2、統(tǒng)，其性能穩(wěn)定可靠、效率高、制造成本低廉。光波導(dǎo)器件能夠限制和引導(dǎo)光的傳輸，是集成光子學(xué)系統(tǒng)中連接不同功能光子器件所必不可少的基礎(chǔ)元件，如同“木桶原理”中最短的木板一樣，光波導(dǎo)器件質(zhì)量的好壞將直接決定了整體集成光子學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。
　　光波導(dǎo)是由折射率較低的區(qū)域包圍的折射率較高的區(qū)域形成的結(jié)構(gòu)，通過全反射的方式可以將光的傳輸控制在微米甚至納米量級尺寸的微小區(qū)域，并且較大程度增強(qiáng)波導(dǎo)腔內(nèi)光密度，使得諸如非線性光學(xué)特性和激光特性等光

3、學(xué)性質(zhì)得到加強(qiáng)。耦合器、光開關(guān)、波導(dǎo)激光器、波導(dǎo)頻率轉(zhuǎn)換器等已經(jīng)在無源或有源光波導(dǎo)器件中得到實(shí)現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，光波導(dǎo)可分為平面光波導(dǎo)與通道型光波導(dǎo)兩種。與僅能在一維尺度對光傳輸進(jìn)行限制的平面光波導(dǎo)相比，通道型光波導(dǎo)（如脊型光波導(dǎo)、條形光波導(dǎo)等）可以對光在二維甚至三維空間尺度上的傳輸進(jìn)行限制和引導(dǎo)，擁有更高的研究價值和更廣闊的應(yīng)用前景。
　　作為常見的光波導(dǎo)基質(zhì)材料，介電晶體與透明陶瓷材料具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性和光學(xué)特性，在眾多領(lǐng)

4、域應(yīng)用廣泛。其中激光晶體和激光陶瓷是最為常見全固體激光器工作物質(zhì)，它們增益高，導(dǎo)熱性好，具有比玻璃材料更低的激光閾值。具有高集成度、高效率和低損耗的光波導(dǎo)器件與激光材料相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地波導(dǎo)激光輸出。隨著集成光子器件的發(fā)展，對器件的集成度和多功能化要求越來越高，小型化、高功率波導(dǎo)激光的實(shí)現(xiàn)為未來與非線性光學(xué)元件相結(jié)合，構(gòu)成多功能集成光子器件打下堅實(shí)基礎(chǔ)。
　　迄今為止，人們已經(jīng)利用多種技術(shù)在激光晶體和激光陶瓷中實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)的制

5、備，比如離子注入技術(shù)、離子交換技術(shù)、聚焦質(zhì)子寫入技術(shù)、飛秒激光寫入技術(shù)等。其中飛秒激光寫入技術(shù)是利用超短脈沖激光，在微時間尺度實(shí)現(xiàn)對材料的微空間尺度三維加工技術(shù)。飛秒激光單個脈沖的功率可高達(dá)1015W級別，可以對金屬、透明晶體材料、有機(jī)化合物等諸多物質(zhì)進(jìn)行加工，其三維加工的分辨率更是可達(dá)到10nm以內(nèi)，在軍事、生物醫(yī)學(xué)、科研、加工制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛。本論文中利用飛秒寫入技術(shù)加工透明介電晶體與陶瓷制備光波導(dǎo)的原理是利用加工過程中，脈沖激光

6、可聚焦于材料表面或內(nèi)部，飛秒激光脈沖能量通過掃描過程中所引起的多光子吸收、雪崩電離或者隧穿電離等非線性光學(xué)效應(yīng)被材料吸收，并在聚焦位置附近區(qū)域引起折射率變化。最終通過設(shè)置合理的加工參數(shù)（如寫入速度、寫入能量等），多次的掃描加工便可快速地制備出光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于飛秒寫入技術(shù)效率高、成本低、無污染、可調(diào)控性強(qiáng)，且適用于大部分的激光晶體與陶瓷材料的加工，因而具有其他加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。
　　本論文的主要內(nèi)容包括利用飛秒激光寫入技術(shù)實(shí)

7、現(xiàn)激光晶體和陶瓷材料中通道光波導(dǎo)的制備;利用微熒光光譜與微拉曼光譜測試技術(shù)，分析光波導(dǎo)的形成機(jī)理;以及通過實(shí)驗(yàn)對波導(dǎo)導(dǎo)波特性和激光特性的研究等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用激光晶體/陶瓷材料和所制備光波導(dǎo)器件類型的不同，可以將本論文的主要工作歸納為如下內(nèi)容:
　　采用飛秒激光寫入技術(shù)，在摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)陶瓷中制備橫截面積相當(dāng)?shù)牧呅?、圓形和梯形包層光波導(dǎo)。通過共聚焦熒光測試表明飛秒激光寫入過程引起晶格畸變，寫入痕跡處折射率明顯降低，

8、所組成包層結(jié)構(gòu)所包裹的區(qū)域即為波導(dǎo)區(qū)域，并且Nd3+離子的熒光特性在波導(dǎo)區(qū)得到較好的保存。實(shí)驗(yàn)證明包層波導(dǎo)導(dǎo)波特性出色，圓形包層波導(dǎo)的傳輸損耗可低至0.8 dB/cm;同時波導(dǎo)在TE和TM偏振方向下激光特性均表現(xiàn)優(yōu)異，其中圓形包層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)激光最高輸出功率達(dá)181 mW，斜效率為44％，激光閾值僅為121 mW。在Nd∶YAG晶體中制備雙包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與包層光纖結(jié)構(gòu)類似，可用于制備“光纖-波導(dǎo)-光纖”集成器件。激光泵浦實(shí)驗(yàn)表明，內(nèi)包

9、層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)單模波導(dǎo)激光輸出，TE偏振方向下波導(dǎo)激光最高輸出功率達(dá)384 mW，斜效率為46.1％，激光閾值僅為106 mW。在Nd∶YAG晶體中制備“包層+雙線型”波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過微熒光測試表明外包層結(jié)構(gòu)的制備使得雙線型波導(dǎo)內(nèi)部殘余應(yīng)力場呈現(xiàn)各向同性，且通過激光泵浦實(shí)驗(yàn)在TE與TM偏振方向下在雙線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)均實(shí)現(xiàn)高效率波導(dǎo)激光輸出，波導(dǎo)激光最高輸出功率分別為53 mW和0.15 W，斜效率分別為6.6％和15.1％。該工作為首次報道在

10、Nd∶YAG晶體雙線型光波導(dǎo)中TM與TE偏振方向下均實(shí)現(xiàn)激光輸出。
　　利用飛秒激光寫入技術(shù)在釹摻雜釓鎵石榴石(Nd∶GGG)晶體中制備不同尺寸的圓形包層光波導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)表明所制備包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)波特性優(yōu)良?；诙嗣骜詈舷到y(tǒng)進(jìn)行激光特性測試，實(shí)驗(yàn)表明隨著波導(dǎo)尺寸的增加，波導(dǎo)激光特性明顯增強(qiáng)，波導(dǎo)激光最高輸出功率209 mW，斜效率為44.4％。
　　利用飛秒激光寫入技術(shù)首次在釹摻雜鎢酸釓鉀晶體(Nd∶KGW)晶體中制備雙線型光波導(dǎo)

11、。實(shí)驗(yàn)中我們重構(gòu)雙線型光波導(dǎo)折射率變化，并根據(jù)重構(gòu)模型模擬波導(dǎo)導(dǎo)波模式，結(jié)果表明所制備雙線型光波導(dǎo)具有良好的導(dǎo)波特性。通過微熒光測試表明Nd3+離子熒光特性在波導(dǎo)區(qū)得到較好保存。通過激光泵浦實(shí)驗(yàn)我們在寬度為15和20μm的雙線型波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)最高輸出功率分別為22.5和33 mW，斜效率分別為52.3％和41.4％的連續(xù)波導(dǎo)激光輸出。
　　利用飛秒激光寫入技術(shù)在釹摻雜釩酸釓(Nd∶GdVO4)晶體中制備單包層及雙包層光波導(dǎo)?；诙嗣骜?/p>

12、合系統(tǒng)，我們在直徑為150μm的包層光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)1064.5 nm波長的連續(xù)波導(dǎo)激光輸出，斜效率高達(dá)68％，最高輸出功率為0.57 W。利用石墨烯作為可飽和吸收體，我們實(shí)現(xiàn)調(diào)Q波導(dǎo)激光，脈沖頻率最高為17.8MHz，脈沖寬度為75 ns，脈沖能量為19 nJ。通過微拉曼光譜測試雙包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)詳細(xì)研究了飛秒寫入過程中引起的晶格畸變等情況。TE與TM偏振方向下在內(nèi)包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中均實(shí)現(xiàn)單模波導(dǎo)激光輸出，得益于較高模場重合度和有效吸收橫截面積，

13、其最高輸出功率達(dá)到0.43 W，對應(yīng)波導(dǎo)激光斜效率為52.3％，與同尺寸單包層波導(dǎo)激光特性相比，表現(xiàn)更為優(yōu)異。
　　利用飛秒激光寫入技術(shù)，在釹摻雜釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體中制備分支角度不同的Y分支型光波導(dǎo)器件。測試表明，Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的導(dǎo)波特性，632.8 nm波長下傳輸損耗約為1.1 dB/cm。激光泵浦試驗(yàn)表明，隨著分支角度減小，Y分支波導(dǎo)器件的激光特性明顯增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)最高輸出功率為201 mW，斜效率為20.2％

14、的1064 nm波長波導(dǎo)激光輸出。利用石墨烯作為可飽和吸收體，將其置于波導(dǎo)出射端面和波導(dǎo)上表面，利用其偏振吸收特性實(shí)現(xiàn)調(diào)Q波導(dǎo)激光的輸出。使用雙層石墨烯置于波導(dǎo)出射端面時，脈沖激光在不同偏振方向表現(xiàn)基本相同，最高脈沖頻率為3.0 MHz，脈沖寬度為90 ns，脈沖能量達(dá)到63 nJ;使用多層石墨烯覆蓋于波導(dǎo)上表面時，脈沖激光在不同偏振方向下的特性被詳細(xì)研究:p偏振方向下，石墨烯吸收效果明顯，調(diào)Q激光最高脈沖頻率為2.0 MHz，最大脈沖