離子注入磷酸鈦氧鉀晶體光波導(dǎo)中的Rb-K離子交換.pdf

1、激光技術(shù)的發(fā)展離不開各種性能優(yōu)良的光學(xué)材料的支持，其中最令人注目的材料之一就是磷酸鈦氧鉀（KTiOPO4，KTP）晶體，磷酸鈦氧鉀晶體是一種性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)材料，具有較高的非線性系數(shù)、較高的抗光傷閾值、大的線性電光系數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是非線性領(lǐng)域不可或缺的材料。KTP晶體被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如激光倍頻、參量振蕩、電光調(diào)制和聲光調(diào)制等。尤其是準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的出現(xiàn)，使得KTP晶體在非線性光學(xué)領(lǐng)域有了更大的應(yīng)用空間。

2、 激光的出現(xiàn)也帶動(dòng)了光通信等新技術(shù)的發(fā)展，集成光學(xué)的出現(xiàn)為光波傳輸和處理提供了理想的結(jié)構(gòu)形式。集成系統(tǒng)的基本元件是光波導(dǎo)器件，傳送信號(hào)的載體是光導(dǎo)波，對(duì)光信號(hào)的所有處理都必須以光在波導(dǎo)中能夠傳導(dǎo)為前提。所謂的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是指由折射率較低的區(qū)域包裹著折射率較高的區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)可以把光限制在較小的區(qū)域內(nèi)傳播，從而提高傳輸光的能量密度，更好的利用材料的非線性性質(zhì)。光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本結(jié)構(gòu)，在各種光器件的制造中起著重要作用。 離子注入

3、是一種制備光波導(dǎo)的有效方法，離子注入可以改變材料的折射率，而基本不改變材料的光電特性，對(duì)晶體波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)影響小，可以在較低溫度下進(jìn)行。注入離子在晶體內(nèi)部的聚集可以產(chǎn)生一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘，在光學(xué)位壘和空氣之間的區(qū)域就形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過改變離子注入的能量和劑量，能夠控制光波導(dǎo)區(qū)的深度和折射率大小。 離子交換方法是在一定條件下使要摻雜的離子與襯底材料中的特定離子進(jìn)行交換，從而改變折射率形成波導(dǎo)。離子交換方法制作的光波導(dǎo)有如下優(yōu)

4、點(diǎn)：制作過程的工藝參數(shù)可以靈活變化；制作工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)；波導(dǎo)損耗小，偏振相關(guān)性小，因此研究離子交換方法制備光波導(dǎo)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。 光波導(dǎo)是光波耦合器、波導(dǎo)調(diào)制器、波導(dǎo)開關(guān)以及波導(dǎo)激光器等無源和有源器件的基礎(chǔ)。探討離子注入光波導(dǎo)的制備不僅是光波導(dǎo)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，還可以拓展該技術(shù)在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。 離子注入和離子交換結(jié)合制備KTP平面光波導(dǎo)方面，國際上相關(guān)的報(bào)道很少，離子注入和離子交換相結(jié)合具有一

5、下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以對(duì)波導(dǎo)的導(dǎo)模進(jìn)行調(diào)制；（2）可以制備雙層波導(dǎo)。所以，利用離子注入和離子交換相結(jié)合制備KTP平面光波導(dǎo)具有重要的研究?jī)r(jià)值。 本論文主要研究了利用Rb—K離子交換技術(shù)在KTP晶體上制備平面光波導(dǎo)，主要內(nèi)容包括：為了研究離子注入對(duì)離子交換的影響，我們分別用He和O離子注入KTP晶體，注入能量分別為：2MeV和4MeV，在對(duì)離子注入樣品進(jìn)行退火處理后，再將樣品放入熔融的硝酸銣中進(jìn)行離子交換，交換溫度設(shè)定為340℃，交換

6、時(shí)間從60分鐘到120分鐘：用棱鏡耦合法測(cè)量了注入和交換前后KTP樣品在633nm下的暗模特性。通過對(duì)波導(dǎo)導(dǎo)模的變化和對(duì)應(yīng)的有效折射率的大小進(jìn)行分析，離子注入在晶體內(nèi)部造成了折射率下降的位壘，在交換達(dá)到一定時(shí)間和深度以前，位壘不限制Rb離子在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，晶體表面折射率升高。當(dāng)交換達(dá)到一定程度后，離子注入造成的損傷會(huì)大大降低離子交換的速度，并且限制離子在晶體里面的擴(kuò)散，這方面的研究需要進(jìn)一步深入。同時(shí)，由于交換溫度較高，交換的過程對(duì)注入