基于載能離子束技術(shù)的包層晶體光波導(dǎo)制備及石墨烯材料表面改性.pdf

1、光波導(dǎo)是一個(gè)有低折射率包圍的較高折射率的區(qū)域，能夠憑借全反射原理將光限制在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)钠骷?，是集成光學(xué)的基本組成部分。隨著集成技術(shù)高度發(fā)展的今天，形形色色的光波導(dǎo)器件，比如波導(dǎo)激光器，光波導(dǎo)分支器，光波導(dǎo)放大器，光波導(dǎo)耦合器等，在激光、傳感、通訊、材料等領(lǐng)域不斷的發(fā)展擴(kuò)大。光波導(dǎo)的制備方法多種多樣，比如離子輻照/注入制備光波導(dǎo)、飛秒激光加工制備光波導(dǎo)、金屬離子擴(kuò)散方法等。無(wú)論哪種方法制備的光波導(dǎo)，其耦合效率、傳輸損耗、折射

2、率分布等參數(shù)都是其重要的表征參數(shù)。制備出高耦合效率、低損耗及特殊折射率分布的光波導(dǎo)也是集成光學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。
　　石墨烯擁有室溫量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)性、鐵磁性等特殊性質(zhì)，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。在光學(xué)方面，由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)和熱熒光效應(yīng)，石墨烯可以作為優(yōu)良的可飽和吸收體，廣泛的應(yīng)用在了脈沖激光的制各上。石墨烯的制備方法很多，對(duì)于大體量少層石墨烯的制備，可以用化學(xué)氣相沉積的方法，在金屬材料表面制備而成。而在制備石墨

3、烯器件時(shí)，往往要將石墨烯多次疊加然后轉(zhuǎn)移到某種材料表面，這種方法所獲得的石墨烯在層與層之間、石墨烯與沉底之間接觸不夠緊密，影響了石墨烯的性質(zhì)。
　　離子注入技術(shù)，是將某種元素電離后經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速獲得一定的能量，然后注入到某種材料中實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)改變的一個(gè)過(guò)程。比如，將碳、硼等離子注入金屬表面，可以提高表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性等;將硼、磷等離子注入半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體材料的精細(xì)摻雜;將氫、碳等離子注入介電晶體材料中實(shí)現(xiàn)對(duì)注入?yún)^(qū)域材料折

4、射率的調(diào)控等。在本論文中，主要是利用載能離子輻照＼注入技術(shù)對(duì)釹離子摻雜釔鋁石榴石晶體(Neodymium doping Yttrium Aluminum Garnet,Nd:YAG)和多層石墨烯（Graphene）的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，研究其光學(xué)性質(zhì)的變化，并將其應(yīng)用于波導(dǎo)激光研究，獲得了高質(zhì)量的脈沖波導(dǎo)激光。具體工作包括以下兩個(gè)方面。
　　一、YAG晶體表面類包層光波導(dǎo)的制備:主要工作是探索了一種高耦合效率、低傳輸損耗、多層折射率

5、分布的光波導(dǎo)制備方法，用以獲得高效的近表面型波導(dǎo)激光器件。在這部分工作中，我們用兩次不同能量的離子注入的方法制備出了表面類包層型平面光波導(dǎo)，將光波導(dǎo)折射率分布由傳統(tǒng)的單一勢(shì)阱型和勢(shì)阱加末端勢(shì)壘型改造成了多層型折射率分布，并將高折射率區(qū)域集中在材料的表面附近（表面以下2μm-4μm）。通過(guò)與兩種單層平面光波導(dǎo)的比較，得出由這種方法所獲得的光波導(dǎo)具有較為集中的能量密度分布（分別是另兩種光波導(dǎo)的1.4倍和1.9倍）和較高的耦合效率。憑借其較高

6、的能量密度分布，得到了較高質(zhì)量的近表面平面波導(dǎo)激光輸出（閾值為43mW，斜效率為10％），在此基礎(chǔ)上結(jié)合金剛石精密切割技術(shù)制備出脊型光波導(dǎo)，同樣獲得了較高效率的脊型光波導(dǎo)的激光輸出（閾值為60mW，斜效率為46.1％）。
　　二、運(yùn)用離子注入技術(shù)對(duì)石墨烯進(jìn)行性質(zhì)的改變，運(yùn)用離子注入的方法減小石墨烯的層間距以及石墨烯與樣品之間的間距。我們選擇用氧離子和碳離子對(duì)覆蓋在YAG表面的石墨烯進(jìn)行離子注入，在離子注入后，運(yùn)用原子力顯微成像技術(shù)