晶體光波導結構中的波導激光與倍頻.pdf

1、光波導是由折射率較低的介質包裹折射率較高的介質而形成的結構，這種結構能夠將光波限制在微米量級的區(qū)域內進行傳輸，是連接集成光路中各種器件的基本元件和重要組成部分。集成光路類似于集成電路，但具有更高的信息處理與傳播速率，在現代通信領域有重要的應用前景。波導器件包括無源光波導器件和有源光波導器件，無源光波導器件對光波呈靜態(tài)特性，能用作光開關、分波器、合波器以及耦合器等;有源光波導器件能夠對光進行調制，得到不同功能的光學器件。體材料中存在的許多

2、光學現象都能夠在光波導中實現，如激光振蕩，頻率轉換等，從而形成波導激光器、波導頻率轉換器等。由于波導腔內光密度很高，波導中的光學現象得到加強，如激光泵浦閾值更低、非線性響應速度更快，這對于波導器件以及集成光路的應用是非常有益的。
　　 高分子化合物、半導體材料、玻璃、晶體材料、透明陶瓷（多晶）等是常用的制備光波導的基質材料，其中，光學晶體具有優(yōu)良的物理、化學以及光學特性，是很多光學器件的核心部分。迄今為止，人們已經利用多種方法在

3、晶體材料上制備了波導結構，例如，利用離子注入或快重離子輻照的方法制備平面波導。在離子注入與快重離子輻照過程中，離子與靶材料的之間發(fā)生相互作用，原子核或電子相互碰撞，致使靶材料的晶格結構發(fā)生一定的變化，折射率隨之改變。這兩種方法最顯著的優(yōu)勢在于廣泛的材料適用性;它們與一定的微加工技術，如光刻顯影技術相結合，能夠制備條形波導結構。近年來，飛秒激光寫入技術被廣泛應用于條形波導的制備。在激光寫入的過程中，激光焦點處較高的光能量通過非線性的多光子

4、吸收沉積在襯底中，使得寫入處材料結構發(fā)生變化，折射率的改變就是這種材料改性的結果之一。飛秒激光寫入能夠在多種材料中直接寫入埋入型三維結構且不需要超凈環(huán)境，因此這種方法引起了人們越來越多的關注。
　　 本論文利用上述方法在激光晶體、透明陶瓷以及非線性晶體等多種材料上制備光波導結構，并開展了一系列的實驗，測試評估波導質量，包括波導的暗模特性、折射率分布、導波模式、傳輸損耗、微熒光或微拉曼光譜等性質，在此基礎上，進行波導激光泵浦或頻率

5、轉換，分析波導的實際應用價值。按照波導制備方法的不同，可以將本論文的研究工作及結果歸納如下:
　　 利用離子注入技術，在釹摻雜釓鎵石榴石(Nd:GGG)晶體以及釹摻雜硅酸鉀鑭(Nd:LGS)晶體上制備了平面或條形光波導。實驗表明，所制備波導的折射率分布均為“勢阱”+“位壘”型，條形光波導的傳輸損耗均小于2dB/cm。通過對Nd:LGS條形光波導微熒光譜的研究發(fā)現，波導區(qū)材料的熒光特性得到很好的保留，這對于波導的應用是非常有利的。

6、更為重要的是，在多能量H+離子注入的Nd:GGG平面光波導中，實現了低閾值的波導激光振蕩(閾值功率為49.3mW)，其斜效率為30％。
　　 利用快重離子輻照技術，在釹摻雜釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體，釹摻雜硼酸鈣氧鹽(Nd:GdCOB、Nd:YCOB)晶體中制備了平面光波導。對于Nd:YAG晶體光波導的制備，分別采用能量為60MeV、劑量為2×1012ions/cm2的Ar4+離子和能量為20MeV、劑量為2×1014ion

7、s/cm2的N3+離子對樣品進行輻照。實驗表明，在離子劑量較大時，存在累積效應，輻照過程中材料晶格破壞程度較大，能夠引起較大的折射率變化。在上述兩種波導中都實現了激光振蕩，且激光性能相類似。利用能量為17MeV、劑量為2×1014ions/cm2的C5+離子輻照Nd:GdCOB晶體形成了平面光波導，在波導中通過I類相位匹配實現了由1064nm至532nm的頻率轉換，在脈沖激光激勵下，得到最大倍頻光功率為0.72mW，頻率轉換效率為6.8

8、％W-1。利用能量為170MeV、劑量為2×1014ions/cm2的Ar8+離子輻照Nd:YCOB晶體制備了平面光波導，實現了1061.2nm的連續(xù)激光輸出，斜效率高達67.9％，利用1064nm脈沖激光器，在波導中通過倍頻實現頻率轉換，效率為0.12％，通過810nm激光激勵，在波導中實現了自倍頻，得到36μW的綠光激光輸出。
　　 利用飛秒激光寫入技術，在Nd:LGS，Nd:YCOB晶體以及Tm:YAG陶瓷中制備了包層結構

9、的光波導，在釹摻雜釩酸镥(Nd:LuVO4)晶體中制備了雙線型光波導。Nd:LGS包層波導的直徑為50μm與120μm，二者都能夠很好地限制近紅外激光的傳輸且具有較低的損耗，對波導進行激光泵浦，實驗發(fā)現在50μm波導中激光振蕩閾值較低(54mW)而在120μm波導中激光斜效率較高(24.2％)。在Nd:YCOB晶體包層光波導中也實現了低閾值的近紅外激光輸出，更為重要的是，波導中通過自倍頻實現了頻率轉換，得到531nm綠光，其功率為0.1

10、mW，是迄今為止波導自倍頻綠光輸出功率的最大值。在Tm:YAG陶瓷中，制備了能夠對近紅外到中紅外波段進行限制傳輸的埋層波導結構，并實現了波長為2μm的多?；騿文＜す?，其中多模激光具有較高斜效率(27％)，而單模激光在較低入射泵浦功率下即可實現（閾值功率為100mW）。利用石墨烯薄層制作可飽和吸收鏡，在Tm:YAG陶瓷單模包層光波導中實現了調Q鎖模脈沖激光輸出，獲得了684kHz的調Q脈沖包絡以及7.8GHz的鎖模脈沖序列。對Nd:LuV