晶体光波导结构中的波导激光与倍频

摘要

光波导是由折射率较低的介质包裹折射率较高的介质而形成的结构，这种结构能够将光波限制在微米量级的区域内进行传输，是连接集成光路中各种器件的基本元件和重要组成部分。集成光路类似于集成电路，但具有更高的信息处理与传播速率，在现代通信领域有重要的应用前景。波导器件包括无源光波导器件和有源光波导器件，无源光波导器件对光波呈静态特性，能用作光开关、分波器、合波器以及耦合器等;有源光波导器件能够对光进行调制，得到不同功能的光学器件。体材料中存在的许多光学现象都能够在光波导中实现，如激光振荡，频率转换等，从而形成波导激光器、波导频率转换器等。由于波导腔内光密度很高，波导中的光学现象得到加强，如激光泵浦阈值更低、非线性响应速度更快，这对于波导器件以及集成光路的应用是非常有益的。
　　 高分子化合物、半导体材料、玻璃、晶体材料、透明陶瓷（多晶）等是常用的制备光波导的基质材料，其中，光学晶体具有优良的物理、化学以及光学特性，是很多光学器件的核心部分。迄今为止，人们已经利用多种方法在晶体材料上制备了波导结构，例如，利用离子注入或快重离子辐照的方法制备平面波导。在离子注入与快重离子辐照过程中，离子与靶材料的之间发生相互作用，原子核或电子相互碰撞，致使靶材料的晶格结构发生一定的变化，折射率随之改变。这两种方法最显著的优势在于广泛的材料适用性;它们与一定的微加工技术，如光刻显影技术相结合，能够制备条形波导结构。近年来，飞秒激光写入技术被广泛应用于条形波导的制备。在激光写入的过程中，激光焦点处较高的光能量通过非线性的多光子吸收沉积在衬底中，使得写入处材料结构发生变化，折射率的改变就是这种材料改性的结果之一。飞秒激光写入能够在多种材料中直接写入埋入型三维结构且不需要超净环境，因此这种方法引起了人们越来越多的关注。
　　 本论文利用上述方法在激光晶体、透明陶瓷以及非线性晶体等多种材料上制备光波导结构，并开展了一系列的实验，测试评估波导质量，包括波导的暗模特性、折射率分布、导波模式、传输损耗、微荧光或微拉曼光谱等性质，在此基础上，进行波导激光泵浦或频率转换，分析波导的实际应用价值。按照波导制备方法的不同，可以将本论文的研究工作及结果归纳如下:
　　 利用离子注入技术，在钕掺杂钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体以及钕掺杂硅酸钾镧(Nd:LGS)晶体上制备了平面或条形光波导。实验表明，所制备波导的折射率分布均为“势阱”+“位垒”型，条形光波导的传输损耗均小于2dB/cm。通过对Nd:LGS条形光波导微荧光谱的研究发现，波导区材料的荧光特性得到很好的保留，这对于波导的应用是非常有利的。更为重要的是，在多能量H+离子注入的Nd:GGG平面光波导中，实现了低阈值的波导激光振荡(阈值功率为49.3mW)，其斜效率为30％。
　　 利用快重离子辐照技术，在钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，钕掺杂硼酸钙氧盐(Nd:GdCOB、Nd:YCOB)晶体中制备了平面光波导。对于Nd:YAG晶体光波导的制备，分别采用能量为60MeV、剂量为2×1012ions/cm2的Ar4+离子和能量为20MeV、剂量为2×1014ions/cm2的N3+离子对样品进行辐照。实验表明，在离子剂量较大时，存在累积效应，辐照过程中材料晶格破坏程度较大，能够引起较大的折射率变化。在上述两种波导中都实现了激光振荡，且激光性能相类似。利用能量为17MeV、剂量为2×1014ions/cm2的C5+离子辐照Nd:GdCOB晶体形成了平面光波导，在波导中通过I类相位匹配实现了由1064nm至532nm的频率转换，在脉冲激光激励下，得到最大倍频光功率为0.72mW，频率转换效率为6.8％W-1。利用能量为170MeV、剂量为2×1014ions/cm2的Ar8+离子辐照Nd:YCOB晶体制备了平面光波导，实现了1061.2nm的连续激光输出，斜效率高达67.9％，利用1064nm脉冲激光器，在波导中通过倍频实现频率转换，效率为0.12％，通过810nm激光激励，在波导中实现了自倍频，得到36μW的绿光激光输出。
　　 利用飞秒激光写入技术，在Nd:LGS，Nd:YCOB晶体以及Tm:YAG陶瓷中制备了包层结构的光波导，在钕掺杂钒酸镥(Nd:LuVO4)晶体中制备了双线型光波导。Nd:LGS包层波导的直径为50μm与120μm，二者都能够很好地限制近红外激光的传输且具有较低的损耗，对波导进行激光泵浦，实验发现在50μm波导中激光振荡阈值较低(54mW)而在120μm波导中激光斜效率较高(24.2％)。在Nd:YCOB晶体包层光波导中也实现了低阈值的近红外激光输出，更为重要的是，波导中通过自倍频实现了频率转换，得到531nm绿光，其功率为0.1mW，是迄今为止波导自倍频绿光输出功率的最大值。在Tm:YAG陶瓷中，制备了能够对近红外到中红外波段进行限制传输的埋层波导结构，并实现了波长为2μm的多模或单模激光，其中多模激光具有较高斜效率(27％)，而单模激光在较低入射泵浦功率下即可实现（阈值功率为100mW）。利用石墨烯薄层制作可饱和吸收镜，在Tm:YAG陶瓷单模包层光波导中实现了调Q锁模脉冲激光输出，获得了684kHz的调Q脉冲包络以及7.8GHz的锁模脉冲序列。对Nd:LuVO4双线型条形波导的研究结果表明，波导区具有保留较为完好的荧光特性，进而实现了波导激光振荡，其阈值功率与斜效率分别为98mW与14％。

目录

声明

论文说明

摘要

符号说明

第一章 绪论

参考文献

第二章 基本理论

2．1 光波导基本理论与制备方法简介

2．2 光波导特性的测试、模拟及计算方法简介

2．3 波导激光简介

2．4 波导倍频简介

参考文献

第三章 钕掺杂钆镓石榴石晶体中的波导与激光

3．1 离子注入Nd：GGG晶体条形光波导的制备及性质研究

3．2 多能量氢离子注入Nd：GGG平面波导激光

参考文献

第四章 钕掺杂硅酸钾镧晶体中的波导与激光

4．1 离子注入Nd：LGS晶体条形光波导制备及性质研究

4．2 飞秒激光写入Nd：LGS晶体包层波导激光

参考文献

第五章 钕掺杂钒酸镥晶体波导激光

5．1 实验过程

5．2 结果与讨论

5．3 小结

参考文献

第六章 稀土掺杂钇铝石榴石晶体或陶瓷波导激光

6．1 快重离子(氩离子)辐照Nd：YAG晶体平面波导激光

6．2 快重离子(氮离子)辐照Nd：YAG晶体平面波导激光

6．3 飞秒激光写入Tm：YAG透明陶瓷包层波导激光

6．4 Tm：YAG透明陶瓷包层波导调Q锁模脉冲激光

参考文献

第七章 钕掺杂硼酸钙氧盐晶体波导激光与倍频

7．1 快重离子(碳离子)辐照Nd：GdCOB晶体平面波导的倍频

7．2 快重离子(氩离子)辐照Nd：YCOB晶体平面波导激光

7．3 快重离子(氩离子)辐照Nd：YCOB晶体平面波导的倍频

7．4 飞秒激光写入Nd：YCOB晶体包层波导的激光与自倍频

参考文献

第八章 总结

8．1 研究结果总结

8．2 主要创新点

攻渎博士学位期间发表的论文及获奖情况

致谢

附：三篇已发表论文