光学晶体波导中的激光和非线性效应

摘要

从上个世纪末开始迅速发展的集成光学技术，可将多个光学元件集成在同一块基片材料上，形成结构相对复杂的多功能小型/微型器件，以实现一种或多种光学功能，在信息传输/通信、环境检测、生物和化学传感等领域都有广泛的应用。光波导是集成光学最基本的元件，波导结构中的光密度与体材料相比大大增强，同时进行光信号传输和转换，直接决定了集成光学元件的性能和作用。低损耗的光波导制备以及波导的各种光学性质研究，一直是集成光学重要的研究课题。光波导有多种制备方法，例如离子注入、聚焦质子束直写、快重离子辐照、飞秒激光直写、离子交换、扩散和薄膜沉积等。其中，离子注入和飞秒激光直写技术可以适用于多种光学材料，是目前适用范围最广的两种波导制备方法。在离子注入过程中，注入离子通过与材料的相互作用遗失自己的能量，造成核能量损伤和电子能量损伤。这些能量损伤将会导致衬底材料的结构畸变，引起材料注入区折射率的变化，在离子注入末端折射率降低的光位垒，或者注入诱导产生的折射率增强势阱。通过光位垒和增强势阱对光传输进行限制，形成波导结构。以MeV氧离子注入铌酸锂晶体为例，在离子注入末端，由于核能量损伤的影响会形成一个折射率降低的光位垒；同时由于电子能量损伤的影响，在光位垒和空气之间，材料的异常光折射率上升形成增强势阱，通过光位垒、增强势阱和空气对光的共同限制，形成波导结构。飞秒激光导致的材料折射率变化，依赖于激光与材料之间的相互作用，这个过程包含很多复杂的物理过程，例如离子重排、品格压缩、热积累等等。折射率的变化可以分成两类：通过非线性作用在焦点处使材料折射率升高形成波导；焦点处折射率降低，焦点周围的折射率间接的升高，在晶体中写入多条径迹，径迹之间形成波导。波导的结构依赖于各种制备手段对材料折射率的调制。这种调制有时会改变材料的光学性质，这些性质的变化直接影响到集成器件的应用价值。因此，研究光波导内各项光学性质的变化，具有重要的意义。从另一方面来讲，波导结构与体材料相比具有独特的性质。在波导结构中，光被限制在一个很小的空间内，光的能量密度在很低的入射能量下就可以达到很高的量级。因此体材料中的某些光学性质，例如非线性效应、激光性能，在波导中可以得到一定程度的加强。对波导性质的研究在集成光学元件的设计和应用上都具有重要作用。
　　 本文研究了离子注入和飞秒激光直写技术在钕掺杂钒酸钇(Nd：YVO4)晶体、钕掺杂钒酸钆(Nd：GdVO4)晶体、钕掺杂钇铝石榴石(Nd：YAG)陶瓷、铌酸锂(LiNbO3)晶体、铌酸锶钡(SBN)晶体、钕掺杂铌酸钙钡(Nd：CBN)晶体、钕掺杂氟化钇锂(Nd：YLiF4)晶体等光学材料上波导的形成方法；测量波导的传输模式、损耗，通过退火处理优化波导的性质；用共聚焦显微镜、二波混频等技术手段研究波导的光学性质(例如光折变、荧光性质、热光性质等)，对波导性质变化机理进行探讨；在离子注入和飞秒激光直写波导中实现激光输出，通过测量泵浦阈值、斜率效率等多个激光参数，讨论波导激光性能优化的方法；根据对波导腐蚀性质和光折变性质的研究，发明一种脊型波导制备方法和一种光诱导波导阵列制备方法；制作二元波导阵列，研究该阵列中的带隙光孤子。主要结果如下：钕离子掺杂钒酸钇(Nd：YVO4)晶体是一种应用广泛的固体激光器增益介质，因为它具有出色的荧光性质，例如大发射截面、宽吸收带、优良的机械性质等。本文用飞秒激光直写地方法在Nd：YVO4晶体内部写入条形波导。实验表明Nd：YVO4晶体条形波导的损耗为～1dB/cm；晶体的荧光性质在波导中被很好的保留下来。基于该波导实现了波长为1.06μm的单波长波导激光和波长为1.06μm和1.34μm的双波长波导激光输出。波导激光的最高斜率效率为～60％，最低泵浦阈值为～17mW。钕离子掺杂钒酸钆(Nd：GdVO4)晶体与Nd：YVO4晶体性质相似，也是一种优良的激光介质，具有出色的荧光性能。与Nd：YVO4晶体相比，它具有高热导率、高损伤阈值等特点。在中高功率二极管泵浦固体激光器中，有极大的应用前景。本文用飞秒激光直写的方法，在该晶体内制备条形波导。飞秒激光的写入速度高达17mm/s，而制备的波导损耗仅仅为～0.5dB/cm。利用808nm激光泵浦，实现波长为1.06μm的波导激光输出，波导激光的阈值为52mW，斜率效率为～70％，接近理论极限。钕离子掺杂钇铝石榴石(Nd：YAG)透明陶瓷是近几年出现的一种优良的激光材料。与Nd：YAG晶体相比它更容易进行加工和生产，可以进行高浓度掺杂。本文用离子注入的方法在Nd：YAG透明陶瓷表面形成平而波导，研究波导的荧光性质。实验发现轻离子注入后，波导内发生了荧光焠灭现象；重离子注入后，波导内荧光性质基本不变。在对波导荧光性质研究的基础上，实现平面波导激光输出，激光的斜率效率为～11％；泵浦阈值为～19.5mW。铌酸锂(LiNbO3)晶体是集成光学中应用最多的一种晶体材料。本文研究离子注入铌酸锂波导中，电子阻止本领对LiNbO3晶体热光性质的影响。研究发现电子阻止本领对热光性质的影响存在一个阈值(～2.2keV/nm)，当低于此阈值时，晶体的热光性质被很好的保留在波导中；当高于这个阈值时，品格结构受到破坏，热光性质在波导中发生变化。
　　 本文研究了氢离子(质子)注入LiNbO3波导的腐蚀性质，实验结果表明离子注入后晶体的腐蚀性质基本不变。基于该研究结果，本文提出一种脊型波导制备方法，选择性的对氢离子注入z切LiNbO3晶体进行腐蚀，依靠空气和光位垒对光进行限制形成脊型波导。经过400℃、30min退火，脊型波导的损耗降至～0.9dB/cm。用端面耦合和FD-BPM模拟的方法，研究波导的传输模式。稀土元素掺杂LiNbO3晶体既具有稀土元素的荧光性质，又具有LiNbO3晶体的电光和非线性性质，可以制备多种光学和电光器件，例如调Q、自倍频激光等。本文用离子注入的方法，在稀土元素掺杂LiNbO3晶体表面，制备平面和条形波导。对样品进行退火处理，并测量波导的传输损耗，实验结果表明退火后光波导损耗可以保持在一个较低的水平(～1dB/cm)。使用共聚焦显微镜对波导的荧光性质进行研究，发现晶体材料的荧光性质，在波导中被很好的保留下来。Fe：LiNbO3晶体是一种优秀的光折变晶体，在很低的入射光强下就可以产生较大的折射率改变，在全息存储和光通信等方面有着重要的应用。本文用二波混频的方法研究离子注入Fe：LiNbO3晶体波导中的光折变性质；对体材料和波导的增益系数和光电导系数进行对比，发现Fe：LiNbO3晶体的光折变性质在氧离子注入波导中没有发生变化。同时，研究发现在相同的入射光强下，波导中光折变效应的响应时间要比体材料中低一个数量级。铌酸锶钡(SBN)晶体是一种著名的光折变晶体，在光信号放大、全息存储等方面有着重要应用。铌酸钙钡(CBN)晶体与SBN晶体相比，居里温度更高(～280℃)，具有更广阔的应用前景。钕离子掺杂氟化钇锂(Nd：YLiF4)晶体具有折射率温度系数小、荧光线宽大等特点，适合制备低阈值连续激光器、锁模激光器。本文研究Nd：YLiF4、Nd：CBN和SBN晶体中平面及条形波导的制备和光学性质，使用端面耦合和模拟计算分析波导中的传输模式；使用共聚焦显微镜研究波导的荧光性质。