介电晶体通道光波导的制备及其激光与二次谐波产生

摘要

光波导为折射率较低的包层区域包围折射率较高的波导区域所形成的结构，是多功能集成光子学系统的最基本的元件。通常来说，光波导结构能够将光的传输限制在微米量级尺寸的微小区域内，使波导区域内光的强度增强到体材料中无法达到的量级。基于这个独特的优点，许多材料的光学性质（如非线性性质、激光性质等）在波导结构中都能够得到一定的加强，大大拓展了光波导在微小型集成光子学系统中的应用。通道光波导结构能够在两个维度上对光的传输进行限制，尺寸更加紧凑，因此在波导区域中能够得到更高的光密度，也更易于形成可集成的多功能器件，与仅能在一个维度上对光的传输进行限制的平面光波导相比具有更加广泛的应用前景和价值。
　　介电晶体材料在光学多个领域中都具有重要的应用。例如，非线性光学晶体是制备频率转换（光学参量振荡、倍频、和频与差频等）器件的核心材料;激光晶体是如今应用最广泛的固态激光系统的增益介质，具有比玻璃材料更低的激光阈值和更佳的热学性质;电光晶体是调制光的相位、能量、和偏振最理想的材料。迄今为止，介电晶体器件已经在光学多个领域发挥着不可或缺的作用。基于此，结合具有紧凑型结构的通道光波导和多功能介电晶体材料的介电晶体光波导结构在微小型集成光子学系统中具有无可比拟的优势。
　　目前，人们已经利用数种方法在介电晶体材料中实现了通道光波导的制备，包括飞秒激光微加工、离子注入/辐照、聚焦质子束写入、离子内扩散、离子交换等。其中，飞秒激光微加工技术是对透明光学晶体材料进行三维微加工最有效的方法之一。在加工过程中，飞秒激光脉冲聚焦在晶体的表面以下特定的位置，脉冲能量通过多光子吸收、隧穿电离或雪崩电离等多种光致电离非线性过程被材料所吸收，导致聚焦位置附近微米量级区域内局部的折射率变化。在此基础上，通过对样品的扫描可以很容易地制备出通道光波导结构。离子注入/辐照技术也是一种有效的波导制备技术，目前已经在百余种光学材料中成功制备了波导结构，其中也包括多种介电晶体。一般来说，离子注入/辐照技术主要是通过物理机制，即经过加速器后具有一定能量的离子与靶材料中的原子和电子相互碰撞，造成靶材料中一定的晶格损伤，从而导致折射率的改变。此过程与靶材料的化学性质无关，因此离子注入/辐照技术具有广泛的材料适用性。此外，结合掩膜技术以及飞秒激光烧蚀或精密金刚石刀切割技术等微加工技术，离子注入/辐照可以制备通道光波导结构。
　　本论文的主要内容包括介电晶体材料中通道光波导的制备、激光晶体中连续和调Q脉冲波导激光的产生以及非线性波导中二次谐波的产生。其中制备方法包括飞秒激光微加工、离子注入/辐照、精密金刚石刀切割和光刻掩膜技术。根据制备的通道光波导的不同类型，可以将本论文的主要工作归纳为如下内容:
　　利用飞秒激光烧蚀或精密金刚石刀切割与离子注入/辐照相结合的方法在钕掺杂钇铝石榴石(Nd∶YAG)晶体/陶瓷、钕掺杂钆镓石榴石(Nd∶GGG)晶体中制备了连续和调Q脉冲脊型波导激光，在非线性晶体钕掺杂硼酸钙氧钆(Nd∶GdCOB)中实现了脊型波导的二次谐波产生。结果表明，制备的脊型波导具有比平面波导更加优异的激光和倍频性质。具体来说，利用飞秒激光烧蚀结合17 MeV的氧离子辐照、2.5 MeV的氦离子注入和17 MeV的碳离子辐照分别在Nd∶YAG晶体、Nd∶YAG陶瓷和Nd∶GGG晶体中制备了脊型光波导结构，并实现了1.06μm的脊型波导激光输出，激光阈值分别为39.6、64.9和71.6 mW，斜效率分别为35％、42.5％和41.8％。此外，在另外一块Nd∶YAG晶体中，利用飞秒激光烧蚀结合670 MeV的氪离子（Kr8+）辐照制备了脊型光波导结构，并实现了连续和调Q脉冲（利用石墨烯材料作为被动调Q的可饱和吸收体）的波导激光的输出。连续波导激光的最大输出功率为182 mW，脉冲波导激光的重复频率变化幅度为0.9-4.2 MHz，单脉冲能量为26.5 nJ，脉冲宽度为90 ns。利用精密金刚石刀切割结合15 MeV碳离子辐照的方法在Nd∶YAG晶体中制备了侧壁较为光滑的脊型光波导结构，并实现了最大输出功率为84 mW，斜效率为43％的波导激光。此外，利用飞秒激光烧蚀与17 MeV碳离子辐照技术在非线性晶体Nd∶GdCOB中制备了脊型光波导结构，并在脊型波导中实现了有效的连续和脉冲的1064→532 nm的二次谐波产生。其中，脉冲1064 nm的二次谐波转换效率达到了11.4％。
　　利用飞秒激光写入技术在激光材料镱掺杂钇铝石榴石(Yb∶YAG)陶瓷、钕掺杂钒酸钇(Nd∶YVO4)晶体和非线性光学晶体三硼酸铋(BIBO)、Nd∶GdCOB中制备了单包层和双包层光波导结构，并实现了波导激光和波导二次谐波的产生。结果表明，飞秒激光微加工包层光波导是有效的制备集成光子学系统中微小型激光光源和频率转换器件的方法。另外，双包层光波导结构具有比单包层光波导更优异的导波性质和倍频性质。我们在Nd∶YVO4晶体中制备了直径为100和120μm的包层光波导结构，并在两个互相垂直的偏振方向（TE和TM偏振）上实现了有效的导波传输。在808 nm激光的泵浦下，得到了1064 nm的波导激光的输出，最大输出功率为335 mW，斜效率为65％。此外，在BIBO包层光波导中实现了1064→532 nm和800→400 nm的二次谐波产生。通过对波导区域的微二次谐波的研究发现BIBO晶体原有的非线性性质在包层光波导区域得到很好的保存。在1064 nm（连续和脉冲）和800 nm（连续）激光的激励下，得到了532 nm（连续和脉冲）和400 nm（连续）的倍频光的产生。此外，在Yb∶YAG陶瓷和Nd∶GdCOB晶体中制备了内包层直径为30μm，外包层直径为100-200μm的双包层光波导结构。在连续946 nm激光泵浦下得到了单模传输的连续1030nm的Yb∶YAG双包层波导激光，最大输出功率为80.2 mW，斜效率为62.9％。在Nd∶GdCOB双包层光波导中，通过对波导区的共聚焦微荧光和微二次谐波性质的研究，发现Nd∶GdCOB晶体原有的荧光和非线性性质在波导区得到很好的保存。在1064 nm脉冲激光的激励下，在Nd∶GdCOB双包层光波导中实现了转换效率为5.1％，峰值输出功率为184W的1064→532nm二次谐波产生。与单包层光波导相比，具有更加优异的波导倍频性质。
　　利用能量为500 keV、剂量为6×1016 ions/cm2的质子(He+)注入结合光刻掩膜技术在硒化锌(ZnSe)晶体中制备了条形光波导结构，其折射率分布是典型的增强型势阱+位垒型。基于折射率分布，通过端面耦合系统对波导的模式进行了测量，实验结果与理论模拟的模式分布一致，说明了重构折射率分布的合理性。经过对条形光波导在200℃下的退火处理，利用法布里珀罗方法测得波导在632.8nm传输损耗由10 dB/cm降低到了4 dB/cm。
　　利用飞秒激光微加工技术在Nd∶YAG晶体中制备了一种可设计的六角形类光子晶格导波微结构，这种导波微结构能够实现三维的有源和无源的波导光束分支以及环状的波导光束转换功能，在光束分支和转换的过程中导波微结构具有极低的损耗，且不依懒于激励光的偏振方向，表现出了极其优良的光束导波、分支和调制性能。在808nm的连续光的泵浦下，实现了1064nm连续和被动调Q脉冲波导（分支型和环形导波微结构）激光的产生（利用石墨烯材料作为被动调Q的可饱和吸收体），展现了导波微结构出色的激光性能。此工作开创了一种通过飞秒激光微加工技术在介电晶体中制备多功能可集成的有源和无源的激光光路的新方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

参考文献

第二章 理论基础和实验方法

2．1 光波导的基本理论

2．2 光波导的制备方法

2．3 光波导技术

2．4 波导激光

2．5 波导二次谐波产生

参考文献

第三章 稀土离子掺杂YAG晶体／陶瓷通道波导激光

3．1 飞秒激光烧蚀结合快重离子辐照Nd∶YAG晶体脊型波导激光

3．2 飞秒激光烧蚀结合快重离子辐照Nd∶YAG晶体脊型波导连续激光和石墨烯调Q脉冲激光

3．3 飞秒激光烧蚀结合离子注入Nd∶YAG陶瓷脊型波导激光

3．4 精密金刚石刀切割结合快重离子辐照Nd∶YAG晶体脊型波导激光

3．5 飞秒激光写入Yb∶YAG陶瓷双包层波导激光

参考文献

第四章 飞秒激光烧蚀结合快重碳离子辐照Nd∶GGG晶体脊型波导激光

参考文献

第五章 飞秒激光写入Nd∶YVO4晶体包层波导激光

参考文献

第六章 飞秒激光写入BIBO晶体包层光波导的二次谐波产生

6．1 BIBO晶体包层光波导中的倍频绿光

6．2 BIBO晶体包层光波导中的倍频紫光

参考文献

第七章 Nd∶GdCOB晶体通道光波导的二次谐波产生

7．1 飞秒激光烧蚀结合快重离子辐照Nd∶GdCOB脊型光波导的二次谐波产生

7．2 飞秒激光写入Nd∶GdCOB双包层光波导的二次谐波产生

参考文献

第八章 质子注入ZnSe晶体条形光波导

参考文献

第九章 单片晶体包层导波微结构：三维导波分束和光束调控

参考文献

第十章 总结

10．1 总结

10．2 主要创新点

攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励

致谢

附三篇已发表论文