离子注入光电晶体损伤诱导折射率改变及波导导模特性研究

摘要

波导就是折射率高的区域由折射率低的区域包裹的结构。它可以把光限制在较小的区域传播以提高光密度，从而更好的利用非线性晶体的非线性性质或者降低激光材料的泵浦阈值。波导是集成光学的基本单元，在各种光器件的制造中起着重要的作用。由于光波导的重要应用价值，人们一直在探索有效的方法来制备具有优良性能的光波导。离子注入作为一种有效制备光波导的技术，引起了人们广泛的关注，迄今为止，人们已经利用离子注入技术在包括光学晶体、玻璃、半导体以及有机聚合物在内的大量光学材料中形成了光波导结构，取得了许多进展。 现在国际上多采用能量为几兆电子伏特(MeV)的轻离子(如He，H)注入到光学材料内，在表面下几微米的范围内形成波导结构。这种方法主要是利用在注入离子的射程末端形成一个折射率降低的光学位垒，在光学位垒和空气之间所夹的区域形成波导结构。然而轻离子注入的一个主要问题是形成波导的注入剂量较高，一般在～10<'16>ions/cm<'2>，从而大大的增加了成本。而且，有些晶体在相当高的剂量下仍难形成波导结构。在用低剂量(10<'14> ions/cm<'2>)重离子注入铌酸锂、钒酸镱等晶体制备波导时发现不仅在射程末端有折射率降低，在某一双折射方向上还存在波导区域折射率增加的现象。用这种方法形成的波导与高剂量(10<'16>ions/cm<'2>)轻离子(He，H等)相比有着注入时间短、成本低等优点。而且这种方法形成的波导没有位垒型波导的隧道效应，可以大大降低波导的损耗，从而提高波导性能。因此研究离子注入光学材料波导区折射率增加现象不仅有重要的理论意义，而且具有潜在的应用前景。 keV离子注入是一种已经广泛在半导体掺杂中广泛应用了的技术，它与MeV离子注入相比有着注入束流大、价格便宜等优点，而且其形成的波导结构与MeV离子注入相比，有着较小的尺寸。用keV的离子注入来形成光波导可以降低成本，更有利于离子注入光波导的大规模工业化生产。而且这种方法形成的波导结构较浅可以用RBS技术进行分析其损伤结构，对于折射率改变机理的研究具有重要的意义。另外，对于新材料、新晶体波导结构的制备和研制，以及探索用低剂量重离子注入的方法在更多晶体上形成折射率增加性波导结构的研究有着重要的实用和理论意义。 本文主要研究利用离子注入方法在铌酸锂(LiNbO<,3>)晶体、钒酸镱(YbVO<,4>)晶体、砷酸钛氧钾(KTiAsO<,4> or KTA)晶体、硼酸锂(LiB<,3>O<,5> or LBO)晶体和掺Yb的钨酸镥钾(Yb：KLu(WO<,4>)<,2>)晶体等光学材料上形成光波导，通过对光波导的导波模式和退火行为的研究，优化离子注入光波导的形成条件：用卢瑟福背散射/沟道技术研究了光波导中的损伤分布，对离子注入光学晶体材料折射率增加的形成机理进行了探讨。主要结果如下： 铌酸锂(LiNbO<,3>)晶体是一种集电光、声光、光弹、非线性等效应于一体的性质优良的铁电晶体。离子注入铌酸锂形成折射率增加型的光波导已经成功地用多种离子在MeV能级下实现，然而其机理一直仍不是分清楚。本文通过从晶体的损伤出发，建立一个模型，成功地解释了已知的注入形成的铌酸锂晶体波导中折射率增加现象。我们首次用keV的离子在铌酸锂晶体中形成了折射率增加型的光波导。用keV的离子注入来形成光波导可以降低成本，更有利于离子注入光波导的商业化。我们又结合背散射沟道技术测量了形成的波导区域的损伤，然后根据提出的模型计算了波导的有效折射率。计算出的有效折射率较好的符合了实验值。同时我们用一个光束传播法计算了模型模拟出的折射率的近场光强分布，并且与实验结果比较。两者有较好的符合。 双轴晶体砷酸钛氧钾(KTiAsO<,4> or KTA)是一种优良的电光、非线性晶体材料。KTA晶体同KTP晶体比较有着更大的电光系数(30％)和非线性系数(60％)，而且它还有着比KTP更高的激光损伤阈值和较高的熔点。值得注意的是，KTA晶体对中红外波段的激光有着极低的吸收，这使它在光学参量震荡(OPO)方面得到了广泛的应用。我们用高能离子注入的方法首次在KTA晶体中形成折射率增加型的光波导，形成的波导退火后损耗小于一个dB/cm。我们还用端面耦合的方法研究了波导的近场光强分布，测量了其波导尺寸，结果表明波导尺寸与注入深度相仿。通过对不同离子引起的损伤和折射率改变的比较，讨论了其折射率改变的机理。稀土元素Yb<,3+>离子结构简单，只有基态<'2>F<,7/2>和激发态<,2>F<,5/2>，量子损失低，一般有高的量子效率，光转换效率高，而且不存在激发态重吸收和上转换现象，可大大减少激光工作物质中的热效应。Yb<'3+>离子荧光寿命长，不易出现浓度淬灭。钒酸镱(YbVO<,4>)晶体是按照等化学剂量比生长的Yb<'3+>离子掺杂的钒酸盐，具有高的Yb<'3+>离子浓度，在钒酸镱晶体上实现波导结构可以提高光强密度，从而降低泵浦域值，形成波导激光。我们用3.OMeV的氧离子、铜离子注入钒酸镱晶体，首次在钒酸镱晶体上形成了光波导。我们分别在波长633nm和1539nm下测到了形成波导的暗模特性图像，用RCM方法拟和了波导区域的折射率分布，晶体的折射率在波导区域出现增加。我们还利用端面耦合的方法研究了波导的光强传播特性。 双轴晶体钨酸镥钾(KLu(WO4>)<,2>或者KLuW)是一种优良的激光、非线性晶体材料。钨酸镥钾晶体的Lu元素可以被多种稀土元素如Er<'3+>，Nd<'3+>，Yb<'3+>，Tm<'3+>等代替，成为性能优良的激光晶体。而且钨酸镥钾晶体有着较大的非线性系数，可 以用二次谐波产生(Second Harmonic Generation或者SHG)或者受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering或者SRS)。三硼酸锂(LiB<,3>O<,5>或者LBO)晶体是一种优良的非线性晶体。三硼酸锂晶体有着较宽的透光范围(O.16-2.6微米)和较强的抗损伤域值，可以在宽的波段范围实现I型和II型非临界角相位匹配。波导结构可以把光限制在很小的区间，从而大大提高光密度，可以将晶体的非线性的利用率提高几个数量级，可以降低激光晶体的泵浦域值，并且可以将晶体的非线性特性应用在集成光学领域。因此在晶体钨酸镥钾和三硼酸锂上制备波导结构有着重要的意义。我们分别用氧离子注入钨酸镥钾晶体和铜离子注入三硼酸锂晶体形成光波导，研究了其折射率改变和损伤的关系。 稀土离子钕(Nd)离子是一种出色的激光离子，它可以用IED或者氙灯泵浦实现激光输出。铌酸锂是性能优良的非线性晶体，可以实现钕离子激光的二次谐波。将钕离子掺杂进铌酸锂晶体，可以利用钕离子的激光特性和铌酸锂晶体的非线性特性实现波导激光或波导自倍频。我们用500keV的Nd离子注入铌酸锂实现Nd离子的掺杂，通过退火使其晶格恢复，然后再在退火后的晶体上通过MeV的氧离子注入实现波导结构。并且分析了波导区域的折射率分布，发现在掺杂区域仍可以形成波导结构。这对铌酸锂晶体的稀土元素掺杂和波导激光的制备具有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章离子注入及卢瑟福背散射/沟道(RBS/C)实验方法和原理

第三章光波导理论及研究方法

第四章离子注入铌酸锂晶体损伤诱发折射率改变的研究

第五章离子注入增加型砷酸钛氧钾平面波导的特性研究

第六章离子注入钒酸镱平面波导的特性研究

第七章MeV离子注入镱掺杂钨酸镥钾晶体平面波导的导模特性研究

第八章MeV离子注入三硼酸锂晶体平面波导的导模特性研究

第九章keV钕离子和MeV氧离子注入铌酸锂平面波导的损伤和波导特性研究

第十章总结

符号说明

致谢

攻读博士学位期间发表和投稿的论文