本文選題：離子輻照/注入 + 光波導(dǎo)��； 參考：《山東大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：光波導(dǎo)是一個有低折射率包圍的較高折射率的區(qū)域,能夠憑借全反射原理將光限制在一個很小的區(qū)域內(nèi)進行傳輸?shù)钠骷?是集成光學(xué)的基本組成部分。隨著集成技術(shù)高度發(fā)展的今天,形形色色的光波導(dǎo)器件,比如波導(dǎo)激光器,光波導(dǎo)分支器,光波導(dǎo)放大器,光波導(dǎo)耦合器等,在激光、傳感、通訊、材料等領(lǐng)域不斷的發(fā)展擴大。光波導(dǎo)的制備方法多種多樣,比如離子輻照/注入制備光波導(dǎo)、飛秒激光加工制備光波導(dǎo)、金屬離子擴散方法等。無論哪種方法制備的光波導(dǎo),其耦合效率、傳輸損耗、折射率分布等參數(shù)都是其重要的表征參數(shù)。制備出高耦合效率、低損耗及特殊折射率分布的光波導(dǎo)也是集成光學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。石墨烯擁有室溫量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)性、鐵磁性等特殊性質(zhì),自發(fā)現(xiàn)以來就被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。在光學(xué)方面,由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)和熱熒光效應(yīng),石墨烯可以作為優(yōu)良的可飽和吸收體,廣泛的應(yīng)用在了脈沖激光的制備上。石墨烯的制備方法很多,對于大體量少層石墨烯的制備,可以用化學(xué)氣相沉積的方法,在金屬材料表面制備而成。而在制備石墨烯器件時,往往要將石墨烯多次疊加然后轉(zhuǎn)移到某種材料表面,這種方法所獲得的石墨烯在層與層之間、石墨烯與沉底之間接觸不夠緊密,影響了石墨烯的性質(zhì)。離子注入技術(shù),是將某種元素電離后經(jīng)過電場加速獲得一定的能量,然后注入到某種材料中實現(xiàn)材料性質(zhì)改變的一個過程。比如,將碳、硼等離子注入金屬表面,可以提高表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性等;將硼、磷等離子注入半導(dǎo)體中實現(xiàn)對半導(dǎo)體材料的精細(xì)摻雜;將氫、碳等離子注入介電晶體材料中實現(xiàn)對注入?yún)^(qū)域材料折射率的調(diào)控等。在本論文中,主要是利用載能離子輻照\注入技術(shù)對釹離子摻雜釔鋁石榴石晶體(Neodymium doping Yttrium Aluminum Garnet,Nd:YAG)和多層石墨烯(Graphene)的微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,研究其光學(xué)性質(zhì)的變化,并將其應(yīng)用于波導(dǎo)激光研究,獲得了高質(zhì)量的脈沖波導(dǎo)激光。具體工作包括以下兩個方面。一、YAG晶體表面類包層光波導(dǎo)的制備:主要工作是探索了一種高耦合效率、低傳輸損耗、多層折射率分布的光波導(dǎo)制備方法,用以獲得高效的近表面型波導(dǎo)激光器件。在這部分工作中,我們用兩次不同能量的離子注入的方法制備出了表面類包層型平面光波導(dǎo),將光波導(dǎo)折射率分布由傳統(tǒng)的單一勢阱型和勢阱加末端勢壘型改造成了多層型折射率分布,并將高折射率區(qū)域集中在材料的表面附近(表面以下2μm-4μm)。通過與兩種單層平面光波導(dǎo)的比較,得出由這種方法所獲得的光波導(dǎo)具有較為集中的能量密度分布(分別是另兩種光波導(dǎo)的1.4倍和1.9倍)和較高的耦合效率。憑借其較高的能量密度分布,得到了較高質(zhì)量的近表面平面波導(dǎo)激光輸出(閾值為43mW,斜效率為10%),在此基礎(chǔ)上結(jié)合金剛石精密切割技術(shù)制備出脊型光波導(dǎo),同樣獲得了較高效率的脊型光波導(dǎo)的激光輸出(閾值為60mW,斜效率為46.1%)。二、運用離子注入技術(shù)對石墨烯進行性質(zhì)的改變,運用離子注入的方法減小石墨烯的層間距以及石墨烯與樣品之間的間距。我們選擇用氧離子和碳離子對覆蓋在YAG表面的石墨烯進行離子注入,在離子注入后,運用原子力顯微成像技術(shù)(AFM),拉曼光譜技術(shù)(RAMAN),單束Z掃描技術(shù),消逝場耦合原理等對離子束注入前后的石墨烯進行性質(zhì)表征,得出了離子束處理石墨烯提升了石墨烯表面平整度并減小了層間距的結(jié)論。之后,我們將此樣品放到Nd:YAG平面波導(dǎo)上,用810nm激光泵浦,獲得了高質(zhì)量的石墨烯調(diào)Q脈沖1064nm激光(最大重復(fù)頻率為2.3MHz,最小脈寬101ns)。
[Abstract]:The optical waveguide is a region with high refractive index surrounded by low refractive index, which can be transmitted by the principle of full reflection in a very small region. It is the basic component of integrated optics. With the high development of integrated technology, all kinds of optical waveguide devices, such as waveguide lasers, light wave conductance Branches, optical waveguide amplifiers, optical waveguide couplers and other fields are constantly expanding in the fields of laser, sensing, communication and materials. There are many ways to prepare optical waveguides, such as ion irradiation / injection preparation of optical waveguides, optical waveguides fabricated by femtosecond laser processing, metal ion diffusion method, and so on. The coupling effect of the optical waveguides prepared by any method The parameters such as rate, transmission loss and refractive index distribution are important characterization parameters. The optical waveguides with high coupling efficiency, low loss and special refractive index distribution are also an important research subject in the field of integrated optics. Graphene has some special properties, such as the room temperature quantum Holzer effect, superconductivity, ferromagnetism and so on. Since its discovery, it has been widely used since it was discovered. In the field of optics, due to its special band structure and thermal fluorescence effect, graphene can be used as an excellent saturable absorber. It is widely used in the preparation of pulsed laser. There are many preparation methods of graphene. For the preparation of little graphene, the method of chemical vapor deposition can be used in metal materials. The surface is prepared. In the preparation of the graphene devices, the graphene is often overlaid and transferred to the surface of a material. The graphene obtained by this method is between the layer and the layer, and the contact between graphene and the bottom is not close enough to affect the properties of graphene. Ion implantation is the ionization of some elements through the electric field. A process in which a certain amount of energy is accelerated and then injected into a material to achieve a change in the properties of the material. For example, the injection of carbon and boron plasma into the metal surface can improve the surface hardness, wear resistance, corrosion resistance, etc.; boron and phosphorus plasma is injected into semiconductors to achieve fine doping of semiconductors; hydrogen and carbon plasma are injected into the medium. In this paper, the microstructures of Nd ion doped yttrium aluminum garnet crystals (Neodymium doping Yttrium Aluminum Garnet, Nd:YAG) and multilayered graphene (Graphene) are regulated by the energy ion irradiation injection technology in this paper. The changes in the optical properties of the crystals are studied. A high quality pulse waveguide laser is obtained by applying it to the study of the waveguide laser. The specific work includes the following two aspects. 1, the preparation of the YAG crystal surface cladding optical waveguide: the main work is to explore a high coupling efficiency, low transmission loss, and multilayer refractive index distribution. Surface type waveguide laser devices. In this part, surface cladding planar optical waveguides have been fabricated with two different energy ion implantation methods. The refractive index distribution of the waveguide is transformed from the traditional single potential well to the potential well and the end barrier type to the multilayer refractive index distribution, and the high refractive index region is concentrated. Near the surface of the material (2 M-4 mu m below the surface). By comparing with the two single-layer planar optical waveguides, it is concluded that the optical waveguides obtained by this method have a more concentrated energy density distribution (1.4 times and 1.9 times of the other two kinds of optical waveguides, respectively) and higher coupling efficiency. With their higher energy density distribution, high quality is obtained. The output of the measured near surface planar waveguide laser (threshold value is 43mW, the oblique efficiency is 10%). On this basis, the ridged optical waveguides are prepared by diamond precision cutting technology. The laser output of the high efficiency ridge waveguide is also obtained (the threshold is 60mW, the oblique efficiency is 46.1%). Two, the properties of graphene are changed by the ion implantation technique. We use ion implantation to reduce the interlayer spacing of graphene and the spacing between graphene and samples. We choose to use oxygen ions and carbon ions to inject graphene on the surface of YAG. After ion implantation, we use atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy (RAMAN), single beam Z scanning technology, and evanescent field coupling. The properties of graphene before and after ion beam injection are characterized. It is concluded that the ion beam treatment graphene improves the surface roughness of graphene surface and reduces the interval between layers. After that, we put the sample on the Nd:YAG plane waveguide and pumped the high quality graphite Q pulse 1064nm laser with the 810nm laser. The repetition rate is 2.3MHz, and the minimum pulse width is 101ns).

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN252

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