【摘要】：集成光路可以在集成化空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)高速、穩(wěn)定、低損耗地傳輸和處理。通過對(duì)多種不同功能光學(xué)元件(如激光器、分支器、耦合器、光開關(guān)、偏振器、光柵等)的片上集成,可以在一塊基底材料上制備出體積小、功能多、速度快、容量大的全光器件,從而廣泛應(yīng)用于光纖通信、化學(xué)傳感、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光譜研究、材料科學(xué)和光子計(jì)算機(jī)研究等領(lǐng)域。為了更好的實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)系統(tǒng)的集成化,光學(xué)結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸向著微米甚至納米量級(jí)發(fā)展,可以通過直接縮減功能型元器件的體積或者對(duì)體材料進(jìn)行微區(qū)改性等方式來制備微納光學(xué)元件并達(dá)到優(yōu)化提升性能的目的。本文工作主要通過對(duì)體材料微區(qū)改性在晶體內(nèi)制備光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)與金屬納米顆粒。光波導(dǎo)是由高折射率導(dǎo)光中心被低折射率區(qū)域包覆構(gòu)成的光學(xué)結(jié)構(gòu),可以將光波限制在微米或者亞微米量級(jí)進(jìn)行傳輸,極大的增強(qiáng)了波導(dǎo)腔內(nèi)光密度,從而使體材料自身的光學(xué)性質(zhì)得以增強(qiáng),如激光增益介質(zhì)的激光性能、非線性材料的非線性光學(xué)特性等。基于這種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可以制備出許多結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、功能多樣化、性能優(yōu)異的集成光路基本元件,如波導(dǎo)分支器、波導(dǎo)耦合器和波導(dǎo)激光器等;金屬納米顆粒是指將金屬材料的尺寸至少在一個(gè)維度上限制在100 nm以內(nèi)的粒子,具有與尺寸相關(guān)的獨(dú)特光學(xué)性能。在特定波段入射光的激勵(lì)下,會(huì)產(chǎn)生表面等離子共振(SPR)效應(yīng),周圍的局域電磁場(chǎng)得到顯著增強(qiáng),使襯底材料的光學(xué)性質(zhì)如熒光和拉曼光譜強(qiáng)度、非線性光學(xué)系數(shù)等得到數(shù)量級(jí)上的提升,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大,降低了激發(fā)條件。在集成光學(xué)領(lǐng)域可以作為集成度高、穩(wěn)定性高的可飽和吸收體產(chǎn)生波導(dǎo)脈沖激光,也可以作為高精度傳感器實(shí)現(xiàn)微納尺度的集成。作為微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的理想基質(zhì)材料,晶體介質(zhì)由于其突出的光學(xué)特性而廣泛應(yīng)用于固體激光、光放大、非線性光學(xué)、電光開關(guān)等各種領(lǐng)域。其中,激光晶體具有激光閾值低、硬度大、增益高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良特性,常作為增益介質(zhì)材料應(yīng)用于固體激光器中;非線性晶體,可以通過倍頻、混頻和光參量振蕩等方式進(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)特定波長激光的產(chǎn)生;電光晶體,可以通過控制外加電場(chǎng)強(qiáng)度改變其折射率,在光調(diào)制開關(guān)、高速光通信等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合此類功能型晶體材料,微納光學(xué)結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)微納尺度的器件集成,而且還能兼顧光學(xué)器件功能的多樣化,最終使集成光學(xué)系統(tǒng)的整體性能得到大幅度提升。多功能、高性能的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備方法多種多樣,包括飛秒激光微加工技術(shù)、聚焦離子束(FIB)技術(shù)、光刻技術(shù)、離子注入與離子輻照、離子交換與質(zhì)子交換、等離子體刻蝕等。本文主要應(yīng)用飛秒激光加工及離子注入技術(shù)在功能晶體材料中分別制備光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)及金屬納米顆粒。飛秒激光微加工技術(shù)利用聚焦的飛秒脈沖激光在晶體等透明介質(zhì)中根據(jù)設(shè)計(jì)圖案構(gòu)建三維微納結(jié)構(gòu),具有精度高、三維化、熱效應(yīng)小、無污染等優(yōu)點(diǎn)。通過激光與晶體介質(zhì)材料的相互作用改變加工區(qū)域的折射率,形成光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)。在離子注入過程中,濃度足夠高的帶電離子通過與晶體靶材料的相互作用損失自身能量停留在襯底材料中,最終析出形成納米顆粒。相比于其他合成方法,離子注入可以自由調(diào)控納米顆粒種類、大小、注入深度及濃度,不受固溶度和熱力學(xué)平衡條件的影響,使鑲嵌在固體材料中的納米顆粒具有耐高溫、高純度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。本論文的主要工作基于多功能晶體材料,分別對(duì)飛秒激光寫入的光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)和離子注入合成的金屬納米顆粒這兩類集成化微納光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,包括制備合成方法、基本特性表征及其在激光和非線性光學(xué)特性上的應(yīng)用。根據(jù)微納結(jié)構(gòu)類型與襯底材料功能的不同,可以將本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果歸納如下:基于不同切向的激光晶體Nd:YAP,通過飛秒激光寫入制備了類光子晶格和包層兩種通道型光波導(dǎo),并實(shí)現(xiàn)了雙波長波導(dǎo)激光的產(chǎn)生�；贜d:YAP晶體的切向和偏振敏感性,分別在a切和b切兩種切向的晶體中制備了通道型光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu),通過改變加工過程中飛秒激光的偏振方向和波導(dǎo)激光實(shí)驗(yàn)中泵浦激光的偏振方向分別對(duì)光波導(dǎo)的特性進(jìn)行了研究。在a切的Nd:YAP晶體中,通過對(duì)飛秒激光輻照痕跡的周期性排列制備了一組類光子晶格通道型光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu),改變飛秒激光的偏振方向,可以實(shí)現(xiàn)類光子晶格微結(jié)構(gòu)中導(dǎo)光位置的變化,使光束在相鄰痕跡間或周期性排列圍成的類包層結(jié)構(gòu)中心進(jìn)行有效傳輸。利用共聚焦熒光顯微鏡,從折射率變化的角度分析討論了不同飛秒激光偏振造成微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光性質(zhì)變化的原因。通過812 nm激光泵浦,在微結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了 1 μμm附近的雙波長激光輸出;在b切的Nd:YAP晶體中,利用飛秒激光寫入制備了低損耗包層波導(dǎo)微結(jié)構(gòu),通過812 nm激光泵浦,實(shí)現(xiàn)了保偏型1064 nm和1079 nm雙波長波導(dǎo)激光。改變812 nm泵浦光的偏振方向,產(chǎn)生的雙波長波導(dǎo)激光的功率比會(huì)隨之發(fā)生周期性變化,但出射激光的偏振方向保持在TM方向不發(fā)生變化。其最大出射激光總功率為200 mW,斜效率為33.4%�；诩す饩wNd:YV04,采用飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了表面型和埋入型包層光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的制備。利用相變材料V02、二維材料石墨烯和WS2、納米材料Au納米棒分別作為可飽和吸收體在兩種包層波導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了室溫條件下的調(diào)Q波導(dǎo)激光和調(diào)Q鎖模波導(dǎo)激光。當(dāng)V02分別處于絕緣態(tài)和金屬態(tài)時(shí)呈反飽和吸收特性,而當(dāng)其發(fā)生從絕緣態(tài)到金屬態(tài)的相變過程中,呈現(xiàn)可飽和吸收特性,且可飽和強(qiáng)度較低,調(diào)制深度較大,響應(yīng)時(shí)間較短,為高性能超快脈沖激光的實(shí)現(xiàn)提供了可能。在808 nm泵浦光激勵(lì)下,基于表面包層波導(dǎo)激光系統(tǒng),對(duì)相變材料V02、二維材料石墨烯和WS2作為可飽和吸收體產(chǎn)生的1064 nm調(diào)Q波導(dǎo)激光特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,基于V02的調(diào)Q波導(dǎo)激光具有最短的脈沖寬度(690 ps),最小的激光閾值(18.8 mW)和最大的峰值功率(33.1 W),而基于石墨烯的調(diào)Q波導(dǎo)激光具有最大的重復(fù)頻率(7.8 MHz),基于WS2的調(diào)Q波導(dǎo)激光具有最大的平均輸出功率(161.9 mW);基于埋入式包層波導(dǎo)激光系統(tǒng),選用Au納米棒作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q鎖模波導(dǎo)激光,脈沖性能得到進(jìn)一步優(yōu)化,其脈沖寬度短至27 ps,重復(fù)頻率高達(dá)6.54 GHz�；诜蔷�性晶體KTP,利用飛秒激光加工技術(shù)制備了一組具有光束整形或模場(chǎng)調(diào)控功能的三維類光子晶格波導(dǎo)微結(jié)構(gòu),并在微結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了可見光波段二次諧波的產(chǎn)生(SHG)。根據(jù)設(shè)計(jì)在晶體中合適位置處引入損傷痕跡形成導(dǎo)光中心位置或面積不同的微結(jié)構(gòu)單元,通過對(duì)這些微結(jié)構(gòu)單元的自由組合實(shí)現(xiàn)集成光子學(xué)器件的不同功能:激光分束或模式調(diào)控,與晶體自身的非線性光學(xué)特性相結(jié)合,通過II類相位匹配,成功實(shí)現(xiàn)1064nm→532 nm倍頻激光的輸出,為集成光學(xué)領(lǐng)域制備緊湊型、多功能的頻率轉(zhuǎn)換器件提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果顯示,通過改變導(dǎo)光中心位置,飛秒激光寫入KTP類光子晶格微結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式對(duì)光束實(shí)現(xiàn)一分四的空間分束,得到的分支微結(jié)構(gòu)中最大倍頻歸一化轉(zhuǎn)化效率為3.6%/W/cm2和3.6%/W/cm2;通過改變導(dǎo)光中心區(qū)域面積,從較大芯徑到較小芯徑兩部分組成錐形類光子晶格結(jié)構(gòu),既可以實(shí)現(xiàn)與小芯徑通道型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似的532 nm倍頻光的近單模輸出,又能得到與大芯徑通道型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(1.2%/W/Ccm2)相當(dāng)?shù)妮^高歸一化轉(zhuǎn)化效率(1.1%/W/Ccm2),實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)中的單模倍頻傳輸。基于晶體Nd:YAG和Pr:CaF2,利用離子注入的方法分別合成了內(nèi)嵌型金(Au)和銀(Ag)納米球顆粒。通過可見光激發(fā),納米顆粒的SPR效應(yīng)使周圍電磁場(chǎng)得到增強(qiáng),從而提升了晶體自身的非線性光學(xué)和拉曼熒光光譜特性,有利于實(shí)現(xiàn)高性能脈沖激光的集成以及微弱信號(hào)的放大。結(jié)果顯示,離子注入可以通過調(diào)節(jié)注入劑量對(duì)納米顆粒的尺寸和濃度進(jìn)行控制,從而影響金屬納米顆粒的線性吸收光譜。在Nd:YAG晶體中,結(jié)合后期熱退火技術(shù)合成了平均直徑約為2.7 nm的金納米顆粒,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的SPR吸收峰位于561 nm處。在515 rnn飛秒激光的激發(fā)下,由于納米顆粒的存在,樣品的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率分別實(shí)現(xiàn)了近5個(gè)和4個(gè)數(shù)量級(jí)的提升,且呈現(xiàn)可飽和吸收和自聚焦效應(yīng)。選用內(nèi)嵌納米顆粒的樣品作為可飽和吸收體,以Pr:LuLiF4晶體為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了639 nm的脈沖激光。在Pr:CaF2晶體中,合成了平均直徑約為5.3 nm的銀納米顆粒,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的共振吸收峰位于417 nm處,在473 nm連續(xù)光的激發(fā)下,測(cè)得內(nèi)嵌銀納米顆粒的樣品熒光強(qiáng)度較原樣品實(shí)現(xiàn)了最大60%的增強(qiáng),結(jié)合熒光壽命測(cè)量結(jié)果可知熒光光譜的增強(qiáng)是由納米顆粒周圍增強(qiáng)的電磁場(chǎng)引發(fā)稀土離子激發(fā)效率提高導(dǎo)致的。另外,內(nèi)嵌銀納米顆粒的樣品在532 nm激發(fā)下還呈現(xiàn)出表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng),在312 cm-1處的增強(qiáng)因子為31。
【圖文】：

光波導(dǎo)是基于全反射原理通過折射率較低區(qū)域包裹折射率較高區(qū)域形成的逡逑一種集成化光子器件，可以將光場(chǎng)限制在微米量級(jí)進(jìn)行傳輸。根據(jù)波導(dǎo)對(duì)空間光逡逑場(chǎng)的限制功能，可以分為一維、二維和三維光波導(dǎo)，如圖２．１．１所示。一維光波逡逑導(dǎo)主要以平面光波導(dǎo)為代表（見圖２．１．１（ａ）），可以在單個(gè)維度對(duì)光的傳輸進(jìn)行逡逑限制，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，是復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)理論研究的基礎(chǔ)；二維光波導(dǎo)主要為通道逡逑型光波導(dǎo)（見圖２．１．１（ｂ）），可以在光束傳輸截面上對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行二維限制，因此逡逑導(dǎo)光性能更佳，腔內(nèi)光密度較大，使材料自身的性質(zhì)在導(dǎo)波區(qū)域可以得到一定的逡逑增強(qiáng)，在集成光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)其所處位置不同大致可以分為脊逡逑型光波導(dǎo)、表面型光波導(dǎo)、埋層型光波導(dǎo)和光纖；三維光波導(dǎo)（見圖２．１．１（ｃ））逡逑可以在三維空間對(duì)光束傳導(dǎo)進(jìn)行限制，通常被用作多功能光子器件，，實(shí)現(xiàn)光束整逡逑型、模場(chǎng)調(diào)控等復(fù)雜功能，常用的三維光波導(dǎo)有波導(dǎo)分束器、波導(dǎo)耦合器等。本逡逑論文的工作主要基于二維光波導(dǎo)和三維光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)。逡逑圖２．Ｌ］邋（ａ）—維平面光波導(dǎo)、（ｂ）二維通道型光波導(dǎo)（從左到右依次為脊型光波導(dǎo)、逡逑表面型光波導(dǎo)、埋層型光波導(dǎo)和光纖）以及（ｃ）三維光波導(dǎo)逡逑２．１．１導(dǎo)模形成條件逡逑為了實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)的導(dǎo)波功能

型、模場(chǎng)調(diào)控等復(fù)雜功能，常用的三維光波導(dǎo)有波導(dǎo)分束器、波導(dǎo)耦合器等。本逡逑論文的工作主要基于二維光波導(dǎo)和三維光波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)。逡逑圖２．Ｌ］邋（ａ）—維平面光波導(dǎo)、（ｂ）二維通道型光波導(dǎo)（從左到右依次為脊型光波導(dǎo)、逡逑表面型光波導(dǎo)、埋層型光波導(dǎo)和光纖）以及（ｃ）三維光波導(dǎo)逡逑２．１．１導(dǎo)模形成條件逡逑為了實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)的導(dǎo)波功能，控制波導(dǎo)中的模式分布，入射光和光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)逡逑均需要滿足一定的條件。通過對(duì)經(jīng)典麥克斯韋方程組求解邊界條件可以推算光場(chǎng)逡逑模式１＇圖２．１．２是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，其中覆蓋層、波導(dǎo)層和襯底層的折射逡逑１８逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH74;TN491


本文編號(hào)：2610477