本文選題：飛秒激光加工 + 通道光波導(dǎo)��； 參考：《山東大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：集成光路可以將光信號限制在高度集成化的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳輸或處理,由于其具有體積小、穩(wěn)定性好、損耗小等優(yōu)勢,自20世紀(jì)60年代集成光路的概念被提出以來,傳統(tǒng)的集成電路逐漸被集成光路所替代。集成光路由多種功能性元件集合而成,主要包括:連接器、功率分束器、反射器、定向耦合器、偏振片、偏振分束器、相位調(diào)制器、功率調(diào)制器、TE/TM模式轉(zhuǎn)換器和頻移器。而各功能元件都基于集成光學(xué)中的基本結(jié)構(gòu)——光波導(dǎo)。光波導(dǎo)區(qū)域相對于周圍區(qū)域折射率較高,利用全反射原理可以將光限制在其內(nèi)部傳輸,由于光波的波長較短,可以將光信號控制在微米甚至亞微米尺度內(nèi),使得腔內(nèi)光密度達(dá)到一個較高的水平。光波導(dǎo)作為集成光路的基本元件,可以連接各功能元件對光信號進(jìn)行操控,實現(xiàn)耦合、分支、開關(guān)、復(fù)用等功能。依照波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對光信號在三維空間中傳輸時的限制能力,光波導(dǎo)可分為一維、二維和三維光波導(dǎo)。其中,一維光波導(dǎo)即平面光波導(dǎo);二維光波導(dǎo)根據(jù)其結(jié)構(gòu)形態(tài)又可劃分為脊型、條形、埋層通道光波導(dǎo)和光纖;三維光波導(dǎo)形態(tài)多樣,常見的如光子晶體結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)分支器,可實現(xiàn)復(fù)雜的功能。二維和三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更緊湊,更易獲得較高的腔內(nèi)光能量密度,易于多功能性集成,具有更高的研究和應(yīng)用價值。迄今為止,人們已在多種透明光學(xué)材料中成功制備了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),包括玻璃、陶瓷、晶體、聚合物等。制備方法多樣,主要有離子注入/輻照、脈沖激光沉積、離子交換、聚焦質(zhì)子直寫、外延生長、飛秒激光微納加工(寫入)技術(shù)等。其中,飛秒激光微納加工技術(shù)是利用超快脈沖(飛秒)激光對透明光學(xué)材料進(jìn)行微加工。由于飛秒激光加工技術(shù)具有操作簡單、結(jié)構(gòu)靈活、分辨率高、可加工三維精細(xì)形態(tài)等優(yōu)點(diǎn),近年來受到科研和技術(shù)加工領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。本論文主要采用飛秒激光加工技術(shù)在幾種透明光學(xué)材料中制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),飛秒激光的參數(shù)靈活多變,如偏振方向、工作波長、重復(fù)頻率、脈沖能量及掃描過程中可以調(diào)節(jié)的掃描速率、掃描間隔、聚焦深度和掃描方向等,合理的參數(shù)設(shè)置可以實現(xiàn)不同的折射率變化和分布,從而制備不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),同時保留材料的優(yōu)異性質(zhì)。光波導(dǎo)的特點(diǎn)和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在緊湊的結(jié)構(gòu)和較高的光能量密度,但由此引起的熱效應(yīng)也更明顯,對波導(dǎo)的性能和壽命有著不可忽視的影響。例如,在波導(dǎo)激光振蕩中,泵浦光的吸收使得波導(dǎo)溫度升高,可能造成波導(dǎo)折射率變化,引起波導(dǎo)退化,壽命降低,激光性能下降。因此對光波導(dǎo)工作過程中的溫度進(jìn)行表征具有重要的研究價值。進(jìn)一步地,通過對波導(dǎo)溫度的監(jiān)控可以大大優(yōu)化波導(dǎo)的性能及其作為集成光學(xué)器件的應(yīng)用。熒光測溫方法是一種通過對材料熒光性質(zhì)的表征獲取溫度信息的測量技術(shù),由于其適用范圍廣、非接觸、樣品無損耗等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。本論文結(jié)合共聚焦熒光顯微鏡技術(shù)和熒光強(qiáng)度比率法對激光泵浦下的光波導(dǎo)進(jìn)行三維高分辨熱成像。本論文的主要研究內(nèi)容包括利用飛秒激光加工(寫入)在多種透明光學(xué)材料中制備通道光波導(dǎo)及波導(dǎo)分支器;對波導(dǎo)在可見光、近紅外直至中紅外各波段的導(dǎo)波特性進(jìn)行研究;利用石墨烯材料作為可飽和吸收體在光波導(dǎo)中實現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光振蕩;利用熒光強(qiáng)度比率法結(jié)合共聚焦熒光顯微鏡技術(shù)對泵浦所致波導(dǎo)溫度變化進(jìn)行表征等。根據(jù)實驗選用的光學(xué)材料及所制備光波導(dǎo)類型的不同,可以將本論文的主要工作概括如下:利用飛秒激光寫入技術(shù)在鍺酸鉍(BGO)晶體中制備了雙線型、包層、折射率升高型通道光波導(dǎo)及波導(dǎo)分支器,通過對飛秒激光參數(shù)的調(diào)試,實現(xiàn)不同的折射率改變,結(jié)合多種形態(tài)結(jié)構(gòu)制備了幾種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,雙線型光波導(dǎo)位于兩條平行的飛秒激光輻照痕跡之間,其中飛秒激光輻照區(qū)域折射率降低約1.4 ×10-3。基于重構(gòu)的波導(dǎo)折射率分布,模擬了波導(dǎo)的傳輸模式,與實驗測量的632.8 nm波長下近場模式分布一致。結(jié)果表明,BGO晶體雙線型波導(dǎo)支持TE和TM兩個垂直的偏振方向下的單模傳輸。經(jīng)高溫退火處理后,飛秒激光單脈沖能量為2.52 μJ,寫入痕跡間隔為20 μm的雙線型光波導(dǎo)的傳輸損耗可降低至0.5 dB/cm。直徑為100 μm的BGO晶體包層光波導(dǎo)支持TE和TM偏振下632.8 nm波長的多模傳輸,且對偏振不敏感。經(jīng)260℃的退火處理后,波導(dǎo)的傳輸損耗降低至～2.1 dB/cm。一般地,飛秒激光直寫制備折射率升高型光波導(dǎo)較難在晶體中實現(xiàn),通過對飛秒激光參數(shù)的調(diào)試,我們在BGO晶體中采用優(yōu)化的飛秒激光參數(shù)成功制備了折射率升高型通道光波導(dǎo)。端面耦合結(jié)果表明,折射率升高型BGO晶體光波導(dǎo)支持中紅外波段的導(dǎo)波,且具有偏振不敏感性。波導(dǎo)在4 μm波長端面耦合下的傳輸損耗約為3.5 dB/cm。最后,基于BGO晶體折射率升高型光波導(dǎo)的制備參數(shù),利用飛秒激光寫入制備了波導(dǎo)分支器(1×2,1×3,1×4)。通過端面耦合裝置研究了其在中紅外波段(4 μm)的分支性能。各分支器均支持4 μm波長下的單模輸出,無偏振效應(yīng),且分支比例均勻接近1:1,分支引起的損耗低至～0.3 dB,表明BGO折射率升高型波導(dǎo)分支器性質(zhì)優(yōu)異,可利用于中紅外分支器件。利用飛秒激光加工在摻銨釩酸釔(Nd:YVO4)晶體中分別制備雙線型、單包層及雙包層通道光波導(dǎo),并利用石墨烯材料作為可飽和吸收體,實現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光振蕩。雙線型通道光波導(dǎo)的雙線間隔為20 μm,在820 nm連續(xù)激光泵浦下,輸出中心波長為1064.4 nm的脈沖激光。相比于TM偏振,TE偏振下的激光性能更優(yōu),這得益于TE偏振下較小的傳輸損耗:～1.2dB/cm(TE)和～1.9dB/cm(TM)。在1.2 W的TE偏振激光泵浦下,脈沖激光獲得最大平均輸出功率為129 mW,最小脈沖寬度為25.0 ns,最高重復(fù)頻率為16.3 MHz,最大單脈沖能量為8.1 nJ。此外,在直徑分別為42 μm和114 μm的單包層光波導(dǎo)和內(nèi)/外徑為42/114μm的雙包層光波導(dǎo)中實現(xiàn)了 1065.2 nm的調(diào)Q脈沖激光輸出。結(jié)果表明,包層光波導(dǎo)具有更對稱的形態(tài),更低的損耗,且相比于單包層,雙包層光波導(dǎo)具有更優(yōu)異的激光性能,激光閾值僅為103mW/123mW@TE/TM偏振。其中在1.2W的TE偏振光泵浦下,雙包層光波導(dǎo)中得到脈沖激光的最大平均輸出功率為361 mW,相應(yīng)的激光脈沖的重復(fù)頻率為14.5 MHz,單脈沖能量為24.9 nJ,脈寬為31 ns，，利用共聚焦熒光強(qiáng)度比率法對摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體和鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃(Er:Yb:phosphate glass)中的飛秒激光加工表面型通道光波導(dǎo)進(jìn)行溫度表征。在功率為100mW,波長為808 nm的激光泵浦下,Nd:YAG波導(dǎo)內(nèi)部溫度升高約10℃。實驗和理論結(jié)果均表明,飛秒激光輻照區(qū)域折射率降低,與空氣表面共同形成一個折射率較低的包層,將光限制在波導(dǎo)內(nèi)部傳輸;同時,飛秒激光寫入痕跡處的熱導(dǎo)率降低,形成熱阻抗限制熱量的擴(kuò)散,使得溫度變化主要發(fā)生在波導(dǎo)內(nèi)部。此外,鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃中的熒光分析利用了鉺離子的雙光子吸收,由于磷酸鹽玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)低、熱敏感度高,導(dǎo)致波導(dǎo)中的溫度變化更明顯。結(jié)合高分辨率多光子吸收熒光成像技術(shù),在鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃波導(dǎo)中實現(xiàn)了高分辨率的三維熱成像。在波長為980 nm、功率為120 mW的激光泵浦條件下,鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃波導(dǎo)內(nèi)部溫度升高值高達(dá)200℃。為降低波導(dǎo)泵浦中的熱效應(yīng),我們對泵浦激光進(jìn)行時間調(diào)制,產(chǎn)生方脈沖激光,在不改變脈沖激光峰值功率和脈寬的情況下,增大脈沖間隔,降低相鄰脈沖之間的熱量累計效應(yīng),減小波導(dǎo)溫度升高值。通過理論計算和實驗測量對此調(diào)制方法進(jìn)行檢測,結(jié)果一致地證明了該方法的可行性。利用飛秒激光加工在x切鈮酸鋰(LiNbO3)晶體中制備了包層通道光波導(dǎo),研究了波導(dǎo)直徑和傳輸方向?qū)ζ鋵?dǎo)波性質(zhì)的影響。分別采用可見光(0.633 μm)、近紅外(1.064 μm)和中紅外(4μm)激光作為入射光,利用端面耦合系統(tǒng)使得激光在直徑分別為50 μm和110 μm,傳輸方向分別沿y軸和z軸的波導(dǎo)中傳輸。結(jié)果表明,直徑為50 μm的波導(dǎo)在4 μm下為單模傳輸,其余情況下均為多模傳輸。其中直徑為110 μm沿z方向傳輸?shù)牟▽?dǎo)具有最低的損耗,經(jīng)過260℃高溫退火一小時后,該波導(dǎo)在1064 nm波長下的插入損耗低至0.5 dB。
[Abstract]:The integrated optical path can be divided into one - dimensional , two - dimensional and three - dimensional optical waveguides , and the optical waveguide can be divided into one - dimensional , two - dimensional and three - dimensional optical waveguides . In this paper , the characteristics and advantages of optical waveguide are studied by using femtosecond laser processing technology in several transparent optical materials , such as polarization direction , working wavelength , repetition frequency , pulse energy and scanning direction . In this paper , the propagation loss of the waveguide is reduced to 0 . 5 dB / cm . Under the condition of high temperature annealing , the transmission loss of the double - wire type optical waveguide is reduced to 0 . 5 dB / cm . At the end of the annealing treatment at 260.degree . C . , the propagation loss of the waveguide is reduced to ~ 2.1 dB / cm . In general , the optical waveguide with a diameter of 100 渭m is better than that of the optical waveguide with a wavelength of 1064 . 4 nm . The results of the end - end coupling show that the lower transmission loss of the TE polarization is : ~ 1.2dB / cm ( TE ) and ~ 1.9 dB / cm ( TM ) . The results show that the maximum average output power of Nd : YAG laser is about 10 鈩

本文編號：1883577