本文關(guān)鍵詞：介電晶體通道光波導(dǎo)的制備及其激光與二次諧波產(chǎn)生，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光波導(dǎo)為折射率較低的包層區(qū)域包圍折射率較高的波導(dǎo)區(qū)域所形成的結(jié)構(gòu),是多功能集成光子學(xué)系統(tǒng)的最基本的元件。通常來說,光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐獾膫鬏斚拗圃谖⒚琢考?jí)尺寸的微小區(qū)域內(nèi),使波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)光的強(qiáng)度增強(qiáng)到體材料中無法達(dá)到的量級(jí)�；谶@個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),許多材料的光學(xué)性質(zhì)(如非線性性質(zhì)、激光性質(zhì)等)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中都能夠得到一定的加強(qiáng),大大拓展了光波導(dǎo)在微小型集成光子學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠在兩個(gè)維度上對(duì)光的傳輸進(jìn)行限制,尺寸更加緊湊,因此在波導(dǎo)區(qū)域中能夠得到更高的光密度,也更易于形成可集成的多功能器件,與僅能在一個(gè)維度上對(duì)光的傳輸進(jìn)行限制的平面光波導(dǎo)相比具有更加廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。介電晶體材料在光學(xué)多個(gè)領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用。例如,非線性光學(xué)晶體是制備頻率轉(zhuǎn)換(光學(xué)參量振蕩、倍頻、和頻與差頻等)器件的核心材料；激光晶體是如今應(yīng)用最廣泛的固態(tài)激光系統(tǒng)的增益介質(zhì),具有比玻璃材料更低的激光閾值和更佳的熱學(xué)性質(zhì)；電光晶體是調(diào)制光的相位、能量、和偏振最理想的材料。迄今為止,介電晶體器件已經(jīng)在光學(xué)多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用�；诖�,結(jié)合具有緊湊型結(jié)構(gòu)的通道光波導(dǎo)和多功能介電晶體材料的介電晶體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在微小型集成光子學(xué)系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前,人們已經(jīng)利用數(shù)種方法在介電晶體材料中實(shí)現(xiàn)了通道光波導(dǎo)的制備,包括飛秒激光微加工、離子注入/輻照、聚焦質(zhì)子束寫入、離子內(nèi)擴(kuò)散、離子交換等。其中,飛秒激光微加工技術(shù)是對(duì)透明光學(xué)晶體材料進(jìn)行三維微加工最有效的方法之一。在加工過程中,飛秒激光脈沖聚焦在晶體的表面以下特定的位置,脈沖能量通過多光子吸收、隧穿電離或雪崩電離等多種光致電離非線性過程被材料所吸收,導(dǎo)致聚焦位置附近微米量級(jí)區(qū)域內(nèi)局部的折射率變化。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)樣品的掃描可以很容易地制備出通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子注入／輻照技術(shù)也是一種有效的波導(dǎo)制備技術(shù),目前已經(jīng)在百余種光學(xué)材料中成功制備了波導(dǎo)結(jié)構(gòu),其中也包括多種介電晶體。一般來說,離子注入／輻照技術(shù)主要是通過物理機(jī)制,即經(jīng)過加速器后具有一定能量的離子與靶材料中的原子和電子相互碰撞,造成靶材料中一定的晶格損傷,從而導(dǎo)致折射率的改變。此過程與靶材料的化學(xué)性質(zhì)無關(guān),因此離子注入／輻照技術(shù)具有廣泛的材料適用性。此外,結(jié)合掩膜技術(shù)以及飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割技術(shù)等微加工技術(shù),離子注入／輻照可以制備通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本論文的主要內(nèi)容包括介電晶體材料中通道光波導(dǎo)的制備、激光晶體中連續(xù)和調(diào)Q脈沖波導(dǎo)激光的產(chǎn)生以及非線性波導(dǎo)中二次諧波的產(chǎn)生。其中制備方法包括飛秒激光微加工、離子注入／輻照、精密金剛石刀切割和光刻掩膜技術(shù)。根據(jù)制備的通道光波導(dǎo)的不同類型,可以將本論文的主要工作歸納為如下內(nèi)容：利用飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割與離子注入／輻照相結(jié)合的方法在釹摻雜釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體／陶瓷、釹摻雜釓鎵石榴石(Nd:GGG)晶體中制備了連續(xù)和調(diào)Q脈沖脊型波導(dǎo)激光,在非線性晶體釹摻雜硼酸鈣氧釓(Nd:GdCOB)中實(shí)現(xiàn)了脊型波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生。結(jié)果表明,制備的脊型波導(dǎo)具有比平面波導(dǎo)更加優(yōu)異的激光和倍頻性質(zhì)。具體來說,利用飛秒激光燒蝕結(jié)合17 MeV的氧離子輻照、2.5 MeV的氦離子注入和17 MeV的碳離子輻照分別在Nd:YAG晶體、Nd:YAG陶瓷和Nd:GGG晶體中制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了1.06μm的脊型波導(dǎo)激光輸出,激光閾值分別為39.6、64.9和71.6 mW,斜效率分別為35%、42.5%和41.8%。此外,在另外一塊Nd:YAG晶體中,利用飛秒激光燒蝕結(jié)合670 MeV的氪離子(Kr8+)輻照制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)和調(diào)Q脈沖(利用石墨烯材料作為被動(dòng)調(diào)Q的可飽和吸收體)的波導(dǎo)激光的輸出。連續(xù)波導(dǎo)激光的最大輸出功率為182 mW,脈沖波導(dǎo)激光的重復(fù)頻率變化幅度為0.9-4.2 MHz,單脈沖能量為26.5 nJ,脈沖寬度為90 ns。利用精密金剛石刀切割結(jié)合15 MeV碳離子輻照的方法在Nd:YAG晶體中制備了側(cè)壁較為光滑的脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率為84 mW,斜效率為43%的波導(dǎo)激光。此外,利用飛秒激光燒蝕與17 MeV碳離子輻照技術(shù)在非線性晶體Nd:GdCOB中制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并在脊型波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了有效的連續(xù)和脈沖的1064→532 nm的二次諧波產(chǎn)生。其中,脈沖1064 nm的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了11.4%。利用飛秒激光寫入技術(shù)在激光材料鐿摻雜釔鋁石榴石(Yb:YAG)陶瓷、釹摻雜釩酸釔(Nd:YVO4)晶體和非線性光學(xué)晶體三硼酸鉍(BIBO)、Nd:GdCOB中制備了單包層和雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)激光和波導(dǎo)二次諧波的產(chǎn)生。結(jié)果表明,飛秒激光微加工包層光波導(dǎo)是有效的制備集成光子學(xué)系統(tǒng)中微小型激光光源和頻率轉(zhuǎn)換器件的方法。另外,雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有比單包層光波導(dǎo)更優(yōu)異的導(dǎo)波性質(zhì)和倍頻性質(zhì)。我們?cè)贜d:YVO4晶體中制備了直徑為100和120μm的包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并在兩個(gè)互相垂直的偏振方向(TE和TM偏振)上實(shí)現(xiàn)了有效的導(dǎo)波傳輸。在808 nm激光的泵浦下,得到了1064 nm的波導(dǎo)激光的輸出,最大輸出功率為335 mW,斜效率為65%。此外,在BIBO包層光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了1064→532 nm和800→400 nm的二次諧波產(chǎn)生。通過對(duì)波導(dǎo)區(qū)域的微二次諧波的研究發(fā)現(xiàn)BIBO晶體原有的非線性性質(zhì)在包層光波導(dǎo)區(qū)域得到很好的保存。在1064 nm(連續(xù)和脈沖)和800 nm(連續(xù))激光的激勵(lì)下,得到了532 nm(連續(xù)和脈沖)和400 nm(連續(xù))的倍頻光的產(chǎn)生。此外,在Yb:YAG陶瓷和Nd:GdCOB晶體中制備了內(nèi)包層直徑為30 μm,外包層直徑為100-200 μm的雙包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在連續(xù)946 nm激光泵浦下得到了單模傳輸?shù)倪B續(xù)1030 nm的Yb:YAG雙包層波導(dǎo)激光,最大輸出功率為80.2 mW,斜效率為62.9%。在Nd:GdCOB雙包層光波導(dǎo)中,通過對(duì)波導(dǎo)區(qū)的共聚焦微熒光和微二次諧波性質(zhì)的研究,發(fā)現(xiàn)Nd:GdCOB晶體原有的熒光和非線性性質(zhì)在波導(dǎo)區(qū)得到很好的保存。在1064 nm脈沖激光的激勵(lì)下,在Nd:GdCOB雙包層光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率為5.1%,峰值輸出功率為184 W的1064→532 nm二次諧波產(chǎn)生。與單包層光波導(dǎo)相比,具有更加優(yōu)異的波導(dǎo)倍頻性質(zhì)。利用能量為500 keV、劑量為6x1016 ions/cm2的質(zhì)子(He+)注入結(jié)合光刻掩膜技術(shù)在硒化鋅(ZnSe)晶體中制備了條形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),其折射率分布是典型的增強(qiáng)型勢(shì)阱+位壘型。基于折射率分布,通過端面耦合系統(tǒng)對(duì)波導(dǎo)的模式進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬的模式分布一致,說明了重構(gòu)折射率分布的合理性。經(jīng)過對(duì)條形光波導(dǎo)在200℃下的退火處理,利用法布里珀羅方法測(cè)得波導(dǎo)在632.8nm傳輸損耗由10dB/cm降低到了4 dB/cm。利用飛秒激光微加工技術(shù)在Nd:YAG晶體中制備了一種可設(shè)計(jì)的六角形類光子晶格導(dǎo)波微結(jié)構(gòu),這種導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三維的有源和無源的波導(dǎo)光束分支以及環(huán)狀的波導(dǎo)光束轉(zhuǎn)換功能,在光束分支和轉(zhuǎn)換的過程中導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)具有極低的損耗,且不依懶于激勵(lì)光的偏振方向,表現(xiàn)出了極其優(yōu)良的光束導(dǎo)波、分支和調(diào)制性能。在808 nm的連續(xù)光的泵浦下,實(shí)現(xiàn)了1064 nm連續(xù)和被動(dòng)調(diào)Q脈沖波導(dǎo)(分支型和環(huán)形導(dǎo)波微結(jié)構(gòu))激光的產(chǎn)生(利用石墨烯材料作為被動(dòng)調(diào)Q的可飽和吸收體),展現(xiàn)了導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)出色的激光性能。此工作開創(chuàng)了一種通過飛秒激光微加工技術(shù)在介電晶體中制備多功能可集成的有源和無源的激光光路的新方法。
【關(guān)鍵詞】：通道光波導(dǎo) 介電晶體 飛秒激光微加工 離子注入/輻照 波導(dǎo)激光 二次諧波產(chǎn)生
【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】：2015
【分類號(hào)】：TN252
【目錄】：

• 中文摘要10-14
• Abstract14-19
• 符號(hào)說明19-20
• 第一章 緒論20-31
• 參考文獻(xiàn)27-31
• 第二章 理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法31-56
• 2.1 光波導(dǎo)的基本理論32-38
• 2.2 光波導(dǎo)的制備方法38-43
• 2.3 光波導(dǎo)技術(shù)43-47
• 2.4 波導(dǎo)激光47-50
• 2.5 波導(dǎo)二次諧波產(chǎn)生50-54
• 參考文獻(xiàn)54-56
• 第三章 稀土離子摻雜YAG晶體/陶瓷通道波導(dǎo)激光56-80
• 3.1 飛秒激光燒蝕結(jié)合快重離子輻照Nd：YAG晶體脊型波導(dǎo)激光57-62
• 3.2 飛秒激光燒蝕結(jié)合快重離子輻照Nd：YAG晶體脊型波導(dǎo)連續(xù)和石墨烯調(diào)Q脈沖激光62-67
• 3.3 飛秒激光燒蝕結(jié)合離子注入Nd：YAG陶瓷脊型波導(dǎo)激光67-71
• 3.4 金剛石刀切割結(jié)合快重離子輻照Nd：YAG晶體脊型波導(dǎo)激光71-75
• 3.5 飛秒激光寫入Yb：YAG陶瓷雙包層波導(dǎo)激光75-79
• 參考文獻(xiàn)79-80
• 第四章 飛秒激光燒蝕結(jié)合快重碳離子輻照Nd：GGG晶體脊型波導(dǎo)激光80-87
• 4.1 實(shí)驗(yàn)過程81-82
• 4.2 結(jié)果與討論82-85
• 4.3 小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-87
• 第五章 飛秒激光寫入Nd：YV04晶體包層波導(dǎo)激光87-93
• 5.1 實(shí)驗(yàn)過程88-89
• 5.2 結(jié)果與討論89-91
• 5.3 小結(jié)91-92
• 參考文獻(xiàn)92-93
• 第六章 飛秒激光寫入BIBO晶體包層光波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生93-103
• 6.1 BIBO晶體光波導(dǎo)中的倍頻綠光94-98
• 6.2 BIBO晶體光波導(dǎo)中的倍頻紫光98-102
• 參考文獻(xiàn)102-103
• 第七章 Nd：GdCOB晶體通道光波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生103-116
• 7.1 飛秒激光燒蝕結(jié)合快重離子輻照Nd：GdCOB脊型光波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生104-109
• 7.2 飛秒激光寫入Nd：GdCOB雙包層光波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生109-115
• 參考文獻(xiàn)115-116
• 第八章 質(zhì)子注入ZnSe晶體條形光波導(dǎo)116-122
• 8.1 實(shí)驗(yàn)過程117-118
• 8.2 結(jié)果與討論118-120
• 8.3 小結(jié)120-121
• 參考文獻(xiàn)121-122
• 第九章 單片晶體包層導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)：三維導(dǎo)波分束和光束調(diào)控122-132
• 9.1 實(shí)驗(yàn)過程123-124
• 9.2 結(jié)果與討論124-129
• 9.3 小結(jié)129-130
• 參考文獻(xiàn)130-132
• 第十章 總結(jié)132-137
• 10.1 總結(jié)133-136
• 10.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)136-137
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及獲得的獎(jiǎng)勵(lì)137-143
• 致謝143-145
• 附三篇已發(fā)表論文145-167
• 附件167

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7 陳聰;鉺鐿共摻有機(jī)光波導(dǎo)放大器的基礎(chǔ)研究[D];吉林大學(xué);2007年

8 裴金花;離子交換掩埋條形介質(zhì)光波導(dǎo)的制備與特性測(cè)試[D];吉林大學(xué);2007年

9 齊飛;摻鉺聚合物光波導(dǎo)放大器的模擬與制備[D];吉林大學(xué);2008年

10 鄭斌;玻璃基雙層掩埋式光波導(dǎo)的制備與表征[D];浙江大學(xué);2012年

  本文關(guān)鍵詞：介電晶體通道光波導(dǎo)的制備及其激光與二次諧波產(chǎn)生，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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