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离子注入YAG激光晶体光波导

孔艳霞  
【摘要】: 集成光学是在光通信、光计算机及光信息处理等新兴技术需求的基础上应运而生的。集成光学的概念是在1969年由美国贝尔实验室的Miller博士提出的,它是在光电子学和微电子学基础上,采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学.电子学器件系统的一门新的科学。集成光学将光纤和以平面介质光波导为基础的集成光路相结合,极大地促进了光通信的长足发展。集成光路通常是利用光波导将发光元件、透镜、光传输、光调制、光耦合以及光接收等器件连接在一起,集成在衬底上,构成具有一定独立功能的微型光学体系。光波导作为集成光路的最基本的组成单元,以其独特的性能、高集成化以及规模生产的低成本,在各种光器件的制造中起着重要的作用。迄今为止,人们已经探索出很多种方法来制备性能优良的光波导。现在常用的制备波导的方法主要有离子注入、交换、扩散和薄膜沉积等。离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术,是一种制备光波导的有效手段,具有注入剂量和形成波导厚度可精确控制、对形成光波导的材料和方向性限制较少以及对形成波导的温度要求较低等优点。迄今为止,人们已经利用离子注入技术在包括电光晶体、玻璃、半导体以及有机化合物在内的大量光学材料上形成了光波导结构。 光波导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。光波导应用于波导激光,使它在光电子领域中,特别是光通信和固体激光器的发展中有重要的应用前景。与体激光相比,波导激光可以降低激励用的光功率,实现高效率的激光振荡与放大,使激光器的泵浦阈值减少两个数量级。在激光晶体上制备光波导,是产生波导激光的前提准备和研究波导激光的基础,具有重要的实际意义。目前,应用离子注入技术已经在很多激光晶体材料上形成了光波导。 钇铝石榴石晶体,化学通式是Y3A15012(YAG),属于立方晶系,具有石榴石型结构。它具有优良的光学、物理、化学特性及机械稳定性,如高热导、高热光稳定性等。YAG晶体在红外、可见、紫外波段均有很高的透过率,是用作光学窗口、基片的优秀材料,在多个领域已得到广泛应用,特别是在高温及高能辐射的应用场合。YAG晶体还具有光学各向同性、无双折射效应和良好的材料均匀性,因而在很多场合下成为首选光学材料。掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石(简称YAG)单晶为基质材料,掺入适量的三价稀土离子Nd3+,取代了原来的Y3+离子,而形成了淡紫色的Nd3+:YAG晶体。Nd:YAG晶体具有高增益、激光阈值低、功率高、1064nm光波吸收少、良好的热传导性和热冲击性,适用于多种工作方式(连续、脉冲、Q开关、锁模等),常用于近远红外固体激光及其倍频、三倍频应用中,并广泛应用于科研、医疗、工业、军事等领域。掺钕掺铈的钇铝石榴石(Nd:Ce:YAG)激光晶体的脉冲激光效率比优质掺钕钇铝石榴石Nd:YAG提高70%以上,具有激光阈值低,抗紫外辐射能力强,重复频率工作稳定,对环境温度的稳定性和冷却要求低等优点,特别适用于重复频率工作的中小能量脉冲激光器。 本论文主要包括两个方面的工作,具体如下: (1)离子注入Nd:YAG激光晶体光波导的特性研究。我们利用能量500keV剂量为6×1016ions/cm2的H+离子注入Nd:YAG晶体形成波导区折射率增加型的平面光波导。利用棱镜耦合测量了该平面光波导的暗模特性并利用RCM拟合得到其折射率分布,利用端面耦合的方法测量了波导的近场光强分布以及传输损耗。我们利用6MeV的O3+离子注入Nd:YAG激光晶体形成平面光波导,研究了其导波模式、损耗、光在波导中的近场光强分布、退火特性以及其荧光特性。我们利用6MeV的O3+离子,剂量为1×1015ions/cm2,结合光刻工艺制备光刻胶掩膜注入Nd:YAG激光晶体上形成条形光波导,对其导波模式、损耗、光在波导中的近场光强分布、退火特性进行了研究。 (2)首次利用离子注入的方法,在Nd:Ce:YAG激光晶体上形成条形光波导。利用能量为6MeV剂量为2×1015ions/cm2的C3+离子注入Nd:Ce:YAG晶体形成条形光波导,研究了其导波模式、损耗、光在波导中的近场光强分布、退火特性以及其荧光特性。我们首次利用能量为6MeV剂量为1×1015ions/cm2的O3+离子注入Nd:Ce:YAG晶体形成条形光波导,利用棱镜耦合测量了该波导的暗模特性并利用RCM拟合得到其折射率分布,用端面耦合的方法测量了波导的近场光强分布、传输损耗。


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