飞秒激光写入晶体光波导：制备、性能及应用研究

论文摘要

光波导能够实现光路的集成,是集成光子学系统的基本元件。在光学性质各异的光学材料中制备波导结构,可以用作实现各种功能的光子学器件,如光放大器、波导激光器、分束器、调制器、光开关、频率转换器等,在集成光学及现代光通信领域具有重要的作用。光学晶体是制备波导结构常用的基质材料,具有优异的物化及光学性能。掺杂稀土离子的光学晶体在激光技术领域应用广泛。飞秒激光加工是一种新型的光波导结构制备技术,与传统制备技术相比具有灵活性更好、材料适用性更加广泛、加工质量更高等优点。本论文利用飞秒激光加工技术在不同光学晶体材料中制备了多种光波导结构,并对波导结构的传输特性、波导微区荧光、波导微区拉曼、波导上转换发光等特性进行了研究,此外,还研究了飞秒激光对光学晶体材料表面的改性作用。根据光学晶体材料的不同,本论文的主要工作可概括为以下内容:利用飞秒激光写入技术在Ti:Sapphire晶体中制备了类光学晶格波导结构及波导结构分束器。实验结果表明,类光学晶格波导结构在两个正交的偏振态下均能实现单模传输,其对应的传输损耗值分别为4.5dB（TE）与2.9dB（TM）,同时也能够限制高阶模式(TE10、TE01)的传输。基于单六边形一分为二分束器,实现了单模传输出,在不同偏振态下其分束损耗分别为1.9dB（TE）及2.4dB（TM）,且分束比为1:0.96。基于双六边形一分为四分束器的总损耗分别为7.2dB（TE）和6.4dB（TM）,四个通道的分光比为0.98:0.95:1:0.89。所有类光学晶格结构对入射光的偏振依赖性都很小,对其进一步在集成光子学芯片中的应用非常有利。通过对双通道分束器进行微拉曼观测,表明波导区结构未发生损伤。在Ti:Sapphire晶体中利用飞秒激光写入技术制备了两种尺寸的Y型分支波导结构分束器,其输入端尺寸分别为30μm×15μm、50μm×25μm,相对应的输出端尺寸为15μm×15μm、25μm×25μm,分束角度范围为0.5°到2°。实验对分束器的传输性能、微区荧光特性进行了研究,重构折射率空间分布。研究结果表明,分束器在TE、TM偏振下可以对可见及近红外波段光束起到很好的限制,偏振依赖性小,分光均匀,表明分光性能优异。对分束器的荧光特性研究表明分束器波导区域荧光特性保存完好,在应用中更有优势。系统的研究了飞秒激光在静止聚焦及动态扫描两种情况对Nd:YAG晶体表面的改性作用。在脉冲能量、（有效）脉冲数量等参数大范围变化的情况下,研究了晶体表面的微结构（比如烧蚀孔和烧蚀线）。利用扫描电子显微镜（SEM）对激光作用表面进行观察,对表面结构的形态演变、参数依赖关系、烧蚀能流密度阈值、累积因子等进行研究。在一定条件下,可以产生周期表面结构,研究了周期与参数变化之间的关系。本实验获得的周期表面结构的最小周期为157nm。本工作还对不同条件下得到的实验结果进行了比较,研究了累积效应在飞秒激光烧蚀Nd:YAG晶体表面及周期表面结构的形成过程中的作用。通过飞秒激光写入技术在Yb,Na:CaF2晶体中制备了多组直径为20μm、25μm、30μm、35μm的圆形包层波导结构,并对所有波导传输模式进行了探测总结,实现了单模传输。测量了波导的传输损耗、折射率变化,获得最小传输损耗为0.5dB/cm,最大折射率变化值为1.4×10-3。采用共聚焦拉曼光谱仪探测波导结构拉曼光谱,通过分析拉曼强度、拉曼位移及拉曼峰宽的变化,探究飞秒激光改性机制,实验结果表明波导区未被损坏,预示着波导区具有体材料优异的光学性能。在946nm光的激励下,波导实现了可见上转换荧光的输出,利用光谱仪探测上转换发光谱并进行分析得到,峰值中心波长为478nm的发光峰是由Yb3+离子的可见协同上转换引起的。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第二章 基本理论
•   2.1 光波导的理论基础
•     2.1.1 波导光的耦合激励
•     2.1.2 波导结构传输特性
•     2.1.3 共聚焦微拉曼与微荧光
•   2.2 飞秒激光写入技术
• 第三章 飞秒激光写入钛宝石（Ti:Sapphire）晶体波导器件
•   3.1 Ti:Sapphire晶体类光学晶格波导结构分束器
•     3.1.1 实验过程
•     3.1.2 实验结果与讨论
•     3.1.3 小结
•   3.2 钛宝石晶体Y型波导分束器
•     3.2.1 实验过程
•     3.2.2 实验结果与讨论
•     3.2.3 小结
• 第四章 飞秒激光写入钕掺杂钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体纳米光栅
•   4.1 飞秒激光烧蚀Nd:YAG表面特性研究
•     4.1.1 实验过程
•     4.1.2 实验结果与讨论
•   4.2 飞秒激光加工Nd:YAG晶体纳米光栅
•   4.3 小结
• 2）晶体波导及波导荧光'>第五章 飞秒激光写入镱掺杂氟化钙（Yb:CaF₂）晶体波导及波导荧光
• 2晶体光波导的制备及特性研究'>  5.1 Yb:CaF₂晶体光波导的制备及特性研究
•     5.1.1 实验过程
•     5.1.2 实验结果与讨论
•     5.1.3 小结
• 2晶体光波导荧光'>  5.2 Yb:CaF₂晶体光波导荧光
•     5.2.1 实验过程
•     5.2.2 实验结果与讨论
•     5.2.3 小结
• 第六章 总结
•   6.1 研究结果总结
•   6.2 主要创新点
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及获奖情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张立木

导师: 任莹莹

关键词: 飞秒激光加工,光波导,晶体,纳米光栅,波导荧光

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 山东师范大学

分类号: TN252

总页数: 60

文件大小: 3650K

下载量: 151