離子注入Nd：KGW光波導(dǎo)的特性研究.pdf

1、集成光學(xué)器件在實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離光通訊、寬帶光網(wǎng)絡(luò)傳輸、傳感器與自動化裝置的制造，光學(xué)信號處理及光計(jì)算中有著重要作用。光波導(dǎo)作為集成光學(xué)的基本單元，以其獨(dú)特的性能、高集成化以及規(guī)模生產(chǎn)的低成本，在各種光器件的制造中起著重要的作用。光波導(dǎo)可以把光限制在較小的空間傳播以提高光密度，從而能夠更好的利用晶體的非線性性能，或者降低激光材料的產(chǎn)生激光的閾值條件。迄今為止，人們已經(jīng)探索多種方法來制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)?，F(xiàn)在常用的制備波導(dǎo)的方法主要有離子注入

2、、交換、擴(kuò)散和薄膜沉積等。其中，離子注入作為一種比較成熟的材料表面改性技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。人們已經(jīng)利用這種技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)聚合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料中形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，取得了許多重要的研究成果。 在離子注入形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，輕離子（H、He）注入主要是利用在注入離子的射程末端形成一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘，在光學(xué)位壘和空氣之間的區(qū)域形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是典型的位壘型波導(dǎo)。輕離子注入的主要問題是形成波導(dǎo)需要注入劑量

3、較高，一般在～1016 ions/c㎡，注入成本較高。相對于輕離子，高能重離子注入在某些情況下可在注入離子射程內(nèi)對晶格造成擾動，導(dǎo)致晶體雙折射性的部分降低，形成折射率增強(qiáng)勢阱型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然而重離子注入在另外一些情況下，不能形成明顯的折射率增強(qiáng)，只是形成典型的重離子注入位壘型波導(dǎo)。盡管如此，重離子注入時(shí)間短，光波導(dǎo)制備成本低，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。 條形光波導(dǎo)是光波耦合器、波導(dǎo)調(diào)制器、波導(dǎo)開關(guān)以及波導(dǎo)激光器等無源和有源器件的基礎(chǔ)。

4、探討離子注入條形光波導(dǎo)的制備不僅是光波導(dǎo)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，還可以拓展核技術(shù)在光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。 鎢酸鉀釓（KGd（WO4）2，簡稱KGW）激光晶體是在鎢酸鈣（CaWO4）晶體上發(fā)展起來的一種新型激光材料，KGd（WO4）2晶體中的Gd3+離子可以被稀土離子Nd3+取代，成為性能優(yōu)良的激光晶體。摻釹的鎢酸鉀釓晶體，可表示為Nd：KGd（W04）2，簡寫為Nd：KGW。該晶體的釹摻雜濃度可以很高，達(dá)到3—8at％。另外，該晶體又是一

5、種多波長晶體，在0．91μm，1．06μm，1．35μm處均有較好的激光運(yùn)行。在激光運(yùn)行方面，與泵浦源的匹配較好，由于其吸收峰普遍較寬，特別在808nm有一較寬的吸收峰。這樣無論在閃光燈（氙燈）泵浦條件下還是在激光二極管泵浦（LDP．808nm）條件下，都會得到較好的結(jié)果；并且閾值較低，機(jī)械以及光性能都很好。另外，Nd：KGW激光晶體在非線性光學(xué)、拉曼散射等方面有一定的潛力。因此，其在醫(yī)療、通訊、電子、遙感、工業(yè)以及科研領(lǐng)域都有較好的前

6、景。 本論文主要做了三個(gè)方面的研究工作，總結(jié)如下： （1）我們首次利用500keV的H+離子注入Nd：KGW晶體，實(shí)現(xiàn)了平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用棱鏡耦合的方法在波長633m下測量了波導(dǎo)的暗模特性，并用RCM方法擬合了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布；用SRIM2006程序模擬了H+離子的注入過程，并結(jié)合波導(dǎo)特性對波導(dǎo)形成機(jī)制進(jìn)行了討論。我們還研究了退火行為對折射率分布的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過退火后模式折射率有所增高。 （2）利用6MeV的C

7、+離子注入Nd：KGW晶體制備平面光波導(dǎo)。通過研究導(dǎo)波模式、近場光強(qiáng)分布、折射率分布、端面形貌和透射譜等，我們驚奇的發(fā)現(xiàn)，沿晶體三個(gè)軸的表面折射率變成了同一個(gè)值，而且沿三個(gè)方向上具有相同的暗模個(gè)數(shù)，與其對應(yīng)的有效折射率也都相等。根據(jù)這些，我們可以斷定在C+離子注入后，晶體表面層變?yōu)榱烁飨蛲浴?（3）利用氬離子束刻蝕技術(shù)在Nd：KGW平面波導(dǎo)的基礎(chǔ)上制備脊形光波導(dǎo)，通過端面耦合測量了脊形光波導(dǎo)的近場光學(xué)圖像，并用金相顯微鏡觀察其