1、集成光學是一門研究媒質薄膜中的光學現(xiàn)象以及光學元器件集成化的學科。集成光學的概念，是由美國貝爾實驗室的S.E.Mille博士在1969年首次提出并逐漸發(fā)展起來的一門新興學科，它是現(xiàn)代光電子學的一個重要分支。集成光學的主要任務是將傳統(tǒng)的光學元器件和系統(tǒng)微型化，并按照一定方式將這些元器件或系統(tǒng)“集成”，從而形成具有多種功能的集成光學體系。光波導作為集成光學的基本元件，是由折射率較低的區(qū)域包裹折射率較高的區(qū)域構成的，利用光在折射率不同的兩種物

2、質界面上的全反射原理，將光波限制在微米量級的微小結構內傳輸并且達到較高的光密度。從幾何結構上區(qū)分，光波導可以分為一維光波導和二維光波導。一維光波導又稱為平面光波導或薄膜光波導，它僅在一個維度上對光的傳輸進行限制;二維光波導包括埋層光波導、表面光波導和脊形光波導，它可以在兩個維度上對光的傳輸進行限制，能夠達到更高的光密度，集成度更高。由于脊形光波導器件的尺寸易于與集成光學中的其它元件相結合，組成復雜的“集成光子芯片”，實現(xiàn)更多的功能，具有

3、非常廣闊的應用前景，也一直是集成光學領域的重要研究課題。
　　目前，光波導的主要制備方法包括載能離子束輻照、飛秒激光加工、脈沖激光沉積、分子束外延、離子交換與熱擴散和鍵合技術等。其中，載能離子束輻照作為一種比較成熟的技術，適用材料非常廣泛，近年來被廣泛應用于光波導結構的制備。載能離子束輻照是一種有效的晶體材料表面改性技術，具有一定能量的帶電離子進入襯底材料后，與靶材料原子核和電子發(fā)生相互碰撞而失去能量，引起靶材料的晶格結構損傷，從

4、而改變材料特定區(qū)域的折射率分布，最終在表面形成光波導結構。載能離子束輻照技術制備光波導需要的注入離子劑量較小，幾乎沒有摻雜效應，可以保留材料的原有組分;而且通過適當?shù)臒嵬嘶鹛幚恚梢韵▽е械纳暮忘c缺陷，最大程度的保留材料的原有性能。由于這種技術在制備過程中不受溫度限制，通過選擇合適的體材料和離子的種類、劑量、能量，并且合理的搭配輻照條件，可以精確控制波導的維度和折射率分布，從而實現(xiàn)結構復雜的高質量的光波導器件。迄今為止，應用載能離

5、子束輻照技術已經(jīng)在超過80種絕緣體光學材料中成功制備了光波導結構。另外，通過將載能離子束輻照技術與飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割等附加工藝相結合，可以制備脊形光波導結構。
　　本論文利用載能離子束輻照技術在中紅外晶體、稀土離子摻雜激光晶體以及非線性晶體等多種材料上制備平面光波導，隨后采用飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割技術進一步加工成脊形光波導。系統(tǒng)研究波導結構的導波特性，包括顯微結構、折射率分布、傳輸模式、傳輸損耗、拉曼光譜和熒光

6、光譜等，并在此基礎上實現(xiàn)波導激光和波導倍頻，探討光波導器件的實際應用價值。根據(jù)制備材料的不同，可以將本論文研究工作及結果歸納如下:
　　ZnSe晶體作為一種重要的中紅外材料，具有較高的熱導率和優(yōu)良的機械性能，是制造紅外透鏡、激光窗口和紅外熱像儀的首選材料。通過Kr8+離子輻照在ZnSe晶體表面制備平面光波導，隨后采用精密金剛石刀切割技術在ZnSe晶體平面光波導基礎上制備了不同寬度的脊形光波導。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，在中紅外波長（～4μ

7、m）下，光在脊形波導中以多模模式傳輸，最低傳輸損耗為1.1 dB/cm。通過測量沿著輻照離子徑跡的拉曼光譜，表明快重離子輻照并沒有引起波導區(qū)晶格結構的明顯改變。本實驗為ZnSe脊形光波導器件在中紅外光通訊領域的應用提供了研究基礎。
　　LiNbO3晶體是一種重要的多功能晶體材料，具有優(yōu)良的電光、聲光、壓電、鐵電和非線性光學性質。利用O5+離子輻照結合精密金剛石刀切割在MgO∶LiNbO3晶體上制備脊形光波導結構。通過端面耦合測量發(fā)

8、現(xiàn)，MgO∶LiNbO3晶體脊形光波導在中紅外波長(～4μm)TM偏振下能夠較好地限制光波的傳輸。經(jīng)過一系列的熱退火處理工藝可以有效地提高脊形光波導的傳輸性能，并且將傳輸損耗降低至1.0 dB/cm。實驗結果表明，快重離子輻照結合精密金剛石刀切割技術制備的MgO∶LiNbO3晶體脊形光波導在中紅外集成光學領域具有重要的應用前景。
　　Nd∶YAG晶體是迄今為止綜合特性最優(yōu)良的固體激光材料，其具有激光增益高、泵浦閾值低、功率高、10

9、64 nm光吸收小、熱傳導性好等特性。首先利用Kr8+離子輻照在Nd∶YAG晶體上制備平面光波導結構，接下來采用精密金剛石刀切割技術在平面波導上制備出脊形光波導結構。實驗測得平面和脊形波導在632.8 nm波長下的傳輸損耗分別為2.1 dB/cm和3.7 dB/cm。在808 nm激光的泵浦條件下，實現(xiàn)了室溫下1065nm波導連續(xù)激光的輸出。平面波導的最大激光輸出功率為49.3 mW，斜效率為45.6％。脊形波導的最大激光輸出功率為71

10、.5 mW，斜效率為60.8％。結果表明，脊形波導比平面波導的激光性能更加優(yōu)異，本實驗提供了一種性能優(yōu)良的近紅外波長微型波導激光器的制備方法。
　　Yb∶YAG晶體是一種性能優(yōu)良的固體激光材料，具有摻雜濃度高、量子轉換效率高，熒光壽命長、吸收帶寬大等特點。首先利用C5+離子輻照在Yb∶YAG晶體表面制備平面光波導，接下來采用飛秒激光燒蝕在平面光波導上燒蝕出四條不同參數(shù)的脊形光波導結構。通過端面耦合裝置研究脊形光波導在632.8 n

11、m波長下的導波特性，比較不同制備參數(shù)的脊形波導的傳輸損耗，發(fā)現(xiàn)掃描速度最低、寬度最大的脊形光波導的傳輸損耗最低。通過測量波導的最大受光角估算出波導的最大折射率變化Δn≈+0.004，基于重建的折射率分布，利用FD-BPM對波導的近場模式進行模擬，與實驗結果符合較好。本實驗為優(yōu)化Yb∶YAG脊形光波導的傳輸特性，尋找最佳的波導器件的制備參數(shù)提供了實驗依據(jù)。
　　LGS晶體是一種新型的多功能材料，具有優(yōu)異的電光性能、較大的機電耦合系數(shù)

12、和壓電常數(shù)，且室溫至熔點(1470℃)無相變。利用C5+離子輻照結合精密金剛石刀切割在Nd∶LGS晶體上制備脊形光波導結構。經(jīng)過對樣品進行200℃熱退火處理，脊形光波導結構在632.8 nm和1064 nm波長TM偏振下均能夠有效的限制光波的傳輸，測量的最低傳輸損耗分別為1.6 dB/cm和1.2 dB/cm。通過測量波導和襯底的拉曼光譜和熒光光譜，發(fā)現(xiàn)碳離子輻照并未引起波導區(qū)晶格結構的明顯改變，Nd3+離子的熒光特性得到了很好的保留。

13、此實驗結果表明該波導器件具有優(yōu)良的導波特性，在可見光和近紅外集成光學領域具有較大應用潛力。
　　KTP晶體是一種性能優(yōu)良的非線性光學材料，具有大的非線性光學系數(shù)、高光電轉換效率和低介電常數(shù)，良好的機械性能以及高的熱傳導系數(shù)。采用O5+離子輻照結合飛秒激光燒蝕技術在KTP晶體上制備了脊形光波導結構。通過棱鏡耦合儀測量波導在632.8 nm波長下的暗模特性，并利用RCM重構波導的折射率分布。在脈沖1064 nm激光激勵下，在KTP平面

14、和脊形波導中實現(xiàn)了1064→532nm的二次諧波產(chǎn)生，最大轉換效率分別為11.5％和25.4％。實驗表明，此種方法制備的KTP脊形波導具有比平面波導更加優(yōu)異的倍頻性能，這為制備高質量、結構緊湊的波導倍頻器件提供了實驗方法。
　　YCOB晶體是一種用途非常廣泛的非線性功能材料，其化學穩(wěn)定性好，不易潮解，激光損傷閾值高，透光波段寬。利用C5+離子輻照結合精密金剛石刀切割在Yb∶YCOB晶體上制備脊形光波導結構，并進行260℃熱退火處理

15、。研究利用SRIM模擬C5+離子輻照Yb∶YCOB晶體的能量沉積過程。脊形光波導在1064 nm波長TM偏振下顯示出較好的導波特性，測量的最低傳輸損耗為1.7 dB/cm。通過測量波導的最大受光角估算出波導的最大折射率變化Δn≈+0.004，基于重建的折射率分布，利用FD-BPM對脊形波導的近場光強分布進行模擬，與實驗結果符合較好。拉曼光譜表明，碳離子輻照并未對波導區(qū)晶格結構造成較大的應力改變。熒光光譜表明，波導區(qū)的Nd3+離子的熒光特