飛秒激光刻寫鈮酸鋰光波導及其光傳輸特性的研究.pdf

1、飛秒激光誘導透明介質(zhì)形成光波導的技術(shù)作為集成光學中的新興手段，近年來受到了廣泛的關(guān)注。研究者們通過改變飛秒激光條件、刻寫方式以及基底材料已經(jīng)實現(xiàn)了不同性能的光波導結(jié)構(gòu)的制備，然而這些研究中對激光作用機理的研究卻很少。根據(jù)實驗室條件，本論文主要研究激光重復頻率對波導形成機理產(chǎn)生的影響。首先采用76 MHz和1 kHz飛秒激光對鈮酸鋰晶體進行刻蝕實驗，其次通過研究激光作用區(qū)產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)變化探索其作用機理，并以數(shù)學模型的方式予以量化，最終通過

2、優(yōu)化制備條件實現(xiàn)高性能鈮酸鋰光波導的制備。論文具體工作如下：
　?。?）采用掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）分別對激光作用區(qū)域的結(jié)構(gòu)形貌及元素成分進行了分析，發(fā)現(xiàn)兩種不同重復頻率激光對晶體刻蝕效果具有明顯差異。1 kHz飛秒激光極高的單脈沖能量對鈮酸鋰晶體造成了破壞性的損傷，作用區(qū)各組分元素比例改變；而對于76 MHz飛秒激光，極高的重復頻率使得脈沖間隔低于材料吸收時間，產(chǎn)生熱積累效應。熱積累產(chǎn)生梯度溫度場，驅(qū)動熔融離子

3、由作用中心高溫區(qū)向外擴散、沉積。最終在激光作用中心一定半徑范圍內(nèi)形成高密度、高折射率環(huán)形波導區(qū)，且區(qū)域半徑及折射率差與激光重復頻率有著密切關(guān)系。
　　（2）以單個脈沖（能量約3 nJ）為源，1μs為鈮酸鋰晶體能量吸收時間，建立激光重復頻率與聚焦中心溫度分布理論模型。通過理論分析我們發(fā)現(xiàn)，當激光重復頻率達到11.8 MHz時，熱積累效應對鈮酸鋰晶體改性會起到主導作用；而低于這一重復頻率時，其熱效應幾乎可以忽略。在低重復頻率條件下，由

4、于激光單脈沖能量極高，作用區(qū)產(chǎn)生微爆，引起晶體結(jié)構(gòu)變化，熱效應低；而在高重復頻率環(huán)境下，由于脈沖間隔時間短，能量積累使作用區(qū)產(chǎn)生高溫高壓，引起晶體改性，熱效應明顯。
　　同時，利用該模型模擬了76 MHz飛秒激光熱作用影響區(qū)域直徑為36.5μm，與我們實驗中掃描電鏡測試結(jié)果37.4μm吻合的很好。當將激光重復頻率改為25 MHz時，作用區(qū)模擬直徑為28μm，而實驗得到的25 MHz飛秒激光刻蝕區(qū)直徑則為27.5μm。熱積累模型很好

5、的實現(xiàn)了激光熱影響區(qū)域半徑的模擬，為了驗證刻蝕環(huán)形區(qū)的性質(zhì)及其光傳輸性能，進行了直線型光波導的制備。
　?。?）采用650 nm對所制備光波導進行耦合及光傳輸損耗測試。研究發(fā)現(xiàn)，激光作用中心出現(xiàn)了明顯的激光損傷，拉曼光譜顯示其密度小于周圍環(huán)形區(qū)域，這與預測結(jié)果一致；環(huán)形高密度結(jié)構(gòu)光傳輸結(jié)果顯示，只在波導截面的上下出現(xiàn)了傳輸耗低于1.5 dB/cm兩條低損耗波導結(jié)構(gòu)，而其他位置傳輸損耗相對較高，這與鈮酸鋰晶體各向異性、激光入射方向及