基于离子束辐照纳米材料的新型介电晶体光波导的基础研究

Dielectric crystals with versatile features are significant optical media. The optical waveguides based on dielectric optical crystals have emerged as important platforms in integrated optics by combining the advantages of crystalline materials and waveguiding microstructures, which have been widely applied in various fields. Nanomaterials, as hot topics of research, have received significant concerns due to diverse predominant properties. The introduction of nanomaterials into crystalline optical waveguides brings out peculiar physical phenomena, which enables the construction of novel functional devices for photonic applications. The implantation or irradiation of energetic ions is not only an important technique to fabricate optical waveguides in dielectric crystals, but also a significant solution to produce nanoscale materials (e.g., nanoparticles) and modify the well-known two-dimensional nanomaterials (such as graphene). In the proposed research, we will take the advantages of ion implantation/irradiation on the fabrication of optical waveguides in crystals through efficient refractive index modification as well as on the ability to form and modify nanoscale materials. The related physical mechanisms will be thoroughly investigated. We will focus on the combination of both structures, i.e., crystalline waveguides and nanoscale materials, in a reasonable manner, and implement the enhancement of the coupling effect of two structures. Based on the high-quality platforms of crystalline waveguides containing nanoscale materials, a few novel applications, such as pulsed waveguide lasers, waveguide amplifiers/modulators, sensors will be realized. The results obtained from the proposed research will facilitate the applications of the ion beam techniques in the multidisciplinary areas of materials and information sciences.

多功能介电晶体是重要的光学介质。基于介电光学晶体的光波导结合了晶体材料与波导微结构各自的优势，是集成光学的重要平台，在诸多领域有广阔的应用前景。纳米材料具有多种优异性质，是材料领域热点研究内容。纳米材料引入晶体光波导器件将产生奇异物理现象，并据此研发出具有广泛应用前景的新型光功能器件。载能离子束注入、辐照技术是制备介电光学晶体光波导结构的重要方法，同时也是制备和改性纳米晶、纳米颗粒以及改性石墨烯等二维纳米材料的重要手段。本项目利用载能离子束注入、辐照在晶体材料折射率改变、纳米材料制备与改性的两方面的优势，在充分理解相关物理机制的基础上，将晶体光波导与纳米结构材料有机的结合在一起，探索增强二者耦合作用的方法，在高质量的包含纳米结构材料的晶体光波导的平台上，研制如脉冲波导激光、波导放大器/信号调制器、传感器等集成光学器件，促进以载能离子束技术为代表的核技术在材料科学、信息科学中的应用。

介电晶体是重要的光学介质。基于介电光学晶体的光波导结合了晶体材料与波导微结构各自的优势，是集成光学的重要平台，在诸多领域有广阔的应用前景。纳米材料具有多种优异性质，是材料领域热点研究内容。纳米材料引入晶体光波导器件将产生奇异物理现象，并据此研发出具有广泛应用前景的新型光功能器件。载能离子束注入、辐照技术是制备介电光学晶体光波导结构的重要方法，同时也是制备和改性纳米晶、纳米颗粒以及改性二维纳米材料的重要手段。在本项目中，我们利用载能离子束注入、辐照在晶体材料折射率改变、纳米材料制备与改性的两方面的优势，探索了相关纳米制备和改性的物理机制，同时将晶体光波导与纳米结构材料结合在一起，研制脉冲波导激光等集成光学器件。.项目的主要研究内容有：1. 离子注入/辐照晶体光波导的制备与模式调控；2. 纳米结构材料的制备与改性；3. 纳米结构材料与晶体光波导结构的结合与表征；4. 包含纳米结构材料的晶体光波导的应用探索。.本项目的主要成果有：.1）利用Au、Ag等离子注入，实现了Nd:YAG晶体中嵌入式金属纳米颗粒的合成、性能调控与应用。.2）实现了铌酸锂晶体中Au、Ag纳米颗粒的离子束合成、LSPR效应及其在超快激光产生中的应用。.3）发现了离子束辐照二维材料的层间耦合增强效应，实现了离子束辐照二维纳米材料的形貌及层间结构调控。.4）实现了离子束对二维纳米材料的缺陷调控，调制了材料的电子输运及光学特性。.5）实现了SiO2中Ag纳米颗粒的合成、非线性调控及新机制探索，并实现在超快激光产生中的应用。.6）利用离子束技术实现了晶体波导折射率的有效调控，研制了高性能的晶体波导器件。.7）应邀撰写综述，系统总结了离子束对石墨烯及其他二维材料的改性作用、物理机制和实际应用。.本项目将离子束技术与纳米材料、光信息处理等学科方向结合起来，构建了跨学科方向的交叉研究桥梁，促进以载能离子束技术为代表的核技术在材料科学、信息科学中的应用。