离子辐照稀土元素掺杂YCOB晶体波导激光器的制备及性能机理研究

A waveguide is characterized by a region of high refractive index bounded by regions of lower index. It can confine the optical energy in small space and improve the optical energy density. Therefore it can make better use of the nonlinear properties of the nonlinear crystal or lower the pumped threshold of the laser materials. Ion irradiation technology plays a more and more important role in optical waveguide preparation field because of its many advantages. Combining the characteristics of the laser crystal with the waveguide structure, we can fabricate waveguide laser with high-efficiency and low threshold,which is a research focus of the integrated optics. Calcium yttrium oxoborate [Ca4YO(BO3)3, YCOB] is a new efficient nonlinear optical crystal, with excellent performance, attracting extensive research. In this project, we plan to fabricate waveguide laser based on the rare earth element doped YCOB crystal, using ion irradiation technique. We will discuss topics below: 1) the mechanism of fluorescence properties variation induced by ion irradiation. 2) the variation of refractive index modified by ion beam. 3) the performance of the waveguide laser. Try to explore the optimal waveguide preparation method for suitable waveguide laser output. This work is significance for the analysis of interaction mechanism between crystal and ion beam. It will provide reliable experimental basis for practical applications of waveguide and expand the application area of ion beam technology.

光波导是折射率高的区域由折射率低的区域包裹的结构，它可以把光限制在较小的区域传播以提高光密度，从而更好的利用非线性晶体的非线性性质或者降低激光材料的泵浦阈值。离子辐照技术由于自身的很多优势在光学材料光波导的制备领域发挥着越来越重要的作用。结合激光晶体的特性，以及波导结构的特点，可以制备高效率、低阈值的波导激光器，是集成光学领域的一个研究重点。三硼酸钙氧钇晶体，化学通式YCa4O(BO3)3（简称YCOB），是一种性能优良的新型非线性光学晶体，引起广泛研究。本项目使用离子辐照技术，在稀土元素掺杂YCOB晶体中，制作波导激光器。探讨离子辐照条件对晶体结构、荧光性质的调制机理；研究离子辐照条件对波导激光器性质的影响；力图得出使用离子辐照技术制备波导激光的最佳方案。该研究结果将扩展离子束技术的应用领域，为晶体波导在集成光学中的实用化提供实验参考，并且对研究离子束与晶体相互作用的机理有重要意义。

本项目利用离子辐照稀土元素掺杂的非线性光学晶体，制备了性能优良的光波导结构，在此基础上进行了导波与非线性介质相互作用的研究。着重对离子辐照稀土元素掺杂的YCOB、YGG和YAB等非线性激光晶体波导进行了系统的研究，在晶体材料上制备了多种光波导结构，系统探讨了离子辐照技术对晶体结构、荧光特性的调制机理。研究了离子辐照晶体的损伤情况，得到核能量沉积是形成损伤的主要原因；研究了注入剂量、退火条件对折射率的影响，得出波导的优化条件。由于离子辐照过程没有破坏光波导内晶体材料的荧光性质，因此可以作为增益介质。基于Nd元素掺杂的YAB光波导，使用815nm激光泵浦，在波导区内同时产生了可见光和近红外激光发射（531nm,461nm,1062nm三个波长）。波导激光具有高集成度、高效率、低阈值等优点，是集成光学领域的一个研究重点。我们的研究结果将扩展离子束技术的应用领域，对研究离子束与晶体相互作用的机理有重要意义。此外，我们还将载能束流的材料改性扩展到激光束与物质相互作用的探索，研究了激光束辐照Au薄膜的微观结构修饰及其光学特性。