飞秒激光直写低损耗氟锌铝基玻璃光波导研究.pdf

飞秒激光直写ZnF-AlF玻璃光波导及波导发光特性研究

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摘要

自上世纪90年代研究人员首次发现飞秒激光能将能量注入玻璃材料的内部并仅在

聚焦区域诱导玻璃折射率的永久性变化的现象以来，飞秒激光直写技术在光波导制造

领域得到快速发展。该技术也能够有效地在多种材料如晶体、聚合物、光刻胶和玻璃

内部实现任意结构的光波导。氟化物玻璃因其低声子能量、透射率高、稀土离子溶解

度高等优点在多领域有着大量的应用，其中氟锌铝基玻璃相比较与其他氟化玻璃有着

良好的抗潮解性能和机械性能。然而，国内外在飞秒直写玻璃光波导领域主要的研究

基底是硅酸盐玻璃、氧化物玻璃和ZBLAN玻璃，对氟锌铝基玻璃的飞秒激光直写光波

导研究匮乏。

本论文工作以氟锌铝玻璃为基础，从玻璃本身的物理化学特性和光学特性出发，

进一步研究了飞秒激光在氟锌铝玻璃中写入光波导的条件和氟锌铝玻璃中光波导的改

性机理，并在此基础上对氟锌铝玻璃掺杂铥离子后成功写入波导，测量了其在1.8μm

的发光特性。本文的具体研究内容如下：

1.研究了氟锌铝基玻璃的物化特性和光学特性。测量了氟锌铝基玻璃的热力学性

质、密度、拉曼光谱、透射和吸收光谱、折射率、抗潮解性能和热机械性质，说明了

这种材料物化性质适用于集成光波导的制备。

2.使用中心波长为808nm、重复频率为1kHz，脉冲宽度为100fs的飞秒激光成

功在无掺杂氟锌铝玻璃内部写入了Type-I类光波导，并研究了飞秒激光扫描速度、不

同的单脉冲能量和不同写入深度对光波导横截面、近场模式和传输损耗的影响。当飞

秒激光在功率为1.35μJ、写入速度为400μm/s和写入深度200μm时在980nm处有着

最低的传输损耗为1.64dB/cm，使用棱镜耦合法测得光波导区域折射率为1.4533，相

−3

比较于氟锌铝基玻璃折射率增加了1.7×10。

3.在无掺杂氟锌铝玻璃的基础上，对不同浓度铥掺杂氟锌铝波导的刻写进行了探

索，得到在2mol%、4mol%和6mol%的Tm3+浓度掺杂时最低的传输损耗分别为0.95

dB/cm、0.93dB/cm和1.01dB/cm。使用1570nm激光器作为泵浦源，泵浦不同Tm3+掺

杂的氟锌铝波导，得到了1775–1840nm的发光增益，在1810nm处6mol%的Tm3+浓

度掺杂有着最高的发光增益为5.6dBm。

关键词：飞秒激光；氟锌铝光波导；稀土掺杂

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飞秒激光直写ZnF-AlF玻璃光波导及波导发光特性研究

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Abstract

Sincethe1990s,researchersfirstdiscoveredthatfemtosecondlaserscouldinjectenergy

intotheinteriorofglassandinduceapermanentchangeintherefractiveindexonlyinthe

focalarea,femtosecondlaserdirectwritingtechnologyhasrapidlydevelopedinthefieldof

opticalwaveguidemanufacturing.Thistechnologycanfabricateopticalwaveguideswith

arbitrarystructureinsidevariousmaterialssuchascrystals,polymers,phot