基于稀土掺杂晶体材料光波导的可见激光激发与性能研究

Femtosecond laser inscription (FLI) has recently emerged as one of the most efficient techniques for micromachining of optical crystals. Localized refractive-index (RI) changes can be created by using FLI, and then the optical waveguide structures will be formed. The waveguide lasers based on active media possess unique advantages on compact geometry, lower lasing threshold and considerable slope efficiency with respect to the bulk lasers. Visible lasers are fascinating, which holds for their various applications in a wide range of topical areas such as display technology, laser imaging, biological and chemical sensing, medicine and so on. In this project, we will fabricate waveguide structures in Pr3+- and Sm3+-doped fluoride crystals and oxide crystals by using FLI in order to achieve visible waveguide lasers in continuous wave and pulsed regimes. The physical mechanisms of material modification induced by femtosecond laser will be explored. The RI distribution, propagation properties as well as optical performance of the waveguide structures will be studied. The properties of waveguide laser will be investigated. The research of the project will provide experimental and theoretical references for the further development of FLI technology. This project will fill the blank space in the area of visible waveguide lasers. In addition, the waveguide structures and waveguide lasers produced in the project will have a broad application prospect in a variety of fields including integrated optics, modern information communication, biomedicine and so on.

飞秒激光写入技术是一种有效的晶体材料微加工技术，能够局部地改变材料折射率，形成光波导结构。基于不同固体激光增益介质的光波导能够将晶体材料的优良光学性能和光波导结构的独特优势充分结合，实现高性能、微型化的波导激光器。可见激光在激光显示、激光成像、生物化学、医药等领域都发挥着重要的作用。本项目利用飞秒激光写入技术在Pr3+和Sm3+掺杂的多种氟化物晶体和氧化物晶体材料中制备光波导结构，并实现连续和脉冲的可见光波导激光输出。项目将探讨飞秒激光对晶体材料的改性作用，揭示其调控规律以及物理机制；系统研究光波导结构的折射率分布、传输特性以及波导中晶体材料的光学特性；深入研究波导激光的各项性能。项目的研究将为飞秒激光写入在光学晶体材料中的进一步研究应用提供实验及理论依据。在填补可见光波导激光领域空白的同时，项目中实现的光波导以及可见光波导激光器在集成光学、现代信息通信、生物医学等领域具有广阔的应用前景。

近年来，飞秒激光微加工技术已经成为能够在大量不同光学材料中直接制备三维的、形态复杂的光波导结构的有效手段，被用于波导激光器、放大器、频率转换器、耦合器等微型器件的制备与集成，这些光波导结构与光波导器件能够满足人们对光学信息处理系统集成化与微型化日益增长的需求。本项目利用飞秒激光微加工技术对Pr:YLF、Pr:CaF2、Pr:LuAG等多种晶体材料以及玻璃材料进行改性，系统研究了飞秒激光与透明介电材料表面和内部相互作用，阐明了飞秒激光与晶体表面相互作用过程中的累积效应对加工过程的影响，揭示了飞秒激光加工对透明介电材料微观结构的改性及其对材料折射率的调控作用；利用飞秒激光微加工技术上述多种光学材料中，采用不同的参数制备了一系列光波导结构，并对波导的传输模式、传输损耗等性能进行了研究，揭示了加工参数对波导性能的影响作用，获得了具有低损耗、单模传输、无偏振依赖性等优良性能的光波导结构；基于高性能光波导结构实现了多种微型光学元器件，包括可见光波段的波导激光器、波导荧光光源、双波段可调谐波导荧光光源，近红外波段波导激光器、波导分束器、波导涡旋光发生器、波导传感器等。此外，在本项目的资助下，还对离子注入辅助的飞秒激光与晶体表面相互作用展开研究，阐明了离子束和激光对晶体材料微观结构、介电性能等的影响作用，揭示了飞秒激光诱导晶体表面纳米光栅的微观机理；利用离子注入技术结合光刻掩膜技术或金刚石刀精密切割技术，在铌酸锂晶体、铒掺杂亚碲酸盐玻璃等材料上制备性能优良的光波导结构；基于飞秒激光加工Pr:YLF晶体微区荧光光谱调控作用实现了高容量高保密性的五维光信息存储。项目的研究工作进一步阐释了飞秒激光与光学介电材料相互作用，为高性能光波导以及光波导器件的制备提供实验和理论指导，在微型器件、集成光子学、现代信息通信、生物医学、光信息储存、激光显微、激光全息技术等领域都有非常广阔的应用前景。