飞秒激光写入钛宝石晶体光波导的制备、特性及应用研究

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. Benefiting from the small volumes of the waveguide structures, the functional guiding devices with compact geometry may be manufactured. Ti:Sapphire crystal has excellent optical properties, combining with broadest tunability range among other materials. In this project, we will fabricate various waveguide structures in Ti:Sapphire crystals by using FLI in order to achieve waveguide luminescence and waveguide laser. 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 luminescence and waveguide laser will be investigated. The research of the project will provide experimental and theoretical references for the further development of FLI technology. In addition, the waveguide structures and guiding devices 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，进而实现微型化、多功能的光波导器件。钛宝石晶体具有优良的光学性质，是迄今为止调谐范围最宽的固体激光介质材料。本项目利用飞秒激光写入技术在钛宝石晶体中制备多种类型的光波导结构，并实现波导荧光、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；深入研究波导荧光、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。项目中实现的光波导以及相应的波导荧光、波导激光器件在集成光学、现代信息通信、生物医学等领域具有非常广阔的应用前景。

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，进而实现微型化、多功能的光波导器件。钛宝石晶体具有优良的光学性质，是迄今为止调谐范围最宽的固体激光介质材料。本项目利用飞秒激光写入技术在钛宝石晶体中制备多种类型的光波导结构，包括类光学晶格结构的光波导，圆柱形包层光波导以及基于矩形包层结构的Y型光波导。项目探讨了飞秒激光对钛宝石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；项目对上述光波导的应用进行了研究：对类光学晶格结构光波导作为激光分束器的性能进行研究，有效地实现二维的1-2和三维的1-4的激光分束；对圆柱形包层光波导作为波导荧光器件的应用进行了研究，获得了宽频带的高性能的荧光输出；对Y型光波导为激光分束器的性能进行研究，同样实现了高性能的1-2的激光分束。上述光波导以及相应的波导器件在微型器件、集成光学、现代信息通信、生物医学等领域具有非常广阔的应用前景。同时也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。此外，在本项目的基础上，还开展了与本项目相关的一些科研工作，取得了一定的成果：在Nd:Bi12SiO20晶体中制备了高质量的平面光波导并研究了波导的性能；利用周期极化钽酸锂光学超晶格产生了飞秒超连续光谱与切伦科夫锥并对其性质进行研究；利用飞秒激光写入技术在制备双掺氟化钙晶体以及镨离子掺杂晶体光波导并获得了波导激光、上转换荧光的输出；利用飞秒激光写入技术在晶体中制备纳米光栅，并对其性能进行研究。在本项目的资助下，发表SCI收录学术论文6篇，另有1篇在投文章，1篇正在撰写文章，已申请专利3项。课题组人员多次进行国内外学术交流，参加学术会议3次，培养研究生2名，完成了本项目的研究计划。