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中红外4 μm波长下MgF2晶体脊形光波导的制备及特性研究.docx
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中红外4 μm波长下MgF2晶体脊形光波导的制备及特性研究.docx
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0. 引 言
红外波段根据波长的不同可以分为近红外、中红外和远红外,中红外波段最适宜进行
红外光谱的测量和分析。中红外光谱技术是一种十分方便快捷且无损伤的定性定量分析方
法,广泛应用于生物技术、医药卫生及各种新型材料的研发过程。中红外波段不仅可以应
用于多种物质的分析与鉴定,同时在激光制导、多种复杂环境探测领域也有十分广泛的应
用
[1-3]
。氟化镁(MgF
2
)晶体具有优良的光学和热机械性能,优异的偏振性,可以用于制作
偏光元件。MgF
2
晶体透射窗口覆盖了大多数气体的中红外吸收带,是现有红外材料中自身
透过率最高的,在 2 mm 厚度时对中红外波段的光束透过率可达 90%以上,且具有较高的
耐用性,是制造棱镜和透镜的理想窗口材料,广泛应用于红外激光制导及光电雷达等红外
跟踪、探测系统中
[4-5]
。集成光学是运用光学理论知识,将各种微型光学元件微型化集成在
同一衬底上来实现复杂功能的新型学科。集成光学器件具有体积小、功能齐全、性能稳
定、易于与其他设备相结合的优点,且效率高、功耗低、使用方便、成本低
[6-7]
。光波导是
集成光学中的基本元件,波导传输性能会直接影响集成光学系统的性能。光波导作为集成
光学的基本元件,是由折射率较低的区域包裹折射率较高的区域构成的,利用光在折射率
不同的两种物质界面上的全反射原理,将光波限制在微米量级的微小结构内传输并且达到
较高的光密度
[8]
。当前,常见的光波导的制备方法有飞秒激光直写、载能离子束辐照、分
子束外延与脉冲激光沉积等
[9-15]
。载能离子辐照技术是利用高速离子辐照衬底材料,高速离
子与衬底材料中的电子与原子核发生碰撞,造成电子损伤和核能量损伤,从而改变衬底材
料表面的折射率使其满足全光学全反射原理形成光波导结构
[16-17]
。相比于其他波导制造方
法,载能离子辐照技术不受温度限制,已成功在多种材料制备出光波导结构。笔者采用了
离子辐照表面改性技术制备平面波导结构,然后采用金刚石刀切割的精密加工技术在平面
波导结构上切割出脊形光波导,研究 MgF
2
晶体脊形光波导在中红外 4 µm 波长下的折射率
分布、近场模式及传输损耗等特性,并利用拉曼光谱来研究离子辐照对 MgF
2
晶体的晶格
损伤情况。
1. 实验过程
1.1 波导制备
首先,准备了一块 z 切向的六个表面都进行抛光处理的(10 mm×10 mm×2 mm)
MgF
2
晶体。然后,利用串列加速器(中国科学院半导体研究所),采用快重离子辐照技术
将能量为 25 MeV、剂量为 2×10
11
ion/cm
2
的 C
5+
离子辐照到晶体表面(10 mm×2 mm),离子
束密度控制在 10~30 nA/cm
2
来避免热效应和电荷效应,同时将入射离子束角度设定为 7°来
降低沟道效应,如图 1(a)所示。随后,使用精密金刚石刀划片机 AR3000(江苏京创先
进电子科技有限公司)对制备的样品进行微加工。将划片机的主轴旋转速度设定为 30000
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