介電晶體光波導(dǎo)和納米顆粒中的微熒光之非線性效應(yīng).pdf

1、光波導(dǎo)是折射率較高的區(qū)域被折射率較低的區(qū)域包裹的微型結(jié)構(gòu)，可將光限制在微米量級的結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸，從而達到很高的光密度?；诓▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的熒光和非線性效應(yīng)，是實現(xiàn)波導(dǎo)激光、波導(dǎo)倍頻元件等集成光子學(xué)器件的基礎(chǔ)。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上集成多個光學(xué)元件，可以形成的具有整體功能的集成光子芯片，從而實現(xiàn)小型化、穩(wěn)定化和高性能化的光學(xué)系統(tǒng)。作為集成光子學(xué)芯片的最基本單元，光波導(dǎo)的性能直接決定了整個集成器件的性能。因此，研制高性能的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)集成光子學(xué)芯片的基礎(chǔ)，也

2、一直是集成光學(xué)、光電子學(xué)和現(xiàn)代光通訊領(lǐng)域的一個研究熱點。
　　 迄今為止，人們已經(jīng)用多種方法實現(xiàn)了光波導(dǎo)的制備，主要有載能離子束輻照（注入）、飛秒激光寫入、離子交換、金屬離子熱擴散和薄膜沉積等。其中載能離子束輻照和飛秒激光寫入方便、快捷，適用的材料廣泛，引起了人們的廣泛關(guān)注。載能離子束輻照技術(shù)包括離子注入、快重離子輻照和聚焦離子束寫入等。離子注入作為一種成熟的材料表面改性技術(shù)，已經(jīng)在包括光學(xué)晶體、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體及多種聚合物在

3、內(nèi)的100多種光學(xué)材料上成功制備了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的離子注入，離子與材料中的原子發(fā)生碰撞，通過核能量沉積在射程末端形成一個折射率降低的“光位壘”;而在射程內(nèi)，注入離子主要與靶原子中的電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電離，折射率會發(fā)生微小變化。通過這種折射率變化，樣品表面與光位壘之間的區(qū)域就形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。快重離子輻照，采用較重的離子（一般原子序數(shù)大于等于8），能量大于1MeV/amu，依靠電子損傷（單個離子的非晶徑跡或者多個離子的高損傷重疊效應(yīng)）改變襯

4、底材料的折射率，可以在更低的劑量條件下形成有效的波導(dǎo)。聚焦離子束寫入，是通過把離子束尺寸聚焦到微米量級，將聚焦離子束注入到材料中的特定深度，誘導(dǎo)特定位置折射率發(fā)生變化，從而實現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直接寫入。一般采用的寫入離子為質(zhì)子或氦離子。飛秒激光寫入主要是用高光密度的近紅外飛秒激光脈沖，誘導(dǎo)光學(xué)材料發(fā)生雙光子或多光子非線性吸收過程，通過雪崩電離引起材料的結(jié)構(gòu)變化，并引起相應(yīng)的折射率變化，在特定區(qū)域形成光波導(dǎo)。飛秒激光寫入具有快速、清潔等優(yōu)點，空

5、間分辨率極高，而且基片材料的選取不受限制，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于光波導(dǎo)的制備。
　　 由于生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療上的需求，熒光成像技術(shù)在生物成像方面的應(yīng)用迅猛發(fā)展，探究各種功能強大的熒光探針（如半導(dǎo)體納米粒子、熒光蛋白、熒光有機分子等）成為一個重要的課題。鑭系元素摻雜的上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。這些納米顆粒，可以采用近紅外激光進行激發(fā)，吸收多個近紅外光子，發(fā)射可見光子或近紅外光子。重要的是，生物組織對近紅外波段

6、(700-900nm)的光吸收極低，是人體的透明窗口，這樣可用于探測更深層的生物組織情況。與量子點和有機熒光染料相比，上轉(zhuǎn)換熒光納米材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熒光量子產(chǎn)率高、毒性低、信噪比好等特點。此外，紅外激光器小巧緊湊、功率高、價格低廉，為上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒的實際應(yīng)用提供了良好的條件。以上這些優(yōu)點使得上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒在生物成像方面有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文主要研究內(nèi)容為采用載能離子輻照和飛秒激光寫入技術(shù)在多種介電光學(xué)晶體(

7、KTiOPO4、Nd3+∶YAl3(BO3)4、Nd3+∶YVO4、Nd3+∶MgO∶LiNbO3、Yb3+∶Y3Al5O12和Nd3+∶Y2O3）中制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用端面耦合測試波導(dǎo)的光傳輸情況及傳輸損耗，通過熱退火處理來優(yōu)化波導(dǎo);用棱鏡耦合測試光波導(dǎo)的暗模特性，反射計算法（ReflectivityCalculationMethod，RCM）計算平面光波導(dǎo)的折射率分布;根據(jù)折射率分布，用有限差分光束傳播方法(FiniteDiffere

8、nceBeamPropagationMethod，F(xiàn)D-BPM)模擬波導(dǎo)的近場光強分布;用共聚焦顯微鏡研究波導(dǎo)中的微熒光、拉曼和二次諧波等特性的變化，進而分析波導(dǎo)區(qū)的晶格變化，探討波導(dǎo)的形成機理;在自倍頻或倍頻晶體上實現(xiàn)波導(dǎo)中的倍頻效應(yīng)。對CaF2∶Er3+,Yb3+和CaF2∶Tm3+,Yb3+兩種上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒進行比較，分析其實際應(yīng)用前景。主要結(jié)果如下:
　　 磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡稱KTP)是一種性能優(yōu)良的非線

9、性光學(xué)晶體。采用飛秒激光寫入在Ⅱ類相位匹配KTP晶體上制備雙線(double-line)型條形光波導(dǎo)，并實現(xiàn)了波導(dǎo)倍頻效應(yīng)。當脈沖1064nm激光的泵浦峰值功率為1.36kW時，綠光輸出為0.15kW，光的轉(zhuǎn)換效率為～11％。
　　 采用飛秒激光寫入在Ⅱ類相位匹配KTP晶體上制備圓形和六角包層光波導(dǎo)，在1064nm和532nm下均可以形成多模波導(dǎo)。脈沖1064nm激光泵浦下實現(xiàn)了波導(dǎo)中倍頻效應(yīng)，轉(zhuǎn)換效率達45％，這表明形成的包層

10、波導(dǎo)是實現(xiàn)綠光激光器的優(yōu)良結(jié)構(gòu)。
　　 結(jié)合光刻和多能量He離子注入在KTP晶體上制備條形光波導(dǎo)。利用共聚焦顯微鏡分析二次諧波的特性，發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)區(qū)沒有明顯的減弱(～90％)，而在位壘區(qū)卻降低了60％。這說明在波導(dǎo)區(qū)KTP晶體的非線性特性得到很好的保留，離子注入并沒有對其產(chǎn)生很大的影響。
　　 釹摻雜四硼酸鋁釔(Nd3+∶YAl3(BO3)4，簡稱Nd3+∶YAB）晶體是一種光學(xué)性能和機械性能優(yōu)良的自倍頻晶體。我們采用飛秒激

11、光寫入方法在Nd3+∶YAB晶體上制備條形光波導(dǎo)，波導(dǎo)區(qū)的熒光特性和二次諧波特性保留較好，通過808nm激光泵浦成功實現(xiàn)了1064nm的波導(dǎo)激光和532nm的倍頻光。
　　 釹摻雜釩酸釔(Nd3+∶YVO4)晶體是一種性能優(yōu)良的激光晶體，具有吸收系數(shù)大、吸收帶寬、受激發(fā)射截面大、激光閾值低、效率高等特點。采用飛秒激光寫入技術(shù)在Nd3+∶YVO4+KTP膠合晶體上制備條形光波導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在可見光和近紅外波段TE、TM偏振下均可以對光進

12、行限制，形成有效光波導(dǎo)。采用共聚焦顯微鏡分析波導(dǎo)的微熒光和微二次諧波特性，發(fā)現(xiàn)Nd3+∶YVO4晶體的熒光特性和KTP晶體的非線性特性在波導(dǎo)區(qū)得到很好的保留，并未因飛秒激光寫入而降低。這說明得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)自倍頻的潛能。
　　 鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是集電光、聲光、光彈、非線性、光折變和激光活性等物理效應(yīng)于一體的一種光學(xué)晶體，可以實施不同的稀土摻雜。采用離子注入在Nd3+∶MgO∶LiNbO3表面制備光波導(dǎo)，研究波導(dǎo)的

13、熒光特性并分析不同質(zhì)量離子注入對晶格的影響。對于H、C和O離子注入，波導(dǎo)內(nèi)熒光強度基本保持不變。H離子注入后晶格變化集中在位壘區(qū)，核損傷占主導(dǎo);O離子注入后晶格變化集中在波導(dǎo)區(qū)，電子損傷占主導(dǎo);而C離子注入，晶格變化發(fā)生在波導(dǎo)和位壘之間，是電子損傷和核損傷共同作用的結(jié)果。
　　 采用快重Ar4+輻照Nd3+∶MgO∶SLN晶體，利用每個注入離子都會引起晶格非晶化形成平面光波導(dǎo)。微熒光特性、拉曼和二次諧波實驗驗證了非晶化徑跡、損傷

14、和晶格緊縮的存在，這也是折射率發(fā)生變化的原因。
　　 鐿摻雜的釔鋁石榴石(Yb3+∶Y3Al5O12，簡稱Yb3+∶YAG)陶瓷是一種新型的激光介質(zhì)，與YAG晶體相比，具有多種優(yōu)良的特性，如制作工藝簡單、生長周期短、性價比高、可摻雜濃度高等。采用碳離子注入，在Yb3+∶YAG陶瓷上制備條形光波導(dǎo)。共聚焦熒光實驗發(fā)現(xiàn)Yb3+的熒光特性在波導(dǎo)中得到保留，離子注入并沒有引起熒光淬滅，但在波導(dǎo)區(qū)引入了少量缺陷。
　　 釹摻雜的氧

15、化釔(Nd3+∶Y2O3)陶瓷是一種光學(xué)性能優(yōu)良的激光介質(zhì)。采用飛秒激光寫入在Nd3+∶Y2O3陶瓷上制備條形光波導(dǎo)，形成的波導(dǎo)在TE、TM兩個偏振方向都可對光限制。使用共聚焦顯微鏡研究熒光特性，發(fā)現(xiàn)與體材料相比波導(dǎo)區(qū)Nd3+的熒光強度和峰值位置都沒有明顯改變。
　　 鑭系離子摻雜的上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNPs)(如CaF2∶Er3+,Yb3+，CaF2∶Tm3+，Yb3+)在生物成像方面的應(yīng)用正在吸引研究者越來越多的關(guān)注。我們首

16、次嘗試了用兩種CaF2UCNPs對細胞進行表征，結(jié)果顯示兩種UCNPs均可以穩(wěn)定修飾生物分子，對細胞無毒性，生物兼容性好。納米顆粒熱敏性實驗顯示CaF2∶Tm3+，Yb3+，中的熒光強度比值隨溫度的變化要比CaF2∶Er3+，Yb3+小很多，但是CaF2∶Tm3+，Yb3+中整體的熒光強度要大的多，加之其熒光信號在生物組織中的穿透深度大約是CaF2∶Er3+，Yb3+的6倍。綜合考慮，CaF2∶Tm3+，Yb3+是更為理想的生物熒光標記