CN108710172B - 一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用 - Google Patents

一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用，主要包括在YAG晶体中形成银金属纳米粒子光波导结构，以及实现对偏振光的分辨。通过光刻技术在晶体表面形成掩膜，采用能量为100～300keV，剂量为1～10×1016ions/cm2的银离子通过离子注入技术在YAG晶体表面形成银纳米粒子，采用能量为12～16MeV，剂量为2～6×1014ions/cm2的氧离子通过离子注入技术在YAG晶体表面形成光波导结构，清洗掉掩膜，得到基于钇铝石榴石光波导的起偏器；通过端面耦合系统，将偏振光耦合进该起偏器中，实现对偏振光的分辨。本发明利用光刻掩膜技术、银离子与氧离子依次注入后的钇铝石榴石晶体制备起偏器，并结合端面耦合系统实现对偏振光的分辨。

Description

一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用，属于光电子器件制备的技术领域。
背景技术
作为集成光子学器件中基本的组成部分之一，起偏器是指用于从自然光中获取偏振光的光学器件，在实验与工业领域发挥着重要的作用。传统的起偏器制备方法，通常将方解石等双折射晶体作为偏振片，通过复杂的结构组合，构成起偏器的重要组成部分。例如：中国专利文件CN106149055A公开了化合物偏硼酸钠双折射晶体及制备方法和用途，特别是一种用于深紫外-红外波段的分子式为NaBO2的偏硼酸钠双折射晶体。该晶体的化学式为NaBO2，分子量为65.8，属于三方晶系，空间群是Rc，晶胞参数 Z＝4；其透光范围为180-3500nm，双折射率为0.09(3500nm)-0.23(180nm)之间。采用高温熔体法或高温熔液法生长晶体，该晶体硬度适中，易于加工，并且同成分熔融，易于生长，具有较大的双折射率；在光学和通讯领域有重要应用，可用于制作光隔离器、环形器、光束位移器、光学起偏器或光学调制器中的用途。然而，这类的具有各向异性的双折射晶体，限制了起偏器的应用范围，无法与优良的各项同性多功能晶体紧密结合起来，实现光子学器件的集成化。
钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12，或简写为YAG晶体)是一种性能优异的激光晶体，通过掺杂不同的元素，在泵浦光的激发下获得不同波长的激光，被广泛应用于激光领域。其激光阈值低、斜效率高、透光范围广、性能稳定，目前已在工业生产中具有成熟的制备与加工技术。然而，作为各项同性的立方晶体，YAG晶体难以直接作为偏振片应用于起偏器中。因此，以YAG晶体为例，将立方晶体通过技术手段加工改性，代替传统的偏振片应用于起偏器当中，将大大拓展起偏器的功能与应用范围，促进光子学器件的集成化发展。
贵金属纳米颗粒改性介电晶体材料，在近些年来引起了人们的广泛关注。传统的纳米颗粒制备方法，如化学方法，由于只能将纳米颗粒附着在材料表面，已不能满足人们日益增长的对材料性能调控的需求。使用多次离子注入方法将纳米颗粒嵌入基底材料中，并在晶体材料中制备光波导结构，快速实现对光信号的选择与传输的集成化，具有深远的意义。
到目前为止，通过金属纳米颗粒的改性，在基于钇铝石榴石的光波导上实现对偏振光的选择透过性，制备集成化的起偏器，还没有相关的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于钇铝石榴石光波导的起偏器及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下：
基于钇铝石榴石光波导的起偏器，该起偏器是在钇铝石榴石晶体表面通过离子注入依次形成纳米颗粒与光波导。
根据本发明，优选的，所述的纳米颗粒为银纳米颗粒，通过银离子注入形成；
优选的，所述的光波导是通过氧离子注入形成。
根据本发明，优选的，所述的银纳米颗粒的深度为1-200纳米，进一步优选50-150纳米；所述的注入氧离子后形成的光波导的深度为1-10微米，进一步优选3-6微米。
根据本发明，优选的，所述的银纳米颗粒部分在钇铝石榴石晶体表面交替分布，形成银纳米颗粒部分和没有银纳米颗粒部分交替分布的条形阵列结构。
根据本发明，上述基于钇铝石榴石光波导的起偏器的制备方法，包括步骤如下：
(1)以钇铝石榴石晶体为基底，对晶体的六个面进行抛光、清洗，得到抛光面；
(2)通过光刻方法，使用光刻胶在其中一个抛光面上进行掩膜处理，形成条形掩膜，使得掩膜部分和未掩膜部分交替分布；
(3)沿与掩膜面垂直方向呈7°角的方向，注入银离子，注入能量为100-300千电子伏特(keV),注入剂量为(1-10)×1016ions/cm2，形成银纳米颗粒；
(4)以同样方式，向掩膜面注入氧离子，注入能量为10-14兆电子伏特(MeV),剂量为2-6×1014ions/cm2，形成光波导结构，并清洗掉光刻胶，即得基于钇铝石榴石光波导的起偏器。
根据本发明起偏器的制备方法，优选的，步骤(3)中注入离子为银离子，注入能量为200千电子伏特(keV)，注入剂量为5×1016ions/cm2。
根据本发明起偏器的制备方法，优选的，步骤(4)中注入离子为氧离子，注入能量为12兆电子伏特(keV)，注入剂量为4×1014ions/cm2。
根据本发明，上述基于钇铝石榴石光波导的起偏器应用于端面耦合系统中，分辨不同偏振的光。
根据本发明，一种对偏振光分辨的端面耦合系统，包括上述基于钇铝石榴石光波导的起偏器，沿光路顺次连接激光器、半波片、第一光学透镜、基于钇铝石榴石光波导的起偏器、第二光学透镜和功率计。
本发明的对偏振光分辨的端面耦合系统可以测试基于钇铝石榴石光波导的起偏器的光学性能。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
本发明的有益效果：
1、本发明利用银离子与氧离子依次注入后的钇铝石榴石晶体制备起偏器，应用于端面耦合系统中，分辨不同偏振的光。
2、本发明在基于钇铝石榴石光波导的起偏器的制备过程中，选用银离子和氧离子作为注入离子，选择最佳的离子能量和剂量，得到的起偏器效果最佳。
附图说明
图1为本发明的起偏器的制备及应用于分辨偏振光的工艺流程图；
图2通过光刻掩膜处理后，使用离子注入的方法，依次制备纳米颗粒以及光波导结构，得到基于钇铝石榴石光波导的起偏器的制作工艺示意图；
图3用于实现基于钇铝石榴石光波导的起偏器对偏振光的分辨的端面耦合系统主体结构示意图；
图中：1.紫外光，2.光刻胶，3.银离子，4.银纳米颗粒，5.氧离子，6.光波导，7.钇铝石榴石晶体，8.激光器，9.第一光学透镜，10.第二光学透镜，11.功率计，12.起偏器，13.半波片。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1、2所示，基于钇铝石榴石光波导的起偏器的制备方法，包括步骤如下：
(1)以钇铝石榴石晶体7为基底，对该晶体的六个面为进行抛光，用超声清洗仪对抛光后的样品进行超声清洗，并用酒精擦拭，去除抛光表面杂质，得到抛光面；
(2)利用光刻技术，使用光刻胶设计条形阵列光刻板，依次通过甩胶、前烘、曝光、显影、后烘步骤，使得晶体表面形成条形掩膜，使得掩膜部分和未掩膜部分交替分布；
(3)通过离子注入机，沿与掩膜面垂直方向呈7°角的方向，注入银离子，注入能量为200千电子伏特(keV),注入剂量为5×1016ions/cm2，形成银纳米颗粒；
(4)以同样的方法，沿与掩膜面垂直方向呈7°角的方向，向掩膜面注入氧离子，注入能量为12兆电子伏特(MeV),剂量为4×1014ions/cm2，形成光波导结构，并清洗掉光刻胶，即得基于钇铝石榴石光波导的起偏器。
本实施例制得的基于钇铝石榴石光波导的起偏器种银纳米颗粒的深度为100纳米；所述的注入氧离子后形成的光波导的深度为3微米；氧离子部分位于银纳米颗粒部分的正下方。
实施例2
如实施例1所述，不同的是：
改变步骤(3)中银离子注入的能量和剂量：注入能量为100千电子伏特(keV)，注入剂量为10×1016ions/cm2；或注入能量为300keV,注入剂量为1×1016ions/cm2。
实施例3
如实施例1所述，不同的是：
改变步骤(4)中氧离子注入的能量和剂量：注入能量为10MeV，注入剂量为6×1016ions/cm2；或者，注入能量为14MeV，注入剂量为2×1016ions/cm2。
实施例4
使用实施例1制得的基于钇铝石榴石光波导的起偏器组装端面耦合系统，如图3所示，包括沿光路顺次连接的氦氖激光器8、633nm半波片13、第一光学透镜9、基于钇铝石榴石光波导的起偏器12、第二光学透镜10和功率计11。
旋转半波片，改变入射光的偏振态，观察功率计的示数变化，可测试起偏器12的性能。
对比例1
如实施例1所述，不同的是：基底使用氟化钙晶体，并参照实施例4通过端面耦合系统进行测试。
对比例2
如实施例1所述，不同的是：步骤(3)采用金离子进行注入，并参照实施例4通过端面耦合系统进行测试。
对比例3
如实施例1所述，不同的是：步骤(4)采用碳离子进行注入，并参照实施例4通过端面耦合系统进行测试。
试验例
比较实施例1和对比例1-3测得的起偏器的光学性质，如功率等。
实施例1中，TE模式下，功率计无示数，TM模式下，功率计示数达到最大，并在旋转半波片的过程中，示数逐步变化。
而对比例1和对比例2中，TE模式和TM模式下，功率计示数不变，证明没有产生偏振选择的过程。对比例3中，光波导导光性较弱，不能良好导光，因此也未能测到良好的偏振选择效果。
因此，本发明对注入基底材料、离子种类进行选择，对注入工艺进行优化，最终将钇铝石榴石晶体成功制备成起偏器，能具备优良的光学性能。

Claims (8)

1.基于钇铝石榴石光波导的起偏器，其特征在于，该起偏器是在钇铝石榴石晶体表面通过离子注入依次形成纳米颗粒与光波导；
所述的纳米颗粒为银纳米颗粒，通过银离子注入形成；所述的光波导是通过氧离子注入形成；
银纳米颗粒位于光波导的上方，具有银纳米颗粒和光波导的条形结构与没有银纳米颗粒和光波导的钇铝石榴石晶体条形结构在钇铝石榴石晶体表面交替分布，形成具有银纳米颗粒和光波导的条形结构与没有银纳米颗粒和光波导的钇铝石榴石晶体条形结构交替分布的条形阵列结构。
2.根据权利要求1所述的基于钇铝石榴石光波导的起偏器，其特征在于，所述的银纳米颗粒的深度为1-200纳米，所述的注入氧离子后形成的光波导的深度为1-10微米。
3.根据权利要求1所述的基于钇铝石榴石光波导的起偏器，其特征在于，所述的银纳米颗粒的深度为50-150纳米，所述的注入氧离子后形成的光波导的深度为3-6微米。
4.权利要求1-3任一项所述的基于钇铝石榴石光波导的起偏器的制备方法，包括步骤如下：
以钇铝石榴石晶体为基底，对晶体的六个面进行抛光、清洗，得到抛光面；
通过光刻方法，使用光刻胶在其中一个抛光面上进行掩膜处理，形成条形掩膜，使得掩膜部分和未掩膜部分交替分布；
沿与掩膜面垂直方向呈7°角的方向，注入银离子，注入能量为100-300千电子伏特（keV）,注入剂量为(1-10)×1016ions/cm2，形成银纳米颗粒；
以同样方式，向掩膜面注入氧离子，注入能量为10-14兆电子伏特（MeV）,剂量为2-6×1014ions/cm2，形成光波导结构，并清洗掉光刻胶，即得基于钇铝石榴石光波导的起偏器。
5.根据权利要求4所述的起偏器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中注入离子为银离子，注入能量为200千电子伏特（keV），注入剂量为5×1016ions/cm2。
6.根据权利要求4所述的起偏器的制备方法，其特征在于，步骤（4）中注入离子为氧离子，注入能量为12兆电子伏特（keV），注入剂量为4×1014ions/cm2。
7.权利要求1-3任一项所述的基于钇铝石榴石光波导的起偏器应用于端面耦合系统中，分辨不同偏振的光。
8.一种对偏振光分辨的端面耦合系统，包括权利要求1-3任一项所述的基于钇铝石榴石光波导的起偏器，其特征在于，沿光路顺次连接激光器、半波片、第一光学透镜、基于钇铝石榴石光波导的起偏器、第二光学透镜和功率计。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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