CN109468683A - 一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，包括：a)计算得到He离子的能量和剂量；b)按计算得到He离子的能量和剂量对石榴石晶体进行辐照，损伤层将石榴石晶体分割成上端的表面层和下端的衬底层；c)将辐射后的石榴石晶体与衬底材料清洗干净；d)将石榴石晶体的衬底层与衬底材料固定并相互挤压在一起；e)将固定的石榴石晶体与衬底材料进行退火处理得到石榴石晶体薄膜。利用He离子辐照结合bonding技术制成的石榴石晶体薄膜，其质量高，同时实现了衬底材料的自由选择。

Description

一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件制造技术领域，具体涉及一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法。
背景技术
石榴石晶体是重要的固体激光器的基质晶体，作为高功率激光材料已形成一个庞大的系列，主要包括：钇铝石榴石(Y3Al5O12，YAG)晶体，钇镓石榴石(Y3Ga5O12，YGG)晶体，钆镓石榴石（Gd3Ga5O12，GGG）等。作为重要的激光晶体稀土掺杂石榴石晶体，得到了广泛的研究，最具代表性也是研究最多的为YAG晶体，目前Nd:YAG激光器已经实现商用。在可调谐激光晶体中，掺铬镱钬钇铝镓石榴石（Cr，Yb，Ho：YAGG），其波长在2.84～3.05μm之间连续可调。据统计，世界上用的导弹红外寻弹头大部分是采用3-5μm的中波红外探测器，因此研制Cr，Yb，Ho：YSGG激光器，可对中红外制导武器对抗提供有效干扰，具有重要的军事意义。
石榴石晶体薄膜结构因其可以限制光波在更小范围内传输有极其重要的研究价值，现存的薄膜制备方法主要是利用薄膜沉积的方法[1]，光波导是集成光学领域的基本单元，在低折射率的衬底上沉积其他高折射率的晶体材料可以制备光波导，但是由于薄膜沉积过程中晶体和衬底间的晶格失配使得沉积层的晶体性能不好，而且可能无法保持单晶的某些光学性能。
波导激光器已经成为集成光学中的一种重要有源光学元件。波导激光是基于波导结构的微型激光器。它使用各种微加工技术在激光介质中制备波导结构，利用波导作为波导激光的谐振腔，将泵浦光耦合到波导中，在波导增益介质中产生激光振荡。波导激光的特点在于，（1）它很容易实现粒子数反转，特别是对发射波长有重吸收的介质，例如三能级激光系统；（2）波导本身就具有很大的横纵比，散热面积大，因此波导激光不容易受到热效应的影响；（3）它结构简单体积小，受环境影响微弱稳定性高，它的最大特点在于，泵浦阈值比体材料低很多[2]。根据文献报道，波导激光的泵浦阈值可以降至几个毫瓦。与一般的激光器相比较，其更有利于各种光器件的集成；与一般的集成光学器件相比，波导激光应用范围更广，它可以与其它光学器件结合使用，制备多功能的集成光学器件，也可以单独作为激光器使用。
现存的制备石榴石晶体薄膜的方法，主要为沉积和溅射，制备非晶薄膜具备技术成熟等优势，但是无法制备高质量的晶体薄膜；分子束外延方法可以制备质量较高的晶体薄膜，但是对于衬底要求比较严格，需要晶格匹配，无法自由选择衬底。Shimoda等人发表的文章（Opti. Commun. 194, 2001, 175-179）介绍了一种用脉冲激光沉积方法制备Yb掺杂YAG晶体薄膜的方法，此方法对衬底的要求极为苛刻，该文章中选用的衬底为为掺杂的YAG晶体，晶格常数几乎完美匹配，无法自由选择衬底。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，该方法对衬底材料的晶格匹配程度没有要求，可以在低折射率玻璃或激光器衬底上制备石榴石晶体的薄膜结构，基于此也可以得到具有高折射率差的波导结构。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，包括：
a)将石榴石晶体的表面进行抛光清洗，利用SRIM软件计算He离子在石榴石晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，计算得到He离子的能量和剂量；
b)按计算得到He离子的能量和剂量对石榴石晶体进行辐照，He离子进入石榴石晶体内并停留在射程末端，He离子在射程末端沉积在石榴石晶体内部形成损伤层，损伤层将石榴石晶体分割成上端的表面层和下端的衬底层；
c)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料清洗干净；
d)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料固定并相互挤压在一起；
e)将固定的石榴石晶体与衬底材料进行退火处理，利用退火过程中的热膨胀使石榴石晶体内部的损伤层断裂，石榴石晶体的表面层为石榴石晶体薄膜，损伤层断裂后石榴石晶体薄膜转移到衬底材料上。
进一步的，步骤a)中的石榴石晶体材料为钇铝石榴石或钇镓石榴石或钆镓石榴石
进一步的，步骤c)中衬底材料为低折射率玻璃或 或激光器衬底。
本发明的有益效果是：利用He离子辐照结合bonding技术制成的石榴石晶体薄膜，其质量高，同时实现了衬底材料的自由选择。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，包括：
a)将石榴石晶体的表面进行抛光清洗，利用离子与固体相互作用的软件SRIM软件计算He离子在石榴石晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，计算得到He离子的能量和剂量。
b)按计算得到He离子的能量和剂量对石榴石晶体进行辐照，He离子进入石榴石晶体内并停留在射程末端。一方面因为He离子质量较轻，He离子穿过石榴石晶体时不会在石榴石晶体表面区域造成较大的晶格缺陷，另一方面通过计算得到的较大计量的He离子聚集容易形成He泡，因此会在He离子在射程末端沉积在石榴石晶体内部形成损伤层，损伤层将石榴石晶体分割成上端的表面层和下端的衬底层，使辐照后形成完美保留石榴石晶体结构的表面层和衬底层。
c)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料清洗干净，此过程只是清洗即可，不需烘干，保证石榴石晶体和衬底材料表面形成一层亲水性的薄膜（-OH）。
d)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料固定并相互挤压在一起；
e)将固定的石榴石晶体与衬底材料进行退火处理，利用退火过程中物质的热胀冷缩原理和化学键的作用把石榴石晶体单晶薄膜bonding到低折射率的衬底材料上，即热膨胀使石榴石晶体内部的损伤层断裂，石榴石晶体的表面层为石榴石晶体薄膜，损伤层断裂后石榴石晶体薄膜转移到衬底材料上。
利用He离子辐照结合bonding技术制成的石榴石晶体薄膜，其质量高，同时实现了衬底材料的自由选择。
优选的，步骤a)中的石榴石晶体材料为钇铝石榴石（Y3Al5O12，YAG）或钇镓石榴石（Y3Ga5O12，YGG）或钆镓石榴石（Gd3Ga5O12，GGG）。
优选的，步骤c)中衬底材料为低折射率玻璃或 或激光器衬底。

Claims (3)

1.一种基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
a)将石榴石晶体的表面进行抛光清洗，利用SRIM软件计算He离子在石榴石晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，计算得到He离子的能量和剂量；
b)按计算得到He离子的能量和剂量对石榴石晶体进行辐照，He离子进入石榴石晶体内并停留在射程末端，He离子在射程末端沉积在石榴石晶体内部形成损伤层，损伤层将石榴石晶体分割成上端的表面层和下端的衬底层；
c)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料清洗干净；
d)将辐照后的石榴石晶体与衬底材料固定并相互挤压在一起；
e)将固定的石榴石晶体与衬底材料进行退火处理，利用退火过程中的热膨胀使石榴石晶体内部的损伤层断裂，石榴石晶体的表面层为石榴石晶体薄膜，损伤层断裂后石榴石晶体薄膜转移到衬底材料上。
2.根据权利要求1所述的基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，其特征在于：步骤a)中的石榴石晶体材料为钇铝石榴石或钇镓石榴石或钆镓石榴石。
3.根据权利要求1所述的基于He离子辐照的石榴石晶体薄膜的制备方法，其特征在于：步骤c)中衬底材料为低折射率玻璃或 或激光器衬底。
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