随着5G技术的投入使用,通信领域已经成为二十一世纪以来发展最快的行业,集成光学作为研究光通信技术的综合学科一直以来被广泛关注。光波导是集成光学的基础元件之一,它是一种低折射率包裹高折射率核心的结构,利用光学全反射原理使光集中在微米量级的通道中传输。利用光波导这一基础结构,许多集成光子学器件得以实现,例如:分束器、光调制器、光放大器、定向耦合器等等。飞秒激光直写技术是如今制备光波导的主要方式之一,它是通过物镜将激光直接聚焦到体材料表面以下,移动材料下面的位移台使激光在样品内部完成扫描。聚焦的飞秒激光会使材料发生改性,通常产生永久性的折射率变化形成光波导结构。飞秒激光具有超短的脉冲宽度和极高的峰值功率,这种超短的脉冲使激光与材料的相互作用时间变得非常短,降低了热量扩散的效果达到“冷加工”,并且极高的峰值功率使激光在与材料相互作用时发生非线性的多光子吸收,突破衍射极限从而提高空间分辨率,实现对材料的亚微米、微米,甚至纳米级别的局域加工。此外,飞秒激光加工材料的光损伤阈值与材料自身的带隙宽度相关性较小,因此它可以对大部分透明电介质材料进行加工,包括有机聚合物、玻璃、晶体等等。最重要的是飞秒激光可以通过改变激光与材料的相对位置进行三维加工,这对高集成度光子学器件的制造有重要应用价值。玻璃是飞秒激光直写光波导最早尝试并成功的体材料,一直以来都是被广泛关注并研究。本文中使用的材料是BK7玻璃,它是一种软化点低,膨胀系数高,并且在可见光区域和近红外区域有很高透过率的低成本硼硅酸盐玻璃,通常被用来制备光学镜片。有一些研究人员已经通过飞秒激光直写的方法在BK7玻璃中制备出了低损耗波导,并且利用低损耗的光波导实现了三维Y分支结构。拉曼光谱作为一种无损伤的表征技术经常被用来研究飞秒激光辐照区域的改性原因。通常使用单色光对目标区域进行扫描,收集非弹性的散射光来分析原子或分子的振动及转动信息,从光谱上来看,我们对比观察改性区域和体材料未改性区域的拉曼特征峰强度、峰位置、峰宽度等信息来分析改性区域的结构变化。在玻璃材料中,有一些折射率变化的原因已经被发现,包括形成缺陷、键断裂再重组、致密化、离子交换等等,种种原因都是推测,因为其中的非线性相互作用是复杂的,很有可能是多种机制相结合的结果。定向耦合器是一种利用倏逝波耦合原理制备的光子学器件,如今作为基础元件大量应用于量子光学研究中。优良性能的定向耦合器对于结构参数的要求非常精准,因此飞秒激光直写制备定向耦合器是一种非常适合的方法。编写位移台的运行程序可以制备具有不同耦合间隔和相互作用距离的定向耦合器,通过改变两个通道相互作用距离,理论上可以实现任意比例分光效果。本论文的主要工作包括:使用1030 nm和515 nm两种波长的飞秒激光对BK7玻璃进行加工,通过分析高分辨率的微拉曼光谱对改性区域折射率变化的原因进行研究;分析了不同加工参数的飞秒激光对波导性能的影响,并制备出了低损耗的光波导;基于制备的低损耗光波导组成了定向耦合器结构,通过改变相互作用距离得到了不同分光比例的定向耦合器。本论文的主要研究工作及结果总结如下:本论文中使用的材料是BK7玻璃,利用1030nm和515nm两种波长的飞秒激光进行加工。经过1030 nm飞秒激光辐照的BK7样品出现了光波导结构,使用显微拉曼光谱采集系统对改性区域进行扫描,发现低波数特征峰在经过1030 nm飞秒激光辐照的区域有明显增强,说明该区域发生了重结晶现象,并且拉曼光谱的主峰在该区域发生红移,意味着经过飞秒激光辐照的损伤区域发生了膨胀,自聚焦引起的上下两处损伤区域同时膨胀对中间产生了挤压,这使得中间区域发生了致密化,根据弹光效应致密化通常会诱导折射率升高,因此形成了光波导结构。除此之外同样对515 nm飞秒激光辐照的样品进行了研究,发现515 nm飞秒激光会造成更严重的损伤。随后对1030nm飞秒激光加工的波导结构进行参数优化,通过改变脉冲能量和扫描速度研究了这两个实验参数对波导制备的影响,在脉冲能量为395 nJ,扫描速度为0.7 mm/s时制备出了传输损耗为0.96 dB/cm的低损耗光波导。最后基于低损耗光波导制备了定向耦合器,通过改变定向耦合器的相互作用距离实现了不同比例的分光,并将耦合比率随相互作用距离的变化进行拟合,所得到的拟合曲线与理论相吻合。