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集成光学在现代光通信和光信息处理应用中起着关键作用,而光学材料异质结构是集成光学系统的重要组成部分。光学晶体异质结构是将不同性质的光学单晶结合在一起,从而实现单一晶体无法实现的特殊性能,在小型和微型光学异质结构中二维光波导结构是形成异质结构的先驱条件。在获得高性能二维光学晶体薄膜的方法中离子注入或智能切割(smart cutting)方法具有独特的优势,两种工艺中的核心技术都是离子注入。然而这些方法在光学晶体上的应用还存在很多困难和挑战,对注入过程中材料物理性质的研究和认识的缺乏是限制这些方法应用的主要原因,其中研究注入引起的缺陷和损伤的性质是至关重要的。我们通过研究离子注入在不同光学晶体中产生的晶格缺陷和损伤性质,明确光学晶体中缺陷和损伤的性质对光波导结构形成的影响,揭示实现晶片剥离的物理过程,阐明注入产生的缺陷微结构随晶体结构和实验条件变化的演变规律,建立利用控制离子注入和后处理实验条件获得光波导和光学单晶薄膜的方法,为离子注入在光学晶体材料上形成光波导和实现剥离晶片提供理论和实验依据。本论文的研究内容可概括为物理机制和薄膜制备两个方面：物理机制是指我们前期对离子注入掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO4)和磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4,KTP)后产生的晶格损伤特性以及光波导结构的形成机理的研究,从而推断实现材料薄膜剥离的条件和可能性；而薄膜制备是指运用离子注入、绑定和退火等一系列操作后实现材料薄膜剥离。基于前期对物理机制大量的研究结果,我们成功实现了磷酸钛氧钾的薄膜剥离,所以物理机制研究是这篇论文的主要内容。本论文研究的主要内容与结果如下：●低能He离子注入Nd:YVO4晶体中产生的晶格损伤分析。我们将200keV能量的He离子在1×1016,2×1016和4×1016ions/cm2剂量条件下室温注入到Nd:YVO4晶体中,研究注入产生晶格损伤特性。He离子注入深度大约为0.85微米。通过卢瑟福背散射沟道技术(RBS/Channeling)测量晶格损伤分布。在这些注入条件下的He离子产生的晶格损伤率较低,说明Nd:YVO4晶体对He离子有较高的抗损伤能力。以及He离子注入过程中发生了动态退火过程。所有注入样品在200度和300度各退火一小时,退火200度后样品损伤峰的宽度和高度都相应减小,而退火300度后受损的晶格得到了修复。通过测量注入样品的光致发光谱观察离子注入对样品的光学特性的影响。通过光学显微镜和原子力显微镜观察样品的表面形貌。●重离子注入Nd:YVO4晶体产生的辐射效应,包括：低能Si离子注入Nd:YVO4晶体产生的晶格损伤与光波导结构形成的关系；和高能重离子注入Nd:YVO4晶体的辐射损伤分析。我们将500keV能量的Si离子在不同剂量条件下注入到Nd:YVO4晶体中,研究分析产生的晶格损伤随退火过程的演变。用RBS/Channeling方法测量Si离子注入产生的晶格损伤分布。对所有注入样品进行250度-400度的退火处理,从而分析晶格损伤与波导结构形成的关系。当注入离子剂量大于5×1014ions/cm2时,会在样品近表面区域会产生明显的晶格损伤,且受损的晶格结构在400度温度退火后也无法修复。这种相对稳定的晶格损伤是光波导结构形成的关键。而Si离子注入在样品表面区域产生的双折射率会聚现象是由注入离子的核能量损失引起的。我们对MeV能量的重离子注入到Nd:YVO4晶体中产生的晶格损伤做了深入研究。用RBS/Channeling方法测量MeV能量Si离子注入晶体中产生的晶格损伤分布。晶格损伤动力学的分析说明,与轻离子注入不同重离子在高能(MeV)注入条件下所产生的电子能量损失对晶体表面损伤的影响不容忽视。而晶格损伤又直接决定了注入后光学晶体的折射率,因此能够分析和确定电子能量损失和核能量损失分别对晶格损伤的贡献,对确定离子注入光波导的折射率分布至关重要。1MeV和3MeV能量Si离子注入产生的不同晶格损伤说明了Nd:YVO4晶体中电子能量损失阈值的存在。通过对3MeV能量O离子,F离子和Si离子注入结果的分析,我们第一次精确计算出电子能量损失阈值是(1.7±0.1)keV/nm.●离子注入Nd:YVO4晶体的光波导折射率模型：折射率改变和晶格损伤的关系。建立了一个关于离子注入Nd:YVO4的光波导中折射率改变的理论模型,可以帮助我们深入了解折射率与注入参数的关系。离子注入产生的晶格损伤是引起折射率改变的主要因素。晶体注入区域中寻常光折射率的增加导致了光波导结构的形成。理论模型得出的结果与我们500keV能量的Si离子和keV能量的He离子注入得到的实验结果一致。●He离子注入KTP晶体中产生的晶格结构变化对薄膜剥离的影响我们通过观察He离子注入KTP晶体中产生的晶格结构变化进而分析用离子注入方法实现KTP薄膜剥离的可能性。用RBS/Channeling,透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)方法测量200keV能量的He离子注入引起的晶格结构随退火过程的变化。我们在晶体注入区域观察到了晶格错位,He离子聚集成的气泡和小块,以及裂纹,这些都为薄膜剥离提供重要条件。●用SAXS和TEM方法测量快重离子注入KTP形成的离子轨迹。185MeV和2.2GeV能量的Au离子沿着KTP晶体的X晶轴和Z晶轴方向注入进样品中。用小角度X射线散射(SAXS),透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)方法测量注入的快重离子轨迹形貌。SAXS测出圆柱状的离子轨迹与周围晶格结构的密度差是1±0.5%。离子轨迹的尺寸与KTP晶体的晶轴方向有关,沿X晶轴方向的离子轨迹半径是6nm,而沿Z轴方向的轨迹半径是6.3nm。TEM对轨迹的观察结果表明非晶结构的离子轨迹包围在有序的晶格结构中,且测得的轨迹尺寸与SAXS结果一致。AFM测得样品表面布满了对应于离子轨迹的凸起,证实非晶结构的离子轨迹的密度要低于周围有序晶格结构的密度。通过thermal-Spike理论模型模拟的离子轨迹尺寸结果与实验结果一致,从而解释了快重离子注入KTP晶体中离子轨迹的形成机理。●H离子注入KTP晶体中的薄膜剥离现象分析117keV能量的H离子在6×16ions/cm2的剂量条件下注入到x-cut和z-cut的KTP晶体中,会产生薄膜剥离现象。我们用扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM)和光学显微镜(OM)对剥离下的薄膜形貌和特性做了测量观察。对注入样品进行退火处理,观察表明的剥离现象随退火过程的演变。