光波导是利用光的全反射原理将光波限制在高折射率的区域中传播的光传输通道结构。作为集成光子学的基本元件,光波导的一个重要特性是可以将光波限制在微米量级的结构中传输,可以使光波达到很高的光密度,有利于光波导器件的集成化。因此,性能优良的光波导结构,在集成光子学和光通信领域有着广泛的应用前景。载能离子辐照技术作为一种高效方法,近年来被广泛应用于光波导结构的制备。本文中我们用到的载能离子辐照技术包括离子注入和快重离子辐照。离子注入技术已经被广泛应用于近百种的光学材料表面改性,通过在材料表面上引入损伤、缺陷,诱导特定区域的折射率发生变化,以达到制备波导结构的目的。本文中我们主要利用中等质量的离子(C和O等)注入光学材料,如光学晶体和硫系玻璃等来制备波导结构。作为一种载能离子辐照技术,快重离子辐照特定的光学材料在较低辐照剂量下就可以形成波导结构,极大的降低了离子辐照的时间；不同于低能离子注入,在快重离子辐照区域内,电子能量损失起了主要的作用,从而导致光学材料折射率的改变。本文中涉及到的光学材料主要分两大类：性能优良的光学晶体材料(如氟化物晶体-氟化镁与氟化锂晶体,双折射晶体铌酸钙钡,钕掺杂钒酸钇晶体,钕掺杂锶钆镓氧晶体等)以及红外通信波段透光性能良好的组分不同的硫系玻璃材料。由于不同光学材料本身的一些特性,载能离子辐照会对光学材料折射率值造成不同的改变,形成不同机制折射率分布的波导结构。因而合理的调控离子辐照条件有可能形成结构更加复杂的波导器件,并具备更多的性能,更加有利于集成化。本文主要的工作内容是利用载能离子辐照技术在一些光学晶体材料和硫系玻璃材料上制备光波导结构,以及波导特性的研究。波导特性主要包含波导模式的有效折射率、折射率分布、模式的场强分布以及光波导的传输损耗等。本论文中用于表征波导特性的方法分为两种：实验方法和理论模拟方法。实验方法包括：端面耦合法用于测试光波导结构在可见和红外波段的光传输情况,并结合背散射(Back-Reflection)法测试计算平面光波导结构中光的传输损耗；利用棱镜耦合技术测试在633 nm和1539nm波长下离子辐照光学材料的暗模特性曲线；适当条件的退火处理可以优化波导特性,并且可以用于研究光波导结构的热稳定性。为了研究离子辐照对光学材料本身性质的影响,我们采用了聚焦微拉曼光谱、吸收谱等谱线测试的方法表征离子辐照前后光学材料的损伤特性,以及聚焦微荧光光谱研究表征一些稀土离子掺杂晶体材料的荧光特性在离子辐照前后的变化。理论模拟方法包括：基于Monte-Karlo的SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)软件模拟离子辐照光学材料过程中离子的射程、分布、离散、电子能量和核能量损失分布等,并且可以为载能离子辐照条件的制定提供参考；反射计算方法RCM(Reflectivity Calculation Method)重构光波导结构中的折射率分布；利用有限差分光束传输方法FD-BPM(Finite Difference Beam Propagation Method)模拟光波导的模式场强分布,其结果与端面耦合实验测得的近场光强分布结果进行比较,从而验证模拟过程的合理性以及重构折射率分布的准确性。氟化镁(MgF2)晶体的空间晶格属于四方晶系,属于Ⅱ-Ⅶ化合物金红石型结构,其晶格常数a=0.466 nm, c=0.308 nm,解理面平行于a轴或c轴。密度为3.177g/cm3,熔点1255℃。由于其优良的机械性能和物理性能,如低溶解度、抗机械和热冲击性,氟化镁被广泛用于光学棱镜、光学窗口和相关光学系统。氟化镁晶体有着较宽的透光波段(0.11-7.5μm)和双折射性,是用作制备优良光学偏振器件的理想材料。我们利用能量为6.0 MeV剂量为1.0×10 15 ions/cm2的碳离子在室温条件下注入MgF2晶体制备了单模的低损耗波导结构。实验测得这种波导结构只能传播一个主模式TEo,这正好满足波导传输理论中单模式传播的条件。样品经过适当的退火处理后测得较低的传输损耗,仅为0.4 dB/cm。单模波导相比于多模波导更易于利用电光效应、声光效应、热光效应等原理实现光的调制。这种单模式低损耗波导传输在光纤通信有着重要的应用价值。氟化锂(LiF)晶体的空间晶格结构属于立方晶系,晶体密度为2.635 g/cm3,熔点845℃,解离面为(100)面,晶格常数a=0.402 nm,莫氏硬度为3。LiF晶体是一种优良的光学材料,具有较宽的透射波段(0.11-6.6μm)和较高的光波透过率。LiF晶体常被用作红外激光、红外夜视仪的窗口材料。LiF晶体还是电子探针、荧光分析仪和大型光学仪器中不可缺少的分光晶体元件。我们利用6.0MeV的碳离子在多种剂量条件注入LiF晶体,端面耦合实验表明较大剂量5.0×1015 ions/cm2条件下可以形成有效的光波导结构,在可见光和近红外波段都可以很好的限制光的传输。我们利用SRIM软件模拟计算发现,在较大剂量5.0×1015ions/cm2离子辐照时在射程末端造成了足够大的损伤比。因此我们可以推断,在射程末端较大的晶格损伤造成的低折射率值的位垒层是波导可以很好限制光传输的重要原因。铌酸钙钡Ca0.4Ba0.6Nb2O6(CBN-40)晶体密度为5.281 g/cm3,点群4mm,空间群P4bm,负单轴晶。铌酸钙钡具有钨青铜结构的化合物是优良的弛豫型铁电体,作为四方钨青铜结构的一种,铌酸盐晶体具有优良的压电、电光和非线性光学性质但是居里点比较低,这就限制了其在较高温度下的广泛应用。铌酸钙钡晶体CBN-40是新研究的一种钨青铜铌酸盐晶体且研究发现CBN-40的居里点为180℃。我们利用5.0 MeV的碳离子在1.0×1015 ions/cm2剂量在室温条件下注入CBN-40晶体形成平面光波导结构。该波导的异常光折射率分布是典型的“势阱”+“位垒”型的分布。在对应的TM偏振模式下,可以很好的限制可见光633 nm和近红外波段1300 nm的光波传输。我们利用端面耦合的装置得到了波导的在633 nm波长激光下的传输损耗,为0.88 dB/cm。卢瑟福背散射／沟道分析(RBS/channeling)实验结果表明,在离子注入的近表面区域离子辐照未对晶格结构造成明显的损伤。锶钆镓氧晶体SrGdGa3O7(SGG)具有黄长石结构,属于四方晶系,正单轴晶,密度为5.2g/cm3。双折射性比较小,在633 nm波长下ne=1.8407, no=1.8309。晶胞参数a=1.0806 nm,c=0.534 nm。SrGdGa3O7晶体是性能优良的激光载体材料,我们利用Nd离子掺杂的SrGdGa3O7晶体制备光波导结构。利用双能氧离子注入和光刻掩膜技术相结合在Nd:SGG晶体制备了平面和条形光波导结构。注入氧离子的能量为(6.0+5.5)MeV的氧离子,对应的注入剂量分别为(5.0+3.0)×1014 ions/cm2,条形波导宽度为7.0μm。我们利用端面耦合实验测得结果表明双能氧离子注入Nd：SGG晶体平面和条形光波导结构,在可见光波段和近红外波段都能够很好的限制光的传输。利用聚焦微拉曼谱实验测得了衬底区和离子注入表面区域的拉曼谱,表明双能氧离子注入未对注入表面区域的晶格结构造成大的影响。钒酸钇(YVO4)晶体是一种易生长易加工的性能非常优良的人工晶体,属于四方晶系,具有锆英石型结构。具有较宽的透过波段(0.4-5.0μm),热稳定性能好,机械性能好,具有较大的双折射值(在633 nm波长下,Δn=0.222),适用于偏光器件的制备,如偏振光分束器等。还可以用作激光基质,掺杂稀土离子制备激光器件,且制备成本较低。本文中用到的Nd离子掺杂的钒酸钇晶体,掺杂浓度(原子比)约为2 at.%。Nd:YVO4激光晶体具有泵浦阈值低,吸收和发射截面大,吸收谱线宽,吸收系数对温度的变化不灵敏等优点。作为性能优良的晶体材料,在Nd:YVO4激光晶体已有采用离子注入,热扩散,飞秒激光直写等方法制备了光波导结构的报道。本文中我们采用低剂量的快重Kr离子辐照Nd:VYO4晶体,制备了光波导结构。(1)我们采用辐照条件为能量1.98 GeV的Kr离子,剂量为2.0×1010 ions/cm2在Nd:YVO4晶体上制备了光波导结构。在离子辐照一定深度处形成埋层波导,利用端面耦合实验测得了埋层波导的光波传输。对快重离子辐照的Nd:YVO4晶体,通过光谱测试来研究快重离子辐照对晶体本身性质的改变。吸收谱以及荧光谱的研究表明快重离子辐照并未对Nd:YVO4晶体本身的吸收特性和辐照晶体表面的Nd离子的荧光特性造成大的改变。拉曼光谱的测量结果表明GeV的快重离子辐照并未对辐照晶体表面的晶格结构造成大的应力及晶格无序化。(2)辐照条件为能量30 MeV的Kr离子,辐照剂量为2.0×1012 ions/cm2辐照Nd:YVO4晶体。基于棱镜耦合的实验结果,我们利用SRIM与RCM相结合重构了重离子Kr辐照Nd:YVO4晶体平面光波导结构中的寻常光折射率分布。结果显示在离子辐照区域形成了折射率增加较大的光波导结构。晶体透过谱的研究表明30 MeV的Kr离子辐照并未对晶体的透过性能造成大的改变。硫系玻璃是以S,Se, Te中的一种或几种元素为玻璃组分并与其他电负性较弱的元素(如As, Sb, Ge和Si等)形成共价键的无机玻璃。硫系玻璃具有较宽的透射光谱,其透过范围覆盖了近红外通信波段(约1.5μm)和中红外的表征生物特征的指纹吸收区(2.5-25μm)。宽的光谱透过范围使得硫系玻璃光波导除了可以应用于光通信领域之外,在生物医学传感和中红外激光传输方面也具有重大的应用价值。硫系玻璃具有较高的非线性折射率、超快的非线性响应、超低的双光子吸收和独特的光敏特性等品质,成为一种新型全光信号处理的理想材料。更重要的是硫族元素可与其他元素形成化学计量或非化学计量组成的玻璃,使其性能具有随组分连续可调的优势。因此,硫系材料已成为未来光波导器件首选膜层基质材料之一。本文中我们用到的硫系玻璃有两种,化学组分分别为80GeS2+5Ga2S3+15In2S3和80GeS2+20Ga2S3。我们利用碳离子在室温条件下注入硫系玻璃制备了平面光波导结构。(1)为了拓宽光波导位垒区的宽度,更好的限制光的传输,我们采用了能量分别为(5.5+6.0)MeV,剂量相应为(4.0+5.0)×1014ions/cm2的双能量碳离子注入组分为80GeS2+5Ga2S3+15In2S3的硫系玻璃。利用棱镜耦合方法分别在可见光和近红外波长下测量了波导的模式分布,并且拟合了双能量注入硫系玻璃光波导中的折射率分布,发现辐照区域折射率值改变较大。利用端面耦合测得了波导在可见光和近红外波段光的近场光强分布。利用端面耦合的装置测试估算633nm波长下波导的传输损耗,约为0.8 dB/cm。(2)我们利用6.0 MeV的碳离子注入组分为80GeS2+20Ga2S3的硫系玻璃,剂量为1.0×1015ions/cm2,在硫系玻璃表面形成了平面光波导结构,利用端面耦合实验测试了波导中的近场光强分布,发现在可见光和近红外波段,硫系玻璃光波导都可以很好的限制光的传输。我们还利用棱镜耦合实验测试了波导中的有效折射率分布,发现波导区域会有一个折射率值增加较大的“势阱”区。