集成光子学系统是将多种功能的光学元器件(比如激光光源、偏振元件和光栅等)集成到较小尺寸的基片上,形成一些复杂的光学系统。这样的光学系统一般具有微型化、功能多样化、光响应速度快等特点,因而在光通信、化学分析、医学检查以及光谱研究等领域得到了极为普遍的应用。新一代集成光子学器件的设计理念旨在减小自身体积(将体积缩小到微米及亚微米量级),同时尽可能地提高光学性能(降低光传输损耗、增大可承受的光强度等)。这对组成其光学元件的性能的提出了很高的要求。光波导作为集成光学系统的基本元件之一,它可以在微米量级的体积内限制光波的传输,在其腔内实现高光密度和低损耗的光学传输,满足集成光子学系统的要求,同时还能使体材料自身的光学性能得到提升,例如激光增益介质材料的激光特性,以及某些非线性光学晶体的非线性特性,可以用于实现信号放大功能,降低激光的泵浦阈值。在集成光学领域,光波导结构可以作为高精度传感器实现微米尺度上的光学集成。由于这些出色的特性,光波导这一结构得到了较为广泛的应用。迄今为止,研究人员已经在不同性质的光学材料上制备出基于光波导微结构的新型光子学器件。比如电光调制器、波导定向耦合器、频率转换器、波导激光器等等。为了获取微米尺度的高性能光波导,到目前为止,研究者已经开发了多种技术来制造介电材料内部的波导,包括Ti离子扩散技术、质子交换技术、离子束辐照技术、离子注入技术、化学表面沉积技术和飞秒激光直写技术,等等。其中飞秒激光直写技术由于激光作用时间短,精密度高,热效应低,适用材料范围广,对体材料的性质影响可控等特点,逐渐发展成一种成熟的波导加工技术。利用飞秒激光直写技术,研究者在玻璃、有机材料、普通的光学晶体以及掺杂的光学晶体中都成功得到了多种波导结构,并实现了多样化的功能。在电介质晶体中,通过飞秒激光直接写入诱导衬底材料形成的波导或者类波导结构可以简单地分为几种类型,包括所谓的基于Ⅰ类改性的光波导(作为波导芯的被辐照区域内部的折射率增加,使得该区域能够对光波的传输进行束缚形成波导)和基于Ⅱ类改性的光波导(在辐照点处的折射率降低,而在邻近区域折射率增加,在该区域对光波传输进行束缚形成波导)。通过改变飞秒激光的参数(如飞秒脉冲能量、脉宽、扫描深度、扫描速度等),可以在某些光学晶体中同时诱导出两种类型的波导结构。在被用于飞秒激光直写制备光波导的介电晶体中,铌酸锂晶体(LiNb03)具有出色的电光特性和非线性光学特性,一直被视为出色的波导加工衬底材料之一,也是少数可以同时实现飞秒激光诱导Ⅰ类和Ⅱ类改性的光学晶体。此外,在铌酸锂晶体中掺杂稀土离子,例如钕离子(Nd3+)或铒离子(Er3+),能够有效提高晶体的光损伤阈值和荧光性质。此外,可以通过共聚焦微光致发光技术(μ-PL)和微拉曼技术(μ-Raman)来表征飞秒激光引起的铌酸锂晶格的局部变化,比较其荧光和拉曼特性的改变(包括峰强度、位置和峰宽),以此来表征Ⅰ类和Ⅱ类波导区域的晶格变化,并给出其折射率变化的可能机理。本论文的主要工作基于铌酸锂晶体,通过飞秒激光直写技术,在同一铌酸锂晶体中写入了基于Ⅰ类改性和Ⅱ类改性的光波导结构。通过比较波导结构导光特性、荧光特性以及拉曼特性,揭示两种不同类型波导结构的晶格结构改变以及折射率的改变机理,展望了两种类型波导在非线性光学领域的应用价值。本论文主要的研究工作及成果简述如下:基于Z切掺钕掺氧化镁的铌酸锂晶体,通过飞秒激光直写技术在晶体中制备了基于Ⅰ类单线结构和Ⅱ类双线结构的光波导,在激光波长为633nm端面耦合实验中研究了它们的导光特性。实验证明,两种光波导均只能对TM偏振的光产生束缚作用,而对TE偏振光的限制作用较弱。通过共聚焦显微光谱技术(荧光和拉曼测试),对比了二者光波导区域的晶格结构变化,并找到了飞秒激光诱导两种光波导导光区域折射率变化的直接证据。实验发现,飞秒激光在Ⅰ类和Ⅱ类波导的导光区域的荧光和拉曼性能基本保留,但在Ⅱ类激光辐照区域的荧光和拉曼性能都衰减了超过50%。此外,实验发现两种波导的拉曼峰移也有较大差异,相比于铌酸锂体材料区域,Ⅰ类和Ⅱ类铌酸锂光波导区域的250 cm-1、633 cm-1拉曼峰均发生蓝移,而270cm-1的拉曼峰位均保持不变;Ⅱ类光波导的激光直接辐照区域的250 cm-1、633 cm-1拉曼峰发生红移,而270 cm-1的拉曼峰发生蓝移。综合实验数据得出结论,Ⅰ类单线和Ⅱ类双线光波导区域的晶格结构的变化分别是由于轻微的晶格缺陷的产生以及激光诱导的剧烈的晶格损伤产生的切向应力的作用。