钒酸盐晶体与薄膜的生长、结构及性能研究

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1、山东大学博：I：学位论文摘要随着近代科学技术的发展，在光学、激光和电子学技术的基础上，人们正在开拓光电子学的一个新领域一集成光学。所谓集成光学，简单说来，就是在光波段把相干光波的振荡、放大、传输、耦合、变频、调制等功能组合在一起，实现光学器件和回路的集成化、小型化。在光集成回路中，光波在波导介质中传播，可以方便地利用波导的各种特性对光波进行处理。作为光集成回路基本构件的介质波导，目前主要有薄膜和纤维两种形式，前者多用于集成回路，后者多用于长距离传输。与体块晶体相比，波导结构的激光薄膜材料具有低的阈值，高的震荡效率，易于集成等优点，因此，人们对

2、薄膜光波导材料给予了极大的关注。光波导材料实验研究的基础是波导结构的制备，改进实验方法、优化实验条件是提高光波导薄膜质量的关键。本论文在新型激光晶体YbV04与Er：YbV04的生长、结构分析及其热学性能研究的基础上，采用PLD薄膜制备技术，在不同的衬底材料上，成功地制备了一系列钒酸盐(Nd：GdV04、Nd：LuV04、Nd：YV04、YbV04及Er：YbV04)的波导薄膜，并利用多种测试手段表征了薄膜，论文主要内容包括：1．经典光波导理论概述。介绍了薄膜波导理论基本概念和术语，包括传导模的性质、导模、传播常数、导模截止等。对制备的光波导

3、薄膜，采用台阶仪、卢瑟福背散射(RBS)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(X．ray)、扫描电镜(SEM)、高分辨扫描电镜(HRSEM)、原子力显微镜(AFM)以及棱镜耦合等技术研究其特性。2．YbV04与Er：YbV04的生长、结构分析及其热学性能研究。生长了高光学质量YbV04与Er：YbV04单晶；采用浮力法测得YbV04晶体密度为6．233g／em3：测量了Ybv04晶体的热膨胀系数为Gtl=2．1×10"6／K，0．3=8．3×101／K(298．15～573．15K)；在330K时，YbV04晶体的比热为0．37Jg-1K

4、1(25．47calmo

5、1K。1)；室温下，YbV04晶体沿<100>方向的热导率为3．90W／m·K，<001>方向的热导率为5．09W，m．K。3．Nd：GdV04光波导薄膜的制备、结构和性质山东大学博：t学位论文(1)在石英玻璃及(006)蓝宝石材料衬底上用PLD法制备了Nd：GdV04光波导薄膜。(2)用RBS法确定了薄膜中Gd和V元素的比例，并利用XRD、AFM、SEM等手段系统地表征了薄膜样品的微观结构。(3)用棱镜耦合法测试波导的暗模特性，发现零级波导模的有效折射率和体材料折射率较接近，所制备的薄膜材料的折射率小于体材料折射率

6、值，这可能是由于所制备的薄膜材料排列不如体材料密实所致。在部分样品中得到非常尖锐的下降峰，表明光进入波导区，并在其中传播。4．Nd：LuV04光波导薄膜的制备、结构和性质(1)以石英玻璃、n(100)SffSi02、(006)宝石片及(001)LGS晶片为衬底，用PLD法成功地制备了Nd：LuV04光波导薄膜。(2)不同衬底材料，利用RBS、XRD、AFM、SEM及棱镜耦合分析技术研究了不同制备条件(衬底材料、衬底温度及氧气压强)对薄膜结构和性能的影响。结果表明，薄膜样品中Lu和V的比与体块材料中元素成分基本一致。不同条件下，在Si／Si02

7、、石英玻璃及蓝宝石衬底上都得到了沿(200)方向高度择优取向的单向膜，并发现，LGS衬底上Nd：LuV04薄膜样品的初始结晶温度为7000C。观察薄膜表面形貌，发现多晶薄膜是以三维岛状生长模式生长的，并对其生长原理作了分析。同时，对样品表面颗粒物的成因及减少颗粒物的途径作了介绍，为今后制备高性能薄膜奠定了基础。在不同的衬底材料上，都观察到了较好的波导性能。5．采用PLD法分别在n(100)Si／Si02及石英玻璃衬底上制备出了Nd：YV04波导薄膜。XPS分析表明所制备的薄膜样品中元素的价态与体材料中元素的价态是一致的。实验发现，在同一衬底温

8、度下，不同衬底材料上沉积的Nd：YV04薄膜的结晶情况不同。同种材料的衬底上，不同的制备条件下沉积的Nd：YV04薄膜的结晶情况也不同。确定了适合制备Nd：YV04薄膜的条件为衬底温度7000C、氧气压强10Pa，在此条件下，石英玻璃衬底上样品的波导特性明显好于其它样品的波导特性。6．采用PLD法在(006)蓝宝石及不同Si／Si02衬底上制备出了YbV04及Er：YbV04薄膜。用台阶仪测量了薄膜的厚度，用XRD、AFM、HRSEM表征了样品的结构和表面形貌。对不同衬底材料，在不同条件下都得到了沿(200)方Il山东大学博士学位论文向择优取

9、向的YbV04及Er：YbV04单向膜。分析发现，薄膜是以三维岛状生长模式生长的，薄膜和氧化层之间的界面非常清晰，界面处没有严重的扩散，这对提高薄膜的波导性能有重要