集成光路,是20世纪60年代提出来的一种类似于集成电路的概念,它可以将光信号限制在高度集成化空间内进行传输和处理,但是它比集成电路具备更快速的处理信息能力,而且具有体积小、损耗小、稳定性等优势,因此传统的集成电路逐渐被集成光路所替代。而且与传统光学系统体积大、稳定性差相比,集成光学通过将不同功能、不同集成度的光学器件集成(如分束器、定向耦合器、激光器、相位调制器、偏振调制器等),可以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化,并且其抗电磁干扰、信息量大、稳定性好,因此它具有更大的传递信息和信息处理能力。光波导是集成光路最基本的元件,它是由折射率较低的区域包裹着折射率较高的区域组成,基于全反射原理可以将光限制在折射率较高的区域内传输,一般情况下,该区域尺寸一般在微米甚至纳米量级,因此可以较大程度增强波导腔内的光密度,从而使得诸如激光特性和非线性光学特性等光学性质得到增强。根据波导结构特性,可以分为一维(1D)光波导,如平面光波导;二维(2D)光波导,如通道光波导;以及三维(3D)光波导,如分支光波导。其中平面光波导只能在一个方向上限制光的传输,而通道光波导可以将传输光进行两维空间限制,从而将绝大部分入射光限制在传输方向进行传播,因此二维光波导相比一维光波导的光密度更大,波导尺寸更小,有利于集成光路的微型化和集成化。三维光波导形态多样,常见的如波导分支器和定向耦合器等,他们具备更加复杂的功能,在集成光学中有着非常广泛的应用。因此二维和三维光波导结构比一维光波导具有更高的研究价值和更广阔的应用前景。介电晶体材料在现代人们生活中有着重要的作用。例如,电光晶体,是制备相位、功率以及偏振调制器的理想材料;非线性晶体,在频率转换领域中有着重要作用;激光晶体,是制备固体激光器最理想的增益介质,相比玻璃,它具有更低的激光阈值。近年来,结合介电晶体材料的多功能特性以及光波导的紧凑结构,越来越多的介电晶体光学器件在多个领域发挥着重要作用。迄今为止,人们已经利用多种技术在介电晶体中实现了光波导的制备,如离子束注入/辐照技术、质子交换技术、薄膜沉积技术、外延层沉积技术、金属离子扩散、飞秒激光写入技术等。其中飞秒激光写入技术具有加工精度高、热效应小、可实现三维精细加工等诸多优点,并广泛应用于透明光学材料的三维加工。在加工过程中,飞秒激光系统可以很容易产生峰值功率达太瓦级的脉冲能量,当聚焦于材料表面或内部时诱导发生多光子吸收、雪崩电离或隧穿电离等强烈的非线性光学效应,从而在焦点附近产生局域化的高温高密度等离子体。随后高温等离子经过快速淬冷并固化,导致其折射率发生变化。通过设计飞秒激光加工参数(脉冲能量、重复频率、扫描速率、聚焦深度等)可以加工不同类型及结构的光波导。以飞秒激光在介电材料中诱导的光波导结构为基础,可加工出多种微小型光子器件,例如分束器、定向耦合器、波导激光器、频率转换器等有源或者无源器件。在现代化的集成光路中,多样化的光子器件扮演了不可或缺的角色,也是集成光路基本的元件。此外飞秒激光加工技术结合离子注入技术可以制备出限制光传输能力更强的类光纤光波导结构,飞秒激光加工技术结合酸腐蚀可以制备性能优异的类光晶体光波导。本论文的主要内容包括飞秒激光加工技术在介电晶体材料中制备不同类型的通道光波导,以及以光波导为基础的光子器件的制备,包括分束器、定向耦合器、波导激光器;通过实验对波导及光子器件的导波特性进行研究;以及结合介电晶体固有特性,研究介电晶体波导及光子器件的特性。根据实验选用介电晶体材料及所制备光波导器件类型的不同,可以将本论文的主要工作归纳如下:利用飞秒激光在z切LiNbO3晶体中制备不同类型的通道光波导,包括双线型通道光波导、包层型通道光波导以及Ⅰ类光波导。首先利用飞秒激光在z切MgO:LiNbO3晶体中制备双线型光波导和包层光波导,其中包括三个具有不同扫描速率而其它制备参数相同的双线型光波导和一个直径约为30 μm的包层光波导。基于端面耦合测量了各波导在632.8 nm下的近场光强分布,并且发现双线型光波导仅支持TM偏振下的单模传输;而包层光波导支持TE和TM偏振下的多模传输,且TE偏振传输模式优于TM偏振,该包层光波导的传输损耗低至0.94 dB/cm。基于折射率重构,发现这两种类型光波导的折射率变化值量级均为10-3。对于双线型光波导,随着扫描速率的增大折射率变化越小,对于包层光波导TE偏振下的折射率变化大于TM偏振。基于重构的双线型光波导的折射率分布,模拟了其传输模式,发现与实验测量的632.8 nm波长下模式分布几乎一致。基于LiNbO3晶体掺杂Mg2+离子的抗光损伤特性,测量光波导的抗光损伤阈值,结果表明双线型光波导的抗光损伤阈值(～105W/cm2)比包层光波导的抗光损伤阈值(～104W/cm2)高一个数量级。与之前报道离子注入制备光波导的抗光损伤阈值进行比较,发现飞秒激光加工技术制备的光波导的抗光损伤性能更优异。此外,我们采用飞秒激光加工技术在z切Er,MgO:LiNb03晶体中制备出Ⅰ类光波导。研究表明Ⅰ类光波导在1064 nm和1550 nm下仅支持TM偏振态的基模传输。基于Er3+离子特性,波导在980 nm激光泵浦下实现了 550 nm和528 nm的上转换荧光效应以及1450-1625 nm的近红外荧光效应,并且波导发射出的荧光强度高于体材料。最终结果表明,飞秒激光加工技术具有加工各种类型光波导的能力,为集成光路的发展提供了强有力的后盾技术。利用飞秒激光加工技术在LiNb03晶体中制备多种类型的波导光子器件,包括Ⅰ类波导分束器、类光晶格波导分束器以及Ⅰ类波导定向耦合器。对于Ⅰ类波导分束器来说,它是飞秒激光单次扫入,扫描痕迹处即为波导区,其包括2D(1× 2)和3D(1 × 4)分支结构,并且在632.8 nm和1064 nm下仅支持TM偏振的基模传输。基于重构的折射率分布,模拟了1 ×4分束器的传输模式,与实验测量的模式分布一致。该类型分束器的传输损耗均小于4 dB/cm,且各分支的光功率分配几乎相等。对于类光晶格分束器来说,它是由飞秒激光多次写入组成六角形微结构,由于应力作用,波导区位于六角形的中心区域,这种结构同样可以通过扫描设计实现波导光束分支功能。通过设计,制备出2D(1 × 2)和3D(1 ×3)分支结构。在1550 nm下仅支持TE偏振下的基模传输,并且与理论模拟结果相一致。1× 3波导分束器的传输损耗约为2.1 dB/cm,且各分支光功率分配基本相等。对于Ⅰ类波导定向耦合器来说,它不同于分束器的Y分支结构,它是由距离很近的波导通过消逝场的耦合实现光功率分配的。在本文中,我们同样制备出2D(1 × 2)和3D(1 × 4)的耦合器,并且在632.8 nm下的仅支持TM偏振下的基模传输,并且证明了通过消逝场耦合来进行光路分支比Y分支结构所产生的损耗更低。结果表明,飞秒激光加工技术是制备集成光路中微小型波导光子器件的有效方法。利用飞秒激光加工技术结合离子注入技术在Nd:YAG晶体中制备出类包层光波导,这种波导结构相比于飞秒激光或离子注入加工单层波导有着更强的限制光束传输的能力,因此有利于作为激光泵浦的研究。基于端面耦合系统,在810 nm激光泵浦下实现了 1064 nm的连续波导激光输出,其最大输出功率为28.4 mW,斜效率为27.8%。利用WS2作为可饱和吸收体,最终在Nd:YAG晶体类包层波导中实现调Q脉冲激光的输出,其脉冲宽度为45 ns。此工作开创了结合飞秒激光加工技术和离子注入技术可以在多种光学材料中制备新型波导结构的新方法。利用飞秒激光直写技术结合H3P04酸腐蚀在YAG晶体中制备类光子晶体光波导。在腐蚀的过程中,H3PO4酸溶液对飞秒激光扫描痕迹各个方向的腐蚀速率不同。根据有限光束传播法计算模拟发现随着波长的增大,该类光子晶体光波导的透过率越高。然后基于实验研究表明该光子晶体光波导在4 μm入射光下在TE和TM偏振下均支持基模传输,表明对偏振不敏感,且在该波长下类光子晶体光波导的传输损耗低至～0.5 dB/cm。