集成光路是高度集成化的光学系统，将微型光源、光开关、分支器、定向耦合器、调制器和微型探测器等元件整合到同一块光学芯片上，以实现光信号的收发、传输和处理。相比于传统的光学系统，集成光路的体积更小、重量更轻、造价更低廉、性能更稳定。　　光波导是集成光路的基本元件，由折射率较低区域环绕折射率较高区域而形成，具有可与光波长相比拟的微米或亚微米量级的尺寸和多种多样的形态结构。基于全反射原理，光场被封闭在波导中，只能沿着特定的方向传输。波导区域的空间极其狭小，因而其内部光场的功率密度容易达到很高的水平。某些基底材料原有的光学特性，诸如非线性、激光特性，在波导中将会有更优异的表现。　　波导的品质关系到整个集成光路的性能和表现，因此高质量波导的制备具有非同寻常的意义。　　制备波导首先需要选择合适的基底材料，这些材料需要具备良好的光学和物理、化学性质，如高通透性、高损伤阈值、耐高温、抗腐蚀、不易潮解。常用的材料种类包括单晶晶体、透明陶瓷、玻璃、半导体和有机聚合物。　　其次，波导的制备技术必须适用于所选择的基底材料，只有这样才能得到理想的波导结构。制备波导的原理，是在基底材料中引起折射率的变化，使波导区域的折射率大于周围的环境。目前，相对成熟的制各技术有:薄膜沉积、外延生长、金属离子扩散、离子交换、离子注入与离子辐照、脉冲激光写入等等。　　离子注入和离子辐照不仅适用的材料种类齐全，而且具有较强的灵活性和可控性。然而，二者形成波导的机理却不尽相同。　　一般来说，离子注入对基底材料折射率的改变，主要依靠离子在射程末端与目标材料原子核发生弹性碰撞所造成的结构性损伤。这种损伤通常会造成局部折射率下降，形成光位垒。波导位于位垒与样品表面之间。　　离子辐照所采用的离子，相对原子质量≥6，能量≥1MeV/amu，这种情况下，入射能量主要通过离子与目标材料电子之间的非弹性碰撞沉积到材料中，引起电子损伤并导致材料折射率的改变。　　本论文主要研究了离子注入和离子辐照对多种光学材料折射率的改造。通过选择适当种类、能量、剂量的离子轰击样品表面，形成了平面光波导;再结合其它表面加工工艺，如飞秒激光烧蚀和金刚石切割技术，进一步得到了二维脊形波导和三维分支波导。分别表征了波导的导波特性，如传输模式和传输损耗，以及与基底材料有关的功能特性，如荧光特性、上转换发射、非线性频率转化等。根据离子注入、离子辐照过程中的能量沉积情况合理地重建了波导中折射率的分布;模拟了光场在波导中的传输，并与测量结果作了对照。　　探索了一种调制铌酸锂晶体折射率的新方法，即通过氩离子辐照过程中的电子能量沉积作用在可变深度下制造光位垒。在此基础上，得到了厚度不等的表面型波导和埋入型夹层波导。　　实验中，利用非线性晶体的二阶非线性极化效应，通过不同的相位匹配方式，包括双折射相位匹配、非临界相位匹配，在连续波和脉冲激光两种机制下，实现了波导中二次谐波的有效输出。本论文的具体内容包括:　　在Nd∶SLG及Nd∶SGG无序晶体表面，使用15MeV碳离子辐照结合金刚石切割处理，得到了侧壁相对光滑的脊型波导。测量了从633纳米可见光到4微米中红外波段的波导模式以及传输损耗，证明了波导良好的光场限制能力和出色的导波特性。此外，发现钕离子的荧光性能在波导中以较大程度保留了下来，为波导激光的产生提供了可能。　　在铒镱共掺杂磷酸盐玻璃表面，使用飞秒激光烧蚀结合15MeV碳离子辐照，制造了宽度不等的脊形光波导结构。分别测量了633和1064纳米波段的模式分布和传输损耗;并根据碳离子辐照的情况，构造了样品表面的折射率分布。在980纳米激光的激励下，实现了脊形铒镱共掺杂磷酸盐玻璃波导中绿光和红光的上转换发射。　　在磷酸氧钛钾(KTP)非线性光学晶体表面，使用15MeV碳离子辐照结合精密金刚石切割工艺，制造了高质量（侧壁粗糙度约为2纳米）、低损耗（传输损耗约为ldB·cm-1）的脊形光波导。测量了532和1064纳米波段的波导模式，重建了脊形波导的折射率分布。通过拉曼散射光谱的比对分析了碳离子辐照对KTP晶体非线性的影响。以Ⅱ类双折射相位匹配的方式，实现了波导中倍频绿光的有效输出。在1064纳米脉冲激光泵浦下，最大二次谐波输出功率和光转换效率，分别达到了110.9W和12.4％。　　在砷酸氧钛钾(KTA)非线性晶体中，使用15MeV氧离子注入结合飞秒激光烧蚀技术，制备了不同规格的脊型波导和Y分支型波导分束器。研究了波导在633和808纳米波段的传输特性。发现波导的出射光功率，随入射光偏振方向而变化;波导分束器的功率分配比例，由光束入射位置所决定。经过逐步的退火处理，波导的传输损耗显著降低，导波性能得到改善。　　利用氩(Ar)离子辐照中的电子能量沉积作用，实现了对铌酸锂(LiNbO3)晶体折射率的调制，通过改变离子的入射能量，获得了不同规格的表面型波导;并采用多能量辐照构建了埋藏于表面以下的夹层波导。研究了波导在1064纳米波段的传输特性和非临界相位匹配条件下的倍频性能，并根据电子阻止能力随深度的变化，合理地重建了波导中寻常光和非常光的折射率分布。