钛离子注入玻璃材料太赫兹时域光谱特性研究

1、PAGE PAGE 6钛离子注入玻璃材料太赫兹时域光谱特性研究王纯栋1 苏红*,1 陈梓昱1(1深圳大学电子科学与技术学院 广东 深圳 518060)摘要 用离子注入的方法，将钛离子注入到玻璃材料中，通过对其表面的结构的改性来实现对其光学特性的改变。利用玻璃中掺杂的量子尺寸效应，提高玻璃的非线性性质。通过太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）在0.1-1.3THz波段内对离子注入后玻璃材料的透射率变化进行了研究。发现离子注入后玻璃材料与未注入的玻璃相比的非线性现象变化显著，其透射强度显著下降，透射率变化在0.7THz以内较低频段尤为显著。随着离子注入剂量的增加，材料的透射率逐步降低。对注入同种剂

2、量的材料而言，其透过率随频率的增加而逐步降低，0.7THz以后透射率降到最小并保持稳定。关键词 太赫兹；钛离子注入；时域光谱系统Investigation on Terahertz Property of Titanium ion-implantedGlass MaterialWANG Chun-dong1, SU Hong1*, CHEN Zi-yu11 College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060Abstract Titanium ions were implanted

3、into glass. The time domain spectrum was measure by THz time-domain spectrum(（THz-TDS）.By Fourier transform and analysis, the change of nonlinear phenomenon was got. After Ions implanted, the transmission rate of glass change significantly, especially in the range below 0.7THz.the transmission rate

4、of samples gradually reduce with the increasing of implantation dose. To the glass of same implantation dose, the transmission rate reduces with the frequency increasing till 0.7THz. In the range above 0.7THz, transmission rate of all the samples keep low and steady. It depends on the properties of

5、glass.Keywords Terahertz; Titanium ion implantation; Time domain spectrum system1 引言太赫兹波是对一个特定波段的电磁辐射的总称。它在电磁波普中位于微波和红外辐射之间。近几十年来，得益于超快光子技术和低尺度半导体技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃的发展。太赫兹的独特性能，使其在雷达，电子对抗，天文学，医学成像，无损检测，安全检测等领域有着广泛的应用前景。但目前太赫兹源的发射功率普遍较低，自由空间传播损耗很大，因此太赫兹波导的研究对推动太赫兹技术的发展具有重要的

6、意义。本文中将金属离子钛，用离子注入的方法注入到玻璃表面对其进行改性，改变其表面的结构，从而形成光波导结构。离子注入技术是二十世纪六十年代发展起来的材料表面改性技术，最出是用于改变半导体材料表面的性质。1978年发现用氦离子注入铌酸锂晶体可以形成光波导结构以后，离子注入作为一种可以有效形成光波导的新技术被人们所关注1。离子注入技术已成为改变材料光学特性的重要手段。K.M.Wang,F.Lu等报导了能量为2.6Mev，剂量为910I4ions/cm2和能量为2Mev，剂量为810I4ions/cm2Ni离子分别注入KTP形成了多模的位垒型波导。F.Chen将硅离子注入KTP和Nd：YVO4中形成

7、了波导结构2-4。明宪兵，卢霏等将2.0MeV剂量为210I6 ions/cm2的氦气注入到氧化锌晶体中形成了光波导5。X.L.wang等人利用2.8MeV剂量为110I5 ions/cm2 的硅离子注入BBO晶体形成了增强型平面波导6。苏海桥，薛书文等将Ti离子注入到ZnS薄膜中发现Ti离子注入后薄膜的光学带宽发生移动，随着退火温度的上升,光致发光强度逐渐增强,光吸收逐渐降低7。重离子注入可以使光学材料形成光波导结构，具有实际应用价值。本文中将钛离子注入到玻璃材料中，利用玻璃中掺杂的量子尺寸效应，提高玻璃的非线性性质。在太赫兹波段对其光学特性的变化做定性研究。实验装置 实验中所用的THz-T

8、DS，泵浦激光为钛宝石锁模飞秒激光器（相关公司生产），产生800nm的飞秒激光脉冲，脉冲宽度为200fs，重复频率为76MHz。飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲，前者经过时间延迟系统后入射到GaAs光导天线上产生太赫兹脉冲，驱动脉冲的平均功率为60mw，探测脉冲和太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测装置上，以此来驱动太赫兹探测装置，探测脉冲的平均功率为20mw。而后通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，最终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形。然后通过傅里叶变换就可以得到被测样品的吸收系数和折射率等光学参数。太赫兹光路安装在光学实验平台上，实验是在室温下进行，波动

9、小于0.5，相对湿度为25%，波动小于1%。图1 THz-TDS系统Fig. 1 THz-TDS system钛离子在室温下真空环境中注入到玻璃表面，引出电压为30kv，引出电流为4mA。样品注入在深圳国家863计划材料表面工程技术研究开发中心完成，通过控制离子注入的时间，实现对其注入剂量的控制，使基质表面的离子浓度呈梯度分布。注入剂量与样品编号如表1所示表1 样品注入剂量Table 1 implantation dose of samples样品编码注入剂量(irons / cm2)glass0a1.4041017b2.341017c3.74310173 分析与讨论利用THz-TDS系统获得

10、其时域谱线如图2所示。从图中可以看出信号具有较好的相似性，峰值出现的位置相同没有偏移。但其透射的强度随着注入剂量的不同变化较大，随着注入剂量的不断增加其透射强度逐步减弱，说明材料对信号的吸收逐步增强。通过分析可得在0.1THz-1.3THz频段内玻璃在三种不同注入剂量条件下的光强透射谱如图3所示。图2 THz时域光谱 Fig. 2 THz time domain spectrum可以观察到玻璃材料进行离子注入后其透射率有大幅度下降，注入的剂量越大透射率降低越为明显。对同一注入剂量的样品而言，在0.1-0.7THz频率内透射率均较高，频率大于0.8THz时透过率较低接近于0并保持稳定。曲线整体分

11、布与玻璃的材料相一致。三种不同注入剂量的样品在0.15THz、0.2THz、0.25THz、0.3THz位置均有透射峰值出现，也与玻璃的透射峰值位置相符。可见离子注入后对材料透射率的影响主要集中在小于0.7THz的较低频段内，并且受基质材料本身性质影响。图3 样品透射率 Fig. 3 Transmission rate of the samples4 结论 本文运用离子注入技术，将钛离子注入到玻璃基质表面，对其表面结构进行改性。利用THz-TDS系统在0.1THz-1.3 THz波段内研究了离子注入对玻璃材料透射率的影响。钛离子注入到玻璃基质中有效的改变了玻璃的透射率，在0.7THz以内的较低

12、频段其变化尤为显著，注入剂量越多其透过率越低，并且受基质本身光学性质的约束。References(1)G. HYPERLINK /cgi-bin/author_form?author=Destefanis,+G&fullauthor=Destefanis,%20G.%20L.&charset=UTF-8&db_key=PHY Destefanis. Optical waveguides in LiNbO3 formed by ion implantation of heliumJ. ApplPhysLett,1978,32:293294(2)KeMnigWnag. Refractive ind

13、ex profiles of LiB3O5 waveguides formed by MeV He ion irradiationJ.OptCom.，2000, 92(7):3551-3553(3)FengChen. Analysis of refractive index profile in a silicon ion-implanted KTiOPO4 waveguideJ.Mate Lett, 2003, 57:11971201 (4) FengChen. Optical waveguides formed in Nd:YVO4 by MeV Si+ implantation. OptiLett2002,80(19):3493-3475(5)明宪兵. MeV He+离子注入氧化锌晶体光波导特性研究J.中国激光,2009,36(