从上个世纪末开始迅速发展的集成光学技术,可将多个光学元件集成在同一块基片材料上,形成结构相对复杂的多功能小型/微型器件,以实现一种或多种光学功能,在信息传输/通信、环境检测、生物和化学传感等领域都有广泛的应用。光波导是集成光学最基本的元件,波导结构中的光密度与体材料相比大大增强,同时进行光信号传输和转换,直接决定了集成光学元件的性能和作用。低损耗的光波导制备以及波导的各种光学性质研究,一直是集成光学重要的研究课题。光波导有多种制备方法,例如离子注入、聚焦质子束直写、快重离子辐照、飞秒激光直写、离子交换、扩散和薄膜沉积等。其中,离子注入和飞秒激光直写技术可以适用于多种光学材料,是目前适用范围最广的两种波导制备方法。在离子注入过程中,注入离子通过与材料的相互作用遗失自己的能量,造成核能量损伤和电子能量损伤。这些能量损伤将会导致衬底材料的结构畸变,引起材料注入区折射率的变化,在离子注入末端折射率降低的光位垒,或者注入诱导产生的折射率增强势阱。通过光位垒和增强势阱对光传输进行限制,形成波导结构。以MeV氧离子注入铌酸锂晶体为例,在离子注入末端,由于核能量损伤的影响会形成一个折射率降低的光位垒；同时由于电子能量损伤的影响,在光位垒和空气之间,材料的异常光折射率上升形成增强势阱,通过光位垒、增强势阱和空气对光的共同限制,形成波导结构。飞秒激光导致的材料折射率变化,依赖于激光与材料之间的相互作用,这个过程包含很多复杂的物理过程,例如离子重排、晶格压缩、热积累等等。折射率的变化可以分成两类：(1)通过非线性作用在焦点处使材料折射率升高形成波导；(2)焦点处折射率降低,焦点周围的折射率间接的升高,在晶体中写入多条径迹,径迹之间形成波导。波导的结构依赖于各种制备手段对材料折射率的调制。这种调制有时会改变材料的光学性质,这些性质的变化直接影响到集成器件的应用价值。因此,研究光波导内各项光学性质的变化,具有重要的意义。从另一方面来讲,波导结构与体材料相比具有独特的性质。在波导结构中,光被限制在一个很小的空间内,光的能量密度在很低的入射能量下就可以达到很高的量级。因此体材料中的某些光学性质,例如非线性效应、激光性能,在波导中可以得到一定程度的加强。对波导性质的研究在集成光学元件的设计和应用上都具有重要作用。本文主要研究离子注入和飞秒激光直写技术在钕掺杂钒酸钇(Nd:YVO4)晶体、钕掺杂钒酸钆(Nd:GdVO4)晶体、钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)陶瓷、铌酸锂(LiNbO3)晶体、铌酸锶钡(SBN)晶体、钕掺杂铌酸钙钡(Nd:CBN)晶体、钕掺杂氟化钇锂(Nd:YLiF4)晶体等光学材料上波导的形成方法；测量波导的传输模式、损耗,通过退火处理优化波导的性质；用共聚焦显微镜、二波混频等技术手段研究波导的光学性质(例如光折变、荧光性质、热光性质等),对波导性质变化机理进行探讨；在离子注入和飞秒激光直写波导中实现激光输出,通过测量泵浦阈值、斜率效率等多个激光参数,讨论波导激光性能优化的方法；根据对波导腐蚀性质和光折变性质的研究,发明一种脊型波导制备方法和一种光诱导波导阵列制备方法；制作二元波导阵列,研究该阵列中的带隙光孤子。主要结果如下：钕离子掺杂钒酸钇(Nd:YVO4)晶体是一种应用广泛的固体激光器增益介质,因为它具有出色的荧光性质,例如大发射截面、宽吸收带、优良的机械性质等。本文用飞秒激光直写地方法在Nd:YVO4晶体内部写入条形波导。实验表明Nd:YVO4晶体条形波导的损耗为,～1dB/cm;晶体的荧光性质在波导中被很好的保留下来。基于该波导实现了波长为1.06μmm的单波长波导激光和波长为1.06μm和1.34μm的双波长波导激光输出。波导激光的最高斜率效率为～60%,最低泵浦阈值为～17mW。钕离子掺杂钒酸钆(Nd:GdVO4)晶体与Nd:YVO4晶体性质相似,也是一种优良的激光介质,具有出色的荧光性能。与Nd:YVO4晶体相比,它具有高热导率、高损伤阈值等特点。在中高功率二极管泵浦固体激光器中,有极大的应用前景。本文用飞秒激光直写的方法,在该晶体内制备条形波导。飞秒激光的写入速度高达17mm/s,而制备的波导损耗仅仅为～0.5dB/cm。利用808nm激光泵浦,实现波长为1.06μm的波导激光输出,波导激光的阂值为52mW,斜率效率为～70%,接近理论极限。钕离子掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)透明陶瓷是近几年出现的一种优良的激光材料。与Nd:YAG晶体相比它更容易进行加工和生产,可以进行高浓度掺杂。本文用离子注入的方法在Nd:YAG透明陶瓷表面形成平面波导,研究波导的荧光性质。实验发现轻离子注入后,波导内发生了荧光焠灭现象；重离子注入后,波导内荧光性质基本不变。在对波导荧光性质研究的基础上,实现平面波导激光输出,激光的斜率效率为～11%；泵浦阈值为～19.5mW。铌酸锂(LiNbO3)晶体是集成光学中应用最多的一种晶体材料。本文研究离子注入铌酸锂波导中,电子阻止本领对LiNbO3晶体热光性质的影响。研究发现电子阻止本领对热光性质的影响存在一个阈值(-2.2keV/nm),当低于此阈值时,晶体的热光性质被很好的保留在波导中；当高于这个阈值时,晶格结构受到破坏,热光性质在波导中发生变化。研究了氢离子(质子)注入LiNbO3波导的腐蚀性质,实验结果表明离子注入后晶体的腐蚀性质基本不变。基于该研究结果,本文提出一种脊型波导制备方法,选择性的对氢离子注入z切LiNbO3晶体进行腐蚀,依靠空气和光位垒对光进行限制形成脊型波导。经过400℃、30min退火,脊型波导的损耗降至～0.9dB/cm。用端面耦合和FD-BPM模拟的方法,研究波导的传输模式。稀土元素掺杂LiNbO3晶体既具有稀土元素的荧光性质,又具有LiNbO3晶体的电光和非线性性质,可以制备多种光学和电光器件,例如调Q、自倍频激光等。本文用离子注入的方法,在稀土元素掺杂LiNbO3晶体表面,制备平面和条形波导。对样品进行退火处理,并测量波导的传输损耗,实验结果表明退火后光波导损耗可以保持在一个较低的水平(～1dB/cm)。使用共聚焦显微镜对波导的荧光性质进行研究,发现晶体材料的荧光性质,在波导中被很好的保留下来。Fe:LiNbO3晶体是一种优秀的光折变晶体,在很低的入射光强下就可以产生较大的折射率改变,在全息存储和光通信等方面有着重要的应用。本文用二波混频的方法研究离子注入Fe:LiNbO3晶体波导中的光折变性质；对体材料和波导的增益系数和光电导系数进行对比,发现Fe:LiNbO3晶体的光折变性质在氧离子注入波导中没有发生变化。同时,研究发现在相同的入射光强下,波导中光折变效应的响应时间要比体材料中低一个数量级。铌酸钡(SBN)晶体是一种著名的光折变晶体,在光信号放大、全息存储等方面有着重要应用。铌酸钙钡(CBN)晶体与SBN晶体相比,居里温度更高(～280％),具有更广阔的应用前景。钕离子掺杂氟化钇锂(Nd:YLiF4)晶体具有折射率温度系数小、荧光线宽大等特点,适合制备低阈值连续激光器、锁模激光器。本文研究Nd:YLiF4、Nd:CBN和SBN晶体中平面及条形波导的制备和光学性质,使用端面耦合和模拟计算分析波导中的传输模式；使用共聚焦显微镜研究波导的荧光性质。