为了促进并加快光学系统向小体积、大容量、低成本、多功能和高运行效率的方向发展,人们提出了“集成光学”的概念。集成光学主要研究光学系统的微型化,即通过在单个光学芯片基底上制备和集成若干个微纳光子学器件实现对光信号的处理与传输,从而形成微纳光学系统--集成光路。构成集成光路的光子学器件包括无源光子学器件和有源光子学器件,无源光子学器件是指器件工作时不需要外加能源驱动,如分束器、耦合器、滤波器、衰减器、偏振器等,而有源光子学器件工作时需要外加能源驱动,如放大器、激光器、调制器等。光波导是以上各种光子学器件中重要的基本组成部分,它是通过光在介电材料界面处的全内反射限制和引导光波传输的微纳结构,因此波导区的折射率往往高于周围介质的折射率,从而增强了光波导中的光功率密度。基于光波导结构的紧凑性特征,人们能够制备出不同功能的光波导器件（如波导耦合器、波导放大器、波导激光器等）,从而可以有效地实现光路的集成化。目前,科研人员已经在介电晶体中制备了多种光波导结构,例如平面光波导、条形光波导和包层光波导等。迄今为止,如何制备体积小、损耗小、稳定性高的晶体光波导结构依然是集成光学中重要的基础研究课题。本论文使用离子辐照技术在介电晶体中制备平面光波导,它具有可控性高、适用性广和重复性高等优势。在离子辐照制备晶体光波导的过程中,入射的载能离子会与晶体衬底的原子核或电子发生级联碰撞,交换能量,最后以一定的深度停留在衬底内,而衬底内部受撞击的位置的晶格结构将发生变化,从而这部分晶体的折射率发生变化,与没有受到撞击的部分晶体的折射率形成差值。离子辐照技术不仅仅可以制备平面光波导,它还可以与光刻、掩膜、精密金刚石刀切割等微纳加工技术结合来制备复杂类型的光波导以满足不同的应用。纳米材料科学是一门致力于研究三维空间中至少一维处于100 nm以下的材料的性质和应用的学科,在这种尺度下,组成材料的原子中的电子必然至少受到空间某一个方向上的限制,导致材料在这一方向的层间作用消失,因此,即使组成材料的元素不发生变化,材料的物理和化学性质也会改变。由于纳米材料中存在尺寸效应,所以不同维度的材料将表现出不同的性质。如果在两个和三个方向上限制材料中电子的运动,那么便可以得到一维材料和零维材料。如果电子的运动在一个方向上受限,那么便可以得到二维材料。实验上第一个被发现的二维材料就是石墨烯,它的成功制备掀起了学术界对二维材料的研究热潮。石墨烯是碳材料家族的基本结构单元,从石墨烯上“剪”出不同形状的纳米片就可以包出零维材料--富勒烯,卷出一维材料--碳纳米管,堆出三维材料--石墨。随着材料制备方法和表征技术的发展,越来越多的二维材料被成功发现,如黑磷、氮化硼、过渡金属硫族化合物以及各种二维异质结构等,它们往往具有不同于三维块材的独特力学、电学以及光学特性,因此在光电子器件、太阳能电池、传感、可饱和吸收体应用等方面具有很好的应用前景。二维材料如此广泛的应用范围不仅仅使得其固有的特性成为研究热点,为了扩展二维材料新的性质和应用,研究人员已经利用多种方法改性二维材料,其中离子束技术是公认的材料改性手段之一。离子辐照是即可控又稳定的缺陷调控技术,通过选择不同的离子辐照的能量和剂量,研究人员能够有效地在二维材料中引入特定类型和浓度的缺陷,从而调控其的性质。此外,离子辐照可以有效地调控二维异质结的层间距,机械堆积在一起构成的异质结中往往存在大量的褶皱,因此其层间距过大,致使异质结中的层间耦合作用极低,严重影响其光学性质。而载能离子束与二维异质结相互作用时,高能离子能够将能量传递给异质结,为其提供动量,使得异质结的层间距大大减小,从而增强其层间耦合作用。本论文的主要内容包括利用离子辐照技术在介电晶体中制备光波导放大器、在激光晶体中制备连续波和调Q脉冲波导激光器以及利用离子辐照改性单层二维材料和二维异质结。实验根据所制备的光波导器件的不同和二维材料结构的不同,可以将本论文的主要研究工作归纳如下:利用碳离子（C5+）辐照技术在铒和氧化镁共掺的近化学计量比铌酸锂（Er:MgO:SLN）晶体中制备了厚度约为10 μm的平面光波导结构,通过棱镜耦合实验测量了平面光波导在1539nm下的暗模特性,实验发现该波导中存在7个导波模式,而且波导对低阶模式的限制能力较好。然后再利用精密金刚石刀片切割技术在Er:MgO:SLN平面光波导上切割出水平间距为25 μm的两条空气沟槽,沟槽之间的波导层即脊型光波导结构。利用反射率计算法（RCM）,结合平面波n导的暗模特性对脊型波导的折射率分布进行拟合,发现脊型波导的折射率分布为“增强势阱+光位垒”型,并且在近红外波段仅支持单模传输。通过980nm波长的激光研究Er:MgO:SLN脊型波导以及Er:MgO:SLN衬底的荧光光谱发现,波导区材料的荧光特性得到了完好的保存,并且荧光强度大于衬底区的荧光强度。最后使用Er:MgO:SLN脊型波导作为增益介质,在980 nm激光泵浦下实现了通信C波段的信号光放大输出。泵浦功率为99.5 mW时,放大器在1536 nm、1552 nm、1565 nm 波长处增益分别为 2.13 dB/cm、1.49 dB/cm、1.37 dB/cm。利用两次碳离子（C5+）辐照技术结合精密金刚石刀切割技术在镱掺杂钇钪镓石榴石（Yb:YSGG）晶体中制备了宽度为40 μm的包层条形光波导。实验结果表明,由于两次离子辐照效应的叠加,Yb:YSGG晶体表面形成了包层条形波导结构（核心层-内包层-外包层）,并且该波导的折射率分布呈现梯度型,核心层的折射率最大,内包层和外包层的折射率都小于核心层的折射率。利用该条形波导作为波导激光系统中的增益介质,在940 nm激光泵浦下实现了 1023.6 nm波长的连续波波导激光振荡,连续波激光的最大输出功率和斜率效率分别为52.3 mW和46%。利用二硫化钨（WS2）纳米片作为可饱和吸收体,并将其涂覆在Yb:YSGG条形波导上表面,在227 mW的激光泵浦下获得了波长为1024.8 nm的调Q脉冲波导激光,此时获得的脉冲激光的脉冲宽度最小,值为125 ns。将石墨烯和二氧化钒（V02）分别与Nd:YAG晶体波导结合构成复合光波导结构,并利用电和热分别控制石墨烯和VO2的可饱和吸收性质,在810nm激光泵浦下,分别实现了 1μm的连续波和调Q脉冲波导激光输出。具体来说,在没有电压信号输入时,石墨稀-Nd:YAG复合波导在810nm激光泵浦下输出了 1064 nm波长的调Q脉冲激光,并且在泵浦功率为500 mW时获得15 mW的最大平均输出功率,对应的脉冲持续时间（重复频率）为32ns（2MHz）;当输入的电压信号从0V增加到8V时,可观察到输出的脉冲序列逐渐变宽,脉冲持续时间从32ns增加到260ns;当输入电压高于10 V时获得连续波激光输出。此外,随着电压从0 V增加到14 V,石墨烯的调制深度从1.2%缓慢减小到0%。结果表明,对石墨烯-Nd:YAG复合波导施加正电压可调控石墨烯的饱和吸收性质,从而实现Nd:YAG连续波波导激光和调Q脉冲波导激光的转换输出。当有电流信号输入时,复合波导的输出激光功率随输入电流的增加先是从10 mW缓慢降低到7 mW,然后迅速降至零。同时,脉冲持续时间从40 ns增加到138 ns,表明电流能够控制脉冲波导激光器在开关状态。V02-Nd:YAG复合波导在810 nm激光泵浦下输出了 1064 rnm的调Q脉冲激光,输出的最大平均功率为47 mW,最小脉冲持续时间为2.3 ns。通过温度控制器调节V02薄膜的温度,V02在从绝缘态到金属态的转变过程中,V02-Nd:YAG复合波导对1064 nm激光的吸收展现出饱和吸收的现象。当V02薄膜被加热至325 K时,获得了 700 ps的脉冲激光输出,继续加热薄膜到330K,输出的激光从脉冲转到连续波激光,随着温度的升高,连续波激光的最大输出功率为37 mW;当V02薄膜被冷却到312 K时,观察到脉冲序列出现,此刻脉冲宽度和平均功率迅速增加到室温值。通过对比加热和冷却过程发现,冷却过程中,调Q脉冲激光性能表现出热滞后现象。利用离子辐照单层二硫化钨（WS2）以及单层石墨烯和单层二硒化钨组成的异质结（Graphene/WSe2）,研究了辐照后的二维材料的光学性质以及应用。具体来说,利用能量为60keV的氩离子（Ar+）辐照蓝宝石衬底的单层WS2,利用拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对辐照后的WS2进行表征,发现辐照后的WS2中产生大量的硫空位和钨空位缺陷,且缺陷的密度与辐照剂量密切相关,即辐照剂量越大,硫空位的浓度越大,意味着WS2中硫原子与钨原子的比率随辐照剂量的增加而降低。通过第一性原理计算发现缺陷的WS2的带隙中存在中间电子态,并且电子态的密度随硫空位密度的增加而增加,当硫原子与钨原子的比为1.899时,WS2的能够吸收1eV左右的近红外光。此外,随着硫空位密度的增加,WS2对近红外波段的光的线性光学吸收和饱和吸收也随之增加。将辐照后的WS2作为可饱和吸收体整合到Nd:YAG波导激光系统中,实现并优化了近红外调Q脉冲波导激光。利用能量为6MeV的碳离子（C3+）辐照蓝宝石衬底和铜网上的Graphene/WSe2异质结,并将其应用到表面增强拉曼散射（SERS）中。利用酞菁铜（CuPc）作为探针分子研究了 Graphene/WSe2的SERS活性与增强机理,实验结果表明,与Graphene和WSe2基底相比,辐照的Graphene/WSe2异质结具有较强的SERS活性,其拉曼增强因子为28.6（1528.3cm-1特征峰）,并且该异质结具有较好的SERS信号一致性。此外,Graphene/WSe2的SERS活性不受异质结衬底的影响,但是严重依赖异质结组装的顺序。第一性原理计算和泵浦探测测试表明受载能碳离子的影响,辐照后的Graphene/WSe2中Graphene和WSe2紧密接触,因此异质结中存在较强的层间耦合作用,从而促使其层间的电荷转移增加,将其作为SERS基底时,超快的层间电荷转移使得探针分子周围的电子态密度变大,使得探针分子的拉曼散射光的强度增加。