光波导激光陶瓷的进展与展望

      上海硅酸盐研究所李江研究员课题组在2018年第3期发表了“光波导激光陶瓷的研究进展与展望”一文,该文对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍,最后对其做了展望和分析。

随着人们对激光器应用的不断拓宽,要求先进的固体激光器能够实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出且具有紧凑的系统结构。

作为对激光产生起决定性作用的是激光增益介质,它的质量优劣将直接影响到器件的性能,是激光技术发展核心和基础。透明陶瓷不仅具有与单晶相媲美的激光性能,而且还可以实现与玻璃相似的大尺寸制备和高浓度掺杂,再加上其特有的高温机械性能和结构可设计性,被认为是21世纪最有发展前途的激光材料之一。目前,制约固体激光器发展的一个重要因素是其热效应,包括热应力、热透镜效应、热致双折射效应以及热致退偏等,限制了激光器的输出功率,降低了激光的光束质量,甚至可能导致固体激光增益介质的破坏。

因此,科研人员一直在研究不同结构的激光介质以减轻热效应。其中,光波导激光陶瓷具有泵浦阈值低、散热高效、结构紧凑等优点。此外,还有利于激光器的小型化和集成化,是一种比较理想的全固态激光器的增益介质。

光波导激光陶瓷的原理及分类

光波导基于斯涅尔定律,入射光全部反射到折射率大的介质并在其内部经过多次全反射传播,而折射率小的介质内将没有光透过。以典型的平面波导为例,如图所示,中间为波导层,一般厚度为5 μm-200 μm,折射率为n2,上面的覆盖层折射率为n3,下面的衬底层折射率为n1。为了能实现光波导,须满足n3≤n1<n2,当覆盖层与衬底层材料相同时,此时为对称平面波导,当n3<n1时,则称为非对称平面波导。

图(a)非对称平面波导和(b)对称平面波导示意图

光波导根据对光不同维度的限制主要可以分为平面波导、通道波导和圆柱型波导等。平面波导激光器除了在泵浦耦合上的优势,还具有大的横纵比,可以采用大面高效地散热,此外,平面波导激光器只产生一维的热流方向和热梯度,有利于确定双折射方向,从而避免偏振损耗,可以更有效的抑制热效应。

平面波导只能在Z方向上对光强有限制作用,是结构最简单和最常用的光波导。而在某些实际应用中,需要在Z、X两个方向上限制光的传播,即通道光波导。通道型波导避免了平面波导在非波导方向的衍射和扩散现象。通道波导主要有条型波导、脊型波导、嵌入型波导和覆盖条型波导等结构。

圆柱型波导中最经典的应用即双包层波导光纤,光纤激光器中增益介质的表面积/体积比是传统块状固体激光器的1000倍以上,因此具有出色的散热性能,此外还有光光转换效率高、光束质量好、发热量小、泵浦阀值低、易于维护以及紧凑轻量化等优点。

光波导陶瓷的最新进展

表 光波导陶瓷结构示意图及常用制备方法

 

为了充分开发陶瓷波导激光的巨大潜在应用,其中的重要环节是其制备技术。光波导激光陶瓷的制备方法可以分为两类:一类是改变激光增益材料本身折射率的制备技术,主要有离子注入技术和飞秒激光写入技术,此类方法更易实现近衍射极限的单模激光输出;另一类是通过组合不同折射率材料而获得波导结构的制备方法,主要有热键合和陶瓷成型结合共烧结技术。此外,挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能。

1)离子注入

高能离子注入是一种材料改性和掺杂技术,对于波导激光陶瓷而言,其作用机理是高能离子不断与衬底材料的原子核以及核外电子发生碰撞,并因能量逐步消失而停止,造成晶格损伤或改变材料的自发极化行为,从而改变材料的折射率,在一定区域形成波导。2014年,Tan等采重离子C5+辐照方法配合金属盖板制备了Nd:YAG陶瓷光波导激光器,并实现了输出功率72 mW,斜率效率~30.7%的连续激光输出。

2)飞秒激光写入

飞秒激光制作光波导是将飞秒激光直接聚焦到增益介质内部,通过激光与介质材料的相互作用以及介质材料内部不同方向、不同层次的扫描产生的内部微结构来制作各种波导结构,该技术可以实现真正意义上的三维立体加工。2016年,Salamu等采用飞秒激光技术在1.1 at.% Nd:YAG陶瓷中制备了嵌入式圆包层波导并实现了1.06 μm处输出功率为3.1 W,对应的斜率效率为43%。

3)键合技术

键合是将波导层与包层材料的表面进行特殊处理并精细抛光,使两块材料能够靠范德瓦尔斯力结合在一起。键合技术是制备双包层波导结构激光器的重要方法。Ng等采用键合技术制备了双包层MgAl2O4/YAG/Nd:YAG/YAG/MgAl2O4平面波导材料并实现了946 nm高效平面波导激光输出,最大功率为105 W,光光转换效率和斜率效率分别为50%和54%,光束质量M2=3.2×2.4。

4 流延成型结合共烧结技术

流延成型工艺精度高,制备的流延膜厚度可控,一般在几微米到几毫米,适合叠层不同结构形式,而在平面波导激光陶瓷的设计和制备中要求各种形状和尺寸的波导层流延膜,流延成型很容易满足这一要求。

中国科学院上海硅酸盐研究所首次采用流延成型结合真空烧结工艺制备了YAG/Nd:YAG/YAG平面波导激光陶瓷,经中国工程物理研究院应用电子学研究所高清松研究员团队验证,获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出,该工作是国际范围内采用非水基流延成型制备的该种陶瓷平面波导达到的最大单脉冲能量输出。

图 (a)流延膜实物照片;(b)陶瓷流延膜表面FESEM形貌;(c)平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的实物照片和直线透过率曲线;(d)单通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器系统示意图

Yb:YAG具有能级结构简单、单位面积增益高、荧光寿命长、吸收发射带宽以及可以高浓度掺杂等优点。此外,随着激光二极管(LD)不断发展,泵浦功率不断提高。解决了Yb:YAG泵浦阈值高、不易泵浦的缺点,使之成为高功率、高效率LD泵浦激光器的理想增益介质。华东师范大学采用中国科学院上海硅酸盐研究所研制的平面波导结构YAG/10 at.%Yb:YAG/YAG透明陶瓷实现了斜率效率高达66%、输出功率为3 W的连续波导激光输出。

5)挤出成型结合烧结工艺

在陶瓷粉末中加入溶剂、粘结剂和塑化剂使之成为可塑性的浆料,通过特定的挤出装置获得纤维混合物,随后经干燥、排胶和烧结等可获得激光陶瓷光纤。近年来,美国空军实验室开始了挤出成型结合烧结工艺制备激光陶瓷光纤的研究。2017年,他们采用SF57玻璃对Ho:YAG陶瓷光纤包层后进行了激光实验,实现了在2091 nm处最大功率为701 mW、斜率效率为7%、泵浦阈值小于500 mW的激光输出。

存在的问题及展望

通过离子注入和飞秒激光写入技术获得的波导激光陶瓷折射率空间分辨率高,尽管这两种工艺均需要昂贵的设备,制备成本较高,仅限于实验室制备,但是考虑到该技术所具有的明显优势,有必要对其进行深入的持续研究。

对于圆柱型波导激光陶瓷,挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能,但需要进一步完善其制备工艺,获得高质量的激光陶瓷光纤;热键合和流延成型结合共烧结技术是获得平面波导激光陶瓷的主要方法。热键合工艺简单,然而,芯层加工难度大、键合技术的界面问题和键合材料的机械强度是目前亟待解决的问题。流延成型具有精度高、厚度可控、可连续化生产的优点,在平面波导陶瓷的制备中得到了广泛的应用。考虑到该工艺的巨大发展前景,未来的研究方应集中于:(1)在获得高光学质量样品的同时减少波导层的厚度,即抑制波导层激活离子的扩散;(2)从基质材料角度对波导激光陶瓷进行优化,如采用热导率更高的倍半氧化物透明陶瓷进行波导结构制备。