平面波导激光陶瓷研究获重要进展【k1入口】

发布时间：2024-10-23  人浏览

本文摘要：构建光学中的光波导结构对激光增益介质的几何形状设计是一种救赎。

构建光学中的光波导结构对激光增益介质的几何形状设计是一种救赎。波导结构是介质衬底表面上或内部构成的折射率比较较高的微型区域，这一区域被折射率较低的区域包覆，从而能将光容许在微米量级的结构内展开传输。

将光波导结构应用于激光增益介质，其仅次于特点是它需要有效地容许光束收敛，提升增益介质中的光密度，从而构建较低阈值、高效率、高功率的激光输入。同时，将波导层包覆在热导率低的材料中，可及时传导激光升空中产生的废热，确保光束质量。陶瓷平面波导是一种低交错比的三明治结构，由低折射率的波导层和周围较低折射率包层构成，具备对泵浦吸取效率高，交错比大，比表面积大等特点。

陶瓷波导层的厚度为5到300μm，可以使用芯层或包层泵浦，并构建单模或多模激光输入。流延成型技术是一种精度高、膜厚度和组分可控性强劲的陶瓷成型工艺，可以构建陶瓷平面波导的一体化制取。

中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队在平面波导激光陶瓷研究中获得了系列性最重要进展。Nd3+离子的能级结构与YAG基质的特性，要求了Nd:YAG陶瓷非常适合构建高功率、高效率激光输入。上海硅酸盐研究所在国际上首次使用流延成型和陶瓷工件技术顺利制取了高质量的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG半透明陶瓷（Opt.Mater.Express,2014,4:1042-1049），并系统研究了其颗粒化、显微结构进化和Nd3+的蔓延不道德（Opt.Mater.,2016,60:221-229）。

经中国工程物理研究院应用于电子学研究所高清泊研究员团队检验，YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导作为激光放大器的增益介质取得了100Hz反复频率下327mJ单脉冲能量的激光输入（Chin.Opt.Lett.,2016,14:051404）,这是国际范围内使用非水基流延成型制取的该种陶瓷平面波导超过的仅次于单脉冲能量输入。与山东大学信息科学与工程学院刘兆军博士合作，陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG构建了斜率效率高约62.8%的1064.6nm倒数激光输入。

与哈尔滨工业大学可回声激光国家重点实验室马欲飞博士合作，陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG构建了4.14W被动调Q激光输入，平均值输出功率、脉冲能量和脉冲峰值功率分别为75.6kHz、54.8μJ和3.4kW（Opt.Mater.Express,2016,6:2966-2974）。Yb3+离子的能级结构，要求了Yb:YAG陶瓷不仅可用作回声激光和超快激光，也可以用作高功率、CW或低脉冲反复频率的激光，所以Yb:YAG半透明陶瓷代表了新一代的激光材料的发展方向。

上海硅酸盐所研制的平面波导结构YAG/Yb:YAG/YAG半透明陶瓷经华东师范大学仪器光谱科学与技术国家重点实验室李文雪研究员、曾和平教授团队检验，构建了斜率效率高约66%的倒数波导激光输入（图1）。使用半导体可饱和吸取镜（SESAM）,陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波导构建了1030nm被动锁模激光输入，反复频率为97.79MHz，脉冲宽度为2.95ps，平均功率为385mW，波导方向的光束质量M2为1.42（Sci.Rep.。

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