上海硅酸鹽所在平面波導激光陶瓷研究中取得系列進展

集成光學中的光波導結構對激光增益介質的幾何形狀設計是一種啟示。波導結構是介質襯底表面上或內部形成的折射率相對較高的微型區域，這一區域被折射率較低的區域包裹，從而能將光限制在微米量級的結構內進行傳輸。將光波導結構應用於激光增益介質，其最大特點是它能夠有效地限制光束髮散，提高增益介質中的光密度，從而實現低閾值、高效率、高功率的激光輸出。同時，將波導層包裹在熱導率高的材料中，可及時傳導激光發射中產生的廢熱，保證光束質量。陶瓷平面波導是一種高縱橫比的三明治結構，由高折射率的波導層和周圍低折射率包層組成，具有對泵浦吸收效率高、縱橫比大、比表面積大等特點。陶瓷波導層的厚度為5到300μm，可以採用芯層或包層泵浦，並實現單模或多模激光輸出。流延成型技術是一種精度高、膜厚度和組分可控性強的陶瓷成型工藝，可以實現陶瓷平面波導的一體化製備。中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李江團隊在平面波導激光陶瓷研究中取得了系列進展。

Nd3+離子的能級結構與YAG基質的特性，決定了Nd:YAG陶瓷非常適合實現高功率、高效率激光輸出。上海硅酸鹽所在國際上首次採用流延成型和陶瓷燒結技術成功製備了高質量的平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷（Opt. Mater. Express, 2014, 4: 1042-1049），並系統研究了其緻密化、顯微結構演化和Nd3+的擴散行為（Opt. Mater., 2016, 60: 221-229）。經中國工程物理研究院應用電子學研究所研究員高清松團隊驗證，YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導作為激光放大器的增益介質獲得了100 Hz重複頻率下327 mJ單脈衝能量的激光輸出（Chin. Opt. Lett., 2016, 14: 051404），這是國際範圍內採用非水基流延成型製備的該種陶瓷平面波導達到的最大單脈衝能量輸出。與山東大學信息科學與工程學院博士劉兆軍合作，陶瓷平面波導YAG/Nd:YAG/YAG實現了斜率效率高達62.8%的1064.6nm連續激光輸出。與哈爾濱工業大學可調諧激光國家重點實驗室博士馬欲飛合作，陶瓷平面波導YAG/Nd:YAG/YAG實現了4.14W被動調Q激光輸出，平均輸出功率、脈衝能量和脈衝峰值功率分別為75.6 kHz、54.8μJ和3.4 kW（Opt. Mater. Express, 2016, 6: 2966-2974）。

Yb3+離子的能級結構，決定了Yb:YAG陶瓷不僅可用於調諧激光和超快激光，也可以用於高功率、CW或高脈衝重複頻率的激光，所以Yb:YAG透明陶瓷代表了新一代的激光材料的發展方向。上海硅酸鹽所研製的平面波導結構YAG/Yb:YAG/YAG透明陶瓷經華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室研究員李文雪、教授曾和平團隊驗證，實現了斜率效率高達66%的連續波導激光輸出（如圖）。採用半導體可飽和吸收鏡（SESAM），陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波導實現了1030nm被動鎖模激光輸出，重複頻率為97.79MHz，脈衝寬度為2.95ps，平均功率為385mW，波導方向的光束質量M2為1.42（Sci. Rep., 2016, 6: 31289）。

人眼安全2μm波段固體激光在遙感、測風雷達、中紅外光參量振蕩器（OPO）、透明塑料焊接以及激光手術與治療等領域具有重要的應用前景。為了實現Tm/Ho:YAG透明陶瓷的高效率、高功率和高光束質量2μm激光輸出，上海硅酸鹽所成功製備了高質量的平面波導結構YAG/Tm:YAG/YAG透明陶瓷。經哈爾濱工業大學可調諧激光國家重點實驗室教授姚寶權團隊驗證，陶瓷YAG/Ho:YAG/YAG平面波導實現2091.4nm的單縱模激光輸出，輸出功率為530mW，斜率效率為12.7%，光束質量M2為1.23（Infrared Phys. Technol., 2016, 78: 40-44）。陶瓷YAG/Tm:YAG/YAG平面波導在國際上首次實現了2013.76nm連續激光輸出，輸出功率173 mW（Opt. Lett., 2016, 41: 254-256）。

研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、中科院前沿科學重點研究計劃項目、上海硅酸鹽所透明陶瓷學科建設項目等的資助。

圖：陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波導的連續激光性能（a）平均輸出功率特性（平平腔）；（b）平均輸出功率特性（三鏡腔）；（c）激光模式分布（平平腔）；（d）激光模式分布（三鏡腔）。