上海硅酸盐所在平面波导激光陶瓷研究中取得系列进展

集成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启示。波导结构是介质衬底表面上或内部形成的折射率相对较高的微型区域，这一区域被折射率较低的区域包裹，从而能将光限制在微米量级的结构内进行传输。将光波导结构应用于激光增益介质，其较大特点是它能够有效地限制光束发散，提高增益介质中的光密度，从而实现低阈值、高效率、高功率的激光输出。同时，将波导层包裹在热导率高的材料中，可及时传导激光发射中产生的废热，保证光束质量。陶瓷平面波导是一种高纵横比的三明治结构，由高折射率的波导层和周围低折射率包层组成，具有对泵浦吸收效率高、纵横比大、比表面积大等特点。陶瓷波导层的厚度为5到300μm，可以采用芯层或包层泵浦，并实现单模或多模激光输出。流延成型技术是一种精度高、膜厚度和组分可控性强的陶瓷成型工艺，可以实现陶瓷平面波导的一体化制备。中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江团队在平面波导激光陶瓷研究中取得了系列进展。

Nd3+离子的能级结构与YAG基质的特性，决定了Nd:YAG陶瓷非常适合实现高功率、高效率激光输出。上海硅酸盐所在国际上首次采用流延成型和陶瓷烧结技术成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷，并系统研究了其致密化、显微结构演化和Nd3+的扩散行为。经中国工程物理研究院应用电子学研究所研究员高清松团队验证，YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导作为激光放大器的增益介质获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出，这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较大单脉冲能量输出。与山东大学信息科学与工程学院博士刘兆军合作，陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG实现了斜率效率高达62.8%的1064.6nm连续激光输出。与哈尔滨工业大学可调谐激光国家重点实验室博士马欲飞合作，陶瓷平面波导YAG/Nd:YAG/YAG实现了4.14W被动调Q激光输出，平均输出功率、脉冲能量和脉冲峰值功率分别为75.6 kHz、54.8μJ和3.4 kW。

Yb3+离子的能级结构，决定了Yb:YAG陶瓷不仅可用于调谐激光和超快激光，也可以用于高功率、CW或高脉冲重复频率的激光，所以Yb:YAG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透明陶瓷经华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室研究员李文雪、教授曾和平团队验证，实现了斜率效率高达66%的连续波导激光输出（如图）。采用半导体可饱和吸收镜（SESAM），陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波导实现了1030nm被动锁模激光输出，重复频率为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。

人眼安全2μm波段固体激光在遥感、测风雷达、中红外光参量振荡器（OPO）、透明塑料焊接以及激光手术与治疗等领域具有重要的应用前景。为了实现Tm/Ho:YAG透明陶瓷的高效率、高功率和高光束质量2μm激光输出，上海硅酸盐所成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Tm:YAG/YAG透明陶瓷。经哈尔滨工业大学可调谐激光国家重点实验室教授姚宝权团队验证，陶瓷YAG/Ho:YAG/YAG平面波导实现2091.4nm的单纵模激光输出，输出功率为530mW，斜率效率为12.7%，光束质量M2为1.23。陶瓷YAG/Tm:YAG/YAG平面波导在国际上首次实现了2013.76nm连续激光输出，输出功率173 mW。

研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、中科院前沿科学重点研究计划项目、上海硅酸盐所透明陶瓷学科建设项目等的资助。

图：陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波导的连续激光性能（a）平均输出功率特性（平平腔）；（b）平均输出功率特性（三镜腔）；（c）激光模式分布（平平腔）；（d）激光模式分布（三镜腔）。