上海硅酸鹽所在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Nd:YAG/YAG激光陶瓷研究中取得進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李江團(tuán)隊研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導(dǎo)，作為激光放大器的增益介質(zhì)經(jīng)中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研究員高清松團(tuán)隊驗(yàn)證，獲得了100 Hz重復(fù)頻率下327 mJ單脈沖能量的激光輸出。據(jù)研究團(tuán)隊所知，這是國際范圍內(nèi)采用非水基流延成型制備的該種陶瓷平面波導(dǎo)達(dá)到的最大單脈沖能量輸出。相關(guān)研究成果作為Cover Story發(fā)表在Chin. Opt. Lett. (2016, 14: 051404)上，并被美國光學(xué)學(xué)會（OSA）官網(wǎng)以YAG/Nd:YAG/YAG ceramic planar waveguide laser amplifier with 327-mJ output at 100-Hz repetition rate 為題作專題報道。

　　激光二極管泵浦是實(shí)現(xiàn)高效率激光輸出的關(guān)鍵，為保證高光束質(zhì)量，增益介質(zhì)的幾何形狀非常重要，這是由于激光發(fā)射過程中會產(chǎn)生大量廢熱，這些熱量如果不及時散發(fā)出去會對增益介質(zhì)產(chǎn)生擾動，影響光束質(zhì)量。采用平面波導(dǎo)材料作為增益介質(zhì)的激光器，同時具有塊狀固體激光器功率高和光纖激光器能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。鍵合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)平面波導(dǎo)激光增益介質(zhì)的常見技術(shù)途徑，但大縱橫比的平面波導(dǎo)材料仍存在芯層厚度難控制和鍵合強(qiáng)度弱等問題。

　　陶瓷平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是激光陶瓷板條的自然進(jìn)化，是一種高縱橫比的三明治結(jié)構(gòu)，由高折射率的波導(dǎo)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(diǎn)。平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光陶瓷不僅可及時傳導(dǎo)激光發(fā)射中產(chǎn)生的廢熱，避免熱透鏡效應(yīng)，還能增加增益介質(zhì)中的光密度，從而實(shí)現(xiàn)低閾值、高功率的激光輸出。流延成型技術(shù)是一種精度高、膜厚度和組分可控性強(qiáng)的陶瓷成型工藝。2014年，上海硅酸鹽所的研究團(tuán)隊在國際上首次采用流延成型和陶瓷燒結(jié)技術(shù)，克服了單晶鍵合技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光陶瓷的一體化制備，成功制備了高質(zhì)量的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷（圖1），樣品在激光工作波段1064nm處的直線透過率大于84%（接近理論透過率），相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Opt. Mater. Express（2014, 4: 1042-1049）上。

　　研究團(tuán)隊制作的激光器系統(tǒng)（圖2）包括三個主要部分：種子源、種子光耦合系統(tǒng)、放大器。種子源為雙棒串接的Nd:YAG振蕩器。放大器增益介質(zhì)尺寸為1 mm×10 mm×60 mm，1 mm厚度上為YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且兩端各有5 mm的非摻雜YAG端帽。抽運(yùn)源經(jīng)過慢軸縮束快軸聚焦后，以特定的角度傾斜抽運(yùn)平面波導(dǎo)介質(zhì)。種子光從波導(dǎo)一端注入，放大光從另一端輸出。高清松認(rèn)為，該平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)陶瓷激光放大器不僅具有輸出能量高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且它的體積非常小，能夠?qū)崿F(xiàn)激光器系統(tǒng)的小型化、輕量化，是未來數(shù)年高能全固態(tài)激光器的主要發(fā)展方向之一。

　　圖1 (a)陶瓷流延膜表面FESEM形貌；（b）流延膜實(shí)物照片；（c）平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的實(shí)物照片和直線透過率曲線；（d）波導(dǎo)層Nd3+的分布圖 

圖2 單通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導(dǎo)激光放大器系統(tǒng)示意圖