上海硅酸鹽所在平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG激光陶瓷研究中取得進展

　　近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李江團隊研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導，作為激光放大器的增益介質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，獲得了100 Hz重復頻率下327 mJ單脈沖能量的激光輸出。據(jù)研究團隊所知，這是國際范圍內采用非水基流延成型制備的該種陶瓷平面波導達到的最大單脈沖能量輸出。相關研究成果作為Cover Story發(fā)表在Chin. Opt. Lett. (2016, 14: 051404)上，并被美國光學學會（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現(xiàn)高效率激光輸出的關鍵，為保證高光束質量，增益介質的幾何形狀非常重要，這是由于激光發(fā)射過程中會產生大量廢熱，這些熱量如果不及時散發(fā)出去會對增益介質產生擾動，影響光束質量。采用平面波導材料作為增益介質的激光器，同時具有塊狀固體激光器功率高和光纖激光器能量轉換效率高的優(yōu)點。鍵合技術是實現(xiàn)平面波導激光增益介質的常見技術途徑，但大縱橫比的平面波導材料仍存在芯層厚度難控制和鍵合強度弱等問題。

　　陶瓷平面波導結構是激光陶瓷板條的自然進化，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。平面波導結構激光陶瓷不僅可及時傳導激光發(fā)射中產生的廢熱，避免熱透鏡效應，還能增加增益介質中的光密度，從而實現(xiàn)低閾值、高功率的激光輸出。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。2014年，上海硅酸鹽所的研究團隊在國際上首次采用流延成型和陶瓷燒結技術，克服了單晶鍵合技術的缺陷，實現(xiàn)了平面波導結構激光陶瓷的一體化制備，成功制備了高質量的平面波導結構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），相關結果發(fā)表在Opt. Mater. Express（2014, 4: 1042-1049）上。

　　研究團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。放大器增益介質尺寸為1 mm×10 mm×60 mm，1 mm厚度上為YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷波導結構，并且兩端各有5 mm的非摻雜YAG端帽。抽運源經過慢軸縮束快軸聚焦后，以特定的角度傾斜抽運平面波導介質。種子光從波導一端注入，放大光從另一端輸出。高清松認為，該平面波導結構陶瓷激光放大器不僅具有輸出能量高、效率高的優(yōu)點，而且它的體積非常小，能夠實現(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）流延膜實物照片；（c）平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的實物照片和直線透過率曲線；（d）波導層Nd3+的分布圖 

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