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[转载]光波导激光陶瓷的进展与展望
Xing2 2018-4-3 14:34
上海硅酸盐研究所李江研究员课题组在2018年第3期发表了“ 光波导激光陶瓷的研究进展与展望 ”一文，该文对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍，最后对其做了展望和分析。 随着人们对激光器应用的不断拓宽，要求先进的固体激光器能够实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出且具有紧凑的系统结构。 作为对激光产生起决定性作用的是激光增益介质，它的质量优劣将直接影响到器件的性能，是激光技术发展核心和基础。透明陶瓷不仅具有与单晶相媲美的激光性能，而且还可以实现与玻璃相似的大尺寸制备和高浓度掺杂，再加上其特有的高温机械性能和结构可设计性，被认为是21世纪最有发展前途的激光材料之一。目前，制约固体激光器发展的一个重要因素是其热效应，包括热应力、热透镜效应、热致双折射效应以及热致退偏等，限制了激光器的输出功率，降低了激光的光束质量，甚至可能导致固体激光增益介质的破坏。 因此，科研人员一直在研究不同结构的激光介质以减轻热效应。其中，光波导激光陶瓷具有泵浦阈值低、散热高效、结构紧凑等优点。此外，还有利于激光器的小型化和集成化，是一种比较理想的全固态激光器的增益介质。 光波导激光陶瓷的原理及分类 光波导基于斯涅尔定律，入射光全部反射到折射率大的介质并在其内部经过多次全反射传播，而折射率小的介质内将没有光透过。以典型的平面波导为例，如图所示，中间为波导层，一般厚度为5 μm-200 μm，折射率为n2，上面的覆盖层折射率为n3，下面的衬底层折射率为n1。为了能实现光波导，须满足n3≤n1＜n2，当覆盖层与衬底层材料相同时，此时为对称平面波导，当n3＜n1时，则称为非对称平面波导。 光波导根据对光不同维度的限制主要可以分为平面波导、通道波导和圆柱型波导等。平面波导激光器除了在泵浦耦合上的优势，还具有大的横纵比，可以采用大面高效地散热，此外，平面波导激光器只产生一维的热流方向和热梯度，有利于确定双折射方向，从而避免偏振损耗，可以更有效的抑制热效应。 平面波导只能在Z方向上对光强有限制作用，是结构最简单和最常用的光波导。而在某些实际应用中，需要在Z、X两个方向上限制光的传播，即通道光波导。通道型波导避免了平面波导在非波导方向的衍射和扩散现象。通道波导主要有条型波导、脊型波导、嵌入型波导和覆盖条型波导等结构。 圆柱型波导中最经典的应用即双包层波导光纤，光纤激光器中增益介质的表面积/体积比是传统块状固体激光器的1000倍以上，因此具有出色的散热性能，此外还有光光转换效率高、光束质量好、发热量小、泵浦阀值低、易于维护以及紧凑轻量化等优点。 光波导陶瓷的最新进展 为了充分开发陶瓷波导激光的巨大潜在应用，其中的重要环节是其制备技术。光波导激光陶瓷的制备方法可以分为两类：一类是改变激光增益材料本身折射率的制备技术，主要有离子注入技术和飞秒激光写入技术，此类方法更易实现近衍射极限的单模激光输出；另一类是通过组合不同折射率材料而获得波导结构的制备方法，主要有热键合和陶瓷成型结合共烧结技术。此外，挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能 1）离子注入 高能离子注入是一种材料改性和掺杂技术，对于波导激光陶瓷而言，其作用机理是高能离子不断与衬底材料的原子核以及核外电子发生碰撞，并因能量逐步消失而停止，造成晶格损伤或改变材料的自发极化行为，从而改变材料的折射率，在一定区域形成波导。2014年，Tan等采重离子C5+辐照方法配合金属盖板制备了Nd:YAG陶瓷光波导激光器，并实现了输出功率72 mW，斜率效率~30.7%的连续激光输出。 2）飞秒激光写入 飞秒激光制作光波导是将飞秒激光直接聚焦到增益介质内部，通过激光与介质材料的相互作用以及介质材料内部不同方向、不同层次的扫描产生的内部微结构来制作各种波导结构，该技术可以实现真正意义上的三维立体加工。2016年，Salamu等采用飞秒激光技术在1.1 at.% Nd:YAG陶瓷中制备了嵌入式圆包层波导并实现了1.06 μm处输出功率为3.1 W，对应的斜率效率为43%。 3）键合技术 键合是将波导层与包层材料的表面进行特殊处理并精细抛光，使两块材料能够靠范德瓦尔斯力结合在一起。键合技术是制备双包层波导结构激光器的重要方法。Ng等采用键合技术制备了双包层MgAl2O4/YAG/Nd:YAG/YAG/MgAl2O4平面波导材料并实现了946 nm高效平面波导激光输出，最大功率为105 W，光光转换效率和斜率效率分别为50%和54%，光束质量M2=3.2×2.4。 4） 流延成型结合共烧结技术 流延成型工艺精度高，制备的流延膜厚度可控，一般在几微米到几毫米，适合叠层不同结构形式，而在平面波导激光陶瓷的设计和制备中要求各种形状和尺寸的波导层流延膜，流延成型很容易满足这一要求。 中国科学院上海硅酸盐研究所首次采用流延成型结合真空烧结工艺制备了YAG/Nd:YAG/YAG平面波导激光陶瓷，经中国工程物理研究院应用电子学研究所高清松研究员团队验证，获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出，该工作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最大单脉冲能量输出。 Yb:YAG具有能级结构简单、单位面积增益高、荧光寿命长、吸收发射带宽以及可以高浓度掺杂等优点。此外，随着激光二极管（LD）不断发展，泵浦功率不断提高。解决了Yb:YAG泵浦阈值高、不易泵浦的缺点，使之成为高功率、高效率LD泵浦激光器的理想增益介质。华东师范大学采用中国科学院上海硅酸盐研究所研制的平面波导结构YAG/10 at.%Yb:YAG/YAG透明陶瓷实现了斜率效率高达66%、输出功率为3 W的连续波导激光输出。 5）挤出成型结合烧结工艺 在陶瓷粉末中加入溶剂、粘结剂和塑化剂使之成为可塑性的浆料，通过特定的挤出装置获得纤维混合物，随后经干燥、排胶和烧结等可获得激光陶瓷光纤。近年来，美国空军实验室开始了挤出成型结合烧结工艺制备激光陶瓷光纤的研究。2017年，他们采用SF57玻璃对Ho:YAG陶瓷光纤包层后进行了激光实验，实现了在2091 nm处最大功率为701 mW、斜率效率为7%、泵浦阈值小于500 mW的激光输出。 存在的问题及展望 通过离子注入和飞秒激光写入技术获得的波导激光陶瓷折射率空间分辨率高，尽管这两种工艺均需要昂贵的设备，制备成本较高，仅限于实验室制备，但是考虑到该技术所具有的明显优势，有必要对其进行深入的持续研究。 对于圆柱型波导激光陶瓷，挤出成型结合烧结工艺使得激光陶瓷光纤成为可能，但需要进一步完善其制备工艺，获得高质量的激光陶瓷光纤；热键合和流延成型结合共烧结技术是获得平面波导激光陶瓷的主要方法。热键合工艺简单，然而，芯层加工难度大、键合技术的界面问题和键合材料的机械强度是目前亟待解决的问题。流延成型具有精度高、厚度可控、可连续化生产的优点，在平面波导陶瓷的制备中得到了广泛的应用。考虑到该工艺的巨大发展前景，未来的研究方应集中于：（1）在获得高光学质量样品的同时减少波导层的厚度，即抑制波导层激活离子的扩散；（2）从基质材料角度对波导激光陶瓷进行优化，如采用热导率更高的倍半氧化物透明陶瓷进行波导结构制备。
个人分类: 杂志社|849 次阅读|0 个评论
波导中光波导的简单小结
williammilo 2010-2-7 09:51
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！ 本文永久链接 http://xiongbox.com/波导中光波导/ 1.光波导由 光透明介质（如石英玻璃） 构成的 传输光频电磁波的导行结构 。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在 波导及其周围有限区域内 传播。 2.多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对 外界的温度和压力等因素敏感 ，因而可制成 光纤传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量 。实用光波导有 光导纤维、薄膜波导、带状波导 等三类。 3. 薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件 ， 如激光器、调制器和光耦合器 等。它们采用 半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路 （即光集成部件）。 4.光纤的 传输衰减很小，频带很宽 。如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于 大容量信号的远距离传输 。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来 构成元件 ，对 传输衰减与频带要求并不严格 。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用 标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等 。
个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3269 次阅读|0 个评论
山东大学实现Nd:YAG陶瓷条形光波导
lijiang1977 2009-4-8 10:59
最近，山东大学物理学院陈峰教授和西班牙马德里自治大学物理材料系 D. Jaque 教授合作，首次报道了利用选择性氧离子注入的方法实现 Nd ： YAG 陶瓷条形光波导的新进展。该研究成果发表在美国《光学快报》［ Optics Letters 34 ， 28-30 （ 2009 ）］，并被美国材料学会期刊 MRS Bulletin ，在其 研究／研究者 （ Research/Researchers ）专栏特别撰文介绍［ MRS Bulletin 34 ， 75-76 （ 2009 ）］。 相关研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。研究发现在波导区折射率会增高（ △n=+0.001 ），形成折射率增强势阱，而在波导与衬底交界处折射率会降低，（ △n =-0.006 ）形成光位垒。实验中观察到 TM00 模的近场光强图像与使用光束传播方法模拟的得到的结果吻合。条形波导的传输损耗为 1.5dB/cm ，这仅为使用碳离子在类似条件下注入 Nd ： YAG 单晶形成条形波导的损耗的三分之一。他们分别测量了注入前后 Nd 离子的光谱特性。结果表明， 4F 3/2 的亚稳态光谱在注入后有微小变化，寿命仅仅减小了 3% ；离子注入使得吸收线在 936nm 附近有略微展宽并向短波移动。他们认为这是由点阵无序程度的微小增加和 Nd 离子周围晶场微小的变化引起的。总之， Nd 离子的发光特性在波导区被很好的保存了下来。因此，氧离子注入 Nd ： YAG 陶瓷形成的条形波导适合做有源集成光学器件，这对进一步实现 Nd ： YAG 陶瓷波导激光的制备有重要意义。 Nd ： YAG 陶瓷是大功率连续和脉冲固体激光器的新一代增益介质，与 Nd ： YAG 晶体相比， Nd ： YAG 陶瓷具有制备简单、成本低廉、掺杂浓度高、易于大批量生产等优点，并且其光学物理特性与晶体材料基本相同，是当今激光材料的研究热点之一。光波导是集成光学的基本原件，可以将光的能量约束在截面非常小的区域内。用一定条件的激光对激光材料制备出的波导进行泵浦，就会实现波导激光输出。结合 Nd ： YAG 陶瓷优良的激光特性和光波导技术，可以实现稳定输出的高功率集成激光器，具有重要的应用前景。 《光学快报》发表论文摘要（英文） http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-34-1-28 本文引用地址： http://www.sic.ac.cn/news/technology/20094882448.htm
个人分类: 透明陶瓷|5620 次阅读|0 个评论
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