平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG激光陶瓷研究获得进展

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江团队研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导，作为激光放大器的增益介质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，获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出。据研究团队所知，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最大单脉冲能量输出。相关研究成果作为Cover Story发表在Chin. Opt. Lett. (2016, 14: 051404)上，并被美国光学学会（OSA）官网以YAG/Nd:YAG/YAG ceramic planar waveguide laser amplifier with 327-mJ output at 100-Hz repetition rate 为题作专题报道。

激光二极管泵浦是实现高效率激光输出的关键，为保证高光束质量，增益介质的几何形状非常重要，这是由于激光发射过程中会产生大量废热，这些热量如果不及时散发出去会对增益介质产生扰动，影响光束质量。采用平面波导材料作为增益介质的激光器，同时具有块状固体激光器功率高和光纤激光器能量转换效率高的优点。键合技术是实现平面波导激光增益介质的常见技术途径，但大纵横比的平面波导材料仍存在芯层厚度难控制和键合强度弱等问题。

陶瓷平面波导结构是激光陶瓷板条的自然进化，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。平面波导结构激光陶瓷不仅可及时传导激光发射中产生的废热，避免热透镜效应，还能增加增益介质中的光密度，从而实现低阈值、高功率的激光输出。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。2014年，上海硅酸盐所的研究团队在国际上首次采用流延成型和陶瓷烧结技术，克服了单晶键合技术的缺陷，实现了平面波导结构激光陶瓷的一体化制备，成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷（图1），样品在激光工作波段1064nm处的直线透过率大于84%（接近理论透过率），相关结果发表在Opt. Mater. Express（2014, 4: 1042-1049）上。

研究团队制作的激光器系统（图2）包括三个主要部分：种子源、种子光耦合系统、放大器。种子源为双棒串接的Nd:YAG振荡器。放大器增益介质尺寸为1 mm×10 mm×60 mm，1 mm厚度上为YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷波导结构，并且两端各有5 mm的非掺杂YAG端帽。抽运源经过慢轴缩束快轴聚焦后，以特定的角度倾斜抽运平面波导介质。种子光从波导一端注入，放大光从另一端输出。高清松认为，该平面波导结构陶瓷激光放大器不仅具有输出能量高、效率高的优点，而且它的体积非常小，能够实现激光器系统的小型化、轻量化，是未来数年高能全固态激光器的主要发展方向之一。

图1 (a)陶瓷流延膜表面FESEM形貌；（b）流延膜实物照片；（c）平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的实物照片和直线透过率曲线；（d）波导层Nd3+的分布图

图2 单通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器系统示意图