【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光電前沿交叉部王俊研究員團(tuán)隊(duì)在Nd:YAG激光陶瓷離子切片及其片上放大器的研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Ion slicing of Nd:YAG Laser ceramics on sapphire platform and its waveguide amplifier design at 1064 nm”為題發(fā)表于Materials & Design。
 

　　亞微米級(jí)固體激光增益薄膜制備是實(shí)現(xiàn)高功率片上光放大的關(guān)鍵路徑，通過將摻雜稀土增益離子的體材料與SmartCut(離子萬能刀或離子切片)技術(shù)結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)薄膜性能的突破。研究團(tuán)隊(duì)首次將離子切片技術(shù)應(yīng)用于Nd:YAG激光陶瓷，系統(tǒng)揭示了晶界在退火過程應(yīng)力釋放中的雙重機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，550–850 ℃低溫段，氦離子沿晶界富集形成氣泡引發(fā)晶粒崩落；850 ℃以上氦氣獲得足夠動(dòng)能穿越晶界，激活膜層整體剝離。據(jù)此提出400 ℃預(yù)退火結(jié)合900 ℃快速退火的梯度策略，通過預(yù)退火提前釋放晶粒崩落所需的內(nèi)應(yīng)力，使得高溫階段膜層整體剝離成為主導(dǎo)機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)915 nm厚、橫向數(shù)百微米的陶瓷薄膜向藍(lán)寶石襯底的可控轉(zhuǎn)移。
 

　　研究人員進(jìn)一步利用透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)及光致發(fā)光(PL)光譜對(duì)轉(zhuǎn)移后薄膜進(jìn)行系統(tǒng)表征。TEM圖像顯示，薄膜與襯底界面清晰銳利，未引入位錯(cuò)或非晶相；AFM測(cè)得表面粗糙度約2.5 nm；PL光譜證實(shí)1064 nm主發(fā)射峰位及強(qiáng)度與塊體陶瓷高度一致，充分展示了離子切片工藝的無損特性及其在器件制備中的可行性。
 

　　基于該Nd:YAG陶瓷-藍(lán)寶石異質(zhì)集成平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了Si3N4波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)。通過有限元方法仿真調(diào)控波導(dǎo)寬度、高度及增益層厚度，使808 nm泵浦光與1064 nm信號(hào)光的TM模式限制因子分別達(dá)到35.16%和38.51%。仿真結(jié)果表明，在12 cm波導(dǎo)長(zhǎng)度及160 mW泵浦功率下，器件可在1064 nm處獲得約25 dB峰值內(nèi)增益。
 

　　該工作首次驗(yàn)證了離子切片技術(shù)制備陶瓷增益薄膜的可行性，揭示了晶界介導(dǎo)的應(yīng)力釋放雙路徑機(jī)制，為激光陶瓷材料的片上集成與高性能波導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)路徑。