【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所光電前沿交叉部王俊研究員團隊在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展。相關研究成果以“Ion slicing of Nd:YAG Laser ceramics on sapphire platform and its waveguide amplifier design at 1064 nm”為題發表于Materials & Design。
亞微米級固體激光增益薄膜制備是實現高功率片上光放大的關鍵路徑，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)技術結合有望實現薄膜性能的突破。研究團隊首次將離子切片技術應用于Nd:YAG激光陶瓷，系統揭示了晶界在退火過程應力釋放中的雙重機制。實驗表明，550–850 ℃低溫段，氦離子沿晶界富集形成氣泡引發晶粒崩落；850 ℃以上氦氣獲得足夠動能穿越晶界，激活膜層整體剝離。據此提出400 ℃預退火結合900 ℃快速退火的梯度策略，通過預退火提前釋放晶粒崩落所需的內應力，使得高溫階段膜層整體剝離成為主導機制，成功實現915 nm厚、橫向數百微米的陶瓷薄膜向藍寶石襯底的可控轉移。
研究人員進一步利用透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)及光致發光(PL)光譜對轉移后薄膜進行系統表征。TEM圖像顯示，薄膜與襯底界面清晰銳利，未引入位錯或非晶相；AFM測得表面粗糙度約2.5 nm；PL光譜證實1064 nm主發射峰位及強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-藍寶石異質集成平臺，團隊設計并優化了Si3N4波導放大器結構。通過有限元方法仿真調控波導寬度、高度及增益層厚度，使808 nm泵浦光與1064 nm信號光的TM模式限制因子分別達到35.16%和38.51%。仿真結果表明，在12 cm波導長度及160 mW泵浦功率下，器件可在1064 nm處獲得約25 dB峰值內增益。
該工作首次驗證了離子切片技術制備陶瓷增益薄膜的可行性，揭示了晶界介導的應力釋放雙路徑機制，為激光陶瓷材料的片上集成與高性能波導放大器設計提供了新的技術路徑。
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