研究人员将纳米颗粒浆料制成可工作的激光通道，并用其产生了1030纳米激光。

如果引导激光的微小结构能比今天的玻璃光纤承受高得多的功率，会怎样？劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员可能找到了一种实现方法——用陶瓷3D打印波导本身。这一工艺基于与跨洋传输数据相同的光导技术。

他们使用的材料是钇铝石榴石（YAG），其导热性远优于二氧化硅，并且更不易发生受激布里渊散射——后者是一种可能限制激光功率的现象。

然而，到目前为止，制造没有缺陷的精密陶瓷波导一直很困难。LLNL团队通过将导光核心及其周围包层一起3D打印，克服了这一挑战。

“我们开发了一种直接墨水书写增材制造技术，用于制造具有高度定制结构的陶瓷。”LLNL首席研究员、科学家罗斯·奥斯本表示。

为激光开辟一条新的打印路径

波导本质上是一条精心设计的光传播路径。它有一个被包层包围的中心核心。两种材料之间的差异使光在穿过结构时被限制在核心内。类似的微型光导结构也正成为新型芯片级激光技术的核心。

研究人员使用了透明YAG陶瓷，并在核心中加入镱，形成掺镱核心，而周围包层仍为未掺杂的YAG。镱离子提供产生激光所需的光学增益。

关键的制造诀窍是直接墨水书写，这是3D打印的一种形式。该团队将负载纳米颗粒的掺镱浆料以细丝形式挤出到未掺杂YAG中，在一次工艺中同时形成导光通道及其周围包层。

“该工艺从纳米颗粒浆料开始，将其挤出成三维形状。打印出的结构随后经过干燥、烧结和热等静压，制成透明陶瓷。”奥斯本补充说。

研究人员在单个陶瓷块内制作了三个波导。由于核心和包层是一起制成的，该方法可以实现高制造良率，同时最大限度地减少界面缺陷。

微型陶瓷块开始产生激光

实验制成了可工作的激光波导。在1.3微米波长处，其包层散射损耗低于每厘米1.3%。当用940纳米钛激光器泵浦时，这些波导产生了1030纳米的激光。

性能最好的波导具有100×60微米的椭圆形截面，长度为1.4厘米。它实现了61%的斜率效率和12.4%的往返损耗。

这一成果延续了此前关于3D打印陶瓷激光结构的研究。2021年，研究人员展示了喷墨打印的掺镱平面波导，报道的波导厚度为25–350微米，斜率效率为23.6%。

新工作的不同之处在于使用直接墨水书写来制造三维通道波导，而不是平面结构。

通过微小结构控制光的更广泛重要性也体现在直接构建在光纤上的光学传感器中，这些微型装置利用同样的一般能力在极小结构内操控光。

从毫瓦到千瓦

研究人员尚未实现他们设想的大幅功率提升。目前的器件工作在数百毫瓦量级，但团队最终希望达到千瓦级输出。

LLNL科学家罗斯·奥斯本表示，这种晶体结构有可能提供超过玻璃光纤10倍的输出功率，同时保持紧凑的体积。

如果实现这一目标，该技术可用于高功率激光加工和国防应用，包括反无人机和导弹防御系统。

从高功率超快激光器到面向下一代通信的光子系统，对更强大、更紧凑激光系统的推动已经随处可见。

然而，仍有许多工作要做。团队必须改进制造工艺、提升激光功率，并确定陶瓷波导在更高负载下能否保持其光学性能。

目前，这项研究工作并未提出替代玻璃光纤激光器的方案。相反，它展示了一种制造控制激光的微小结构的新方法，而且这种方法可能使晶体陶瓷的功率优势更容易得到利用。

该研究发表在《Optics Letters》期刊上。

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