3D 列印陶瓷波導技術提升激光傳輸功率潛力

研究人員在洛倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）找到一種可能使微型結構能夠處理比現有光纖更高功率的方法。他們通過從陶瓷材料進行 3D 打印來製作波導，這一過程基於傳輸數據的光導技術。所使用的材料為鋯酸鋁（YAG），其熱導率遠高於二氧化矽，並且不易受到刺激布里淵散射的影響，這一現象可能限制激光功率。然而，直到目前為止，準確製造無缺陷的陶瓷波導仍然困難重重。LLNL 團隊通過將光導核心及其周圍的包層一起進行 3D 打印來克服這一挑戰。

LLNL 的首席研究員羅斯·奧斯本（Ross Osborne）表示：「我們開發了一種直接墨水書寫的增材製造技術，用於製造具有高度定製結構的陶瓷。」

新技術突破陶瓷波導製造

波導本質上是一條精心設計的光路，中心有一個核心，周圍包圍著包層。兩種材料之間的差異使得光在結構中傳遞時能夠被限制在核心內。類似的微觀光導結構也正在成為新型芯片級激光技術的核心。研究人員使用透明的 YAG 陶瓷，並在核心中添加了釔的摻雜，形成了 Yb，而周圍的包層則保持未摻雜的 YAG。釔離子提供了所需的光學增益以支持激光發射。關鍵的製造技巧是直接墨水書寫，一種 3D 打印形式。

團隊將負載有納米顆粒的 Yb 醬料擠出為細絲，進入未摻雜的 YAG 中，在一個過程中創造了激光引導通道及其周圍的包層。奧斯本補充道：「這一過程始於擠出的納米顆粒醬料，然後將其乾燥、燒結並進行熱等壓處理，以產生透明陶瓷。」

研究人員在單個陶瓷塊內創造了三個波導。由於核心和包層是一起製作的，該方法可以實現高製造產量，同時減少界面處的缺陷。實驗結果顯示，這些波導具有工作激光性能。其包層的散射損失在 1.3 微米下低於 1.3% 每釐米。在 940 納米的 Ti 激光泵浦下，這些波導產生了 1,030 納米的激光光。最佳性能的波導橢圓截面尺寸為 100 × 60 微米，長度為 1.4 釐米。

其斜率效率達到 61% 且往返損失為 12.4%。這一結果延續了先前對 3D 打印陶瓷激光結構的研究。2021 年，研究人員展示了噴墨打印的 Yb 平面波導，報告稱導管厚度達 25–350 微米，斜率效率為 23.6%。新研究的不同之處在於使用直接墨水書寫來創建三維通道波導，而不是平面結構。

陶瓷波導的應用潛力

控制微型結構中的光的更廣泛重要性也可以在直接建造在光纖上的光學傳感器中看到，微型設備利用相同的一般能力來操控光線於極小的結構內。儘管如此，研究人員尚未展示他們所設想的巨大功率增長。他們目前的設備運行於數百毫瓦的範圍內，但最終希望達到千瓦級的輸出。LLNL 科學家羅斯·奧斯本表示，這種結晶架構有可能提供超過玻璃光纖的 10 倍輸出功率，同時保持緊湊的外形。如果該目標實現，這項技術將對高功率激光加工和防禦應用（包括反無人機和導彈防禦系統）極具潛力。

向更強大和緊湊的激光系統推進的趨勢在高功率超快激光和為下一代通信設計的光子系統等領域已經可見。然而，仍需要大量工作。團隊必須改進製造過程，擴大激光功率，並確定陶瓷波導在更高負載下能否保持其光學性能。目前，此研究工作並未提出取代玻璃光纖激光器的方案，而是展示了一種製造控制激光光的小型結構的新方法，這一方法可能使結晶陶瓷的功率優勢更容易被利用。