3D打印陶瓷波导激光器功率超过传统的10倍

在海底，光纤在世界各地传输电信和互联网数据。波导通过引导和放大光——也就是其中的数据——穿越遥远距离，使这一壮举成为可能。该技术不仅限于海底电缆。波导光学是自激光发明以来光子学领域最重要的进展之一。它们是玻璃光纤激光器结构的基础，后者用于高功率国家安全应用，如反无人机激光系统和导弹防御。

陶瓷：玻璃的替代品

现在，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员利用3D打印制造出首个全陶瓷波导。该研究成果发表在《光学快报》（Optics Letters）上。

LLNL的研究人员3D打印了一种基于掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）的透明陶瓷波导。这种方法可用于大幅提高光纤激光系统的功率。

LLNL科学家、论文作者Ross Osborne表示：“随着进一步发展，这种晶体架构可以在保持紧凑体积的同时，使输出功率比玻璃光纤提高十倍以上。”

波导利用全内反射现象，包含两个区域：纤芯和包围纤芯的包层材料。光在纤芯中传播并反射时会扩散；当光碰到包层时，会被反射回纤芯中。

通常，波导由石英玻璃制成。晶体陶瓷版本可以承受更高的输出功率、改善散热并抑制不稳定性。迄今为止，制造这种波导的方法繁琐且不可靠，往往只能制造很短或质量较差的波导。

同时打印纤芯和包层

LLNL的新方法使用墨水直写技术来应对这一挑战。该技术将掺镱钇铝石榴石细丝挤压到未掺杂的石榴石陶瓷基质中。

Osborne说：“我们开发了一种墨水直写增材制造技术，用于制造具有高度定制结构的陶瓷。该过程从纳米颗粒浆料开始，将其挤出成三维形状。然后对打印结构进行干燥、烧结和热等静压，以生产透明陶瓷。”

该团队在一个陶瓷块中制造了三个波导，并展示了高效率的激光性能。由于波导纤芯和包层是作为一个整体结构同时制造的，这种方法制造良率高，并最大限度地减少了纤芯与包层界面处的缺陷。

论文中描述的通道波导激光器是与位于马里兰州的美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室（DEVCOM Army Research Laboratory）合作测试的。作者们继续改进工艺，并计划最终将输出功率从数百毫瓦提升到千瓦级。最终，他们希望使这种波导及其生产工艺在激光加工和国防等高功率应用中实现商业可行性。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ol.591188