上海光机所在Nd:YAG激光陶瓷离子切片及其片上放大器研究方面取得进展

近期，中科院上海光机所光电前沿交叉部王俊研究员团队在Nd:YAG激光陶瓷离子切片及其片上放大器的研究方面取得进展。相关研究成果以“Ion slicing of Nd:YAG Laser ceramics on sapphire platform and its waveguide amplifier design at 1064 nm”为题发表于Materials & Design。

亚微米级固体激光增益薄膜制备是实现高功率片上光放大的关键路径，通过将掺杂稀土增益离子的体材料与SmartCut（离子万能刀或离子切片）技术结合有望实现薄膜性能的突破。研究团队首次将离子切片技术应用于Nd:YAG激光陶瓷，系统揭示了晶界在退火过程应力释放中的双重机制。实验表明，550–850 ℃低温段，氦离子沿晶界富集形成气泡引发晶粒崩落；850 ℃以上氦气获得足够动能穿越晶界，激活膜层整体剥离。据此提出400 ℃预退火结合900 ℃快速退火的梯度策略，通过预退火提前释放晶粒崩落所需的内应力，使得高温阶段膜层整体剥离成为主导机制，成功实现915 nm厚、横向数百微米的陶瓷薄膜向蓝宝石衬底的可控转移。

研究人员进一步利用透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）及光致发光（PL）光谱对转移后薄膜进行系统表征。TEM图像显示，薄膜与衬底界面清晰锐利，未引入位错或非晶相；AFM测得表面粗糙度约2.5 nm；PL光谱证实1064 nm主发射峰位及强度与块体陶瓷高度一致，充分展示了离子切片工艺的无损特性及其在器件制备中的可行性。

基于该Nd:YAG陶瓷-蓝宝石异质集成平台，团队设计并优化了Si3N4波导放大器结构。通过有限元方法仿真调控波导宽度、高度及增益层厚度，使808 nm泵浦光与1064 nm信号光的TM模式限制因子分别达到35.16%和38.51%。仿真结果表明，在12 cm波导长度及160 mW泵浦功率下，器件可在1064 nm处获得约25 dB峰值内增益。

该工作首次验证了离子切片技术制备陶瓷增益薄膜的可行性，揭示了晶界介导的应力释放双路径机制，为激光陶瓷材料的片上集成与高性能波导放大器设计提供了新的技术路径。

相关链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.115969