近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（英语：Lawrence Livermore National Laboratory，缩写：LLNL）的研究团队3D打印出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。
在海底，光纤传输着全球的电信和互联网数据。波导通过在大距离上引导和放大光（以及其中的数据），使这一壮举成为可能。这项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步之一。它们是玻璃光纤激光器结构的基础，后者被用于反无人机激光系统和导弹防御等高功率国家安全应用。如今，LLNL的研究团队已通过3D打印制造出首个此类全陶瓷波导。该研究成果发表在《Optics Letters》期刊上。
LLNL科学家兼论文作者Ross Osborne表示：“随着进一步开发，这种晶体结构有望在保持紧凑尺寸的同时，实现比玻璃光纤高出十倍以上的输出功率。”
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。当光在纤芯中传播并反射时，它会扩散。当光碰到包层时，会被反射回纤芯。通常，波导由石英玻璃制成，而晶体陶瓷波导则可以承受更高的功率输出，改善散热性能并抑制不稳定性。此前，制造这种波导的方法繁琐且不可靠，通常会导致波导长度过短或质量较差。
LLNL的新方法使用直接墨水书写打印（direct ink write printing）来应对这一挑战。该技术将掺镱钇铝石榴石的细丝挤压进未掺杂的石榴石陶瓷基体中。Osborne说：“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化结构的陶瓷。该工艺首先将纳米颗粒浆料挤出成三维形状。然后对打印出的结构进行干燥、烧结和热等静压，最终制成透明陶瓷。”
研究团队在单个陶瓷块中制造了三个波导，并展示了其高效的激光性能。由于波导的纤芯和包层是作为一个整体结构同时制造的，因此该方法具有高制造良率，并能最大程度减少纤芯与包层界面的缺陷。
论文中描述的这种通道波导激光器是与马里兰州的DEVCOM陆军研究实验室合作测试的。研究团队将继续完善该工艺，并计划最终将输出功率从数百毫瓦扩展到千瓦级。最终目标是使波导及其生产过程在激光加工和国防等高功率应用领域具备商业可行性。
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