上海光机所技术突破 推动激光陶瓷向片上集成器件升级

作为硬核光电与激光器件领域的前沿成果，近日，中国科学院上海光学精密机械研究所王俊研究员领衔团队，在 Nd:YAG 激光陶瓷离子切片工艺及片上波导放大器研制上取得原创性重要进展。相关研究成果正式刊发于《Materials & Design》，为激光陶瓷增益薄膜规模化制备、片上集成激光器件产业化落地筑牢了技术根基。

亚微米级激光增益薄膜是高功率片上光放大、集成光子器件的核心核心基材，传统制备工艺在薄膜完整性、光学性能保真度、异质衬底集成适配性上存在明显瓶颈。行业一直探索将 SmartCut 离子切片技术与稀土掺杂激光陶瓷相结合，以此突破增益薄膜制备的性能上限，但该技术在 Nd:YAG 激光陶瓷体系中的应用机制与工艺方案始终未有突破。

本次研究最大技术亮点之一，是国际首次将离子切片技术成功应用于 Nd:YAG 激光陶瓷，厘清并揭示了退火过程中晶界调控应力释放的双重作用机理。团队通过大量实验探明温度对薄膜剥离行为的影响规律：550–850℃低温区间，氦离子沿晶界富集并形成气泡，易造成局部晶粒崩落；温度升至 850℃以上时，氦离子具备跨晶界迁移能力，可驱动整层薄膜平稳剥离。

基于机理研究成果，团队创新构建400℃预退火 + 900℃快速退火梯度工艺策略，通过低温预退火提前缓释内部应力，规避晶粒局部脱落缺陷，使高温工艺阶段以膜层整体可控剥离为主，最终实现915nm 厚度、横向尺度达数百微米的 Nd:YAG 陶瓷薄膜在蓝宝石衬底上的高精度、无损伤转移。

工艺制备的薄膜经多维度专业表征验证，综合性能表现优异：TEM 表征显示薄膜与蓝宝石衬底界面规整清晰，无位错、无新生非晶相等结构缺陷；AFM 测试表明薄膜表面粗糙度仅 2.5nm，满足高精度光子器件加工要求；PL 光致发光光谱测试证实，薄膜 1064nm 特征发射峰位与发光强度和块体陶瓷高度吻合，充分印证离子切片工艺可实现光学性能无损保留，解决了传统工艺光学损耗大、性能衰减的行业痛点。

依托自研 Nd:YAG 陶瓷 - 蓝宝石异质集成平台，团队进一步完成 Si₃N₄波导放大器结构设计与参数优化。采用有限元仿真手段精准匹配波导长宽高及增益层厚度，优化后 808nm 泵浦光、1064nm 信号光 TM 模式限制因子分别达 35.16%、38.51%。仿真数据显示，在 12cm 波导长度、160mW 泵浦功率工况下，器件在 1064nm 波段可实现25dB 峰值内增益，展现出极佳的片上光放大应用潜力。

业内视角来看，该项研究实现两大核心创新：一是开辟了激光陶瓷离子切片制备增益薄膜的全新技术路线，完善了晶界介导应力释放的理论体系；二是搭建起 Nd:YAG 陶瓷 - 蓝宝石异质集成平台，为高性能波导放大器、片上激光器、集成光电系统的设计开发提供了可复用的工艺范式。

随着精密激光加工、光通信、激光雷达、高端科研仪器等领域对小型化、集成化、高功率激光器件需求持续攀升，上海光机所此次技术突破，将有效推动激光陶瓷材料从块体器件向薄膜片上集成方向演进，为国内高端激光增益材料与集成光子仪器自主化发展注入关键技术动力。