集成光學(xué)中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對激光增益介質(zhì)的幾何形狀設(shè)計是一種啟示。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是介質(zhì)襯底表面上或內(nèi)部形成的折射率相對較高的微型區(qū)域，這一區(qū)域被折射率較低的區(qū)域包裹，從而能將光限制在微米量級的結(jié)構(gòu)內(nèi)進行傳輸。將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光增益介質(zhì)，其最大特點是它能夠有效地限制光束發(fā)散，提高增益介質(zhì)中的光密度，從而實現(xiàn)低閾值、高效率、高功率的激光輸出。同時，將波導(dǎo)層包裹在熱導(dǎo)率高的材料中，可及時傳導(dǎo)激光發(fā)射中產(chǎn)生的廢熱，保證光束質(zhì)量。陶瓷平面波導(dǎo)是一種高縱橫比的三明治結(jié)構(gòu)，由高折射率的波導(dǎo)層和周圍低折射率包層組成，具有對泵浦吸收效率高、縱橫比大、比表面積大等特點。陶瓷波導(dǎo)層的厚度為5到300μm，可以采用芯層或包層泵浦，并實現(xiàn)單?；蚨嗄＜す廨敵?。流延成型技術(shù)是一種精度高、膜厚度和組分可控性強的陶瓷成型工藝，可以實現(xiàn)陶瓷平面波導(dǎo)的一體化制備。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李江團隊在平面波導(dǎo)激光陶瓷研究中取得了系列進展。

Nd3+離子的能級結(jié)構(gòu)與YAG基質(zhì)的特性，決定了Nd:YAG陶瓷非常適合實現(xiàn)高功率、高效率激光輸出。上海硅酸鹽所在國際上首次采用流延成型和陶瓷燒結(jié)技術(shù)成功制備了高質(zhì)量的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷（Opt.Mater. Express, 2014, 4: 1042-1049），并系統(tǒng)研究了其致密化、顯微結(jié)構(gòu)演化和Nd3+的擴散行為（Opt. Mater., 2016, 60: 221-229）。經(jīng)中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研究員高清松團隊驗證，YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導(dǎo)作為激光放大器的增益介質(zhì)獲得了100 Hz重復(fù)頻率下327 mJ單脈沖能量的激光輸出（Chin. Opt. Lett., 2016, 14: 051404），這是國際范圍內(nèi)采用非水基流延成型制備的該種陶瓷平面波導(dǎo)達到的最大單脈沖能量輸出。與山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院博士劉兆軍合作，陶瓷平面波導(dǎo)YAG/Nd:YAG/YAG實現(xiàn)了斜率效率高達62.8%的1064.6nm連續(xù)激光輸出。與哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光國家重點實驗室博士馬欲飛合作，陶瓷平面波導(dǎo)YAG/Nd:YAG/YAG實現(xiàn)了4.14W被動調(diào)Q激光輸出，平均輸出功率、脈沖能量和脈沖峰值功率分別為75.6 kHz、54.8μJ和3.4 kW（Opt. Mater. Express, 2016, 6: 2966-2974）。

Yb3+離子的能級結(jié)構(gòu)，決定了Yb:YAG陶瓷不僅可用于調(diào)諧激光和超快激光，也可以用于高功率、CW或高脈沖重復(fù)頻率的激光，所以Yb:YAG透明陶瓷代表了新一代的激光材料的發(fā)展方向。上海硅酸鹽所研制的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Yb:YAG/YAG透明陶瓷經(jīng)華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室研究員李文雪、教授曾和平團隊驗證，實現(xiàn)了斜率效率高達66%的連續(xù)波導(dǎo)激光輸出（如圖）。采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM），陶瓷YAG/Yb:YAG/YAG平面波導(dǎo)實現(xiàn)了1030nm被動鎖模激光輸出，重復(fù)頻率為97.79MHz，脈沖寬度為2.95ps，平均功率為385mW，波導(dǎo)方向的光束質(zhì)量M2為1.42（Sci. Rep., 2016, 6: 31289）。

人眼安全2μm波段固體激光在遙感、測風(fēng)雷達、中紅外光參量振蕩器（OPO）、透明塑料焊接以及激光手術(shù)與治療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)Tm/Ho:YAG透明陶瓷的高效率、高功率和高光束質(zhì)量2μm激光輸出，上海硅酸鹽所成功制備了高質(zhì)量的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)YAG/Tm:YAG/YAG透明陶瓷。經(jīng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光國家重點實驗室教授姚寶權(quán)團隊驗證，陶瓷YAG/Ho:YAG/YAG平面波導(dǎo)實現(xiàn)2091.4nm的單縱模激光輸出，輸出功率為530mW，斜率效率為12.7%，光束質(zhì)量M2為1.23（Infrared Phys. Technol., 2016, 78: 40-44）。陶瓷YAG/Tm:YAG/YAG平面波導(dǎo)在國際上首次實現(xiàn)了2013.76nm連續(xù)激光輸出，輸出功率173 mW（Opt. Lett., 2016, 41: 254-256）。

目前，激光陶瓷研究已經(jīng)被列為中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃項目和國家自然科學(xué)基金面上項目，為未來陶瓷行業(yè)的發(fā)展展現(xiàn)了重要的前景。