研究者たちはローレンスリバモア国立研究所（LLNL）で、微細構造が従来の光ファイバーよりも高い出力を処理できる可能性のある方法を見つけました。彼らは、データを伝送する光導技術に基づいて、セラミック材料から3Dプリントを行い、導波管を製造しました。使用された材料は酸化イットリウム（YAG）で、熱伝導率は二酸化ケイ素よりもはるかに高く、レーザー出力を制限する可能性のある刺激ブリルアン散乱の影響を受けにくいです。しかし、これまでのところ、欠陥のないセラミック導波管を正確に製造することは依然として困難でした。LLNLのチームは、光導コアとその周囲のクラッドを一緒に3Dプリントすることでこの課題を克服しました。
LLNLの主任研究員ロス・オズボーンは、「私たちは、高度にカスタマイズされた構造を持つセラミックを製造するための直接インク書き込みの積層製造技術を開発しました。」と述べています。
LLNLチームが新しいセラミック導波管技術を成功裏に開発
導波管は本質的に精巧に設計された光路であり、中心にコアがあり、その周囲をクラッドが囲んでいます。二つの材料の違いにより、光が構造内を伝播する際にコア内に制限されます。同様の微視的光導構造は、新しいチップレベルのレーザー技術の中心にもなりつつあります。研究者たちは透明なYAGセラミックを使用し、コアにイットリウムのドーピングを加えてYbを形成し、周囲のクラッドは未ドーピングのYAGを維持しました。イットリウムイオンはレーザー放出を支えるために必要な光学増益を提供します。重要な製造技術は、直接インク書き込みという3Dプリントの一形態です。
チームはナノ粒子を含むYbペーストをフィラメントとして押出し、未ドーピングのYAG内に導波路とその周囲のクラッドを形成しました。オズボーンは「このプロセスは、押出されたナノ粒子ペーストから始まり、次にそれを乾燥、焼結し、熱等圧処理を行って透明なセラミックを生成します。」と付け加えました。
研究者たちは単一のセラミックブロック内に三つの導波管を創造しました。コアとクラッドが一緒に製造されるため、この方法は高い製造量を実現し、同時に界面での欠陥を減少させることができます。実験結果は、これらの導波管が動作するレーザー性能を持っていることを示しています。クラッドの散乱損失は1.3ミクロン未満で1.3%未満です。940ナノメートルのTiレーザーポンプ下で、これらの導波管は1,030ナノメートルのレーザー光を生成しました。最適な性能を持つ導波管の楕円断面サイズは100 × 60ミクロン、長さは1.4センチメートルです。
その傾斜効率は61%に達し、往復損失は12.4%です。この結果は、3Dプリントされたセラミックレーザー構造に関する以前の研究を引き継いでいます。2021年、研究者たちはインクジェットプリントされたYb平面導波管を示し、導管の厚さが25–350ミクロンで、傾斜効率が23.6%であると報告しました。新しい研究の違いは、平面構造ではなく、三次元通路導波管を作成するために直接インク書き込みを使用している点です。
新技術がレーザー応用分野を変える可能性
微細構造内の光を制御することのより広範な重要性は、光ファイバー上に直接構築された光学センサーにも見られます。これらの微細デバイスは、非常に小さな構造内で光を操作するために同じ一般的な能力を利用しています。それにもかかわらず、研究者たちは彼らが想定している巨大な出力増加をまだ示していません。現在の設備は数百ミリワットの範囲で動作していますが、最終的にはキロワット級の出力を目指しています。LLNLの科学者ロス・オズボーンは、この結晶構造がガラス光ファイバーの10倍以上の出力を提供する可能性があると述べており、同時にコンパクトな形状を維持します。この目標が達成されれば、この技術は高出力レーザー加工や防衛応用（ドローン対策やミサイル防衛システムを含む）に非常に大きな潜在能力を持つことになります。
より強力でコンパクトなレーザーシステムへの進展の傾向は、高出力超短パルスレーザーや次世代通信のために設計されたフォトニックシステムなどの分野で既に見られます。しかし、まだ多くの作業が必要です。チームは製造プロセスを改善し、レーザー出力を拡大し、セラミック導波管がより高い負荷下で光学性能を維持できるかどうかを確認する必要があります。現在、この研究はガラス光ファイバーレーザーの代替案を提示するものではなく、結晶セラミックの出力優位性をより利用しやすくするための小型構造のレーザー光を制御する新しい製造方法を示しています。
項目 規格 材料 ジルコニウム酸アルミニウム（YAG） コアサイズ 100 × 60 マイクロメートル 導波長 1.4 センチメートル 傾斜効率 61% 散乱損失 1.3% 毎センチメートル レーザー波長 1,030 ナノメートル