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低溫高效的表面激活鍵合技術 —— Er,Yb:Glass+Co:spinel鍵合晶體的制備與應用

引言

隨著激光技術與光電子器件在工業、通信、醫療等領域的廣泛應用,對激光材料的要求也日益提高。尤其在高功率、眼安全激光器及集成化光器件中,如何保證激光增益介質與其他功能材料之間的高質量結合,成為關鍵技術難題。CryLink產品頁面展示了一種基于表面激活鍵合技術制備Er,Yb:Glass+Co:spinel鍵合晶體的先進方法,該方法在低溫條件下實現了高質量的無機材料鍵合,為激光系統帶來了多方面的性能提升。

鍵合晶體
圖1. 鍵合晶體,Crylink

表面激活鍵合技術的原理

傳統的高溫鍵合技術常常需要在高溫環境下使不同材料熔融、擴散,從而實現粘結。然而,高溫工藝容易導致熱應力、晶格畸變以及界面雜質殘留,嚴重影響器件的光學性能和使用壽命。表面激活鍵合技術則是一種在低溫或常溫條件下實現材料間直接鍵合的方法,其核心原理在于對材料表面進行預處理,通過離子轟擊、等離子體清洗或化學活化等手段,將表面污染物、氧化層及拋光殘留物去除,同時引入活性位點或未飽和鍵。經過這種激活處理后,將Er,Yb:glass與Co:spinel晶體在極低溫度下接觸,并施加一定壓力,促使兩種材料的原子在界面處重新排列、相互擴散和形成共價鍵,從而實現牢固、純凈的無機鍵合。

硅-硅表面活性鍵合工藝流程示意圖
圖 2. 硅-硅表面活性鍵合工藝流程示意圖

Er,Yb:Glass與Co:spinel的材料優勢

Er,Yb:Glass作為一種摻雜了鉺(Er)和鐿(Yb)的光學玻璃,具有出色的光學增益和能量轉移性能。Yb離子具有寬帶吸收特性,可高效吸收泵浦光能量并將其傳遞給Er離子,后者在合適條件下實現激光輻射,尤其適用于1.5μm波段的眼安全激光器。與此同時,Co:spinel晶體以其優異的機械穩定性、低熱膨脹系數以及特殊的磁光性質,被廣泛用于被動Q開關和其他光調制應用中。將Er,Yb:Glass與Co:spinel鍵合,不僅能在低溫下保證兩者界面的高質量結合,還能充分發揮各自的光學和熱學優勢,降低因溫度變化產生的界面應力,提升整體器件的穩定性和壽命。

Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體
圖 3. Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體,鍵合晶體,Crylink

表面激活鍵合的顯著優勢

CryLink產品頁面詳細介紹了采用表面激活鍵合技術制備Er,Yb:Glass+Co:spinel鍵合晶體的多項優勢,這些優勢主要體現在以下幾個方面:

  • 低溫制備,減少熱應力

表面激活鍵合技術在低溫或常溫條件下進行,有效避免了高溫下傳統熔融鍵合中常見的熱應力問題,從而使得制備的鍵合晶體內部無明顯應力集中,不會引起材料性能的下降或光學傳輸損耗。

  • 界面純凈,吸收損耗極低

經過嚴格的表面激活預處理后,Er,Yb:Glass與Co:spinel晶體之間的界面雜質被大幅去除,從而實現了極高的鍵合純凈度。實驗表明,鍵合面吸收損耗通常低于20ppm,同時界面形貌變化極?。ㄐ∮讦?8),為激光器提供了低損耗、高傳輸效率的關鍵保障。

  • 工藝可控性強,適應性廣

采用離子轟擊或等離子體清洗等技術,可精細調控表面激活參數,實現不同材料間的精確匹配。無論是玻璃與晶體、金屬與半導體之間的無機鍵合,還是復雜多層結構的制備,表面激活鍵合均能在較寬工藝窗口內穩定運行,大大提高了工藝的可靠性和重復性。

  • 提高器件性能,延長使用壽命

通過低溫制備出的鍵合晶體,不僅保持了Er,Yb:Glass的高增益性能和Co:spinel的被動Q開關特性,還能在高功率激光器運行中有效降低熱梯度,減少熱透鏡效應。最終,這種高質量的鍵合技術顯著提高了激光器的輸出穩定性、光束質量以及整體工作壽命。

 加工車間
圖4. 加工車間,Crylink

應用前景及未來發展

由于Er,Yb:Glass+Co:spinel鍵合晶體在低溫下實現了高質量的無機鍵合,CryLink產品為激光系統提供了更高的能量轉換效率和更好的熱管理性能。這種技術在激光測距、激光雷達、光通信、醫療診斷等領域具有廣闊的應用前景。特別是在眼安全激光器領域,1.5μm波段的激光不僅符合國際安全標準,還能在復雜環境下實現高精度遠距離測量。

未來,隨著表面激活鍵合技術的不斷優化和新型活性材料的引入,有望進一步降低界面損耗、提高鍵合強度,并實現更多種類材料間的異質集成。與此同時,通過對界面工程和工藝參數的深入研究,這一技術將為激光器小型化、集成化提供更為理想的解決方案,推動新一代高性能激光器和光電子器件的研發進程。

1535nm人眼安全激光器
圖5. 1535nm人眼安全激光器,Crylink

結語

CryLink采用的表面激活鍵合技術突破了傳統高溫鍵合的諸多局限,以低溫工藝實現Er,Yb:Glass與Co:spinel晶體的無機鍵合,既保證了兩種材料原有性能的完整性,又大幅降低了界面吸收損耗和熱應力,顯著提升了激光器的輸出穩定性和使用壽命。正是這種技術優勢,使得Er,Yb:Glass+Co:spinel鍵合晶體成為激光系統中不可或缺的核心部件之一。未來,隨著相關技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展,表面激活鍵合技術必將在高功率激光器、光通信及其他高端光電子領域發揮越來越重要的作用,為行業帶來更多創新與突破。

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