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低温高效的表面激活键合技术 —— Er,Yb:Glass+Co:spinel键合晶体的制备与应用

引言

随着激光技术与光电子器件在工业、通信、医疗等领域的广泛应用,对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,如何保证激光增益介质与其他功能材料之间的高质量结合,成为关键技术难题。CryLink产品页面展示了一种基于表面激活键合技术制备Er,Yb:Glass+Co:spinel键合晶体的先进方法,该方法在低温条件下实现了高质量的无机材料键合,为激光系统带来了多方面的性能提升。

键合晶体
图1. 键合晶体,Crylink

表面激活键合技术的原理

传统的高温键合技术常常需要在高温环境下使不同材料熔融、扩散,从而实现粘结。然而,高温工艺容易导致热应力、晶格畸变以及界面杂质残留,严重影响器件的光学性能和使用寿命。表面激活键合技术则是一种在低温或常温条件下实现材料间直接键合的方法,其核心原理在于对材料表面进行预处理,通过离子轰击、等离子体清洗或化学活化等手段,将表面污染物、氧化层及抛光残留物去除,同时引入活性位点或未饱和键。经过这种激活处理后,将Er,Yb:glass与Co:spinel晶体在极低温度下接触,并施加一定压力,促使两种材料的原子在界面处重新排列、相互扩散和形成共价键,从而实现牢固、纯净的无机键合。

硅-硅表面活性键合工艺流程示意图
图 2. 硅-硅表面活性键合工艺流程示意图

Er,Yb:Glass与Co:spinel的材料优势

Er,Yb:Glass作为一种掺杂了铒(Er)和镱(Yb)的光学玻璃,具有出色的光学增益和能量转移性能。Yb离子具有宽带吸收特性,可高效吸收泵浦光能量并将其传递给Er离子,后者在合适条件下实现激光辐射,尤其适用于1.5μm波段的眼安全激光器。与此同时,Co:spinel晶体以其优异的机械稳定性、低热膨胀系数以及特殊的磁光性质,被广泛用于被动Q开关和其他光调制应用中。将Er,Yb:Glass与Co:spinel键合,不仅能在低温下保证两者界面的高质量结合,还能充分发挥各自的光学和热学优势,降低因温度变化产生的界面应力,提升整体器件的稳定性和寿命。

Er,Yb:glass + Co:spinel键合晶体
图 3. Er,Yb:glass + Co:spinel键合晶体,键合晶体,Crylink

表面激活键合的显著优势

CryLink产品页面详细介绍了采用表面激活键合技术制备Er,Yb:Glass+Co:spinel键合晶体的多项优势,这些优势主要体现在以下几个方面:

  • 低温制备,减少热应力

表面激活键合技术在低温或常温条件下进行,有效避免了高温下传统熔融键合中常见的热应力问题,从而使得制备的键合晶体内部无明显应力集中,不会引起材料性能的下降或光学传输损耗。

  • 界面纯净,吸收损耗极低

经过严格的表面激活预处理后,Er,Yb:Glass与Co:spinel晶体之间的界面杂质被大幅去除,从而实现了极高的键合纯净度。实验表明,键合面吸收损耗通常低于20ppm,同时界面形貌变化极小(小于λ/8),为激光器提供了低损耗、高传输效率的关键保障。

  • 工艺可控性强,适应性广

采用离子轰击或等离子体清洗等技术,可精细调控表面激活参数,实现不同材料间的精确匹配。无论是玻璃与晶体、金属与半导体之间的无机键合,还是复杂多层结构的制备,表面激活键合均能在较宽工艺窗口内稳定运行,大大提高了工艺的可靠性和重复性。

  • 提高器件性能,延长使用寿命

通过低温制备出的键合晶体,不仅保持了Er,Yb:Glass的高增益性能和Co:spinel的被动Q开关特性,还能在高功率激光器运行中有效降低热梯度,减少热透镜效应。最终,这种高质量的键合技术显著提高了激光器的输出稳定性、光束质量以及整体工作寿命。

 加工车间
图4. 加工车间,Crylink

应用前景及未来发展

由于Er,Yb:Glass+Co:spinel键合晶体在低温下实现了高质量的无机键合,CryLink产品为激光系统提供了更高的能量转换效率和更好的热管理性能。这种技术在激光测距、激光雷达、光通信、医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。特别是在眼安全激光器领域,1.5μm波段的激光不仅符合国际安全标准,还能在复杂环境下实现高精度远距离测量。

未来,随着表面激活键合技术的不断优化和新型活性材料的引入,有望进一步降低界面损耗、提高键合强度,并实现更多种类材料间的异质集成。与此同时,通过对界面工程和工艺参数的深入研究,这一技术将为激光器小型化、集成化提供更为理想的解决方案,推动新一代高性能激光器和光电子器件的研发进程。

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

结语

CryLink采用的表面激活键合技术突破了传统高温键合的诸多局限,以低温工艺实现Er,Yb:Glass与Co:spinel晶体的无机键合,既保证了两种材料原有性能的完整性,又大幅降低了界面吸收损耗和热应力,显著提升了激光器的输出稳定性和使用寿命。正是这种技术优势,使得Er,Yb:Glass+Co:spinel键合晶体成为激光系统中不可或缺的核心部件之一。未来,随着相关技术的不断进步和应用领域的不断拓展,表面激活键合技术必将在高功率激光器、光通信及其他高端光电子领域发挥越来越重要的作用,为行业带来更多创新与突破。

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