Rapid, Micron‐Resolution 3D Printing of Nd:YAG Ceramic with Optical Gain

材料科学 陶瓷 正硅酸乙酯 激光器 透明陶瓷 自愈水凝胶 选择性激光烧结 光电子学 Nd:YAG激光器 烧结 复合材料 光学 纳米技术 冶金 物理 高分子化学 氧化物
作者
Luyang Liu,Wenbo Wang,Shuai Feng,Siying Liu,Haofan Sun,Qiong Nian,Sui Yang,Xiangfan Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202403130
摘要

Abstract Polycrystalline yttrium aluminum garnet (YAG) ceramic doped with neodymium (Nd), referred to as Nd:YAG, is widely used in solid‐state lasers. However, conventional powder metallurgy methods suffer from expenses, time consumption, and limitations in customizing structures. This study introduces a novel approach for creating Nd:YAG ceramics with 3D free‐form structures from micron (∼70 µm) to centimeter scales. Firstly, sol‐gel synthesis is employed to form photocurable colloidal solutions. Subsequently, by utilizing a home‐built micro‐continuous liquid interface printing process, precursors are printed into 3D poly(acrylic acid) hydrogels containing yttrium, aluminum, and neodymium hydroxides, with a resolution of 5.8 µm pixel −1 at a speed of 10 µm s −1 . After the hydrogels undergo thermal dehydration, debinding, and sintering, polycrystalline Nd:YAG ceramics featuring distinguishable grains are successfully produced. By optimizing the concentrations of the sintering aids (tetraethyl orthosilicate) and neodymium trichloride (NdCl 3 ), the resultant samples exhibit satisfactory photoluminescence, emitting light concentrated at 1064 nm when stimulated by a 532 nm laser. Additionally, Nd:YAG ceramics with various 3D geometries (e.g., cone, spiral, and angled pillar) are printed and characterized, which demonstrates the potential for applications, such as laser and amplifier fibers, couplers, and splitters in optical circuits, as well as gain metamaterials or metasurfaces.
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