-
近红外1.5 μm激光器在人眼安全及光通讯方面具有独特优势，可广泛应用于军事、医疗、雷达、深空探测和通信上[1-3]。课题组制备的玻璃平面波导采用的材料为铒镱共掺磷酸盐玻璃，已被证明是优良的可输出1.5 μm波段激光的固体材料。与光参量激光器及光纤激光器相比，铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器成本低、体积小，具有良好的应用前景[4]。在铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器中，介质的低热导率、高泵浦吸收功率、多声子非辐射弛豫跃迁以及量子缺陷等因素都会使介质温度升高。热效应限制了铒镱共掺磷酸盐玻璃的1.5 μm激光的输出功率和光束质量[5]，不能满足多种场合的激光雷达的应用需求。
通过键合实现平面波导结构最早由南安普顿大学报道[6]，铒镱共掺磷酸盐玻璃通过键合未掺杂的磷酸盐玻璃形成平面波导结构，可以加快增益介质散热使其内部温度均匀，减小磷酸盐玻璃中热效应对激光性能的影响，该结构具有实现高效率、高功率输出的潜力[7]。直接键合允许在没有中间层的情况下，以一种完美的材料适应方式连接光学表面，尺寸精度高，界面可控[8-9]。相比于其它制备方法，热键合法对实验设备要求不高且适于大批量低成本生产。目前国内北京工业大学邢晓文报道了使用键合法制备铒镱双掺磷酸盐玻璃双包层平面波导放大器实现了重频10 Hz、脉宽5.5 ns、单脉冲能量1.5 mJ、峰值功率270 kW的输出[10]。日本三菱公司将Er3+、Yb3+共掺玻璃平面波导应用于第三代的相干多普勒激光雷达中，采用多反射光路结构实现了高增益的激光输出[11]。在该结构中，1.5 μm的激光在重复频率为4 kHz时，峰值功率为5.5 kW，脉冲能量为3.2 mJ，平均功率为12.8 W，增益大于23 dB，探测距离达30 km。
然而，这些报道只采用或一定程度上优化特定材料的键合的技术，却并未对优化参数的键合机理进行进一步的研究。基于以上背景，文中系统地研究了铒镱共掺磷酸盐玻璃键合界面扩散机理，并根据Fick第二定律，探讨了一维等效假设下的芯层玻璃中的Yb3+扩散机理，建立了热键合过程中的固-固界面分子扩散模型。并通过模型优化了热键合的工艺，实现了键合强度达11.63 MPa，芯层厚度为100 μm，上下边层厚度为2 mm的三明治结构平面波导的制备。
-
键合实验所采用的玻璃均为中国科学院上海光学精密机械研究所单元实验室自行研制的型号为EAT14[12]的铒镱共掺磷酸盐玻璃 (EYDPG) 及相同基质无掺杂的磷酸盐玻璃 (PG) ，其中EYDPG作为芯层材料，PG作为边层材料。热键合过程所用的炉子为真空退火炉。
-
图1为平面波导的制备过程。将切割好的EYDPG玻璃和PG玻璃研磨抛光，得到的玻璃样品表面粗糙度为2.5 nm，平面度为λ/5。再经无水乙醇清洗，进行光胶。光胶后的玻璃复合体放入真空退火炉中进行热处理。热处理过程中无需额外加压，以减小键合界面形变并防止应力集中。热处理结束后取出双层键合体，测试并选取合格的样品用于平面波导的制备。
图 1 平面波导制备流程图
Figure 1. Schematic illustrations of the planar waveguide fabrication process
将双层玻璃键合体作为中间芯层的一侧单面减薄到所需尺寸后，抛光使表面粗糙度和平面度达到2.5 nm及λ/5，无水乙醇清洗后在减薄侧光胶PG边层，再经热处理可得到PG-EYDPG-PG（PEP）排列的三明治结构的平面波导。
-
在以上所描述的光胶热键合工艺流程中，有诸多的细节会影响最终得到的平面波导性质。从材料的选择出发，光在波导中的传输要求芯层玻璃的折射率大于边层玻璃的折射率。且两种材料热膨胀系数差不应过大，否则在器件工作过程中会产生热失配而在界面产生热应力，影响器件运转[13]。从热键合的方面来看键合质量取决于键合温度，保温时长，压力等参数。文中主要讨论键合温度、键合时间以及预键合过程对键合质量的影响。
-
在热键合过程中，键合温度曲线可以分为三个阶段：升温阶段、保温阶段、降温阶段。其中，预键合阶梯升温过程处于升温阶段。
图2为采用的三种热处理温度与时间曲线图。其中，曲线1无预键合阶梯升温过程，曲线2和曲线3分别增加了一个预键合阶梯升温过程（t1）和两个预键合阶梯升温过程 (t2和t3)，Tb为键合温度。
图 2 玻璃键合过程曲线
Figure 2. Bonding process
研究中定义有效键合面积[14]为排除气泡与空洞面积后的玻璃键合界面面积与总界面面积之比，有效键合面积数值的大小体现了键合质量的优劣，可以用来评估工艺的好坏。
文中研究的大量试验性实验证明。通过控制预键合阶梯温度与时间，既可以促进键合界面处分子成键，又可以防止加热后光胶失效导致界面处发生分离或界面间进入尘粒。从而提高有效键合面积。预键合阶梯温度过低，玻璃连接处的分子扩散速度慢，不能大量成键，导致键合界面出现空洞；预键合阶梯温度过高，会使光胶失效，导致键合界面出现气泡甚至键合失效。因此，需选择合适的预键合阶梯温度和时间来达到良好的键合效果。
每个预键合阶梯之间的温度差与时间间隔是综合实验结果与成本进行设计的。上述的键合保温温度Tb = βTm，（β≥0.8），Tm为玻璃的软化温度，预键合阶梯温度预键合阶梯温度Tp=αTb，（0.3≤α≤0.6）。每个阶梯之间的温度差根据阶梯数量n（n>1）设置为0.2/（n−1）Tb，预键合阶梯温度保持的时间经实验验证，在15~30 h之间效果较好。
图3为应用不同键合曲线时不同键合温度下（Tb）的有效键合面积。从图3可知，通过增加预键合阶梯升温过程可以提高磷酸盐玻璃的有效键合面积。在增加一个阶梯过程后，有效键合面积增加11.7%~18.0%不等。增加两个阶梯过程后，有效键合面积增加20.5%~26.7%。文中最终通过增加两个预键合阶梯升温过程，在键合温度为550 ℃以上时实现了100%的有效键合面积，即键合界面无气泡无空洞。
图 3 不同键合曲线，不同键合温度下（Tb）的 有效键合面积
Figure 3. Effective bonding area under different bonding curves and different bonding temperatures (Tb)
-
玻璃热键合主要是通过热处理，在固-固界面处，通过分子的交换、扩散以及化学成键反应，在界面处形成区别于玻璃基体的新相层，该层在其他扩散反应中被称为扩散反应层，扩散反应层在一定程度上影响着器件的性能[15]。在波导结构中，该层过厚会影响光的传播，并因折射率变化引起色散，过薄则会影响键合强度。因此，对键合界面扩散反应层的组织、结构以及生长动力学进行研究，进而预测与控制扩散反应层的性能和生长具有重要的理论与实际应用价值。
对于热键合来说，温度和时间是最重要的两个因素。通过控制键合热处理的升降温速度、键合温度和时间，可以调节键合界面的应力和键合界面的质量。对不同保温温度和保温时长处理后的键合体结构进行了电子探针显微分析（EPMA），因芯层与边层的玻璃组分差异体现在Er3+和Yb3+的含量上。通过测试两者中浓度更高的Yb3+的含量变化，可以分析键合界面的分子扩散情况。扫描方式为沿垂直于键合界面线扫描，可以得到扫描距离与信号强度的关系图。
图 4 不同键合温度下距离-Yb3+信号强度图
Figure 4. Distance-Yb3+ signal intensity diagram at different bonding temperatures
图4(a)~(d)为键合保温时间20 h，键合温度分别为530 ℃、550 ℃、570 ℃和590 ℃时的Yb3+信号强度曲线：Yb3+的信号强度由弱到强，在扫描经过键合界面时，信号强度快速上升，证明在键合界面处两种介质有交融，但仅在浅层。如图中各内图所示，通过对比三个内图，结合数据计算，可知在不同温度下的键合扩散反应层厚度不同，且随温度的上升该层厚度增加。从530~590 ℃对应的键合扩散反应层厚度分别为：2.41、2.71、3.76、5.46 nm。
图5(a)~(c)为键合温度为550 ℃时，保温时间分别为20 h、30 h以及60 h的Yb3+信号强度与扩散距离的曲线。Yb3+的信号强度由弱到强。对比三个内图结合数据计算，可知在550 ℃下保温20~60 h对应的键合扩散反应层厚度分别为：2.71、5.36、6.31 nm。键合界面扩散反应层厚度随保温时间增长而增加。
图 5 不同保温时间下距离-Yb3+信号强度图
Figure 5. Distance-Yb3+ signal intensity diagram at different bonding time
-
为了进一步理解键合界面的扩散反应。研究根据Fick第二定律[16]，按照热键合界面处的扩散情况建立扩散模型。模型假定玻璃内部均匀，芯层玻璃中的Yb3+沿垂直于键合界面方向向边层玻璃中进行一维扩散，且浓度梯度仅沿着该方向变化。模型如图6所示，可知扩散模型的初始条件和边界条件分别如下公式（1）、（2），其中C为Yb3+浓度，x为扩散距离，t为扩散时间，C1和C2分别为PG及EYDPG中Yb3+浓度。
图 6 扩散模型示意图
Figure 6. Diagram of diffision model
初始条件，t = 0时:
$$ \left\{\begin{array}{l}{C}=C_{1} \quad\quad {x}>0 \\ {C}=C_{2} \quad\quad {x} < 0\end{array} \right. $$ (1) 边界条件，t > 0时：
$$ \left\{\begin{array}{l} {C}=C_{1} \quad\quad {x}=\infty \\ {C}=C_{2} \quad\quad {x}=-\infty \end{array}\right. $$ (2) 根据公式（3） Fick第二定律为：
$$ \frac{{\rm{d }}c}{{\rm{d}} t}=D \frac{\partial^{2} c}{\partial x^{2}} $$ (3) 式中：D为扩散系数；c为扩散物质的体积浓度。
通过中间量α替换：
$$ {\alpha }=\frac{x}{2\sqrt{Dt}} $$ 公式（3）可变为常微分形式公式（4）：
$${C}=\mathrm{A}_{1} \int_{0}^{\alpha} {\mathrm e}^{-\alpha^{2}} {\mathrm d} \alpha+{\mathrm A}_{2} $$ (4) 公式（4）中A1与A2为常数，微分形式符合误差函数erf (α)，根据误差函数及边界条件，可得该模型的的解，如公式（5）所示：
$${C}(x, t)=\frac{C_{2}}{2}\left[1-\operatorname{erf}\left(\frac{x}{2 \sqrt{D t}}\right)\right] $$ (5) 假设扩散系数D随扩散距离不发生变化，令
$$ {K}=\frac{1}{2\sqrt{Dt}} $$ 当键合保温时间为20 h时，此时t为常量，则公式可简化为：
$$ {C}(x)=\frac{C_{2}}{2}[1-\operatorname{erf}(K x)] $$ (6) 根据公式（6）对实验测得的Yb3+的浓度变化进行拟合，可得K值。
图7(a)~(d)为公式拟合后的Yb3+浓度与扩散距离的变化图。表1为K和D的具体数值。根据Arrhenius方程，扩散系数D主要受键合温度的影响。键合温度可以增加键合界面处的原子内能，提高克服周围势垒的几率，从而提高扩散几率，进而体现在扩散系数D的增加上[16]。
图 7 不同键合温度下的拟合曲线
Figure 7. Fitting curves at different bonding temperatures
表 1 不同温度下K值与D值
Table 1. K and D at different temperatures
Tempreture 530 ℃ 550 ℃ 570 ℃ 590 ℃ K 1.8338 1.6777 1.4208 1.2265 D 3.717×103 4.441×103 6.192×103 8.309×103 由图7可知，排除因信号扰动造成的误差，模型和结果符合，证明在键合过程中发生了扩散反应。
-
已知扩散离子的含量随距离的曲线图，可以根据公式模拟得到的K值，进而通过K计算出扩散反应层厚度。反之，如果可以通过K值得到与实验相符的数据，则可进一步验证该模型。
表2为应用表1得到在键合温度550 ℃下的D值和键合保温时间分别为20 h、30 h和60 h的K值。 将K值代入公式（6）中，得到如图8所示不同键合保温时间下的距离与Yb3+含量的曲线图。
表 2 不同时间下K值与D值
Table 2. K and D at different time
Time 20 h 30 h 60 h D 4.441×103 4.441×103 4.441×103 K 1.6777 1.3698 0.9686 
图 8 不同键合时间下的拟合曲线
Figure 8. Fitting curves at different bonding time
模拟得到的与实验测得的扩散反应层厚度对比图如图9所示。实验测得的扩散反应层厚度与模拟得到的反应层变化趋势一致，但模拟得到的要比测得的大2~3 nm，推测为探测器的探测灵敏度所致。已知电子探针对稀土离子的探测灵敏度约为万分之一（100 μg/g），将该灵敏度误差排除后，如图9中红色曲线所示，与实验结果相符，可证实该推测。
图 9 键合保温时间与扩散反应层厚度
Figure 9. Thickness of diffusion reaction layer at different bond
由此可见，该模型与实验结果匹配，证明该模型具有实际可用性。同时，在文中研究的模型中，扩散系数D与温度T符合以下函数关系：
$$ \ln {D}=2.427\;2-4\;276.5 \times \frac{1}{T} $$ (7) -
通过控制铒镱共掺磷酸盐玻璃表面粗糙度及平整度满足光胶的条件。增加两个预键合阶梯升温过程，在键合温度为550 ℃，键合时间为20 h的条件下，成功制备了键合强度约为11.93 MPa的铒镱共掺磷酸盐玻璃平面波导。并根据Fick第二定律，探讨了一维等效假设下的芯层玻璃中的Yb3+扩散机理，建立了热键合过程中的固-固界面分子扩散模型，为后续的键合实验提供参考。
研究中，对于磷酸盐玻璃平面波导的制备和界面扩散模型，可以得到以下结论。
（1）通过增加预键合阶梯升温过程可以有效提高磷酸盐玻璃的有效键合面积。在键合温度为550 ℃，键合时间为20 h时，通过增加两个预键合阶梯温度，有效键合面积从78.5%提升到100%。
（2）磷酸盐玻璃界面扩散反应层符合根据菲克第二定律建立的固-固界面扩散模型。扩散反应层厚度受键合时间和键合温度的影响，其中，扩散系数主要受键合温度的影响。
Thermal bonding preparation and interfacial diffusion research of glass planar waveguides
-
摘要: 铒镱共掺磷酸盐玻璃平面波导在散热和抑制非线性效应方面具有独特优势，可开发作为近红外1.5 μm高平均功率固体激光器的增益介质，具有重要意义。文中应用光胶热键合方法制备铒镱共掺磷酸盐玻璃平面波导，研究了预键合阶梯升温过程对键合质量的影响。通过电子探针表面分析（EPMA）得到键合温度和键合时间对键合界面分子扩散层厚度的影响，并根据Fick第二定律，探讨了一维等效假设下的芯层玻璃中的Yb3+扩散机理，建立了热键合过程中的固-固界面分子扩散模型。最终通过选择最优的热处理工艺参数，得到了键合质量良好且键合强度达到11.63 MPa的芯层厚度为100 μm的三明治结构平面波导。Abstract: Erbium-ytterbium co-doped phosphate glass planar waveguides have unique advantages in heat dissipation and nonlinear effect suppression. It can be developed as the gain medium of near-infrared 1.5 μm high average power solid lasers, which is of great significance. Erbium-ytterbium co-doped phosphate glass planar waveguides are fabricated by optical contacting and thermal bonding. The effect of pre-bonding step-temperature on bonding quality is studied. At the same time, the influence of bonding temperature and bonding time on the thickness of molecular diffusion layer at bonding interface is obtained by electron probe surface analysis (EPMA). According to Fick's second law, the diffusion mechanism of Yb3+ in core glass under one-dimensional equivalence hypothesis is discussed, and the molecular diffusion model of the solid-solid interface during bonding process is established. Finally, a high-quality sandwich structure planar waveguide with 100 μm core layer and bonding strength of 11.63 MPa is obtained by selecting optimal heat treatment temperature curve.
-
图 1 平面波导制备流程图
Figure 1. Schematic illustrations of the planar waveguide fabrication process
图 3 不同键合曲线，不同键合温度下（Tb）的 有效键合面积
Figure 3. Effective bonding area under different bonding curves and different bonding temperatures (Tb)
图 4 不同键合温度下距离-Yb3+信号强度图
Figure 4. Distance-Yb3+ signal intensity diagram at different bonding temperatures
图 5 不同保温时间下距离-Yb3+信号强度图
Figure 5. Distance-Yb3+ signal intensity diagram at different bonding time
表 1 不同温度下K值与D值
Table 1. K and D at different temperatures
Tempreture 530 ℃ 550 ℃ 570 ℃ 590 ℃ K 1.8338 1.6777 1.4208 1.2265 D 3.717×103 4.441×103 6.192×103 8.309×103 
下载: 导出CSV
表 2 不同时间下K值与D值
Table 2. K and D at different time
Time 20 h 30 h 60 h D 4.441×103 4.441×103 4.441×103 K 1.6777 1.3698 0.9686
下载: 导出CSV
-
[1] He Dongbing, Hu Lili, Chen Shubin, et al. Rare earth ions doped optical functional glass and application (Invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201081. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA20201081 [2] Qiu Jiawei, Zhang Zhen, Yu Saifen, et al. Development of 1.5 μm lidar for atmospheric detection (Invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(3): 20210079. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA20210079 [3] Zhang Jian, Zhang Lei, Zeng Fei, et al. Development status of airborne 3 D imaging lidar systems [J]. Chinese Journal of Optics, 2011, 4(3): 213-232. (in Chinese) [4] Zhang Yulu, Hui Yongling, Jiang Menghua, et al. Experimental study of LD-pumped erbium ytterbium co-doped phosphate glass passively Q-switched microlaser [J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 47(3): 0305004. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201746.0305004 [5] Yan Yufeng, Yu Yang, Bai Suping, et al. Progress on beam quality control technology of slab lasers [J]. Chinese Journal of Optics, 2019, 12(4): 767-782. (in Chinese) [6] Brown C, Bonner C L, Warburton T J, et al. Thermally bonded planar waveguide lasers [J]. Applied Physics Letters, 1997, 71(9): 1139-1141. [7] Wang Juntao, Wang Dan, Su Hua, et al. Influence factors on efficiency of Nd: YAG planar waveguide laser amplifier [J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(12): 45-50. (in Chinese) [8] Kalkowski G, Risse S, Zeitner U, et al. (Invited) glass-glass direct bonding [J]. ECS Transactions, 2014, 64(5): 3-11. [9] Yang Mengsheng, Xing Pifeng, Wei Chengfu, et al. Precision diffusion bonding of iron-aluminum impedance match target [J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(11): 2738-2745. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20162411.2738 [10] 邢晓文. 小型化、大能量铒镱共掺磷酸盐玻璃平面导放大器研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2020. Xing Xiaowen. Research on miniaturized high energy Er3+/Yb3+ co-doped phosphate glass planar waveguide amplifier [D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2020. (in Chinese) [11] Sakimura T, Hirosawa K, Watanabe Y, et al. 1.55-mum high-peak, high-average-power laser amplifier using an Er, Yb: Glass planar waveguide for wind sensing coherent Doppler lidar [J]. Optics Express, 2019, 27(17): 24175-24187. [12] 胡丽丽. 激光玻璃及应用[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2019. Hu Lili. Laser Glass and its Applications [M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2019. (in Chinese) [13] Liu Mengxia, Qin Qiang, Dong Xianshan, et al. Characterization of thermal mismatch stress of micro-inertial devices based on silicon-glass bonding process [J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(8): 1715-1724. (in Chinese) [14] Roh M H, Nishikawa H, Tsutsumi S, et al. Pressureless bonding by micro-sized silver particle paste for high-temperature electronic packaging [J]. Materials Transactions, 2016, 57(7): 1209-1214. [15] Han Zhaohui, Zhou Shenggang, Zhu Peixian, et al. Electronic structure of phase interface diffusion reaction layer of Ti-Al laminar composites [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(5): 1350-1356. (in Chinese) [16] Pan Qunxiong, Wang Luming, Cai Anlan. Fundamentals of Inorganic Materials Science[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2017. (in Chinese) -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 158
- HTML全文浏览量: 46
- PDF下载量: 45
- 被引次数: 0
