2026年8月19日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）公布一项新的制造突破，其研究团队利用直接墨水书写3D打印技术，首次制造出全陶瓷波导激光器，相关成果发表于光学领域权威期刊《光学快报》（Optics Letters）。该波导基于掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）透明陶瓷，纤芯与包层一体成型。团队表示，这一晶体架构有望在保持紧凑体积的同时，让激光输出功率达到传统玻璃光纤激光器的十倍以上，为高功率激光加工与国防应用打开新的想象空间。
一、波导：激光世界里「看不见」的核心部件
波导是激光与通信系统中不可或缺的光学结构。在海底，光纤承载着全球电信与互联网数据的传输，而波导正是实现这一壮举的关键，它通过引导和放大光，让数据跨越数千公里的距离。波导的核心原理是全内反射，一个典型的波导包含两个区域，中心的纤芯与包围纤芯的包层，光在纤芯中传播时不断扩散，遇到包层后被反射回纤芯，从而沿着预设路径稳定前进。
波导光学被业界视为自激光发明以来光子学领域最重要的进展之一。它不仅是海底光缆的基础，更是玻璃光纤激光器的结构核心。这类激光器在反无人机激光系统、导弹防御等高功率国家安全应用中扮演关键角色，其功率上限与光束质量，直接决定了武器系统与工业设备的性能边界。正因如此，如何让波导承受更高功率、实现更优散热，一直是光学工程领域的研究焦点。
二、玻璃光纤的天花板，陶瓷的解题思路
长期以来，波导主要由石英玻璃制成，玻璃光纤激光器也因此成为高功率激光系统的主流选择。然而玻璃材料存在先天局限：在高功率运转时，受激布里渊散射会限制功率的进一步扩展，同时玻璃的散热能力相对有限，热效应积累会降低光束质量甚至损坏器件。这些物理限制，让玻璃光纤激光器的功率提升变得越来越艰难。
晶体陶瓷被视为破局方向。以钇铝石榴石（YAG）为代表的晶体陶瓷，导热性能远超石英玻璃，同时更不易发生受激布里渊散射，能够承受更高的输出功率、改善散热并抑制光学不稳定性。但问题在于，制造精密陶瓷波导此前极为困难，传统方法繁琐且不可靠，往往只能产出很短或质量不佳的波导，纤芯与包层界面的缺陷难以控制，这成为陶瓷波导迟迟无法实用化的主要障碍。
三、直接墨水书写：纤芯与包层一体打印
LLNL团队用3D打印破解了这一难题。他们开发了一种直接墨水书写增材制造技术，将掺镱钇铝石榴石的纳米颗粒浆料通过细喷嘴挤出，形成细丝，嵌入到未掺杂的钇铝石榴石陶瓷基质中，纤芯与包层在同一个制造过程中同步成形。打印完成后，结构体经过干燥、高温烧结与热等静压处理，最终得到光学性能优良的透明陶瓷波导。
一体成型带来的最大价值是界面质量。由于纤芯与包层作为一个整体同时制造，制造良率显著提高，纤芯与包层界面处的缺陷被最大限度地抑制，而这正是传统工艺最薄弱的环节。相比2021年该团队采用喷墨打印制作的Yb平面波导，本次的通道波导实现了真正的三维结构，打印厚度从数十微米级别进一步精细到可设计的多层布局，标志着陶瓷波导制造从平面走向立体。
四、实测数据：61%斜率效率的陶瓷激光器
试验结果验证了这一技术路线的可行性。团队在一块陶瓷中集成了三个波导，并在美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的合作下完成激光性能测试。数据显示，波导的包层散射损耗低于每厘米1.3%，当使用940纳米钛蓝宝石激光泵浦时，波导成功输出1030纳米波长的激光。性能最佳的通道波导为椭圆形截面，尺寸约100乘60微米，长度1.4厘米，实测斜率效率达到61%，往返损耗仅为12.4%。
61%的斜率效率在激光增益介质中属于相当出色的水平，意味着泵浦光到激光输出的转换过程高效。更重要的是，这一结果证明了3D打印陶瓷波导具备完整的激光产生能力，而不仅仅是导光功能。从导光到出光，从结构验证到性能验证，LLNL团队用一组扎实的数据，为陶瓷波导激光器从实验室走向工程应用奠定了第一步。
五、十倍功率前景，距离实用还有多远
这项技术最诱人的前景在于功率潜力。LLNL科学家罗斯·奥斯本表示，随着工艺的进一步发展，这种晶体架构有望在保持紧凑体积的同时，实现比玻璃光纤激光器高出十倍以上的输出功率。十倍功率的背后，是陶瓷材料在散热与抗受激布里渊散射上的双重优势，如果这一目标实现，激光加工中的金属切割、材料处理将获得更强劲的功率支撑，反无人机与导弹防御等定向能系统也将拥有更紧凑、更高功率的激光光源。
当然，距离实用化仍有不短的路要走。目前原型器件的输出功率仅停留在数百毫瓦级别，团队计划最终将功率提升至千瓦级，这中间需要解决泵浦效率、热管理、材料稳定性等一系列工程问题。研究团队将继续优化打印工艺与结构设计，并验证陶瓷波导在连续高功率运转下的长期可靠性。就现阶段而言，这项研究并不意在取代玻璃光纤激光器，而是展示了一种全新的制造路径，让晶体陶瓷的功率优势变得更容易被利用，也为增材制造进入精密光学领域提供了重要范例。
总结
LLNL团队用直接墨水书写3D打印技术首次制成全陶瓷波导激光器，纤芯包层一体成型，实测斜率效率达61%。若功率持续攀升，陶瓷波导有望实现超玻璃光纤十倍以上的输出，为激光加工与国防应用开辟新路径。
来源：Phys.org、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、Interesting Engineering