Создание высокоточного стекла для NIR-лазеров

Фосфатное стекло, легированное эрбием (Er), обладает многими полезными свойствами, что привело в последние годы к увеличению спроса на лазеры на эрбиевом стекле для таких разнообразных применений, как лазерное дальномерное исследование, дальняя связь, дерматология и спектроскопия лазерного пробоя. (ЛИБС). Усилители на эрбиевом волокне обеспечивают быструю глобальную связь по транстихоокеанскому кабелю между Гонконгом и Лос-Анджелесом, лазерные дальномеры из эрбиевого стекла все чаще используются в оборонных целях и в разведке, а эстетические лазеры из эрбиевого стекла набирают популярность для удаления рубцов и даже лечения вызванного выпадения волос. андрогенетической алопецией.

Эти растущие области применения требуют высокоточного лазерного стекла с жесткими размерными допусками и мощными лазерными покрытиями. Жесткие допуски дают системным интеграторам уверенность в том, что компоненты могут быть легко размещены в их системах без трудоемкой настройки, но эти спецификации представляют собой проблему для производителей лазерного стекла. Производителям лазерного стекла необходимы контроль процесса и метрология для создания сложных компонентов, необходимых для растущего рынка лазерной оптики ближнего ИК-диапазона.

Почему стекло легировано эрбием?

За последние несколько десятилетий в лазерной технологии на основе фосфатов были достигнуты значительные успехи с точки зрения улучшенной выходной мощности, более короткой длительности импульса, уменьшенного размера системы и новых рабочих длин волн. Лазеры на эрбиевом стекле обычно излучают на безопасных для глаз длинах волн 1540 нм, 1550 нм или 1570 нм, что очень полезно при определении расстояния и других ситуациях, когда люди могут подвергаться воздействию лучей. Эти длины волн выигрывают от высокой передачи через атмосферу. Длина волны 1540 нм также имеет минимальное поглощение меланином, что делает лазеры на эрбиевом стекле оптимальными для эстетических лазерных процедур у пациентов с более темным цветом лица[2]

Фосфатное стекло обладает высоким коэффициентом пропускания и может быть легировано редкоземельными атомами, такими как эрбий и иттербий, что позволяет достигать инверсной населенности и генерации при воздействии накачки с длиной волны 800 или 980 нм (рис. 1). Er:стекло также может накачиваться фотонами с длиной волны 1480 нм, но это нежелательно, поскольку эффективность может снизиться из-за накачки и стимулированного излучения, происходящих на той же длине волны и в одном диапазоне энергий.[3] Фосфатные стекла также обладают химической стабильностью и высокими порогами повреждения, индуцированного лазером (LIDT), что делает Er:стекло и другие легированные фосфатные стекла идеальными кандидатами для усиления лазерного ближнего ИК-диапазона.[1]

Фосфатные стекла обладают более высокой растворимостью редкоземельных ионов, чем силикатные стекла, которые имеют более жесткую структуру матрицы.[1] Однако они имеют более узкую полосу пропускания, чем силикатные стекла, и немного гигроскопичны, что означает, что они поглощают больше влаги из воздуха. Поэтому они ограничены приложениями в своей полосе пропускания и системами, где они будут достаточно защищены от влаги покрытиями или другой оптикой.

Жесткие допуски и управление процессом

Многие из обсуждавшихся ранее приложений, в частности лазерный дальномер для оборонных приложений, часто требуют небольших компонентов из Er:стекла с очень жесткими допусками по размерам. Затем эти тонко отполированные пластины лазерного стекла можно вставлять в сборки практически без необходимости выравнивания. Они могут быть размером с SIM-карту и часто не имеют скосов, потому что они очень маленькие (рис. 2). Это повышает вероятность сколов краев. Достижение жестких требований к параллельности и качеству поверхности для этих небольших компонентов может быть невероятно сложной задачей. Чистая апертура или часть оптической поверхности, которая должна соответствовать всем спецификациям, часто составляет почти 100 %, что практически не оставляет места для ошибок по краям оптических поверхностей.

Так зачем проходить через все эти проблемы? Предыдущие решения часто включали более крупные узлы из нескольких кристаллических компонентов, прикрепленных к стержню Nd:YAG. Эти дополнительные компоненты могут включать пластины Брюстера, насыщающиеся поглотители для пассивной модуляции добротности или кристаллы преобразования частоты. Кристаллы преобразования частоты важны в дальномерах или других приложениях на открытом воздухе, потому что длина волны излучения неодима намного опаснее, чем эрбия, и должна быть сдвинута в сторону большей длины волны, прежде чем его можно будет безопасно передавать на большие расстояния.

Приложения для дальномеров часто требуют ударов и вибрации, что затрудняет соединение нескольких компонентов вместе с соблюдением всех спецификаций. Переход от этих старых конструкций к цельному полированному куску Er:стекла, выполняющему те же задачи с различными покрытиями, позволил сократить размер и стоимость системы. Кристаллы YAG часто используются под углом Брюстера, но того же эффекта можно добиться с помощью покрытий. Поскольку плиты Er:стекло в любом случае необходимо покрывать, полезно добавить этот тип покрытия, чтобы обеспечить максимальную функциональность и сэкономить средства в другом месте.

Поскольку фосфатные стекла слегка гигроскопичны, если оставить стекло Er:без покрытия на несколько дней снаружи, оно может разрушиться. Перед нанесением покрытия необходимо контролировать качество поверхности, чтобы предотвратить проникновение влаги в стекло. Покрытия, нанесенные на полированные поверхности готовой стеклянной плиты, помогают защитить их от этой деградации.

Общие характеристики небольших высокоточных пластин Er:стекла:перпендикулярность краев <5 угловых минут, перпендикулярность концов <10 угловых секунд и качество поверхности лучше, чем 10-5 царапин. Эти строгие требования требуют чистой среды, строго контролируемых процессов и минимального времени взаимодействия.

Лазерное стекло обычно имеет только две полированные поверхности на концах, в то время как остальные поверхности отшлифованы, но некоторые стороны этих плит из Er:стекла также отполированы и имеют строгие допуски для упрощения выравнивания. Выбор того, какие стороны полировать и покрывать в первую очередь, какие стороны полировать до или после нарезки, когда использовать одностороннюю или двустороннюю полировку, — все это определяет стоимость и выход продукции. Разница в производительности между неосведомленным процессом и процессом, оптимизированным опытным производителем, может легко достигать трех раз.

Чтобы сократить время контакта и повысить производительность, оптимально, чтобы все производство и покрытие выполнялись в одном месте. Каждый раз, когда частично готовая деталь отправляется из одного места в другое, вероятность загрязнения и повреждения значительно возрастает, а также увеличивается время ожидания в очереди.

Несколько покрытий High-LIDT

Одной из проблем при производстве небольших пластин Er:стекло для дальномеров и других прецизионных NIR-приложений является то, что несколько покрытий часто наносятся на разные грани компонента. Это сложно из-за необходимости фиксации и защиты чистых непокрытых поверхностей перед нанесением покрытия. Перед производителями также стоит задача избежать избыточного распыления или прорыва газов на обратную сторону плиты, которую необходимо защищать во время нанесения покрытия. Торцы имеют антибликовое (AR) покрытие с высоким порогом повреждения лазером (LIDT). Края также имеют покрытие High LIDT AR, пропускающее луч накачки. Мощность накачки всегда выше мощности излучения. Некоторые четырехсторонние плиты даже имеют дополнительные покрытия для встроенных резонаторных зеркал с высокой отражательной способностью, дискриминации по длине волны и подавления света накачки.

Метрология:если вы не можете это измерить, вы не можете это сделать

Точность производства и контроль процесса бесполезны без надлежащей метрологии, необходимой для надлежащего измерения и проверки ключевых характеристик. Лазерные интерферометры, такие как ZYGO Verifire, часто используются для измерения плоскостности, но при измерении небольших пластин Er:стекло задняя поверхность начинает мешать измерениям передней поверхности из-за требований к параллельности. Операторы могут обойти это, нанеся вазелин или другое вещество на заднюю поверхность, но затем эту поверхность необходимо повторно очистить, что увеличивает вероятность повреждения компонентов. Однако последние достижения в области измерения плоскостности устраняют влияние задней поверхности и позволяют выполнять измерения плоскостности быстрее и с меньшей вероятностью повреждения. Сколы на краях плит могут помешать операторам точно измерить плоскостность, что делает контроль процесса производства еще более важным. Перпендикулярность и клиновидность обычно проверяются с помощью двухпроходного автоколлиматора.

Растущая область применения лазеров на эрбиевом стекле будет по-прежнему подталкивать производителей оптических компонентов к созданию все более и более высокоточных лазерных стекол и покрытий. Безопасные для глаз лазеры с длинами волн 1540 и 1570 нм помогают сделать использование более безопасным, повысить уверенность в себе благодаря эстетическим лазерным процедурам и улучшить связь на большие расстояния. Лучший доступный совет заключается в том, что при разработке лазерной системы ближнего ИК-диапазона обсудите свои конкретные потребности с поставщиком компонентов, чтобы получить рекомендации по тонкому выбору подходящего лазерного стекла и других компонентов.

Эту статью написали Кори Бун, ведущий инженер по техническому маркетингу, Edmund Optics (Баррингтон, Нью-Джерси), и Майк Миддлтон, операционный менеджер, Edmund Optics Florida (Олдсмар, Флорида). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Буном по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .

Ссылки

1. Н. Боэтти, Д. Пульезе, Э. Чечи-Джинистрелли, Дж. Лусто, Д. Джаннер и Д. Миланезе ( 2017 ). Высоколегированные волокна из фосфатного стекла для компактных лазеров и усилителей:обзор . Прикладные науки, 7 (12), 1295-1314. doi:10.3390/app7121295
2. Луптон, Дж. Р., Уильямс, К. М., и Альстер, Т. С. (2002). Неабляционная лазерная шлифовка кожи с использованием лазера на эрбиевом стекле с длиной волны 1540 нм . Дерматологическая хирургия, 28 (9), 833-835. doi:10.1097/00042728-200209000-00010
3. Кокс, К., Мец, К., и Тейлор, Р. (nd). Оптоволоконные усилители . The Fiber Optic Association, Inc. Проверено 23 декабря 2020 г.