Разработка высокоточного эрбий-залеченного фосфатного стекла для NIR-лазерных приложений

Эрбий-залеченное (Er) фосфатное стекло демонстрирует множество полезных свойств, что привело к росту спроса в последние годы на Er:стеклянные лазеры для приложений так разнообразных, как лазерные дальномеры, дальняя связь, дерматология и лазерная спектроскопия с распадом, индуцированным лазером (LIBS). Эрбийвольоконные усилители обеспечивают быструю глобальную связь в транс-Тихоокеанском кабеле между Гонконгом и Лос-Анджелесом, Er:стеклянные лазерные дальномеры все чаще используются в оборонных приложениях и разведке, а Er:эстетические лазеры набирают популярность для удаления шрамов и даже лечения выпадения волос, вызванного андрогенетической алопецией.

Эти растущие сферы применения требуют высокоточного лазерного стекла с требовательными допусками по размеру и высокомощными лазерными покрытиями. Тесные допуски дают системным интеграторам уверенность, что компоненты можно легко разместить в их системах без трудоемкой выкладки, но эти спецификации представляют вызов для производителей лазерного стекла. Контроль процесса и фокус на метрологии необходимы производителям лазерного стекла для создания требовательных компонентов, необходимых для растущего пространства NIR-лазерной оптики.

Почему эрбий-залеченное стекло?

За последние несколько десятилетия достигнуты значительные достижения в фосфатной лазерной технологии в плане улучшения выходной мощности, сокращения длительности импульса, уменьшения размера системы и новых рабочих длин волн.[1] Er:стеклянные лазеры обычно излучают на глазобезопасных длинах волн 1540 нм, 1550 нм или 1570 нм, что очень полезно в дальномерии и других ситуациях, где люди могут быть подвергны воздействию лучей. Эти длины волн выигрывают от высокой проницаемости через атмосферу. 1540 нм также испытывает минимальное поглощение меланином, делая Er:стеклянные лазеры оптимальными для эстетических лазерных приложений на пациентах с более темной кожей.[2]

Фосфатное стекло достигает высокой проницаемости и может быть залечено редкоземельными атомами, такими как эрбий и иттербий, так что оно может достичь инверсии населенности и лазерной генерации при воздействии накачающей длины волны 800 нм или 980 нм (Рисунок 1). Er:стекло также может быть накачано фоторами на 1480 нм, но это нежелательно, потому что эффективность может быть снижена накачкой и стимулированным излучением, происходящим в той же длине волны и энергетической полосе.[3] Фосфатные стекла также выигрывают от химической стабильности и высоких порогов лазерного повреждения (LIDT), делая Er:стекло и другие залеченные фосфатные стекла идеальными кандидатами для NIR-лазерных активных сред.[1]

Фосфатные стекла имеют более высокую растворимость редкоземельных ионов, чемсиликатные стекла, которые имеют более жесткую матричную структуру.[1] Однако они имеют более узкую полосу пропускания, чем силикатные стекла, и слегка гигроскопичны, то есть поглощают больше влаги из воздуха. Поэтому они ограничены приложениями в их полосе пропускания и системами, где они будут достаточно защищены от влаги покрытиями или другой оптикой.

Тесные допуски и контроль процесса

Многие из обсуждаемых ранее приложений, особенно лазерная дальномерия для оборонных применений, часто требуют маленькие Er:стеклянные компоненты с экстремально тесными размерными допусками. Эти тонко отшлифованные пластины лазерного стекла затем могут быть вставлены в сборки с малым или нулевым выравниванием. Они могут быть размером с SIM-карту и часто не имеют фасок, потому что они настолько малы (Рисунок 2). Это делает сколы по краям более вероятными. Достижение тесных параллелизма и спецификаций качества поверхности на этих маленьких компонентах может быть невероятно сложным. Чистая апертура, или часть оптической поверхности, которая должна соответствовать всем спецификациям, часто составляет почти 100%, оставляя мало или никакого места для ошибки по краям оптических поверхностей.

Зачем идти через все эти трудности? Предыдущие решения часто включали более крупные подсборки из множественных кристаллических компонентов, прикрепленных к стержню Nd:YAG. Эти дополнительные компоненты могли включать плиты Брюстера, насыщающие поглотители для пассивного Q-переключения или кристаллы частотного преобразования. Кристаллы частотного преобразования важны в дальномерах или других открытых приложениях, потому что длина волны излучения неодима гораздо более опасна, чем эрбия, и должна быть смещена к более длинной длине волны перед безопасной передачей на большие расстояния.

Приложения дальномеров часто имеют требования к удару и вибрации, что делает склеивание множественных компонентов при выполнении всех спецификаций трудным. Переход от этих старых дизайнов к одной отшлифованной части Er:стекла, выполняющей те же задачи с различными покрытиями, уменьшил размер и стоимость системы. Кристаллы YAG часто используются под углом Брюстера, но тот же эффект можно достичь с помощью покрытий. Поскольку пластины Er:стекла все равно нужно покрывать, полезно добавить такой тип покрытия, чтобы впихнуть максимум функциональности и сэкономить стоимость в другом месте.

Поскольку фосфатные стекла слегка гигроскопичны, если незалеченное Er:стекло оставить на улице на несколько дней, оно может деградировать. Качество поверхности должно контролироваться до покрытия, чтобы предотвратить проникновение влаги в стекло. Покрытия, наносимые на отшлифованные поверхности финальной стеклянной пластины, помогают защитить их от этой деградации.

Общие спецификации для малых высокоточных пластин Er:стекла — <5 аркмин перпендикулярности для краев, <10 арксек перпендикулярности для торцов и качество поверхности лучше 10-5 scratch dig. Эти требовательные спецификации требуют чистой среды, высококонтролируемых процессов и минимизации времени контакта.

Лазерное стекло обычно имеет только две отшлифованные поверхности на торцах, в то время как остальные поверхности шлифованы, но некоторые стороны этих пластин Er:стекла также отшлифованы и высокоточны для упрощения выкладки. Выбор сторон для отшлифовки и покрытия первыми, сторон для отшлифовки до или после раскроя, и когда использовать одностороннюю или двустороннюю отшлифовку — всё это определяет стоимость и выход. Разница в выходе между неинформированным процессом и процессом, оптимизированным опытным производителем, может легко составлять фактор три.

Для уменьшения времени контакта и улучшения выхода оптимально иметь все производство и покрытие в одном месте. Каждый раз, когда частично готовая деталь отправляется между разными местами, вероятность загрязнения и повреждения сильно возрастает, вместе с дополнительным временем очереди.

Множественные высоко-LIDT покрытия

Одна из проблем производства малых пластин Er:стекла для дальномерии и других точных NIR-приложений — множественные покрытия, часто наносимые на разные грани компонента. Это сложно из-за необходимой оснастки и защиты безупречных непокрытых поверхностей перед покрытием. Это также вызов для производителей избежать перебрызгивания или продувания на обратную сторону пластины, которую нужно защищать во время покрытия. Торцы имеют антирефлексные (AR) покрытия с высокими LIDT. Края также имеют высоко-LIDT AR покрытия для впускания накачающего луча. Накачающая мощность всегда выше, чем излучаемая. Некоторые четырехгранные пластины даже имеют дополнительные покрытия для встроенных высокорефлективных зеркал резонатора, дискриминации по длине волны и отвержения накачающего света.

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

Производственная точность и контроль процесса бесполезны без нужной метрологии для правильного измерения и верификации ключевых спецификаций. Лазерные интерферометры, такие как ZYGO Verifire, часто используются для измерения плоскости, но при измерении малых пластин Er:стекла задняя поверхность начинает мешать измерениям передней поверхности из-за требовательной спецификации параллелизма. Операторы могут обойти это, нанеся вазелин или другое вещество на заднюю поверхность, но эта поверхность затем нуждается в переочистке, и вероятность повреждения компонента возрастает. Однако недавние достижения в измерении плоскости устраняют эффекты от задней поверхности и позволяют делать измерения плоскости быстрее и с меньшей вероятностью повреждения. Сколы на краях пластин могут препятствовать операторам точно измерять плоскость, что делает контроль процесса во время производства еще более важным. Перпендикулярность и клин обычно верифицируются с помощью двойного автоколиматора.

Растущее пространство приложений для Er:стеклянных лазеров будет продолжать толкать производителей оптических компонентов к созданию все более высокоточного лазерного стекла и покрытий. Глазобезопасные лазерные приложения 1540 нм и 1570 нм помогают сделать использование безопаснее, повышают уверенность через эстетические лазерные процедуры и улучшают дальнюю связь. Лучший доступный совет — при разработке NIR-лазерной системы обсуждайте свои конкретные потребности приложения с поставщиком компонентов для навигации в нюансированном выборе правильного лазерного стекла и других компонентов.

Статью написали Кори Бун, ведущий технический маркетинговый инженер, Edmund Optics (Баррингтон, штат Нью-Джерси) и Майк Миддлтон, менеджер операций, Edmund Optics Florida (Олдсмар, штат Флорида). Для дополнительной информации свяжитесь с г-ном Буном по This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите здесь.

Ссылки

1. Boetti, N., Pugliese, D., Ceci-Ginistrelli, E., Lousteau, J., Janner, D., & Milanese, D. (2017). Highly Doped Phosphate Glass Fibers for Compact Lasers and Amplifiers: A Review. Applied Sciences, 7 (12), 1295-1314. doi: 10.3390/app7121295
2. Lupton, J. R., Williams, C. M., & Alster, T. S. (2002). Nonablative Laser Skin Resurfacing using a 1540 nm Erbium Glass Laser. Dermatologic Surgery, 28 (9), 833-835. doi: 10.1097/00042728-200209000-00010
3. Cox, C., Metz, C., & Taylor, R. (n.d.). Fiber Amplifiers. The Fiber Optic Association, Inc. Retrieved December 23, 2020.