Ontwikkelen van Hoogprecisie Erbium-gedopeerd Fosfaatglas voor NIR Laser Toepassingen

Erbium-gedopeerd Fosfaatglas: Oogveilige Golflengtes voor Rangefinding, Communicatie, Dermatologie

Erbium (Er) gedopeerd fosfaatglas vertoont veel gunstige eigenschappen, wat geleid heeft tot een toegenomen vraag in recente jaren naar Er:glas lasers voor toepassingen zo wijd uiteenlopend als laser rangefinding, lange-afstand communicatie, dermatologie, en laser-geïnduceerde afbraakspectroscopie (LIBS). Erbium vezelversterkers maken snelle wereldwijde communicatie mogelijk in de transpacific kabel tussen Hongkong en Los Angeles, Er:glas laser rangefinders worden steeds vaker gebruikt in defensietoepassingen en verkenning, en Er:glas esthetische lasers winnen tractie voor het verwijderen van littekens en zelfs het behandelen van haaruitval veroorzaakt door androgenetische alopecia.

Waarom Erbium-gedopeerd Glas?

In de laatste decennia zijn significante vooruitgang geboekt in fosfaat-gebaseerde lasertechnologie in termen van verbeterde uitgangsvermogen, kortere pulsduur, gereduceerd systeemformaat, en nieuwe werkgolflengtes. Er:glas lasers emitteren gemeenschappelijk op de oogveilige golflengtes van 1540nm, 1550nm, of 1570nm, wat hoogst gunstig is in rangefinding en andere situaties waar mensen blootgesteld kunnen zijn aan de stralen. Deze golflengtes profiteren van hoge transmissie door de atmosfeer. 1540nm ervaart ook minimale absorptie door melanine, wat Er:glas lasers optimaal maakt voor esthetische lasertoepassingen op patiënten met donkerdere teinten.

Fosfaatglas bereikt hoge transmissies en kan gedopeerd worden met zeldzame-aard atomen zoals erbium en ytterbium zodat het populatie-inversie kan bereiken en lasen kan wanneer blootgesteld aan een pompgolflengte van 800nm of 980nm (Figuur 1). Er:glas kan ook gepompt worden door fotonen op 1480nm, maar dit is ongewenst omdat de efficiëntie verlaagd kan worden door pompen en gestimuleerde emissie in dezelfde golflengte-energieband. Fosfaatgelegen profiteren ook van chemische stabiliteit en hoge laser-geïnduceerde schadedrempels (LIDTs), wat Er:glas en andere gedopeerde fosfaatgelegen ideale kandidaten maakt voor NIR laser gain media.

Fosfaatgelegen hebben een hogere oplosbaarheid van zeldzame-aard ionen dan silicatgelegen, die een meer rigide matrixstructuur hebben. Echter, ze hebben een smaller bandbreedte dan silicatgelegen en zijn licht hygroskopisch, wat betekent dat ze meer vocht uit de lucht absorberen. Daarom zijn ze beperkt tot toepassingen in hun bandbreedte en systemen waar ze voldoende beschermd zijn tegen vocht door coatings of andere optica.

Strikte Toleranties en Procescontrole

Veel van de eerder besproken toepassingen, met name laser rangefinding voor defensietoepassingen, vereisen vaak kleine Er:glas componenten met extrem nauwkeurige dimensionele toleranties. Deze fijngepolijste platen van laserglas kunnen dan in assemblies gedropt worden met weinig tot geen uitlijning vereist. Ze kunnen tot de grootte van een SIM-kaart gaan en vaak geen fasen hebben omdat ze zo klein zijn (Figuur 2). Dit maakt randbeschadiging waarschijnlijker. Het bereiken van nauwkeurige parallelisme en oppervlakkwaliteitsspecificaties op deze kleine componenten kan ongelooflijk uitdagend zijn. De heldere opening, of deel van het optische oppervlak dat aan alle specificaties moet voldoen, is vaak bijna 100%, wat weinig tot geen ruimte voor fouten rond de randen van optische oppervlakken laat.

Waarom al deze moeite? Eerdere oplossingen omvatten vaak grotere subassemblages van meerdere kristalcomponenten bevestigd aan een Nd:YAG staaf. Deze additionele componenten kunnen Brewster platen, verzadigingsabsorbers voor passieve Q-schakeling, of frequentieconversiekristallen omvatten. Frequentieconversiekristallen zijn belangrijk in rangefinder of andere open-lucht toepassingen omdat de emissiegolflengte van neodymium veel gevaarlijker is dan erbium en naar een langere golflengte verschoven moet worden voordat het veilig over lange afstanden getransmitteerd kan worden.

Rangefinder-toepassingen hebben vaak een schok- en trillingsvereiste, wat het binden van meerdere componenten tegelijkertijd terwijl aan alle specificaties voldaan wordt, moeilijk maakt. Het verplaatsen van deze oude ontwerpen naar een enkel, gepolijst stuk Er:glas dat dezelfde taken met verschillende coatings voltooit, verminderde systeemformaat en kosten. YAG-kristallen worden vaak bij Brewster's hoek gebruikt, maar hetzelfde effect kan bereikt worden door coatings te gebruiken. Aangezien Er:glas platen toch gecoat moeten worden, is het gunstig om dit type coating toe te voegen om zoveel mogelijk functionaliteit in te pakken en elders kosten te besparen.

Omdat fosfaatgelegen licht hygroskopisch zijn, kan ongecoat Er:glas dat enkele dagen buiten gelaten wordt, degraderen. Oppervlakkwaliteit moet gecontroleerd worden vóór coating om vocht te voorkomen dat in het glas migreert. Coatings gedeponeerd op de gepolijste oppervlakken van de finale glasplaat helpen beschermen tegen deze degradatie.

Gemeenschappelijke specificaties voor kleine, hoogprecieze Er:glas platen zijn <5 arcmin loodrechtheid voor de randen, <10 arcsec loodrechtheid voor de einden, en een oppervlakkwaliteit beter dan 10-5 scratch dig. Deze eisende specificaties vereisen een schone omgeving, hoogst gecontroleerde processen, en geminimaliseerde aanraaktijd.

Laserglas heeft normaal slechts twee gepolijste oppervlakken op de einden terwijl de rest van de oppervlakken geslepen zijn, maar sommige van de zijden van deze Er:glas platen zijn ook gepolijst en hoog getolereerd om uitlijning te vereenvoudigen. De keuze van welke zijden te polijsten en coaten eerst, welke zijden te polijsten voor of na dijken, en wanneer eenzijdige of tweezijdige polishing te gebruiken, bepalen allemaal kosten en opbrengst. Het verschil in opbrengst tussen een ongewettigd proces en een door een ervaren fabrikant geoptimaliseerd proces kan gemakkelijk zo groot zijn als een factor drie.

Om aanraaktijd te verminderen en opbrengsten te verbeteren, is het optimaal om alle fabricatie en coating op één locatie te laten uitvoeren. Elke keer dat het deels afgewerkte deel tussen verschillende locaties verzonden wordt, neemt de kans op besmetting en schade aanzienlijk toe, samen met additionele wachttijd.

Meerdere Hoge-LIDT Coatings

Een uitdaging bij het fabriceren van kleine Er:glas platen voor rangefinding en andere precisie NIR toepassingen is dat meerdere coatings vaak op verschillende facetten van het component gedeponeerd worden. Dit is moeilijk vanwege de vereiste bevestiging en bescherming van onberichte ongecoate oppervlakken vóór coating. Het is ook een uitdaging voor fabrikanten om overspray of blow-by op de achterzijde van de plaat te vermijden, die beschermd moet worden tijdens coating. De einden hebben anti-reflecterende (AR) coatings met hoge laser-geïnduceerde schadedrempels (LIDTs). De randen hebben ook hoge LIDT AR coatings om de pompstraal binnen te laten. De pompvermogen is altijd hoger dan die van de emissie. Sommige vierzijdige platen hebben zelfs additionele coatings voor ingebouwde hoge-reflectiviteitscaviteitsspiegel, golflengtediscriminatie, en pomplichtverwerping.

Metrologie: Als Je Het Niet Kunt Meten, Kun Je Het Niet Maken

Fabricatieprecisie en procescontrole zijn nutteloos zonder de juiste metrologie om de sleutelspecificaties correct te meten en te verifiëren. Laserinterferometers, zoals een ZYGO Verifire, worden vaak gebruikt om vlakheid te meten, maar bij het meten van kleine Er:glas platen begint de achterzijde te interfereren met metingen van de voorzijde vanwege de eisende parallelismesspecificatie. Operators kunnen dit omzeilen door vaseline of een ander middel op de achterzijde aan te brengen, maar dit oppervlak moet dan opnieuw gereinigd worden en de kans op componentbeschadiging neemt toe. Echter, recente vooruitgang in vlakheidsmeting elimineert effecten van de achterzijde en stelt vlakheidsmetingen toe sneller en met minder kans op schade te maken. Chips op de randen van de platen kunnen operators voorkomen van het nauwkeurig meten van vlakheid, wat procescontrole tijdens fabricatie nog belangrijker maakt. Loodrechtheid en wig worden typisch geverifieerd met een dubbele doorlaat autocollimator.

De groeiende toepassingsruimte voor Er:glas lasers zal optische componentfabrikanten blijven duwen om steeds hogere precisie laserglas en coatings te creëren. 1540nm en 1570nm oogveilige lasertoepassingen helpen gebruik veiliger maken, vertrouwen verhogen door esthetische laserprocedures, en verbeteren lange-afstand communicatie. Het beste advies is dat bij het ontwikkelen van een NIR laser systeem, je je specifieke toepassingsbehoeftes bespreekt met je componentleverancier voor begeleiding in het navigeren van de genuanceerde selectie van passend laserglas en andere componenten.

Dit artikel is geschreven door Cory Boone, Lead Technical Marketing Engineer, Edmund Optics (Barrington, NJ) en Mike Middleton, Operations Manager, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL). Voor meer informatie, contacteer Mr. Boone via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), of bezoek hier.

Referenties

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.