Criação de vidro de alta precisão para lasers NIR

O vidro de fosfato dopado com érbio (Er) exibe muitas propriedades benéficas, o que levou a um aumento da demanda nos últimos anos por lasers de Er:vidro para aplicações tão amplas quanto a detecção de distância a laser, comunicações de longa distância, dermatologia e espectroscopia de quebra induzida por laser (LIB). Os amplificadores de fibra Erbium permitem uma comunicação global rápida no cabo transpacífico entre Hong Kong e Los Angeles, os telêmetros a laser Er:glass são cada vez mais usados ​​em aplicações de defesa e reconhecimento, e os lasers estéticos Er:glass estão ganhando força para remover cicatrizes e até mesmo tratar a perda de cabelo causada pela alopecia androgenética.

Esses espaços de aplicação crescentes exigem vidro a laser de alta precisão com tolerâncias dimensionais exigentes e revestimentos a laser de alta potência. Tolerâncias rígidas dão aos integradores de sistemas a confiança de que os componentes podem ser facilmente colocados em seus sistemas sem um alinhamento demorado, mas essas especificações representam um desafio para os fabricantes de vidro a laser. O controle do processo e o foco na metrologia são necessários para que os fabricantes de vidro a laser criem os componentes exigentes necessários para o crescente espaço óptico de laser NIR.

Por que vidro dopado com érbio?

Nas últimas décadas, avanços significativos foram feitos na tecnologia de laser à base de fosfato em termos de potência de saída aprimorada, duração de pulso mais curta, tamanho de sistema reduzido e novos comprimentos de onda operacionais.[1] Os lasers Er:glass geralmente emitem comprimentos de onda seguros para os olhos de 1540 nm, 1550 nm ou 1570 nm, o que é altamente benéfico em telemetria e outras situações em que as pessoas podem ser expostas aos feixes. Esses comprimentos de onda se beneficiam da alta transmissão pela atmosfera. 1540nm também apresenta absorção mínima pela melanina, tornando os lasers Er:glass ideais para aplicações estéticas de laser em pacientes com pele mais escura.[2]

O vidro fosfatado atinge altas transmissões e pode ser dopado com átomos de terras raras, como érbio e itérbio, para que possa atingir a inversão populacional e o laser quando exposto a um comprimento de onda de bomba de 800nm ​​ou 980nm (Figura 1). Er:vidro também pode ser bombeado por fótons em 1480nm, mas isso é indesejável porque a eficiência pode ser reduzida por bombeamento e emissão estimulada ocorrendo no mesmo comprimento de onda e banda de energia.[3] Os vidros de fosfato também se beneficiam da estabilidade química e dos altos limiares de dano induzido por laser (LIDTs), tornando Er:vidro e outros vidros de fosfato dopados candidatos ideais para meios de ganho de laser NIR.[1]

Os vidros de fosfato têm uma maior solubilidade de íons de terras raras do que os vidros de silicato, que apresentam uma estrutura de matriz mais rígida.[1] No entanto, eles apresentam uma largura de banda mais estreita do que os vidros de silicato e são ligeiramente higroscópicos, o que significa que absorvem mais umidade do ar. Portanto, eles são limitados a aplicações em sua largura de banda e sistemas onde serão suficientemente protegidos da umidade por revestimentos ou outras ópticas.

Tolerâncias rígidas e controle de processo

Muitas das aplicações discutidas anteriormente, particularmente o telêmetro a laser para aplicações de defesa, geralmente requerem pequenos componentes de Er:vidro com tolerâncias dimensionais extremamente apertadas. Essas placas de vidro laser finamente polidas podem ser colocadas em montagens com pouco ou nenhum alinhamento necessário. Eles podem chegar ao tamanho de um cartão SIM e muitas vezes não apresentam chanfros porque são muito pequenos (Figura 2). Isso torna a lascagem de borda mais provável. Alcançar especificações rígidas de paralelismo e qualidade de superfície nesses pequenos componentes pode ser incrivelmente desafiador. A abertura clara, ou parte da superfície óptica que deve atender a todas as especificações, geralmente é quase 100%, deixando pouco ou nenhum espaço para erros nas bordas das superfícies ópticas.

Então, por que passar por todos esses problemas? As soluções anteriores geralmente envolviam subconjuntos maiores de vários componentes de cristal anexados a uma barra Nd:YAG. Esses componentes adicionais podem incluir placas Brewster, absorvedores saturáveis ​​para comutação Q passiva ou cristais de conversão de frequência. Os cristais de conversão de frequência são importantes em telêmetros ou outras aplicações ao ar livre porque o comprimento de onda de emissão do neodímio é muito mais perigoso do que o érbio e deve ser deslocado para um comprimento de onda maior antes que possa ser transmitido com segurança por longas distâncias.

As aplicações do telêmetro geralmente têm um requisito de choque e vibração, o que dificulta a união de vários componentes ao mesmo tempo em que atende a todas as especificações. Passar desses designs antigos para uma única peça polida de Er:glass, realizando as mesmas tarefas com vários revestimentos, reduziu o tamanho e o custo do sistema. Os cristais YAG são frequentemente usados ​​no ângulo de Brewster, mas o mesmo efeito pode ser obtido com o uso de revestimentos. Como as placas de Er:vidro precisam ser revestidas de qualquer maneira, é benéfico adicionar esse tipo de revestimento para obter o máximo de funcionalidade possível e economizar custos em outros lugares.

Como os vidros de fosfato são ligeiramente higroscópicos, se o Er:vidro não revestido for deixado do lado de fora por vários dias, ele pode se degradar. A qualidade da superfície deve ser controlada antes do revestimento para evitar que a umidade entre no vidro. Revestimentos depositados nas superfícies polidas da placa de vidro final ajudam a protegê-las dessa degradação.

As especificações comuns para lajes de Er:vidro pequenas e de alta precisão são <5 arcmin perpendicularidade para as bordas, <10 arcsec de perpendicularidade para as extremidades e uma qualidade de superfície melhor do que 10-5 escavação de arranhões. Essas especificações exigentes exigem um ambiente limpo, processos altamente controlados e tempo de toque minimizado.

Vidro a laser normalmente tem apenas duas superfícies polidas nas extremidades enquanto o resto das superfícies são retificadas, mas alguns dos lados dessas placas de Er:vidro também são polidos e altamente tolerados para simplificar o alinhamento. A escolha de quais lados polir e revestir primeiro, quais lados polir antes ou depois de cortar e quando usar o polimento de um ou dois lados determinam o custo e o rendimento. A diferença de rendimento entre um processo desinformado e um processo otimizado por um fabricante experiente pode facilmente chegar a um fator de três.

Para reduzir o tempo de toque e melhorar os rendimentos, é ideal que toda a fabricação e revestimento sejam realizados em um único local. Cada vez que a peça parcialmente acabada é enviada entre locais diferentes, a probabilidade de contaminação e danos aumenta muito, juntamente com o tempo de fila adicional.

Vários revestimentos de alto LIDT

Um desafio com a fabricação de pequenas placas de Er:vidro para rangefinding e outras aplicações NIR de precisão é que vários revestimentos são frequentemente depositados em diferentes facetas do componente. Isso é difícil por causa da fixação necessária e proteção de superfícies não revestidas imaculadas antes do revestimento. Também é um desafio para os fabricantes evitar o excesso de pulverização ou blow-by na parte de trás da placa, que deve ser protegida durante o revestimento. As extremidades apresentam revestimentos antirreflexo (AR) com altos limites de danos induzidos por laser (LIDTs). As bordas também apresentam revestimentos LIDT AR para permitir a entrada do feixe da bomba. A potência da bomba é sempre superior à da emissão. Algumas lajes de quatro lados têm até revestimentos adicionais para espelhos de cavidade de alta refletividade embutidos, discriminação de comprimento de onda e rejeição de luz de bomba.

Metrologia:se você não pode medir, não pode fazer

A precisão da fabricação e o controle do processo são inúteis sem a metrologia adequada necessária para medir e verificar as principais especificações. Interferômetros a laser, como o ZYGO Verifire, são frequentemente usados ​​para medir a planicidade, mas ao medir pequenas placas de Er:vidro, a superfície traseira começa a interferir nas medições da superfície frontal devido à exigente especificação de paralelismo. Os operadores podem contornar isso aplicando vaselina ou outra substância na superfície traseira, mas essa superfície precisa ser limpa novamente e a probabilidade de danos aos componentes aumenta. No entanto, avanços recentes na medição de planicidade eliminam os efeitos da superfície traseira e permitem que as medições de planicidade sejam feitas mais rapidamente e com menor probabilidade de danos. Lascas nas bordas das placas podem impedir que os operadores meçam com precisão a planicidade, o que torna o controle do processo durante a fabricação ainda mais importante. Perpendicularidade e cunha são normalmente verificadas usando um autocolimador de dupla passagem.

O crescente espaço de aplicação dos lasers Er:glass continuará a levar os fabricantes de componentes ópticos a criar vidros e revestimentos a laser de precisão cada vez maior. As aplicações de laser seguras para os olhos de 1540 nm e 1570 nm ajudam a tornar o uso mais seguro, aumentam a confiança por meio de procedimentos estéticos a laser e melhoram as comunicações de longa distância. O melhor conselho disponível é que, ao desenvolver um sistema de laser NIR, discuta suas necessidades específicas de aplicação com seu fornecedor de componentes para obter orientação sobre como navegar na seleção diferenciada de vidro de laser adequado e outros componentes.

Este artigo foi escrito por Cory Boone, engenheiro-chefe de marketing técnico, Edmund Optics (Barrington, NJ) e Mike Middleton, gerente de operações, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Boone em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou visite aqui .

Referências

1. Boetti, N., Pugliese, D., Ceci-Ginistrelli, E., Lousteau, J., Janner, D., &Milanese, D. (2017). Fibras de vidro de fosfato altamente dopadas para lasers e amplificadores compactos:uma revisão . Ciências Aplicadas, 7 (12), 1295-1314. doi:10.3390/app7121295
2. Lupton, J.R., Williams, C.M., &Alster, T.S. (2002). Resurfacing da pele a laser não ablativo usando um laser de vidro de érbio de 1540 nm . Cirurgia Dermatológica, 28 (9), 833-835. doi:10.1097/00042728-200209000-00010
3. Cox, C., Metz, C., &Taylor, R. (s.d.). Amplificadores de fibra . The Fiber Optic Association, Inc. Recuperado em 23 de dezembro de 2020.