Creación de vidrio de alta precisión para láseres NIR

El vidrio de fosfato dopado con erbio (Er) exhibe muchas propiedades beneficiosas, lo que ha llevado a una mayor demanda en los últimos años de láseres de Er:vidrio para aplicaciones tan amplias como telémetro láser, comunicaciones a larga distancia, dermatología y espectroscopia de descomposición inducida por láser. (LIBRAS). Los amplificadores de fibra de erbio permiten una comunicación global rápida en el cable transpacífico entre Hong Kong y Los Ángeles, los telémetros láser Er:glass se utilizan cada vez más en aplicaciones de defensa y reconocimiento, y los láseres estéticos Er:glass están ganando terreno para eliminar cicatrices e incluso tratar la pérdida de cabello causada por alopecia androgenética.

Estos espacios de aplicación en crecimiento requieren vidrio láser de alta precisión con tolerancias dimensionales exigentes y recubrimientos láser de alta potencia. Las estrictas tolerancias brindan a los integradores de sistemas la confianza de que los componentes se pueden colocar fácilmente en sus sistemas sin una alineación que consume mucho tiempo, pero estas especificaciones presentan un desafío para los fabricantes de vidrio láser. El control de procesos y un enfoque en la metrología son necesarios para que los fabricantes de vidrio láser creen los exigentes componentes necesarios para el creciente espacio de la óptica láser NIR.

¿Por qué vidrio dopado con erbio?

En las últimas décadas, se han realizado avances significativos en la tecnología láser basada en fosfato en términos de potencia de salida mejorada, duración de pulso más corta, tamaño de sistema reducido y nuevas longitudes de onda operativas.[1] Los láseres Er:glass comúnmente emiten en longitudes de onda seguras para los ojos de 1540nm, 1550nm o 1570nm, lo que es muy beneficioso en la búsqueda de distancias y otras situaciones en las que las personas pueden estar expuestas a los haces. Estas longitudes de onda se benefician de una alta transmisión a través de la atmósfera. 1540nm también experimenta una absorción mínima por parte de la melanina, lo que hace que los láseres Er:glass sean óptimos para aplicaciones estéticas de láser en pacientes con tez más oscura.[2]

El vidrio de fosfato alcanza altas transmisiones y se puede dopar con átomos de tierras raras como el erbio y el iterbio para que pueda alcanzar la inversión de población y el láser cuando se expone a una longitud de onda de bombeo de 800 nm o 980 nm (Figura 1). Er:glass también podría ser bombeado por fotones a 1480nm, pero esto no es deseable porque la eficiencia podría reducirse mediante el bombeo y la emisión estimulada que ocurre en la misma longitud de onda y banda de energía.[3] Los vidrios de fosfato también se benefician de la estabilidad química y los altos umbrales de daño inducido por láser (LIDT), lo que convierte a Er:glass y otros vidrios de fosfato dopados en candidatos ideales para los medios de ganancia de láser NIR.[1]

Los vidrios de fosfato tienen una mayor solubilidad de iones de tierras raras que los vidrios de silicato, que presentan una estructura de matriz más rígida.[1] Sin embargo, presentan un ancho de banda más estrecho que los vidrios de silicato y son ligeramente higroscópicos, lo que significa que absorben más humedad del aire. Por lo tanto, están limitados a aplicaciones en su ancho de banda y sistemas donde estarán suficientemente protegidos de la humedad mediante recubrimientos u otras ópticas.

Tolerancias estrictas y control de procesos

Muchas de las aplicaciones discutidas anteriormente, particularmente la telémetro láser para aplicaciones de defensa, a menudo requieren pequeños componentes de Er:glass con tolerancias dimensionales extremadamente estrechas. Estas losas finamente pulidas de vidrio láser se pueden colocar en ensamblajes con poca o ninguna alineación requerida. Pueden tener el tamaño de una tarjeta SIM y, a menudo, no tienen biseles porque son muy pequeños (Figura 2). Esto hace que sea más probable que se astillen los bordes. Lograr un paralelismo estricto y especificaciones de calidad de superficie en estos componentes pequeños puede ser increíblemente desafiante. La apertura clara, o parte de la superficie óptica que debe cumplir con todas las especificaciones, suele ser casi del 100 %, lo que deja poco o ningún margen de error alrededor de los bordes de las superficies ópticas.

Entonces, ¿por qué pasar por todo este problema? Las soluciones anteriores a menudo involucraban subensamblajes más grandes de múltiples componentes de cristal unidos a una barra de Nd:YAG. Estos componentes adicionales podrían incluir placas de Brewster, absorbentes saturables para conmutación Q pasiva o cristales de conversión de frecuencia. Los cristales de conversión de frecuencia son importantes en telémetros u otras aplicaciones al aire libre porque la longitud de onda de emisión del neodimio es mucho más peligrosa que la del erbio y debe cambiarse a una longitud de onda más larga antes de que pueda transmitirse con seguridad a largas distancias.

Las aplicaciones de telémetro a menudo tienen un requisito de impacto y vibración, lo que dificulta la unión de múltiples componentes mientras se cumplen todas las especificaciones. Pasar de estos diseños antiguos a una sola pieza pulida de Er:glass y realizar las mismas tareas con varios recubrimientos redujo el tamaño y el costo del sistema. Los cristales de YAG se utilizan a menudo en el ángulo de Brewster, pero se puede lograr el mismo efecto mediante el uso de recubrimientos. Dado que las losas de Er:glass deben recubrirse de todos modos, es beneficioso agregar este tipo de recubrimiento para incluir la mayor funcionalidad posible y ahorrar costos en otros lugares.

Debido a que los vidrios de fosfato son levemente higroscópicos, si el Er:glass sin recubrimiento se deja afuera durante varios días, puede degradarse. La calidad de la superficie debe controlarse antes del recubrimiento para evitar que la humedad entre en el vidrio. Los revestimientos depositados en las superficies pulidas de la losa de vidrio final ayudan a protegerlas de esta degradación.

Las especificaciones comunes para losas de Er:glass pequeñas y de alta precisión son <5 arcmin de perpendicularidad para los bordes, <10 arcsec de perpendicularidad para los extremos y una calidad de superficie superior a 10-5 scratch dig. Estas exigentes especificaciones requieren un entorno limpio, procesos altamente controlados y un tiempo de contacto mínimo.

El vidrio láser normalmente solo tiene dos superficies pulidas en los extremos, mientras que el resto de las superficies están rectificadas, pero algunos de los lados de estas losas de Er:glass también están pulidos y tienen una tolerancia alta para simplificar la alineación. La elección de qué lados pulir y recubrir primero, qué lados pulir antes o después de cortar en cubitos y cuándo usar el pulido de un solo lado o de dos lados, todo determina el costo y el rendimiento. La diferencia de rendimiento entre un proceso no informado y un proceso optimizado por un fabricante experimentado puede llegar fácilmente a un factor de tres.

Para reducir el tiempo de contacto y mejorar los rendimientos, es óptimo tener toda la fabricación y el recubrimiento realizados en un solo lugar. Cada vez que la pieza parcialmente terminada se envía entre diferentes ubicaciones, la probabilidad de contaminación y daño aumenta considerablemente, junto con el tiempo de espera adicional.

Múltiples revestimientos de alto LIDT

Uno de los desafíos de la fabricación de losas pequeñas de Er:glass para telémetro y otras aplicaciones NIR de precisión es que a menudo se depositan múltiples recubrimientos en diferentes facetas del componente. Esto es difícil debido a la fijación y protección requeridas de las superficies prístinas sin recubrimiento antes del recubrimiento. También es un desafío para los fabricantes evitar el exceso de rociado o la fuga en la parte posterior de la losa, que debe protegerse durante el recubrimiento. Los extremos cuentan con recubrimientos antirreflectantes (AR) con umbrales de daño inducido por láser (LIDT) altos. Los bordes también cuentan con recubrimientos LIDT AR altos para dejar entrar el haz de la bomba. La potencia de la bomba es siempre superior a la de la emisión. Algunas losas de cuatro lados incluso tienen revestimientos adicionales para espejos de cavidad de alta reflectividad integrados, discriminación de longitud de onda y rechazo de luz de bombeo.

Metrología:si no puedes medirla, no puedes hacerla

La precisión de fabricación y el control de procesos son inútiles sin la metrología adecuada necesaria para medir y verificar correctamente las especificaciones clave. Los interferómetros láser, como ZYGO Verifire, se utilizan a menudo para medir la planitud, pero cuando se miden losas de Er:glass pequeñas, la superficie posterior comienza a interferir con las mediciones de la superficie frontal debido a la exigente especificación de paralelismo. Los operadores pueden evitar esto aplicando vaselina u otra sustancia a la superficie posterior, pero esta superficie debe volver a limpiarse y aumenta la probabilidad de que se dañen los componentes. Sin embargo, los avances recientes en la medición de la planitud eliminan los efectos de la superficie posterior y permiten que las mediciones de la planitud se realicen más rápidamente y con menos probabilidad de daño. Las virutas en los bordes de las losas pueden impedir que los operadores midan con precisión la planitud, lo que hace que el control del proceso durante la fabricación sea aún más importante. La perpendicularidad y la cuña generalmente se verifican con un autocolimador de doble paso.

El creciente espacio de aplicaciones para los láseres Er:glass seguirá empujando a los fabricantes de componentes ópticos a crear revestimientos y vidrios láser de mayor precisión. Las aplicaciones láser seguras para los ojos de 1540nm y 1570nm ayudan a que el uso sea más seguro, aumentan la confianza a través de procedimientos estéticos con láser y mejoran las comunicaciones a larga distancia. El mejor consejo disponible es que al desarrollar un sistema láser NIR, discuta las necesidades de su aplicación específica con su proveedor de componentes para obtener orientación en la navegación por la selección matizada del vidrio láser adecuado y otros componentes.

Este artículo fue escrito por Cory Boone, ingeniero principal de marketing técnico, Edmund Optics (Barrington, NJ) y Mike Middleton, gerente de operaciones, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Boone en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo., o visite aquí .

Referencias

1. Boetti, N., Pugliese, D., Ceci-Ginistrelli, E., Lousteau, J., Janner, D. y Milanese, D. ( 2017 ). Fibras de vidrio de fosfato altamente dopadas para láseres y amplificadores compactos:una revisión . Ciencias Aplicadas, 7 (12), 1295-1314. doi:10.3390/app7121295
2. Lupton, J. R., Williams, C. M. y Alster, T. S. (2002). Rejuvenecimiento cutáneo con láser no ablativo utilizando un láser de vidrio de erbio de 1540 nm . Cirugía Dermatológica, 28 (9), 833-835. doi:10.1097/00042728-200209000-00010
3. Cox, C., Metz, C. y Taylor, R. (s.f.). Amplificadores de fibra . The Fiber Optic Association, Inc. Consultado el 23 de diciembre de 2020.