Desarrollo de vidrio fosfato dopado con erbio de alta precisión para aplicaciones láser NIR

El vidrio fosfato dopado con erbio (Er) exhibe muchas propiedades beneficiosas, lo que ha llevado a mayor demanda en años recientes de láseres Er:vidrio para aplicaciones tan variadas como telémetría láser, comunicaciones de larga distancia, dermatología y espectroscopía de ruptura inducida por láser (LIBS). Amplificadores de fibra de erbio permiten comunicación global rápida en cable transpacífico entre Hong Kong y Los Ángeles, telémetros láser Er:vidrio se usan cada vez más en defensa y reconocimiento, y láseres estéticos Er:vidrio ganan tracción para eliminar cicatrices e incluso tratar pérdida de cabello por alopecia androgénica.

¿Por qué vidrio dopado con erbio?

En últimas décadas, avances significativos en tecnología láser basada en fosfato en términos de mayor potencia de salida, duración de pulso más corta, tamaño de sistema reducido y nuevas longitudes de onda operativas. Láseres Er:vidrio comúnmente emiten en longitudes de onda seguras para el ojo de 1540 nm, 1550 nm o 1570 nm, altamente beneficioso en telémetría y otras situaciones donde personas pueden estar expuestas a los haces. Estas longitudes de onda benefician de alta transmisión atmosférica. 1540 nm también experimenta absorción mínima por melanina, haciendo láseres Er:vidrio óptimos para aplicaciones estéticas en pacientes con tez más oscura.

El vidrio fosfato alcanza altas transmisiones y puede doparse con átomos de tierras raras como erbio e iterbio para alcanzar inversión de población y láser cuando expuesto a longitud de onda de bombeo de 800 nm o 980 nm (Figura 1). Er:vidrio también podría bombearse con fotones a 1480 nm, pero es indeseable porque eficiencia podría reducirse por bombeo y emisión estimulada ocurriendo en misma longitud de onda y banda de energía. Los vidrios fosfato también se benefician de estabilidad química y altos umbrales de daño inducido por láser (LIDT), haciendo Er:vidrio y otros vidrios fosfato dopados candidatos ideales para medios de ganancia láser NIR.

Los vidrios fosfato tienen mayor solubilidad de iones de tierras raras que vidrios silicatos, que presentan estructura de matriz más rígida. Sin embargo, presentan ancho de banda más estrecho que vidrios silicatos y son ligeramente higroscópicos, absorbiendo más humedad del aire. Por tanto, se limitan a aplicaciones en su ancho de banda y sistemas donde estén suficientemente protegidos de humedad por recubrimientos u otras ópticas.

Tolerancias ajustadas y control de proceso

Muchas aplicaciones discutidas, particularmente telémetría láser para defensa, a menudo requieren componentes pequeños de Er:vidrio con tolerancias dimensionales extremadamente ajustadas. Estas láminas finamente pulidas de vidrio láser pueden insertarse en ensamblajes con poca o ninguna alineación requerida. Pueden llegar al tamaño de una tarjeta SIM y a menudo no tienen biseles por ser tan pequeñas (Figura 2). Esto hace más probable astillado de bordes. Lograr especificaciones de paralelismo y calidad superficial ajustadas en componentes tan pequeños puede ser increíblemente desafiante. La apertura clara, o porción de superficie óptica que debe cumplir todas especificaciones, a menudo es casi 100%, dejando poco o ningún margen de error en bordes de superficies ópticas.

¿Por qué tanto esfuerzo? Soluciones previas a menudo involucraban subensamblajes mayores de múltiples componentes de cristal unidos a barra Nd:YAG. Estos componentes adicionales podían incluir placas de Brewster, absorbentes saturables para Q-switching pasivo, o cristales de conversión de frecuencia. Cristales de conversión de frecuencia son importantes en telémetría u otras aplicaciones al aire libre porque longitud de onda de emisión de neodimio es mucho más peligrosa que erbio y debe desplazarse a longitud de onda mayor antes de transmitirse seguro a largas distancias.

Aplicaciones de telémetría a menudo tienen requisito de choque y vibración, lo que hace difícil unir múltiples componentes cumpliendo todas especificaciones. Mover de diseños antiguos a una sola pieza pulida de Er:vidrio logrando mismas tareas con varios recubrimientos redujo tamaño y costo del sistema. Cristales YAG a menudo se usan en ángulo de Brewster, pero mismo efecto puede lograrse con recubrimientos. Como láminas Er:vidrio necesitan recubrimiento de todos modos, es beneficioso añadir este tipo de recubrimiento para empaquetar máxima funcionalidad y ahorrar costo.

Como vidrios fosfato son ligeramente higroscópicos, si Er:vidrio sin recubrir se deja fuera varios días puede degradarse. Calidad superficial debe controlarse antes de recubrir para prevenir humedad entrando al vidrio. Recubrimientos depositados en superficies pulidas de lámina final ayudan a proteger de esta degradación.

Especificaciones comunes para láminas pequeñas de Er:vidrio de alta precisión son <5 arcmin perpendicularidad para bordes, <10 arcsec perpendicularidad para extremos, y calidad superficial mejor que 10-5 scratch dig. Estas especificaciones demandantes requieren ambiente limpio, procesos altamente controlados y tiempo de manipulación minimizado.

Vidrio láser normalmente solo tiene dos superficies pulidas en extremos mientras resto de superficies son rectificadas, pero algunos lados de estas láminas Er:vidrio también son pulidos y altamente tolerados para simplificar alineación. La elección de qué lados pulir y recubrir primero, cuáles pulir antes o después de cortar, y cuándo usar pulido de una o dos caras determinan costo y rendimiento. La diferencia en rendimiento entre proceso no informado y proceso optimizado por fabricante experimentado puede fácilmente ser factor de tres.

Para reducir tiempo de manipulación y mejorar rendimientos, es óptimo tener toda fabricación y recubrimiento en una sola ubicación. Cada vez que pieza parcialmente terminada se envía entre ubicaciones distintas, probabilidad de contaminación y daño aumenta mucho, junto con tiempo de cola adicional.

Múltiples recubrimientos de alto LIDT

Un reto fabricando láminas pequeñas de Er:vidrio para telémetría y otras aplicaciones NIR de precisión es que múltiples recubrimientos a menudo se depositan en diferentes facetas del componente. Es difícil por el fijado requerido y protección de superficies prístinas sin recubrir antes de recubrir. También es reto para fabricantes evitar overspray o blow-by en reverso de la lámina, que debe protegerse durante recubrimiento. Los extremos tienen recubrimientos antirreflectantes (AR) con altos LIDT. Los bordes también tienen recubrimientos AR de alto LIDT para dejar entrar haz de bombeo. Potencia de bombeo siempre es mayor que emisión. Algunas láminas de cuatro lados incluso tienen recubrimientos adicionales para espejos de cavidad de alta reflectividad integrados, discriminación de longitud de onda y rechazo de luz de bombeo.

Metrología: si no puedes medirlo no puedes hacerlo

Precisión de fabricación y control de proceso son inútiles sin metrología adecuada para medir y verificar especificaciones clave. Interferómetros láser, como ZYGO Verifire, se usan a menudo para medir planitud, pero midiendo láminas pequeñas de Er:vidrio la superficie trasera empieza a interferir con mediciones de la frontal por especificación de paralelismo demandante. Operadores pueden evitar esto aplicando vaselina u otra sustancia a superficie trasera, pero esta superficie luego necesita relimpiarse y probabilidad de daño al componente aumenta. Sin embargo, avances recientes en medición de planitud eliminan efectos de superficie trasera y permiten mediciones más rápidas y con menos probabilidad de daño. Astillas en bordes de láminas pueden impedir medir planitud con precisión, haciendo control de proceso durante fabricación aún más importante. Perpendicularidad y cuña se verifican típicamente usando autocoleimador de doble paso.

El creciente espacio de aplicaciones para láseres Er:vidrio seguirá empujando a fabricantes de componentes ópticos a crear vidrio láser y recubrimientos de mayor precisión. Aplicaciones láser seguras para el ojo a 1540 nm y 1570 nm ayudan a hacer uso más seguro, aumentan confianza en procedimientos estéticos láser y mejoran comunicaciones de larga distancia. El mejor consejo: al desarrollar sistema láser NIR, discuta necesidades específicas de su aplicación con su proveedor de componentes para guiar selección matizada de 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 más información, contacte al Sr. Boone en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., o visite aquí.

Referencias

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.