Vetro fosfato drogato con erbio (Er).presenta molte proprietà benefiche, il che ha portato a un aumento della domanda negli ultimi anni per Er: laser di vetro per applicazioni comead ampio raggio come telemetro laser, comunicazioni a lunga distanza, dermatologia e spettroscopia di rottura indotta da laser (LIBS).Gli amplificatori in fibra di erbio consentono una rapida comunicazione globale nel cavo transpacifico tra Hong Kong e Los Angeles, Er: i telemetri laser in vetro sono sempre più utilizzati inapplicazioni di difesa e ricognizione, EEr: laser estetici in vetrostanno guadagnando terreno perrimozione delle cicatricie persinotrattare la caduta dei capellicausato da alopecia androgenetica.
Questi spazi di applicazione in crescita richiedono vetro laser ad alta precisione con tolleranze dimensionali impegnative e rivestimenti laser ad alta potenza.Le strette tolleranze danno agli integratori di sistemi la certezza che i componenti possono essere facilmente inseriti nei loro sistemi senza un allineamento che richiede tempo, ma queste specifiche rappresentano una sfida per i produttori di vetri laser.Il controllo del processo e l'attenzione alla metrologia sono necessari ai produttori di vetro per laser per creare i componenti complessi richiesti per il crescente spazio dell'ottica laser NIR.
PERCHE' IL VETRO DOPATO ALL'ERBIO?
Negli ultimi decenni, sono stati compiuti progressi significativi nella tecnologia laser a base di fosfato in termini di potenza di uscita migliorata, durata dell'impulso più breve, dimensioni del sistema ridotte e nuove lunghezze d'onda operative.Er: i laser di vetro emettono comunemente alle lunghezze d'onda sicure per gli occhi di 1540 nm, 1550 nm o 1570 nm, il che è molto vantaggioso nel telemetro e in altre situazioni in cui le persone possono essere esposte ai raggi.Queste lunghezze d'onda beneficiano di un'elevata trasmissione attraverso l'atmosfera.1540nm sperimenta anche un assorbimento minimo da parte della melanina, rendendo Er: i laser di vetro ottimali per applicazioni laser estetiche su pazienti con carnagioni più scure.
Figura 1. Stati energetici dell'erbio.I laser Er:glass sono generalmente pompati con un laser da 800 nm o 980 nm ed emettono a 1540 nm o 1570 nm.
Il vetro fosfato raggiunge elevate trasmissioni e può essere drogato con atomi di terre rare come l'erbio e l'itterbio in modo che possa raggiungere l'inversione della popolazione e lase se esposto a una lunghezza d'onda della pompa di 800 nm o 980 nm (Figura 1).Er: il vetro potrebbe anche essere pompato da fotoni a 1480 nm, ma questo è indesiderabile perché l'efficienza potrebbe essere abbassata dal pompaggio e dall'emissione stimolata che si verifica nella stessa lunghezza d'onda e banda di energia.[3]I vetri al fosfato beneficiano anche della stabilità chimica e delle elevate soglie di danno indotto dal laser (LIDT), rendendo Er: vetro e altri vetri al fosfato drogati candidati ideali per i mezzi di guadagno del laser NIR.
I vetri fosfatici hanno una maggiore solubilità degli ioni di terre rare rispetto ai vetri silicati, che presentano una struttura a matrice più rigida.[1]Tuttavia, presentano una larghezza di banda più stretta rispetto ai vetri ai silicati e sono leggermente igroscopici, il che significa che assorbono più umidità dall'aria.Pertanto, sono limitati alle applicazioni nella loro larghezza di banda e ai sistemi in cui saranno sufficientemente protetti dall'umidità da rivestimenti o altre ottiche.
TOLLERANZE STRETTE E CONTROLLO DEL PROCESSO
Molte delle applicazioni discusse in precedenza, in particolare il telemetro laser per applicazioni di difesa, spesso richiedono piccoli Er: componenti in vetro con tolleranze dimensionali estremamente strette.Queste lastre di vetro laser finemente lucidate possono quindi essere lasciate cadere in gruppi con un allineamento minimo o nullo.Possono raggiungere le dimensioni di una scheda SIM e spesso non presentano smussature perché sono molto piccole (Figura 2).Ciò rende più probabile la scheggiatura del bordo.Raggiungere un parallelismo stretto e specifiche di qualità della superficie su questi piccoli componenti può essere incredibilmente impegnativo.L'apertura chiara, o porzione della superficie ottica che deve soddisfare tutte le specifiche, è spesso quasi del 100%, lasciando poco o nessun margine di errore attorno ai bordi delle superfici ottiche.
Figura 2. Le lastre Er:glass utilizzate per il telemetro laser e altre applicazioni laser NIR hanno spesso le dimensioni di una comune carta SIM o più piccole.
Allora perché affrontare tutti questi problemi?Le soluzioni precedenti spesso prevedevano sottoassiemi più grandi di più componenti di cristallo collegati a una barra Nd:YAG.Questi componenti aggiuntivi potrebbero includere piastre Brewster, assorbitori saturabili per Q-switching passivo o cristalli di conversione di frequenza.I cristalli di conversione di frequenza sono importanti nel telemetro o in altre applicazioni all'aperto perché la lunghezza d'onda di emissione del neodimio è molto più pericolosa dell'erbio e deve essere spostata su una lunghezza d'onda maggiore prima che possa essere trasmessa in sicurezza su lunghe distanze.
Le applicazioni del telemetro spesso richiedono urti e vibrazioni, il che rende difficile l'unione di più componenti rispettando tutte le specifiche.Il passaggio da questi vecchi progetti a un unico pezzo lucido di Er: il vetro che svolge le stesse attività con vari rivestimenti ha ridotto le dimensioni e il costo del sistema.I cristalli YAG sono spesso usati all'angolo di Brewster, ma lo stesso effetto può essere ottenuto utilizzando rivestimenti.Poiché le lastre Er:glass devono comunque essere rivestite, è vantaggioso aggiungere questo tipo di rivestimento per racchiudere quanta più funzionalità possibile e risparmiare sui costi altrove.
Poiché i vetri fosfatici sono leggermente igroscopici, se non rivestiti Er: il vetro viene lasciato all'esterno per diversi giorni può degradarsi.La qualità della superficie deve essere controllata prima del rivestimento per evitare che l'umidità penetri nel vetro.I rivestimenti depositati sulle superfici lucide della lastra di vetro finale aiutano a proteggerle da questo degrado.
Specifiche comuni per Er piccoli e di alta precisione: le lastre di vetro hanno una perpendicolarità <5 arcmin per i bordi, <10 arcsec di perpendicolarità per le estremità e una qualità della superficie migliore di 10-5 scratch dig.Queste specifiche impegnative richiedono un ambiente pulito, processi altamente controllati e tempi di intervento ridotti al minimo.
Il vetro laser normalmente ha solo due superfici lucide alle estremità mentre il resto delle superfici è molato, ma alcuni dei lati di queste lastre di vetro Er: sono anche lucidate e altamente tollerate per semplificare l'allineamento.La scelta di quali lati lucidare e rivestire per primi, quali lati lucidare prima o dopo la sminuzzatura e quando utilizzare la lucidatura su un solo lato o su entrambi i lati determinano costi e resa.La differenza di rendimento tra un processo non informato e un processo ottimizzato da un produttore esperto può facilmente raggiungere un fattore tre.
Per ridurre i tempi di intervento e migliorare i rendimenti, è ottimale che tutta la produzione e il rivestimento vengano eseguiti in un'unica sede.Ogni volta che la parte parzialmente finita viene spedita tra luoghi diversi, la probabilità di contaminazione e danni aumenta notevolmente, insieme a tempi di coda aggiuntivi.
RIVESTIMENTI MULTIPLI AD ALTA COPERTURA
Una sfida con la produzione di piccole lastre di vetro Er:glass per telemetro e altre applicazioni NIR di precisione è che spesso vengono depositati più rivestimenti su diverse sfaccettature del componente.Questo è difficile a causa del fissaggio richiesto e della protezione delle superfici non rivestite incontaminate prima del rivestimento.È anche una sfida per i produttori evitare l'overspray o il blow-by sul lato posteriore della lastra, che deve essere protetta durante il rivestimento.Le estremità sono dotate di rivestimenti antiriflesso (AR) con elevate soglie di danno indotto dal laser (LIDT).I bordi sono inoltre dotati di rivestimenti ad alto LIDT AR per far entrare la trave della pompa.La potenza della pompa è sempre superiore a quella dell'emissione.Alcune lastre a quattro lati hanno anche rivestimenti aggiuntivi per specchi a cavità ad alta riflettività incorporati, discriminazione della lunghezza d'onda e reiezione della luce della pompa.
METROLOGIA: SE NON PUOI MISURARLA NON PUOI FARLA
La precisione della produzione e il controllo del processo sono inutili senza la metrologia adeguata necessaria per misurare e verificare correttamente le specifiche chiave.Gli interferometri laser, come ZYGO Verifier, sono spesso usati per misurare la planarità, ma quando si misurano piccole lastre Er:vetro la superficie posteriore inizia a interferire con le misurazioni della superficie frontale a causa delle impegnative specifiche di parallelismo.Gli operatori possono aggirare questo problema applicando vaselina o un'altra sostanza sulla superficie posteriore, ma questa superficie deve essere ripulita e aumenta la probabilità di danni ai componenti.Tuttavia, i recenti progressi nella misurazione della planarità eliminano gli effetti dalla superficie posteriore e consentono di effettuare misurazioni della planarità più rapidamente e con meno probabilità di danni.I trucioli sui bordi delle lastre possono impedire agli operatori di misurare con precisione la planarità, il che rende ancora più importante il controllo del processo durante la produzione.La perpendicolarità e il cuneo vengono generalmente verificati utilizzando un collimatore automatico a doppio passaggio.
Il crescente spazio di applicazione per Er: i laser di vetro continueranno a spingere i produttori di componenti ottici a creare vetri e rivestimenti laser di precisione sempre più elevata.Le applicazioni laser sicure per gli occhi a 1540 nm e 1570 nm contribuiscono a rendere l'uso più sicuro, aumentano la fiducia attraverso procedure laser estetiche e migliorano le comunicazioni a lunga distanza.Il miglior consiglio disponibile è che quando si sviluppa un sistema laser NIR;discuti le tue specifiche esigenze applicative con il tuo fornitore di componenti per ottenere indicazioni nella selezione sfumata del vetro laser appropriato e di altri componenti.
Questo articolo è stato scritto da Cory Boone, Lead Technical Marketing Engineer, Edmund Optics (Barrington, NJ) e Mike Middleton, Operations Manager, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL).
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Tempo di aggiornamento: aprile-01-2022
