Entwicklung hochpräzisen erbium-dotierten Phosphatglases für NIR-Laseranwendungen

Erbium (Er) dotiertes Phosphatglas weist viele vorteilhafte Eigenschaften auf, was in den letzten Jahren zu einer erhöhten Nachfrage nach Er:Glas-Lasern für Anwendungen so vielfältig wie Laserentfernungsmessung, Fernkommunikation, Dermatologie und laserinduzierte Durchbruchsspektroskopie (LIBS) geführt hat. Erbium-Faserverstärker ermöglichen schnelle globale Kommunikation im transpazifischen Kabel zwischen Hongkong und Los Angeles, Er:Glas-Laserentfernungsmesser werden zunehmend in Verteidigungsanwendungen und Aufklärung eingesetzt, und Er:Glas-ästhetische Lasern gewinnen an Zugkraft für Narbenentfernung und sogar Behandlung von durch androgenetische Alopezie verursachtem Haarausfall.

Diese wachsenden Anwendungsbereiche erfordern hochpräzises Laserglas mit anspruchsvollen Maßtoleranzen und Hochleistungslaserbeschichtungen. Enge Toleranzen geben Systemintegratoren Vertrauen, dass Komponenten einfach in ihre Systeme platziert werden können, ohne zeitaufwendige Ausrichtung, aber diese Spezifikationen stellen eine Herausforderung für Laserglashersteller dar. Prozesskontrolle und Fokus auf Metrologie sind erforderlich, damit Laserglashersteller die anspruchsvollen Komponenten für den wachsenden NIR-Laseroptik-Bereich erstellen können.

Warum Erbium-dotiertes Glas?

In den letzten Jahrzehnten wurden signifikante Fortschritte in phosphatbasierter Lasertechnologie in Bezug auf verbesserte Ausgangsleistung, kürzere Pulsdauer, reduzierte Systemgröße und neue Betriebswellenlängen erzielt. Er:Glas-Laser emittieren üblicherweise bei den augensicheren Wellenlängen 1540 nm, 1550 nm oder 1570 nm, was in Entfernungsmessung und anderen Situationen, wo Menschen dem Strahl ausgesetzt sein könnten, hochvorteilhaft ist. Diese Wellenlängen profitieren von hoher Transmission durch die Atmosphäre. 1540 nm erfährt auch minimale Absorption durch Melanin, was Er:Glas-Laser optimal für ästhetische Laseranwendungen bei Patienten mit dunklerem Teint macht.

Phosphatglas erreicht hohe Transmissionen und kann mit Selten-Erd-Atomen wie Erbium und Ytterbium dotiert werden, sodass es Populationsinversion erreicht and last, wenn es einer Pumpenwellenlänge von 800 nm oder 980 nm ausgesetzt wird (Abbildung 1). Er:Glas könnte auch durch Photonen bei 1480 nm gepumpt werden, aber dies ist unerwünscht, da Effizienz durch Pumpen und stimulierte Emission im gleichen Wellenlängen- und Energieband gesenkt werden könnte. Phosphatgläser profitieren auch von chemischer Stabilität und hohen laserinduzierten Schadensschwellen (LIDTs), was Er:Glas und andere dotierte Phosphatgläser zu idealen Kandidaten für NIR-Laserverstärkungsmedien macht.

Phosphatgläser haben eine höhere Löslichkeit von Selten-Erd-Ionen als Silikatgläser, die eine rigidere Matrixstruktur aufweisen. Sie weisen jedoch eine schmalere Bandbreite als Silikatgläser auf und sind leicht hygroskopisch, was bedeutet, dass sie mehr Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Daher sind sie auf Anwendungen in ihrer Bandbreite und Systeme beschränkt, wo sie ausreichend durch Beschichtungen oder andere Optiken vor Feuchtigkeit geschützt sind.

Enge Toleranzen und Prozesskontrolle

Viele der zuvor diskutierten Anwendungen, insbesondere Laserentfernungsmessung für Verteidigungsanwendungen, erfordern oft kleine Er:Glas-Komponenten mit extrem engen Maßtoleranzen. Diese feinpolierten Laserglasplatten können dann in Baugruppen eingesetzt werden mit wenig bis keiner erforderlichen Ausrichtung. Sie können bis zur Größe einer SIM-Karte heruntergehen und oft keine Fase aufweisen, weil sie so klein sind (Abbildung 2). Dies macht Randausbrüche wahrscheinlicher. Das Erreichen enger Parallelität und Oberflächenqualitätsspezifikationen auf diesen kleinen Komponenten kann unglaublich herausfordernd sein. Die klare Apertur, oder der Teil der optischen Oberfläche, der alle Spezifikationen erfüllen muss, ist oft fast 100 %, was wenig bis keinen Spielraum für Fehler an den Rändern optischer Oberflächen lässt.

Warum diese Mühe? Frühere Lösungen umfassten oft größere Unterbaugruppen mehrerer Kristallkomponenten, die an einen Nd:YAG-Stab angebracht waren. Diese zusätzlichen Komponenten könnten Brewster-Platten, sättigbare Absorber für passives Q-Switching oder Frequenzkonversionskristalle umfassen. Frequenzkonversionskristalle sind wichtig in Entfernungsmessern oder anderen Freiluftanwendungen, da die Emissionswellenlänge von Neodym viel gefährlicher ist als Erbium und auf eine längere Wellenlänge verschoben werden muss, bevor sie sicher über lange Distanzen übertragen werden kann.

Entfernungsmessanwendungen haben oft Stoß- und Vibrationsanforderungen, was das Verkleben mehrerer Komponenten bei Einhaltung aller Spezifikationen schwierig macht. Der Wechsel von diesen alten Designs zu einem einzelnen, polierten Stück Er:Glas, das dieselben Aufgaben mit verschiedenen Beschichtungen erfüllt, reduzierte Systemgröße und Kosten. YAG-Kristalle werden oft am Brewster-Winkel verwendet, aber derselbe Effekt kann durch Beschichtungen erreicht werden. Da Er:Glas-Platten ohnehin beschichtet werden müssen, ist es vorteilhaft, diese Art von Beschichtung hinzuzufügen, um so viel Funktionalität wie möglich zu packen und anderswo Kosten zu sparen.

Da Phosphatgläser leicht hygroskopisch sind, kann unbehandeltes Er:Glas, das mehrere Tage draußen liegt, degradieren. Die Oberflächenqualität muss vor der Beschichtung kontrolliert werden, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in das Glas eindringt. Auf den polierten Oberflächen des finalen Glasplatten aufgedampfte Beschichtungen schützen sie vor dieser Degradation.

Gängige Spezifikationen für kleine, hochpräzise Er:Glas-Platten sind <5 Bogenminuten Senkrechtigkeit für die Kanten, <10 Bogensekunden Senkrechtigkeit für die Enden und eine Oberflächenqualität besser als 10-5 Scratch-Dig. Diese anspruchsvollen Spezifikationen erfordern eine saubere Umgebung, hochkontrollierte Prozesse und minimierte Handhabungszeit.

Laserglas hat normalerweise nur zwei polierte Oberflächen an den Enden, während die restlichen Oberflächen geschliffen sind, aber einige der Seiten dieser Er:Glas-Platten sind auch poliert und hochtoleranziert, um die Ausrichtung zu vereinfachen. Die Wahl, welche Seiten zuerst poliert und beschichtet werden, welche vor oder nach dem Sägen poliert werden, und wann Einzelseiten- oder Doppelseitenpolieren verwendet wird, bestimmen alle Kosten und Ausbeute. Der Unterschied in der Ausbeute zwischen einem uninformierten Prozess und einem von einem erfahrenen Hersteller optimierten Prozess kann leicht um einen Faktor drei betragen.

Um Handhabungszeit zu reduzieren und Ausbeuten zu verbessern, ist es optimal, alle Fertigung und Beschichtung an einem einzigen Standort durchzuführen. Jedes Mal, wenn das teilweise fertige Teil zwischen verschiedenen Standorten versendet wird, steigt die Wahrscheinlichkeit von Kontamination und Beschädigung stark an, zusammen mit zusätzlicher Wartezeit.

Mehrere Hoch-LIDT-Beschichtungen

Eine Herausforderung bei der Herstellung kleiner Er:Glas-Platten für Entfernungsmessung und andere präzise NIR-Anwendungen ist, dass oft mehrere Beschichtungen auf verschiedenen Facetten der Komponente aufgedampft werden. Dies ist schwierig wegen der erforderlichen Spannvorrichtungen und dem Schutz makelloser unbeschichteter Oberflächen vor der Beschichtung. Es ist auch eine Herausforderung für Hersteller, Overspray oder Blow-by auf der Rückseite der Platte zu vermeiden, die während der Beschichtung geschützt werden muss. Die Enden verfügen über Antireflexions (AR)-Beschichtungen mit hohen laserinduzierten Schadensschwellen (LIDTs). Die Kanten verfügen ebenfalls über hoch-LIDT-AR-Beschichtungen, um den Pumpstrahl einzulassen. Die Pumpleistung ist immer höher als die der Emission. Einige vierseitige Platten haben sogar zusätzliche Beschichtungen für eingebaute Hochreflektivitäts-Resonatorspiegel, Wellendiskriminierung und Pumplichtunterdrückung.

Metrologie: Wenn Sie es nicht messen können, können Sie es nicht machen

Fertigungspräzision und Prozesskontrolle sind nutzlos ohne die richtige Metrologie, um Schlüsselspezifikationen ordnungsgemäß zu messen und zu verifizieren. Laserinterferometer, wie ein ZYGO Verifire, werden oft zur Messung der Ebenheit verwendet, aber bei der Messung kleiner Er:Glas-Platten beginnt die Rückseite, Messungen der Vorderseite zu stören, wegen der anspruchsvollen Parallelitätsspezifikation. Bediener können dies umgehen, indem sie Vaseline oder eine andere Substanz auf die Rückseite auftragen, aber diese Oberfläche muss dann wieder gereinigt werden und die Wahrscheinlichkeit von Komponentenschäden steigt. Jedoch eliminieren jüngste Fortschritte in der Ebenheitsmessung Effekte von der Rückseite und ermöglichen Ebenheitsmessungen schneller und mit geringerer Schadenswahrscheinlichkeit. Ausbrüche an den Kanten der Platten können Bediener daran hindern, Ebenheit präzise zu messen, was Prozesskontrolle während der Fertigung noch wichtiger macht. Senkrechtigkeit und Keil werden typischerweise mit einem Doppelpass-Autokollimator verifiziert.

Der wachsende Anwendungsraum für Er:Glas-Laser wird optische Komponentenhersteller weiterhin antreiben, immer höherpräzises Laserglas und Beschichtungen zu erstellen. 1540 nm und 1570 nm augensichere Laseranwendungen machen Nutzung sicherer, stärken Vertrauen durch ästhetische Laserprozeduren und verbessern Fernkommunikation. Der beste verfügbare Rat ist, dass bei der Entwicklung eines NIR-Lasersystems, Ihre spezifischen Anwendungsbedürfnisse mit Ihrem Komponentenlieferanten besprechen, um Orientierung in der nuancierten Auswahl von richtigem Laserglas und anderen Komponenten zu erhalten.

Dieser Artikel wurde verfasst von Cory Boone, Lead Technical Marketing Engineer, Edmund Optics (Barrington, NJ) und Mike Middleton, Operations Manager, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL). Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Boone unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., oder besuchen Sie hier.

Referenzen

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. (o. J.). Fiber Amplifiers. The Fiber Optic Association, Inc. Abgerufen 23. Dezember 2020.