Mengembangkan Kaca Fosfat Dotasi Erbium Tinggi Presisi untuk Aplikasi Laser NIR

Kaca fosfat dotasi erbium (Er) menunjukkan banyak properti yang menguntungkan, yang telah menyebabkan peningkatan permintaan dalam beberapa tahun terakhir untuk laser kaca:Er untuk aplikasi yang beragam seperti pengukuran jarak laser, komunikasi jarak jauh, dermatologi, dan spektroskopi breakdown yang diinduksi laser (LIBS). Penguat serat erbium memungkinkan komunikasi global yang cepat dalam kabel transpacific antara Hong Kong dan Los Angeles, laser kaca:Er rangefinder semakin banyak digunakan dalam aplikasi pertahanan dan pengintai, dan laser estetika kaca:Er gaining traction untuk menghilangkan bekas luka bahkan mengatasi kerontokan rambut yang disebabkan oleh alopecia androgenetik.

Ruang aplikasi yang berkembang ini memerlukan kaca laser presisi tinggi dengan toleransi dimensi yang menuntut dan lapisan laser daya tinggi. Toleransi ketat memberikan integrator sistem kepercayaan bahwa komponen dapat dengan mudah ditempatkan ke dalam sistem mereka tanpa penyelarasan yang memakan waktu, tetapi spesifikasi ini menantang bagi produsen kaca laser. Kontrol proses dan fokus pada metrologi diperlukan bagi produsen kaca laser untuk menciptakan komponen yang menuntut yang diperlukan untuk ruang optik laser NIR yang berkembang.

Mengapa Kaca Fosfat Dotasi Erbium?

Dalam beberapa dekade terakhir, kemajuan signifikan telah dicapai dalam teknologi laser berbasis fosfat dalam hal daya output yang ditingkatkan, durasi pulsa yang lebih pendek, ukuran sistem yang lebih kecil, dan panjang gelombang operasional baru.[1] Laser kaca:Er umumnya memancarkan pada panjang gelombang yang aman mata 1540nm, 1550nm, atau 1570nm, yang sangat bermanfaat dalam pengukuran jarak dan situasi lain di mana orang mungkin terpapar sinar. Panjang gelombang ini mendapat manfaat dari transmisi atmosfer yang tinggi. 1540nm juga mengalami penyerapan minimum oleh melanin, menjadikan laser kaca:Er optimal untuk aplikasi laser estetika pada pasien dengan kulit gelap.[2]

Kaca fosfat mencapai transmisi tinggi dan dapat di-dopasi dengan atom tanah langka seperti erbium dan ytterbium sehingga dapat mencapai inversi populasi dan lasing ketika terpapar panjang gelombang pompa 800nm atau 980nm (Gambar 1). Kaca:Er juga dapat di-pompa oleh foton pada 1480nm, tetapi ini tidak diinginkan karena efisiensi dapat menurun oleh pompa dan emisi terstimulasi yang terjadi pada panjang gelombang dan band energi yang sama.[3] Kaca fosfat juga mendapat manfaat dari stabilitas kimia dan ambang kerusakan laser yang tinggi (LIDT), menjadikan kaca:Er dan kaca fosfat di-dopasi lainnya sebagai calon ideal untuk media gain laser NIR.[1]

Kaca fosfat memiliki disolubilitas ion tanah langka yang lebih tinggi daripada kaca silikat yang memiliki struktur matriks yang lebih kaku.[1] Namun, mereka memiliki bandwidth yang lebih sempit daripada kaca silikat dan sedikit higroskopis, berarti mereka menyerap lebih banyak kelembaban dari udara. Oleh karena itu, mereka terbatas pada aplikasi dalam bandwidthnya dan sistem di mana mereka akan cukup dilindungi dari kelembaban oleh lapisan atau optik lainnya.

Toleransi Ketat dan Kontrol Proses

Banyak aplikasi yang dibahas sebelumnya, terutama pengukuran jarak laser untuk aplikasi pertahanan, sering memerlukan komponen kaca:Er kecil dengan toleransi dimensi yang sangat ketat. Slab kaca laser yang dilapis halus ini kemudian dapat diletakkan ke dalam rangkaian dengan sedikit atau tidak perlu penyelarasan. Mereka dapat berukuran kecil seperti kartu SIM dan sering tidak memiliki bisel karena sangat kecil (Gambar 2). Ini membuat chipping tepi lebih mungkin. Mencapai paralelisme yang ketat dan spesifikasi kualitas permukaan pada komponen kecil ini dapat sangat menantang. Apertur jelas, atau bagian permukaan optik yang harus memenuhi semua spesifikasi, biasanya hampir 100%, menyisakan sedikit atau tidak ada ruang untuk kesalahan di sekitar tepi permukaan optik.

Jadi mengapa melalui semua masalah ini? Solusi sebelumnya sering melibatkan subrangkaian yang lebih besar dari beberapa komponen kristal yang terpasang pada bar Nd:YAG. Komponen tambahan ini dapat mencakup piringan Brewster, penyerap yang dapat diubah untuk Q-switching pasif, atau kristal konversi frekuensi. Kristal konversi frekuensi penting dalam aplikasi rangefinder atau open-air lainnya karena panjang gelombang emisi neodymium jauh lebih berbahaya daripada erbium dan harus diubah ke panjang gelombang yang lebih lama sebelum dapat ditransmisikan dengan aman pada jarak jauh.

Aplikasi rangefinder sering memiliki persyaratan shock dan getaran, yang membuat bonding beberapa komponen bersama sambil memenuhi semua spesifikasi sulit. Bergerak dari desain lama ini ke satu potongan kaca:Er yang dilapis menyelesaikan tugas yang sama dengan berbagai lapisan mengurangi ukuran dan biaya sistem. Kristal YAG sering digunakan pada sudut Brewster, tetapi efek yang sama dapat dicapai dengan menggunakan lapisan. Karena slab kaca:Er perlu dilapisi anyway, bermanfaat untuk menambahkan jenis lapisan ini untuk memuat sebanyak mungkin fungsionalitas dan menghemat biaya di tempat lain.

Karena kaca fosfat sedikit higroskopis, jika kaca:Er yang tidak dilapisi dibiarkan di luar selama beberapa hari ia dapat degradasi. Kualitas permukaan harus dikontrol sebelum pelapisan untuk mencegah kelembaban pindah ke dalam kaca. Lapisan yang ditinggalkan pada permukaan dilapis halus slab kaca akhir membantu melindungi mereka dari degradasi ini.

Spesifikasi umum untuk slab kaca:Er kecil dan presisi tinggi adalah <5 arcmin perpendikular untuk tepi, <10 arcsec perpendikular untuk ujung, dan kualitas permukaan lebih baik dari 10-5 scratch dig. Spesifikasi yang menuntut ini memerlukan lingkungan bersih, proses yang sangat terkontrol, dan waktu sentuh yang diminimalkan.

Kaca laser biasanya hanya memiliki dua permukaan yang dilapis halus di ujung sementara permukaan lainnya dilas, tetapi beberapa sisi slab kaca:Er juga dilapis halus dan sangat ditoleransi untuk menyederhanakan penyelarasan. Pilihan sisi mana yang akan dilapisi dan dilapisi pertama, sisi mana yang akan dilapisi sebelum atau setelah dicetak, dan kapan akan menggunakan polishing satu sisi atau dua sisi semua menentukan biaya dan hasil. Perbedaan hasil antara proses yang tidak terinformasi dan proses yang dioptimalkan oleh produsen yang berpengalaman dapat sebesar faktor tiga.

Untuk mengurangi waktu sentuh dan meningkatkan hasil, optimal untuk memiliki semua manufaktur dan pelapisan dilakukan di satu lokasi. Setiap kali bagian yang belum selesai dikirim antara lokasi yang berbeda kemungkinan kontaminasi dan kerusakan sangat meningkat, bersama dengan waktu antrian tambahan.

Beberapa Lapis Tinggi LIDT

Salah satu tantangan dalam manufaktur slab kaca:Er kecil untuk rangefinder dan aplikasi NIR presisi lainnya adalah bahwa beberapa lapisan sering ditinggalkan pada berbagai sisi komponen. Ini sulit karena fixturing yang diperlukan dan perlindungan permukaan yang belum dilapisi sebelum pelapisan. Ini juga tantangan bagi produsen untuk menghindari overspray atau blow-by di sisi belakang slab, yang harus dilindungi selama pelapisan. Ujung memiliki lapisan anti-reflektif (AR) dengan ambang kerusakan laser yang tinggi (LIDT). Tepi juga memiliki lapisan AR tinggi LIDT untuk memungkinkan masuknya beam pompa. Daya pompa selalu lebih tinggi daripada emisi. Beberapa slab empat sisi bahkan memiliki lapisan tambahan untuk cermin rongga tinggi refleksi built-in, diskriminasi panjang gelombang, dan penolakan cahaya pompa.

Metrologi: Jika Anda Tidak Dapat Mengukurnya Anda Tidak Dapat Membuatnya

Presisi manufaktur dan kontrol proses sia-sia tanpa metrologi yang tepat yang diperlukan untuk mengukur dan memverifikasi spesifikasi kunci dengan benar. Interferometer laser, seperti ZYGO Verifire, sering digunakan untuk mengukur ketajaman, tetapi saat mengukur slab kaca:Er kecil, permukaan belakang mulai mengganggu pengukuran permukaan depan karena spesifikasi paralelisme yang menuntut. Operator dapat mengatasi ini dengan menerapkan Vaseline atau zat lain pada permukaan belakang, tetapi permukaan ini kemudian perlu dibersihkan kembali dan kemungkinan kerusakan komponen meningkat. Namun, kemajuan terbaru dalam pengukuran ketajaman menghilangkan efek dari permukaan belakang dan memungkinkan pengukuran ketajaman dilakukan lebih cepat dan dengan kemungkinan kerusakan yang lebih kecil. Chips di tepi slab dapat mencegah operator mengukur ketajaman dengan akurat, yang membuat kontrol proses selama manufaktur bahkan lebih penting. Perpendikularitas dan wedge biasanya diverifikasi menggunakan double pass autocollimator.

Ruang aplikasi yang berkembang untuk laser kaca:Er akan terus mendorong produsen komponen optik untuk menciptakan kaca laser dan lapisan yang semakin presisi. Aplikasi laser 1540nm dan 1570nm yang aman mata membantu membuat penggunaan lebih aman, meningkatkan kepercayaan melalui prosedur laser estetika, dan meningkatkan komunikasi jarak jauh. Saran terbaik yang tersedia adalah bahwa saat mengembangkan sistem laser NIR, diskusikan kebutuhan aplikasi spesifik Anda dengan pemasok komponen Anda untuk bimbingan dalam menavigasi pilihan yang nuanced dari kaca laser yang tepat dan komponen lainnya.

Artikel ini ditulis oleh Cory Boone, Lead Technical Marketing Engineer, Edmund Optics (Barrington, NJ) dan Mike Middleton, Operations Manager, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bpk. Boone di This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., atau kunjungi di sini .

Referensi

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.