NIR 레이저용 고정밀 유리 만들기

에르븀(Er) 도핑된 인산염 유리는 많은 유익한 특성을 나타내므로 최근 몇 년 동안 레이저 거리 측정, 장거리 통신, 피부과 및 레이저 유도 파괴 분광법과 같은 광범위한 응용 분야에서 Er:유리 레이저에 대한 수요가 증가했습니다. (LIBS). 에르븀 파이버 증폭기는 홍콩과 로스앤젤레스 사이의 태평양 횡단 케이블에서 신속한 글로벌 통신을 가능하게 하고, Er:glass 레이저 거리 측정기는 방위 분야 및 정찰에서 점점 더 많이 사용되고 있으며, Er:glass 에스테틱 레이저는 흉터를 제거하고 탈모로 인한 치료까지 주목을 받고 있습니다. 남성형 탈모증에 의한 것입니다.

이러한 성장하는 응용 분야에는 까다로운 치수 공차와 고출력 레이저 코팅이 포함된 고정밀 레이저 유리가 필요합니다. 엄격한 허용 오차는 시스템 통합자에게 시간 소모적인 정렬 없이 구성 요소를 시스템에 쉽게 배치할 수 있다는 확신을 주지만 이러한 사양은 레이저 유리 제조업체에게 어려운 과제입니다. 레이저 유리 제조업체가 성장하는 NIR 레이저 광학 분야에 필요한 까다로운 구성 요소를 만들려면 공정 제어와 계측에 중점을 두어야 합니다.

왜 에르븀 도핑 유리인가?

지난 수십 년 동안 인산염 기반 레이저 기술은 출력 전력 향상, 펄스 지속 시간 단축, 시스템 크기 감소, 새로운 작동 파장 측면에서 상당한 발전을 이루었습니다.[1] Er:glass 레이저는 일반적으로 눈에 안전한 1540nm, 1550nm 또는 1570nm 파장을 방출하므로 거리 측정 및 사람들이 광선에 노출될 수 있는 기타 상황에 매우 유용합니다. 이러한 파장은 대기를 통한 높은 투과율의 이점이 있습니다. 1540nm는 또한 멜라닌에 의한 흡수를 최소화하여 Er:glass 레이저를 안색이 어두운 환자의 미용 레이저 응용 분야에 최적으로 만듭니다.[2]

인산염 유리는 높은 투과율에 도달하고 에르븀 및 이테르븀과 같은 희토류 원자로 도핑될 수 있으므로 800nm ​​또는 980nm의 펌프 파장에 노출될 때 인구 반전 및 레이저에 도달할 수 있습니다(그림 1). Er:glass는 또한 1480nm에서 광자에 의해 펌핑될 수 있지만, 이는 동일한 파장 및 에너지 대역에서 발생하는 펌핑 및 유도 방출에 의해 효율이 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 않습니다.[3] 또한 인산염 유리는 화학적 안정성과 높은 LIDT(레이저 유도 손상 임계값)의 이점을 누리므로 Er:유리 및 기타 도핑된 인산염 유리를 NIR 레이저 이득 매체에 이상적인 후보로 만듭니다.[1]

인산염 유리는 보다 단단한 매트릭스 구조를 특징으로 하는 규산염 유리보다 희토류 이온의 용해도가 더 높습니다.[1] 그러나 규산염 유리보다 대역폭이 좁고 약간 흡습성이 있어 공기에서 더 많은 수분을 흡수합니다. 따라서 코팅 또는 기타 광학 장치로 습기로부터 충분히 보호되는 대역폭 및 시스템의 응용 프로그램으로 제한됩니다.

엄격한 공차 및 공정 제어

앞서 논의한 많은 응용 분야, 특히 국방 응용 분야를 위한 레이저 거리 측정에는 치수 허용 오차가 극도로 좁은 작은 Er:glass 부품이 필요한 경우가 많습니다. 이렇게 미세하게 연마된 레이저 유리 슬래브는 정렬이 필요하지 않거나 거의 필요 없이 어셈블리에 떨어뜨릴 수 있습니다. SIM 카드 크기로 줄어들 수 있으며 너무 작아서 경사가 없는 경우가 많습니다(그림 2). 이렇게 하면 가장자리 치핑이 발생할 가능성이 높아집니다. 이러한 작은 구성 요소에서 엄격한 평행도 및 표면 품질 사양을 달성하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. 모든 사양을 충족해야 하는 광학 표면의 투명 조리개 또는 부분은 거의 100%인 경우가 많으며 광학 표면의 가장자리 주변에 오류가 발생할 여지가 거의 또는 전혀 없습니다.

그렇다면 이 모든 어려움을 겪는 이유는 무엇입니까? 이전 솔루션에는 종종 Nd:YAG 막대에 부착된 여러 수정 구성 요소의 더 큰 하위 어셈블리가 포함되었습니다. 이러한 추가 구성 요소에는 Brewster 플레이트, 수동 Q-스위칭을 위한 포화 흡수기 또는 주파수 변환 수정이 포함될 수 있습니다. 주파수 변환 결정은 네오디뮴의 방출 파장이 에르븀보다 훨씬 더 위험하고 장거리로 안전하게 전송되기 전에 더 긴 파장으로 이동해야 하기 때문에 거리 측정기 또는 기타 야외 응용 분야에서 중요합니다.

거리 측정기 응용 프로그램에는 종종 충격 및 진동 요구 사항이 있으므로 모든 사양을 충족하면서 여러 구성 요소를 함께 결합하는 것이 어렵습니다. 이러한 오래된 디자인에서 다양한 코팅으로 동일한 작업을 수행하는 하나의 광택 있는 Er:유리 조각으로 이동하면 시스템 크기와 비용이 감소합니다. YAG 결정은 종종 브루스터 각도로 사용되지만 코팅을 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있습니다. Er:glass 슬래브는 어쨌든 코팅해야 하므로 이러한 유형의 코팅을 추가하여 가능한 한 많은 기능을 포장하고 다른 곳에서 비용을 절약하는 것이 좋습니다.

인산염 유리는 약간 흡습성이 있기 때문에 코팅되지 않은 Er:유리를 외부에 며칠 동안 방치하면 분해될 수 있습니다. 습기가 유리로 이동하는 것을 방지하기 위해 코팅 전에 표면 품질을 제어해야 합니다. 최종 유리 슬래브의 광택 표면에 증착된 코팅은 이러한 열화로부터 유리 슬래브를 보호하는 데 도움이 됩니다.

소형의 고정밀 Er:유리 슬래브에 대한 일반적인 사양은 모서리에 대한 <5 arcmin 직각도, 끝 부분에 대한 <10 arcsec의 직각도 및 10-5 스크래치 발굴보다 우수한 표면 품질입니다. 이러한 까다로운 사양에는 깨끗한 환경, 고도로 통제된 프로세스, 최소화된 터치 시간이 필요합니다.

레이저 유리는 일반적으로 끝단에 두 개의 연마된 표면이 있고 나머지 표면은 연마되지만 이러한 Er:유리 슬래브의 일부 측면도 연마되고 정렬을 단순화하기 위해 높은 허용 오차가 있습니다. 먼저 폴리싱 및 코팅할 면, 다이싱 전후에 폴리싱할 면, 단면 또는 양면 폴리싱을 사용하는 시기에 따라 비용과 수율이 결정됩니다. 정보가 없는 프로세스와 숙련된 제조업체가 최적화한 프로세스 간의 수율 차이는 쉽게 3배만큼 클 수 있습니다.

터치 시간을 단축하고 수율을 높이려면 모든 제조 및 코팅을 한 곳에서 수행하는 것이 가장 좋습니다. 부분적으로 완성된 부품이 다른 위치 간에 배송될 때마다 추가 대기 시간과 함께 오염 및 손상 가능성이 크게 증가합니다.

다중 High-LIDT 코팅

거리 측정 및 기타 정밀 NIR 응용 분야를 위한 작은 Er:유리 슬래브를 제조할 때의 한 가지 문제는 여러 코팅이 구성 요소의 서로 다른 면에 증착되는 경우가 많다는 것입니다. 이는 코팅 전에 코팅되지 않은 깨끗한 표면을 고정하고 보호해야 하기 때문에 어렵습니다. 코팅하는 동안 보호해야 하는 슬래브 뒷면에 과도한 스프레이 또는 블로우바이를 방지하는 것도 제조업체의 과제입니다. 끝 부분에는 높은 LIDT(레이스 유발 손상 임계값)가 있는 반사 방지(AR) 코팅이 있습니다. 또한 가장자리에는 펌프 빔이 들어오도록 높은 LIDT AR 코팅이 있습니다. 펌프 출력은 항상 배출보다 높습니다. 일부 4면 슬래브에는 내장형 고반사 공동 미러, 파장 식별 및 펌프 광 차단을 위한 추가 코팅이 있습니다.

측정:측정할 수 없으면 만들 수 없습니다

주요 사양을 적절하게 측정하고 확인하는 데 필요한 적절한 계측 없이는 제조 정밀도와 공정 제어가 무용지물입니다. ZYGO Verifire와 같은 레이저 간섭계는 평탄도를 측정하는 데 자주 사용되지만 작은 Er:glass 슬래브를 측정할 때 까다로운 평행도 사양으로 인해 후면이 전면 측정을 간섭하기 시작합니다. 작업자는 후면에 바셀린 또는 다른 물질을 도포하여 이 문제를 해결할 수 있지만 이 표면을 다시 청소해야 하며 구성 요소 손상 가능성이 높아집니다. 그러나 최근의 평탄도 측정 기술의 발전으로 후면의 영향이 제거되어 손상 가능성이 적고 더 신속하게 평탄도 측정을 수행할 수 있게 되었습니다. 슬래브 가장자리의 칩은 작업자가 평탄도를 정확하게 측정하지 못하게 하여 제조 중 공정 제어를 더욱 중요하게 만듭니다. 직각도와 쐐기는 일반적으로 이중 통과 자동 시준기를 사용하여 확인됩니다.

Er:glass 레이저의 응용 분야가 증가함에 따라 광학 부품 제조업체는 계속해서 더 높은 정밀도의 레이저 유리 및 코팅을 만들도록 압박할 것입니다. 1540nm 및 1570nm 눈에 안전한 레이저 응용 프로그램은 사용을 더 안전하게 하고 미적 레이저 절차를 통해 자신감을 높이며 장거리 통신을 향상시킵니다. 사용 가능한 최상의 조언은 NIR 레이저 시스템을 개발할 때 적절한 레이저 유리 및 기타 구성 요소의 미묘한 선택을 탐색하는 지침을 위해 구성 요소 공급업체와 특정 응용 프로그램 요구 사항을 논의하는 것입니다.

이 기사는 Edmund Optics(뉴저지주 배링턴)의 수석 기술 마케팅 엔지니어인 Cory Boone과 Edmund Optics Florida(플로리다주 올즈마)의 운영 관리자인 Mike Middleton이 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있는 Mr. Boone에게 문의하십시오. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .

참조

1. Boetti, N., Pugliese, D., Ceci-Ginistrelli, E., Lousteau, J., Janner, D., &Milanese, D. (2017). 소형 레이저 및 증폭기용 고농도 인산염 유리 섬유:검토 . 응용 과학, 7(12), 1295-1314. doi:10.3390/app7121295
2. Lupton, J. R., Williams, C. M., &Alster, T. S. (2002). 1540 nm 에르븀 유리 레이저를 사용한 비절개 레이저 피부 재생 . 피부과, 28(9), 833-835. 도이:10.1097/00042728-200209000-00010
3. Cox, C., Metz, C., &Taylor, R. (n.d.). 광 증폭기 . Fiber Optic Association, Inc. 2020년 12월 23일에 확인함.