고정밀 에르븀 도핑 인산염 유리 개발로 NIR 레이저 응용 확대

에르븀(Er) 도핑 인산염 유리는 많은 유익한 특성을 보여 최근 레이저 거리 측정, 장거리 통신, 피부과, 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS) 등 광범위한 응용을 위해 Er:유리 레이저에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 에르븀 파이버 증폭기는 홍콩과 로스앤젤레스 간 태평양 횡단 케이블에서 빠른 글로벌 통신을 가능하게 하고, Er:유리 레이저 거리 측정기는 국방 응용과 정찰에 점점 더 많이 사용되며, Er:유리 미용 레이저는 흉터 제거와 안드로겐성 탈모로 인한 탈모 치료에도 주목받고 있습니다.

에르븀 도핑 유리의 장점

지난 몇 십 년간 인산염 기반 레이저 기술은 출력 전력 향상, 펄스 지속 시간 단축, 시스템 크기 축소, 새로운 작동 파장 측면에서 상당한 발전을 이루었습니다.[1] Er:유리 레이저는 일반적으로 1540nm, 1550nm, 1570nm의 눈 안전 파장에서 방출되며, 이는 사람들이 빔에 노출될 수 있는 거리 측정 및 기타 상황에서 매우 유익합니다. 이 파장들은 대기를 통한 높은 투과율을 누립니다. 1540nm는 멜라닌에 의한 흡수가 최소화되어 어두운 피부 환자에게 미용 레이저 응용에 최적입니다.[2]

인산염 유리는 높은 투과율을 달성하며 에르븀과 이터븀 같은 희토류 원소로 도핑되어 800nm 또는 980nm 펌프 파장에 노출되면 개체 수 반전과 레이징에 도달할 수 있습니다(그림 1). Er:유리는 1480nm 광자로 펌핑될 수도 있지만, 펌핑과 유도 방출이 같은 파장과 에너지 대역에서 일어나 효율이 낮아질 수 있어 바람직하지 않습니다.[3] 인산염 유리는 화학적 안정성과 높은 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)도 이점으로, Er:유리와 다른 도핑 인산염 유리를 NIR 레이저 이득 매체로 이상적인 후보로 만듭니다.[1]

인산염 유리는 실리케이트 유리보다 희토류 이온 용해도가 더 높습니다. 실리케이트 유리는 더 단단한 매트릭스 구조를 가집니다.[1] 그러나 실리케이트 유리보다 대역폭이 좁고 약간 흡습성이 있어 공기 중 수분을 더 흡수합니다. 따라서 코팅이나 다른 광학으로 습기로부터 충분히 보호되는 시스템과 대역폭으로 응용이 제한됩니다.

엄격한 공차와 공정 제어

앞서 논의된 많은 응용, 특히 국방 응용을 위한 레이저 거리 측정은 극히 엄격한 치수 공차를 가진 작은 Er:유리 구성 요소를 요구하는 경우가 많습니다. 이 정밀 연마된 레이저 유리 슬라브는 정렬에 거의 시간이 필요 없이 어셈블리에 바로 장착될 수 있습니다. SIM 카드 크기까지 작아질 수 있고 너무 작아 베벨이 없는 경우가 많습니다(그림 2). 이는 가장자리 치핑을 더 쉽게 만듭니다. 이러한 작은 구성 요소에서 엄격한 평행도와 표면 품질 사양을 달성하는 것은 엄청나게 어려울 수 있습니다. 클리어 어퍼처, 즉 모든 사양을 충족해야 하는 광학 표면 부분은 종종 거의 100%에 달해 광학 표면 가장자리 주변에 오류 여유가 거의 없습니다.

왜 이 모든 수고를 겪을까요? 이전 솔루션은 종종 Nd:YAG 바에 부착된 여러 결정 구성 요소의 더 큰 서브어셈블리를 포함했습니다. 이러한 추가 구성 요소에는 브루스터 플레이트, 수동 Q-스위칭용 포화 흡수체, 주파수 변환 결정이 포함될 수 있습니다. 주파수 변환 결정은 네오디뮴 방출 파장이 에르븀보다 훨씬 더 위험하여 장거리 안전 전송을 위해 더 긴 파장으로 이동해야 하므로 거리 측정기나 기타 개방형 응용에서 중요합니다.

거리 측정기 응용은 종종 충격 및 진동 요구사항을 가지며, 모든 사양을 충족하면서 여러 구성 요소를 접착하는 것을 어렵게 만듭니다. 이러한 구형 설계에서 단일 연마된 Er:유리 조각으로 이동하여 다양한 코팅으로 동일한 작업을 수행하면 시스템 크기와 비용이 줄어듭니다. YAG 결정은 종종 브루스터 각도에서 사용되지만, 같은 효과를 코팅으로 달성할 수 있습니다. Er:유리 슬라브는 어차피 코팅이 필요하므로, 이런 유형의 코팅을 추가하여 가능한 한 많은 기능을 집어넣고 다른 곳의 비용을 절약하는 것이 유리합니다.

인산염 유리는 약간 흡습성이므로, 코팅되지 않은 Er:유리를 며칠간 밖에 두면 저하될 수 있습니다. 코팅 전 표면 품질을 제어하여 습기가 유리로 이동하는 것을 방지해야 합니다. 최종 유리 슬라브의 연마된 표면에 증착된 코팅은 이 저하로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.

작고 고정밀 Er:유리 슬라브의 일반적인 사양은 가장자리에 대해 <5 아크분 수직도, 끝면에 대해 <10 아크초 수직도, 10-5 스크래치-딕보다 나은 표면 품질입니다. 이러한 엄격한 사양은 청정 환경, 고도로 제어된 공정, 최소화된 터치 타임을 요구합니다.

레이저 유리는 보통 양쪽 끝면에만 두 개의 연마 표면이 있고 나머지 표면은 연마되지만, 이들 Er:유리 슬라브의 일부 측면도 정렬을 단순화하기 위해 연마되고 고공차 처리됩니다. 어느 면을 먼저 연마하고 코팅할지, 다이싱 전후 어느 면을 연마할지, 단면 또는 양면 연마를 언제 사용할지 선택이 모두 비용과 수율을 결정합니다. 비숙련 공정과 숙련된 제조업체가 최적화한 공정 사이의 수율 차이는 쉽게 3배가 될 수 있습니다.

터치 타임을 줄이고 수율을 개선하기 위해 모든 제조와 코팅을 단일 위치에서 수행하는 것이 최적입니다. 부분적으로 완성된 부품이 다른 위치 간에 배송될 때마다 오염과 손상 가능성이 크게 증가하며 추가 대기 시간도 발생합니다.

다중 고 LIDT 코팅

거리 측정 및 기타 정밀 NIR 응용을 위한 작은 Er:유리 슬라브 제조의 한 가지 과제는 여러 코팅이 종종 구성 요소의 서로 다른 면에 증착된다는 것입니다. 이는 순수한 미코팅 표면의 고정 및 보호가 필요하기 때문에 어렵습니다. 또한 제조업체가 슬라브 뒷면에 오버스프레이나 블로바이를 피하는 것도 과제입니다. 끝면에는 높은 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 가진 반사 방지(AR) 코팅이 있습니다. 가장자리에도 펌프 빔을 투과시키기 위해 높은 LIDT AR 코팅이 있습니다. 펌프 파워는 항상 방출보다 높습니다. 일부 4면 슬라브에는 내장 고반사 공동 미러, 파장 분별, 펌프 광 제거를 위한 추가 코팅도 있습니다.

측정학: 측정할 수 없으면 만들 수 없다

제조 정밀도와 공정 제어는 핵심 사양을 적절히 측정하고 검증하는 데 필요한 적절한 측정학 없이는 무의미합니다. ZYGO Verifire 같은 레이저 간섭계는 평탄도 측정에 자주 사용되지만, 작은 Er:유리 슬라브를 측정할 때 엄격한 평행도 사양 때문에 뒷면이 앞면 측정과 간섭합니다. 작업자는 바셀린이나 다른 물질을 뒷면에 발라 해결할 수 있지만, 이 표면은 다시 세척해야 하고 구성 요소 손상 가능성이 증가합니다. 그러나 최근 평탄도 측정 기술 발전은 뒷면 효과를 제거하고 평탄도 측정을 더 빠르고 손상 가능성이 적게 수행할 수 있게 합니다. 슬라브 가장자리의 칩은 작업자가 평탄도를 정확하게 측정하는 것을 방해할 수 있어 제조 중 공정 제어가 더욱 중요합니다. 수직도와 쐐기각은 일반적으로 이중 패스 자기준준계로 검증됩니다.

Er:유리 레이저의 성장하는 응용 공간은 광학 부품 제조업체들이 점점 더 높은 정밀도의 레이저 유리와 코팅을 만들도록 계속 밀어붙일 것입니다. 1540nm와 1570nm 눈 안전 레이저 응용은 사용을 더 안전하게 만들고, 미용 레이저 시술에 자신감을 높이며, 장거리 통신을 개선합니다. NIR 레이저 시스템 개발 시 특정 응용 요구사항을 부품 공급업체와 논의하여 적절한 레이저 유리와 기타 구성 요소의 미묘한 선택을 탐색하는 데 지침을 얻는 것이 최선의 조언입니다.

본 기사는 Cory Boone(Edmund Optics 수석 기술 마케팅 엔지니어, Barrington, NJ)와 Mike Middleton(Edmund Optics Florida 운영 매니저, Oldsmar, FL)이 작성했습니다. 자세한 정보는 Boone 씨(이메일: 보호됨)에게 문의하거나 여기를 방문하세요.

참고문헌

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.