Vidro de fosfato dopado com érbio (Er)exibe muitas propriedades benéficas, o que levou a um aumento da demanda nos últimos anos para Er: lasers de vidro para aplicações comoabrangente como telêmetro a laser, comunicações de longa distância, dermatologia e espectroscopia de degradação induzida por laser (LIBS).Os amplificadores de fibra de érbio permitem uma comunicação global rápida no cabo transpacífico entre Hong Kong e Los Angeles, Er: telêmetros a laser de vidro são cada vez mais usados emaplicações de defesa e reconhecimento, eEr: lasers estéticos de vidroestão ganhando força pararemovendo cicatrizese até mesmotratando queda de cabelocausada pela alopecia androgenética.
Esses crescentes espaços de aplicação exigem vidro laser de alta precisão com tolerâncias dimensionais exigentes e revestimentos laser de alta potência.Tolerâncias rígidas dão aos integradores de sistema a confiança de que os componentes podem ser facilmente colocados em seus sistemas sem alinhamento demorado, mas essas especificações representam um desafio para os fabricantes de vidro para laser.O controle do processo e o foco na metrologia são necessários para que os fabricantes de vidro a laser criem os componentes exigentes necessários para o crescente espaço de óptica a laser NIR.
POR QUE VIDRO DOPADO COM ÉRBIO?
Nas últimas décadas, avanços significativos foram feitos na tecnologia de laser à base de fosfato em termos de potência de saída aprimorada, duração de pulso mais curta, tamanho de sistema reduzido e novos comprimentos de onda operacionais.Os lasers Er:glass geralmente emitem nos comprimentos de onda seguros para os olhos de 1540 nm, 1550 nm ou 1570 nm, o que é altamente benéfico em telêmetros e outras situações em que as pessoas podem ser expostas aos feixes.Esses comprimentos de onda se beneficiam da alta transmissão através da atmosfera.O 1540nm também apresenta absorção mínima pela melanina, tornando os lasers de vidro Er: ideais para aplicações estéticas a laser em pacientes com tez mais escura.
Figura 1. Estados de energia do érbio.Os lasers Er:glass são normalmente bombeados com um laser de 800 nm ou 980 nm e emitem a 1540 nm ou 1570 nm.
O vidro de fosfato atinge altas transmissões e pode ser dopado com átomos de terras raras, como érbio e itérbio, para que possa atingir inversão de população e laser quando exposto a um comprimento de onda de bomba de 800 nm ou 980 nm (Figura 1).Er: o vidro também pode ser bombeado por fótons a 1480 nm, mas isso é indesejável porque a eficiência pode ser reduzida pelo bombeamento e emissão estimulada ocorrendo no mesmo comprimento de onda e banda de energia.[3]Os vidros de fosfato também se beneficiam da estabilidade química e dos altos limiares de danos induzidos por laser (LIDTs), tornando Er:vidro e outros vidros de fosfato dopados candidatos ideais para meios de ganho de laser NIR.
Os vidros de fosfato têm uma maior solubilidade de íons de terras raras do que os vidros de silicato, que apresentam uma estrutura de matriz mais rígida.[1]No entanto, eles apresentam uma largura de banda mais estreita do que os vidros de silicato e são ligeiramente higroscópicos, o que significa que absorvem mais umidade do ar.Portanto, eles estão limitados a aplicações em sua largura de banda e sistemas onde serão suficientemente protegidos da umidade por revestimentos ou outras óticas.
TOLERÂNCIAS RIGOROSAS E CONTROLE DE PROCESSO
Muitas das aplicações discutidas anteriormente, particularmente telêmetro a laser para aplicações de defesa, muitas vezes requerem pequenos componentes de vidro Er: com tolerâncias dimensionais extremamente apertadas.Essas lajes finamente polidas de vidro a laser podem ser colocadas em montagens com pouca ou nenhuma necessidade de alinhamento.Eles podem ficar do tamanho de um cartão SIM e muitas vezes não apresentam chanfros porque são muito pequenos (Figura 2).Isso torna a lascamento da borda mais provável.Atingir paralelismo rígido e especificações de qualidade de superfície nesses pequenos componentes pode ser incrivelmente desafiador.A abertura livre, ou parte da superfície óptica que deve atender a todas as especificações, geralmente é quase 100%, deixando pouco ou nenhum espaço para erros nas bordas das superfícies ópticas.
Figura 2. Placas de Er:vidro usadas para telêmetro a laser e outras aplicações de laser NIR geralmente têm o tamanho de um cartão SIM comum ou menor.
Então, por que passar por todo esse problema?As soluções anteriores geralmente envolviam subconjuntos maiores de vários componentes de cristal ligados a uma barra Nd:YAG.Esses componentes adicionais podem incluir placas Brewster, absorvedores saturáveis para comutação Q passiva ou cristais de conversão de frequência.Os cristais de conversão de frequência são importantes no telêmetro ou em outras aplicações ao ar livre porque o comprimento de onda de emissão do neodímio é muito mais perigoso do que o érbio e deve ser deslocado para um comprimento de onda mais longo antes de poder ser transmitido com segurança por longas distâncias.
As aplicações de telêmetro geralmente têm requisitos de choque e vibração, o que dificulta a união de vários componentes enquanto atende a todas as especificações.A mudança desses designs antigos para uma única peça polida de Er: vidro realizando as mesmas tarefas com vários revestimentos reduziu o tamanho e o custo do sistema.Os cristais YAG são frequentemente usados no ângulo de Brewster, mas o mesmo efeito pode ser obtido usando revestimentos.Como as lajes de Er:vidro precisam ser revestidas de qualquer maneira, é benéfico adicionar esse tipo de revestimento para incluir o máximo de funcionalidade possível e economizar custos em outros lugares.
Como os vidros de fosfato são ligeiramente higroscópicos, se o vidro Er: não revestido for deixado do lado de fora por vários dias, ele pode se degradar.A qualidade da superfície deve ser controlada antes do revestimento para evitar que a umidade entre no vidro.Os revestimentos depositados nas superfícies polidas da placa de vidro final ajudam a protegê-los dessa degradação.
Especificações comuns para Er pequeno e de alta precisão: lajes de vidro têm <5 arcmin de perpendicularidade para as bordas, <10 arcsec de perpendicularidade para as extremidades e uma qualidade de superfície melhor que 10-5 arranhões.Essas especificações exigentes exigem um ambiente limpo, processos altamente controlados e tempo de toque minimizado.
O vidro a laser normalmente tem apenas duas superfícies polidas nas extremidades, enquanto o restante das superfícies é retificado, mas alguns dos lados dessas placas de vidro Er: também são polidos e altamente tolerados para simplificar o alinhamento.A escolha de quais lados polir e revestir primeiro, quais lados polir antes ou depois de cortar em cubos e quando usar o polimento de lado único ou duplo determinam o custo e o rendimento.A diferença de rendimento entre um processo desinformado e um processo otimizado por um fabricante experiente pode facilmente chegar a um fator de três.
Para reduzir o tempo de toque e melhorar os rendimentos, é ideal ter toda a fabricação e revestimento realizados em um único local.Cada vez que a peça parcialmente acabada é enviada entre diferentes locais, a probabilidade de contaminação e danos aumenta consideravelmente, juntamente com o tempo de espera adicional.
MÚLTIPLOS REVESTIMENTOS DE ALTA COBERTURA
Um desafio na fabricação de pequenas placas de Er:vidro para telêmetros e outras aplicações NIR de precisão é que muitas vezes são depositados vários revestimentos em diferentes facetas do componente.Isso é difícil devido à necessidade de fixação e proteção de superfícies não revestidas originais antes do revestimento.Também é um desafio para os fabricantes evitar pulverização excessiva ou explosão na parte de trás da placa, que deve ser protegida durante o revestimento.As extremidades apresentam revestimentos antirreflexo (AR) com altos limiares de danos induzidos por laser (LIDTs).As bordas também apresentam revestimentos LIDT AR altos para deixar entrar o feixe da bomba.A potência da bomba é sempre superior à da emissão.Algumas lajes de quatro lados ainda têm revestimentos adicionais para espelhos de cavidade de alta refletividade embutidos, discriminação de comprimento de onda e rejeição de luz da bomba.
METROLOGIA: SE VOCÊ NÃO PODE MEDIR, NÃO PODE FAZER
A precisão da fabricação e o controle do processo são inúteis sem a metrologia adequada necessária para medir e verificar adequadamente as principais especificações.Os interferômetros a laser, como o ZYGO Verifier, são frequentemente usados para medir a planicidade, mas ao medir pequenas placas de Er:vidro, a superfície traseira começa a interferir nas medições da superfície frontal devido à exigente especificação de paralelismo.Os operadores podem contornar isso aplicando vaselina ou outra substância na superfície traseira, mas essa superfície precisa ser limpa novamente e a probabilidade de danos aos componentes aumenta.No entanto, avanços recentes na medição de planicidade eliminam os efeitos da superfície posterior e permitem que as medições de planicidade sejam feitas mais rapidamente e com menos probabilidade de danos.Lascas nas bordas das placas podem impedir que os operadores meçam com precisão o nivelamento, o que torna o controle do processo durante a fabricação ainda mais importante.A perpendicularidade e a cunha são normalmente verificadas usando um autocolimador de passagem dupla.
O crescente espaço de aplicação para Er: lasers de vidro continuará a levar os fabricantes de componentes ópticos a criar vidros e revestimentos de laser de precisão cada vez maior.As aplicações de laser seguras para os olhos de 1540nm e 1570nm ajudam a tornar o uso mais seguro, aumentam a confiança por meio de procedimentos estéticos a laser e melhoram as comunicações de longa distância.O melhor conselho disponível é que, ao desenvolver um sistema de laser NIR;discuta suas necessidades específicas de aplicação com seu fornecedor de componentes para obter orientação sobre como navegar na seleção diferenciada de vidro de laser adequado e outros componentes.
Este artigo foi escrito por Cory Boone, engenheiro de marketing técnico líder, Edmund Optics (Barrington, NJ) e Mike Middleton, gerente de operações, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL).
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Horário de atualização: 01 de abril de 2022
