Kính phốt phát pha tạp Erbium (Er)thể hiện nhiều đặc tính có lợi, dẫn đến nhu cầu gia tăng trong những năm gần đây đối với laser Er: thủy tinh cho các ứng dụng nhưphạm vi rộng như đo khoảng cách bằng laze, thông tin liên lạc đường dài, da liễu và quang phổ phân tích do laze gây ra (LIBS).Bộ khuếch đại sợi quang Erbium cho phép liên lạc toàn cầu nhanh chóng trong cáp xuyên Thái Bình Dương giữa Hồng Kông và Los Angeles, Er: máy đo khoảng cách laser thủy tinh ngày càng được sử dụng nhiều hơn trongứng dụng quốc phòng và trinh sát, VàEr: laser thẩm mỹ thủy tinhđang đạt được lực kéo choxóa sẹovà ngay cảđiều trị rụng tócrụng tóc do nội tiết tố nam gây ra.
Những không gian ứng dụng đang phát triển này đòi hỏi kính laze có độ chính xác cao với dung sai kích thước đòi hỏi khắt khe và lớp phủ laze công suất cao.Dung sai chặt chẽ giúp các nhà tích hợp hệ thống tự tin rằng có thể dễ dàng đặt các bộ phận vào hệ thống của họ mà không cần căn chỉnh tốn thời gian, nhưng các thông số kỹ thuật này lại là một thách thức đối với các nhà sản xuất kính laser.Các nhà sản xuất kính laze cần phải kiểm soát quy trình và tập trung vào đo lường để tạo ra các thành phần đòi hỏi khắt khe cần thiết cho không gian quang học laze NIR đang phát triển.
TẠI SAO LÀ KÍNH ERBIUM-DOPED?
Trong vài thập kỷ qua, công nghệ laser dựa trên phốt phát đã đạt được những tiến bộ đáng kể về công suất đầu ra được cải thiện, thời lượng xung ngắn hơn, kích thước hệ thống giảm và bước sóng hoạt động mới.Er:laser thủy tinh thường phát ra ở các bước sóng an toàn cho mắt là 1540nm, 1550nm hoặc 1570nm, rất có lợi trong việc đo khoảng cách và các tình huống khác mà mọi người có thể tiếp xúc với chùm tia.Những bước sóng này được hưởng lợi từ việc truyền cao qua bầu khí quyển.1540nm cũng bị hắc tố hấp thụ ở mức tối thiểu, làm cho laser Er: thủy tinh trở nên tối ưu cho các ứng dụng laser thẩm mỹ trên những bệnh nhân có nước da sẫm màu.
Hình 1. Các trạng thái năng lượng của erbium.Er:laser thủy tinh thường được bơm bằng laser 800nm hoặc 980nm và phát ra ở 1540nm hoặc 1570nm.
Thủy tinh phốt phát đạt độ truyền cao và có thể được pha tạp với các nguyên tử đất hiếm như erbium và ytterbium để nó có thể đạt được sự nghịch đảo dân số và phát quang khi tiếp xúc với bước sóng bơm 800nm hoặc 980nm (Hình 1).Er: thủy tinh cũng có thể được bơm bởi các photon ở bước sóng 1480nm, nhưng điều này là không mong muốn vì hiệu quả có thể bị giảm xuống bằng cách bơm và phát xạ kích thích xảy ra trong cùng dải năng lượng và bước sóng.[3]Kính phốt phát cũng được hưởng lợi từ tính ổn định hóa học và ngưỡng sát thương cao do tia laser (LIDT) gây ra, làm cho kính Er:glass và các loại kính phốt phát pha tạp khác trở thành ứng cử viên lý tưởng cho phương tiện khuếch đại laser NIR.
Kính phốt phát có khả năng hòa tan các ion đất hiếm cao hơn so với kính silicat, loại kính có cấu trúc ma trận cứng hơn.[1]Tuy nhiên, chúng có băng thông hẹp hơn so với kính silicat và hơi hút ẩm, nghĩa là chúng hấp thụ nhiều hơi ẩm hơn từ không khí.Do đó, chúng bị giới hạn trong các ứng dụng trong băng thông và hệ thống của chúng, nơi chúng sẽ được bảo vệ đầy đủ khỏi hơi ẩm bằng lớp phủ hoặc quang học khác.
KHẢ NĂNG CHỊU CHẶN VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH
Nhiều ứng dụng đã thảo luận trước đó, đặc biệt là máy đo khoảng cách laze cho các ứng dụng quốc phòng, thường yêu cầu các thành phần thủy tinh Er: nhỏ với dung sai kích thước cực kỳ chặt chẽ.Sau đó, những tấm kính laze được đánh bóng tinh xảo này có thể được thả vào các cụm lắp ráp mà không cần hoặc không cần căn chỉnh.Chúng có thể thu nhỏ bằng kích thước của thẻ SIM và thường không có các góc xiên vì chúng quá nhỏ (Hình 2).Điều này làm cho khả năng sứt mẻ cạnh nhiều hơn.Việc đạt được các thông số kỹ thuật chất lượng bề mặt và song song chặt chẽ trên các thành phần nhỏ này có thể là một thách thức vô cùng khó khăn.Khẩu độ rõ ràng, hoặc phần của bề mặt quang học phải đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật, thường là gần 100%, hầu như không có chỗ cho lỗi xung quanh các cạnh của bề mặt quang học.
Hình 2. Các tấm kính Er: được sử dụng cho máy đo khoảng cách bằng laser và các ứng dụng laser NIR khác thường có kích thước bằng một thẻ SIM thông thường hoặc nhỏ hơn.
Vậy tại sao phải trải qua tất cả những rắc rối này?Các giải pháp trước đây thường liên quan đến các tổ hợp con lớn hơn gồm nhiều thành phần tinh thể được gắn vào một thanh Nd: YAG.Các thành phần bổ sung này có thể bao gồm các tấm Brewster, bộ hấp thụ bão hòa cho Q-switching thụ động hoặc tinh thể chuyển đổi tần số.Các tinh thể chuyển đổi tần số rất quan trọng trong máy đo khoảng cách hoặc các ứng dụng ngoài trời khác vì bước sóng phát xạ của neodymium nguy hiểm hơn nhiều so với erbium và phải được chuyển sang bước sóng dài hơn trước khi có thể truyền an toàn trên khoảng cách xa.
Các ứng dụng của máy đo khoảng cách thường có yêu cầu về sốc và rung, khiến cho việc liên kết nhiều bộ phận lại với nhau trong khi gặp khó khăn trong việc đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật.Chuyển từ những thiết kế cũ này sang một mảnh kính Er: bóng loáng duy nhất hoàn thành các nhiệm vụ tương tự với các lớp phủ khác nhau giúp giảm kích thước và chi phí hệ thống.Các tinh thể YAG thường được sử dụng ở góc Brewster, nhưng hiệu ứng tương tự có thể đạt được bằng cách sử dụng các lớp phủ.Vì các tấm kính Er: dù sao cũng cần phải được phủ, nên sẽ có lợi khi thêm loại lớp phủ này để đóng gói nhiều chức năng nhất có thể và tiết kiệm chi phí ở những nơi khác.
Vì kính phốt phát hơi hút ẩm, nếu kính Er: không tráng phủ để bên ngoài trong vài ngày, kính có thể bị biến chất.Chất lượng bề mặt phải được kiểm soát trước khi phủ để ngăn hơi ẩm di chuyển vào kính.Lớp phủ lắng đọng trên các bề mặt được đánh bóng của tấm kính cuối cùng giúp bảo vệ chúng khỏi sự xuống cấp này.
Các thông số kỹ thuật phổ biến cho các tấm kính Er: nhỏ, có độ chính xác cao là độ vuông góc <5 arcmin đối với các cạnh, độ vuông góc <10 arcsec đối với các đầu và chất lượng bề mặt tốt hơn 10-5 độ xước.Các thông số kỹ thuật khắt khe này đòi hỏi một môi trường sạch sẽ, các quy trình được kiểm soát chặt chẽ và thời gian chạm được giảm thiểu.
Kính laser thường chỉ có hai bề mặt được đánh bóng ở hai đầu trong khi các bề mặt còn lại được mài, nhưng một số mặt của các tấm kính Er: này cũng được đánh bóng và có dung sai cao để đơn giản hóa việc căn chỉnh.Việc lựa chọn mặt nào cần đánh bóng và sơn phủ trước, mặt nào đánh bóng trước hoặc sau khi cắt hạt lựu và khi nào sử dụng đánh bóng một mặt hay hai mặt đều quyết định chi phí và năng suất.Sự khác biệt về năng suất giữa quy trình không được hiểu rõ và quy trình được tối ưu hóa bởi nhà sản xuất có kinh nghiệm có thể dễ dàng lớn bằng hệ số ba.
Để giảm thời gian chạm và cải thiện năng suất, tốt nhất là tất cả quy trình sản xuất và lớp phủ được thực hiện tại một địa điểm duy nhất.Mỗi khi bộ phận hoàn thành một phần được vận chuyển giữa các địa điểm khác nhau, khả năng nhiễm bẩn và hư hỏng sẽ tăng lên rất nhiều, cùng với thời gian xếp hàng bổ sung.
NHIỀU LỚP PHỦ CAO
Một thách thức với việc sản xuất các tấm kính Er: nhỏ để đo khoảng cách và các ứng dụng NIR chính xác khác là nhiều lớp phủ thường được lắng đọng trên các mặt khác nhau của thành phần.Điều này là khó khăn vì yêu cầu cố định và bảo vệ các bề mặt nguyên sơ chưa được phủ trước khi phủ.Đây cũng là một thách thức đối với các nhà sản xuất để tránh phun quá nhiều hoặc thổi bay ở mặt sau của tấm, vốn phải được bảo vệ trong quá trình sơn phủ.Các đầu có lớp phủ chống phản xạ (AR) với ngưỡng sát thương do laze gây ra (LIDT) cao.Các cạnh cũng có lớp phủ LIDT AR cao để cho chùm bơm đi vào.Công suất bơm luôn cao hơn công suất phát thải.Một số tấm bốn mặt thậm chí còn có lớp phủ bổ sung cho gương khoang phản xạ cao tích hợp, phân biệt bước sóng và loại bỏ ánh sáng bơm.
ĐO LƯỜNG: NẾU BẠN KHÔNG THỂ ĐO ĐƯỢC, BẠN KHÔNG THỂ LÀM ĐƯỢC
Độ chính xác của sản xuất và kiểm soát quy trình là vô ích nếu không có phép đo phù hợp cần thiết để đo lường và xác minh đúng các thông số kỹ thuật chính.Giao thoa kế laser, chẳng hạn như Máy xác minh ZYGO, thường được sử dụng để đo độ phẳng, nhưng khi đo các tấm kính Er: nhỏ, bề mặt sau bắt đầu cản trở các phép đo của bề mặt trước do thông số kỹ thuật song song đòi hỏi khắt khe.Người vận hành có thể khắc phục điều này bằng cách bôi Vaseline hoặc chất khác lên bề mặt sau, nhưng sau đó bề mặt này cần được làm sạch và khả năng hư hỏng bộ phận sẽ tăng lên.Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong phép đo độ phẳng đã loại bỏ các tác động từ bề mặt sau và cho phép phép đo độ phẳng được thực hiện nhanh hơn và ít khả năng hư hỏng hơn.Các mảnh vụn trên các cạnh của tấm có thể cản trở người vận hành đo chính xác độ phẳng, điều này làm cho việc kiểm soát quy trình trong quá trình sản xuất trở nên quan trọng hơn.Độ vuông góc và góc nêm thường được xác minh bằng cách sử dụng bộ tự động chuẩn trực kép.
Không gian ứng dụng ngày càng tăng của laser Er: thủy tinh sẽ tiếp tục thúc đẩy các nhà sản xuất linh kiện quang học tạo ra lớp phủ và thủy tinh laser có độ chính xác ngày càng cao.Các ứng dụng laser an toàn cho mắt 1540nm và 1570nm giúp sử dụng an toàn hơn, tăng cường sự tự tin thông qua các quy trình laser thẩm mỹ và cải thiện khả năng liên lạc ở khoảng cách xa.Lời khuyên tốt nhất hiện có là khi phát triển hệ thống laser NIR;thảo luận về các nhu cầu ứng dụng cụ thể của bạn với nhà cung cấp linh kiện để được hướng dẫn trong việc điều hướng lựa chọn sắc thái của kính laze thích hợp và các linh kiện khác.
Bài viết này được viết bởi Cory Boone, Kỹ sư tiếp thị kỹ thuật chính, Edmund Optics (Barrington, NJ) và Mike Middleton, Giám đốc điều hành, Edmund Optics Florida (Oldsmar, FL).
Thêm thông tin sản phẩm, bạn có thể đến thăm trang web của chúng tôi:
https://www.erbiumt Technology.com/
E-mail:devin@erbiumtechnology.com
WhatsApp: +86-18113047438
Fax: +86-2887897578
Địa chỉ: Số 23, đường Chaoyang, đường Xihe, quận Longquanyi, Thành Đô, 610107, Trung Quốc.
Thời gian cập nhật: Apr-01-2022
