为 NIR 激光器制造高精度玻璃

掺铒 (Er) 的磷酸盐玻璃表现出许多有益的特性，这导致近年来对 Er:glass 激光器的需求增加，其应用范围广泛，如激光测距、长距离通信、皮肤病学和激光诱导击穿光谱（图书馆）。铒光纤放大器可在香港和洛杉矶之间的跨太平洋电缆中实现快速的全球通信，铒：玻璃激光测距仪越来越多地用于国防应用和侦察，而铒：玻璃美容激光器在去除疤痕甚至治疗脱发方面正获得牵引力由雄激素性脱发引起。

这些不断增长的应用领域需要具有严格尺寸公差的高精度激光玻璃和高功率激光涂层。严格的公差使系统集成商相信组件可以轻松地放入他们的系统中，而无需耗时的对齐，但这些规格对激光玻璃制造商提出了挑战。激光玻璃制造商需要过程控制和对计量的关注，以制造出满足不断增长的近红外激光光学领域所需的苛刻组件。

为什么选择掺铒玻璃？

在过去的几十年中，磷酸盐激光技术在提高输出功率、缩短脉冲持续时间、减小系统尺寸和新的工作波长方面取得了重大进展。 [1] Er：玻璃激光器通常以对人眼安全的波长 1540nm、1550nm 或 1570nm 发射，这在测距和其他人们可能暴露于光束的情况下非常有用。这些波长受益于通过大气的高透射率。 1540nm 也很少被黑色素吸收，这使得 Er:glass 激光成为肤色较深患者的美容激光应用的最佳选择。[2]

磷酸盐玻璃达到高透射率，可以掺杂铒和镱等稀土原子，使其在暴露于 800nm 或 980nm 的泵浦波长时可以达到粒子数反转和激光（图 1）。 Er：玻璃也可以被 1480nm 的光子泵浦，但这是不可取的，因为在相同波长和能带中发生的泵浦和受激发射可能会降低效率。 [3]磷酸盐玻璃还受益于化学稳定性和高激光诱导损伤阈值 (LIDTs)，使 Er:glass 和其他掺杂磷酸盐玻璃成为 NIR 激光增益介质的理想候选者。[1]

磷酸盐玻璃比硅酸盐玻璃具有更高的稀土离子溶解度，硅酸盐玻璃具有更刚性的基体结构。 [1]然而，它们比硅酸盐玻璃具有更窄的带宽，并且具有轻微的吸湿性，这意味着它们会从空气中吸收更多的水分。因此，它们仅限于其带宽和系统中的应用，在这些应用中，它们将通过涂层或其他光学器件充分保护其免受水分影响。

严格的公差和过程控制

前面讨论的许多应用，特别是用于国防应用的激光测距，通常需要尺寸公差极小的 Er:glass 组件。然后可以将这些精细抛光的激光玻璃板放入组件中，几乎不需要对齐。它们可以缩小到 SIM 卡的大小，并且通常没有斜面，因为它们太小了（图 2）。这使得边缘碎裂的可能性更大。在这些小型组件上实现严格的平行度和表面质量规范可能极具挑战性。通光孔径或必须满足所有规格的光学表面部分通常接近 100%，在光学表面边缘周围几乎没有误差空间。

那么，为什么要经历所有这些麻烦呢？以前的解决方案通常涉及连接到 Nd:YAG 棒的多个晶体组件的较大子组件。这些附加组件可能包括布鲁斯特板、用于无源 Q 开关的可饱和吸收器或频率转换晶体。频率转换晶体在测距仪或其他露天应用中很重要，因为钕的发射波长比铒更危险，必须将其转移到更长的波长才能安全地远距离传输。

测距仪应用通常具有冲击和振动要求，这使得在满足所有规格的同时将多个组件粘合在一起很困难。从这些旧设计转变为单一的、抛光的 Er:glass，通过各种涂层完成相同的任务，减小了系统尺寸和成本。 YAG 晶体通常以布鲁斯特角使用，但使用涂层也可以达到相同的效果。由于 Er：玻璃板无论如何都需要涂层，因此添加这种类型的涂层以尽可能多地包装功能并节省其他地方的成本是有益的。

因为磷酸盐玻璃有轻微的吸湿性，如果未镀膜的 Er:glass 在室外放置几天，它会降解。涂层前必须控制表面质量，以防止水分进入玻璃。沉积在最终玻璃板的抛光表面上的涂层有助于保护它们免受这种降解。

小型高精度 Er：玻璃板的常用规格是边缘垂直度 <5 arcmin，端部垂直度 <10 arcsec，表面质量优于 10-5 划痕。这些苛刻的规范要求清洁的环境、高度受控的流程和最短的触摸时间。

激光玻璃通常在端部只有两个抛光表面，而其余表面经过研磨，但这些 Er:glass 平板的某些侧面也经过抛光和高度公差以简化对准。选择先抛光和涂覆哪些面，在划片之前或之后抛光哪些面，以及何时使用单面或双面抛光都决定了成本和产量。一个不知情的工艺和一个有经验的制造商优化的工艺之间的良率差异很容易达到三倍。

为了减少接触时间并提高产量，最好在一个地点进行所有制造和涂层。每次半成品零件在不同地点之间运送时，污染和损坏的可能性都会大大增加，而且排队时间也会增加。

多个高 LIDT 涂层

制造用于测距和其他精密 NIR 应用的小型 Er:玻璃板面临的一个挑战是，多个涂层通常沉积在组件的不同方面。这很困难，因为在涂层之前需要对原始未涂层表面进行固定和保护。对于制造商来说，避免在板坯背面过度喷涂或漏气也是一个挑战，在涂层过程中必须对其进行保护。末端采用具有高激光损伤阈值 (LIDT) 的抗反射 (AR) 涂层。边缘还具有高 LIDT AR 涂层，可让泵浦光束进入。泵浦功率总是高于发射功率。一些四面平板甚至具有用于内置高反射率腔镜、波长辨别和泵浦光抑制的额外涂层。

计量学：如果你不能测量，你就做不到

如果没有正确测量和验证关键规格所需的适当计量，制造精度和过程控制将毫无用处。激光干涉仪（例如 ZYGO Verifire）通常用于测量平面度，但在测量小的 Er:玻璃板时，由于要求平行度规范，背面开始干扰正面的测量。操作员可以通过在背面涂抹凡士林或其他物质来解决此问题，但该表面需要重新清洁，并且增加了组件损坏的可能性。然而，平面度测量的最新进展消除了背面的影响，并允许更快地进行平面度测量并且损坏的可能性更小。板坯边缘的碎屑会妨碍操作员准确测量平面度，这使得制造过程中的过程控制变得更加重要。通常使用双通自准直仪验证垂直度和楔形。

Er：玻璃激光器不断增长的应用空间将继续推动光学元件制造商制造越来越高精度的激光玻璃和涂层。 1540nm 和 1570nm 人眼安全激光应用有助于提高使用安全性，通过美观的激光程序增强信心，并改善长距离通信。可用的最佳建议是，在开发 NIR 激光系统时，请与您的组件供应商讨论您的特定应用需求，以指导您选择合适的激光玻璃和其他组件。

本文由 Edmund Optics（新泽西州巴灵顿）首席技术营销工程师 Cory Boone 和 Edmund Optics Florida（佛罗里达州奥兹马尔）运营经理 Mike Middleton 撰写。欲了解更多信息，请联系 Mr. Boone 在此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问这里 .

参考文献

1. Boetti, N.、Pugliese, D.、Ceci-Ginistrelli, E.、Lousteau, J.、Janner, D. 和 Milanese, D.（2017 年）。 用于紧凑型激光器和放大器的高掺杂磷酸盐玻璃纤维：综述 .应用科学，7 (12), 1295-1314。 doi:10.3390/app7121295
2. Lupton, J. R.、Williams, C. M. 和 Alster, T. S. (2002)。 使用 1540 nm 铒玻璃激光进行非烧蚀性激光皮肤重修 .皮肤外科，28 (9), 833-835。 doi:10.1097/00042728-200209000-00010
3. Cox, C.、Metz, C. 和 Taylor, R.（未注明日期）。 光纤放大器 . The Fiber Optic Association, Inc. 于 2020 年 12 月 23 日检索。