开发高精度掺铒磷酸盐玻璃用于近红外激光应用

掺铒（Er）磷酸盐玻璃展现许多有益特性，导致近年对 Er:glass 激光器需求增加，应用广泛如激光测距、远距离通信、皮肤科、激光诱导击穿光谱（LIBS）。掺铒光纤放大器实现香港-洛杉矶跨太平洋海缆高速全球通信，Er:glass 激光测距仪越来越用于国防侦察，Er:glass 美容激光在去疤痕甚至治疗雄激素性脱发获青睐。

这些增长应用空间要求高精度激光玻璃，具有苛刻尺寸公差和高功率激光镀膜。严格公差让系统集成商信任组件易放入系统无需耗时对准，但这些规格对激光玻璃制造商是挑战。工艺控制和聚焦计量是激光玻璃制造商制造不断增长的近红外激光光学领域所需苛刻组件的必要条件。

为何选掺铒玻璃？

过去几十年，磷酸盐基激光技术在输出功率提升、脉冲宽度缩短、系统尺寸减小、新工作波长等方面取得显著进展[1]。Er:glass 激光器常在 1540nm、1550nm、1570nm 眼安全波长发射，在测距等人员可能暴露于光束情况下极有益。这些波长大气透射率高。1540nm 黑色素吸收极低，使 Er:glass 激光成为深肤色患者美容激光应用最佳选择[2]。

磷酸盐玻璃达高透射率，可掺稀土原子如铒和镱，经 800nm 或 980nm 泵浦波长激发实现粒子数反转和激射（图 1）。Er:glass 也可用 1480nm 光子泵浦，但不理想，因泵浦和受激辐射在同一波长和能带可能降低效率[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（LIDT），使 Er:glass 和其他掺杂磷酸盐玻璃成近红外激光增益介质理想候选[1]。

磷酸盐玻璃稀土离子溶解度高于硅酸盐玻璃，后者基质结构更刚性[1]。但带宽比硅酸盐窄，微吸湿，意即从空气吸收更多水分。因此限于其带宽内应用，及有镀膜或其他光学充分防潮的系统。

严苛公差与工艺控制

前文许多应用，特别是国防用激光测距，常需极严尺寸公差的小 Er:glass 组件。这些精细抛光激光玻璃板可直接放入组件，几乎无需对准。尺寸可小至 SIM 卡，常无倒角因太小（图 2）。这使边缘崩边更易。在这些小组件上实现严苛平行度和表面质量规格极具挑战。有效光圈——必须满足所有规格的光学表面部分——常近 100%，留给光学表面边缘几乎零容错空间。

为何要经历这些麻烦？先前方案常涉及多晶体组件连接 Nd:YAG 棒的较大子组件。这些额外组件可含布儒斯特片、用于无源 Q 开关的可饱和吸收体、或频率转换晶体。频率转换晶体在测距或其他开放空气应用重要，因钕发射波长比铒危险得多，必须移至更长波长才能安全远距离传输。

测距应用常有冲击振动要求，使粘接多组件同时满足所有规格困难。从旧设计转向单块抛光 Er:glass 完成相同任务配合各种镀膜，减小系统尺寸和成本。YAG 晶体常用于布儒斯特角，但镀膜可达同样效果。既然 Er:glass 板反正要镀膜，增加此类镀膜尽可能打包功能、节省成本有益。

因磷酸盐玻璃微吸湿，未镀膜 Er:glass 放室外数天会降解。镀膜前必须控制表面质量防水分进入玻璃。最终玻璃板抛光面沉积镀膜有助防止此降解。

小型高精度 Er:glass 板常见规格：边缘垂直度 <5 分，端面垂直度 <10 秒，表面质量优于 10-5 划痕/凹坑。这些苛刻规格要求洁净环境、高度受控工艺、最小化接触时间。

激光玻璃通常仅端面两抛光面，其余表面磨削，但这些 Er:glass 板一些侧面也抛光高公差以简化对准。选择哪侧先抛光镀膜、哪侧切片前后抛光、何时用单面或双面抛光，决定成本和良率。无经验工艺与经验丰富制造商优化工艺良率差异易达三倍。

为减少接触时间提高良率，最佳是制造和镀膜单地完成。每次半成品在不同地点间运输，污染损坏可能性大增，附加排队时间。

多层高 LIDT 镀膜

为测距和其他精密近红外应用制造小 Er:glass 板的挑战之一是多镀膜常沉积在组件不同刻面。这因所需夹具和保护原始未镀膜表面而难。对制造商避免背面过喷或吹扫也是挑战，背面在镀膜时必须保护。端面镀高 LIDT 抗反射（AR）镀膜。边缘也镀高 LIDT AR 镀膜引入泵浦光。泵浦功率总高于发射功率。一些四面板甚至有额外镀膜做内置高反射腔镜、波长分辨、泵浦光抑制。

计量：测不准就造不好

制造精度和工艺控制若无适当计量测量验证关键规格则无用。激光干涉仪如 ZYGO Verifire 常测平面度，但测小 Er:glass 板时背面因苛刻平行度规格干涉前表面测量。操作员可在背面涂凡士林等物质绕过，但该表面需重新清洁，组件损坏可能性增。然而平面度测量最新进展消除背面影响，允许更快、损坏风险更低地测平面度。边缘崩口阻碍操作员准确测平面度，使制造中工艺控制更重要。垂直度和楔角通常用双程自准直仪验证。

Er:glass 激光应用空间增长将持续推动光学组件制造商创造更高精度激光玻璃和镀膜。1540nm 和 1570nm 眼安全激光应用让使用更安全、美容激光手术增信心、改善远距离通信。最佳建议：开发近红外激光系统时，与组件供应商讨论具体应用需求，获指导导航正确激光玻璃和其他组件的细微选择。

本文由 Cory Boone 撰写，Edmund Optics 首席技术营销工程师（新泽西州 Barrington）和 Mike Middleton，Edmund Optics Florida 运营经理（佛罗里达州 Oldsmar）。更多信息请联系 Boone 先生 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. 或访问 here 。

参考文献

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.