Desafíos de fabricar y recubrir cristales láser

Los cristales láser pueden considerarse los "motores" de los láseres de estado sólido. Se utilizan para ganar medios, para conversión de frecuencia y para gestionar las características y el rendimiento del láser. Al igual que el motor de un automóvil, si los cristales láser están limpios y funcionan correctamente, permiten que el sistema más grande funcione a un nivel superior. En el caso de un sistema láser, operar a un nivel alto significa crear un haz estable y alcanzar altas potencias ópticas. Algunas ventajas de los cristales láser sobre otros medios de ganancia de estado sólido son que normalmente ofrecen menos absorción, un ancho de banda de emisión más estrecho, secciones transversales de transición más altas y una conductividad térmica más alta. Los cristales láser son fundamentales para permitir una amplia variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de materiales con láser, cirugía láser, detección, aplicaciones de defensa como telémetro y más.

Debido a que los cristales láser son componentes ópticos sensibles y a menudo se usan con láseres de alta potencia, es esencial depositar los recubrimientos correctos sobre ellos sin introducir ningún defecto. Si bien las geometrías complejas y los requisitos del alto umbral de daño por láser (LDT) dificultan la fabricación de cristales láser, tener en cuenta varias consideraciones clave ayuda a garantizar que el cristal y su recubrimiento se comporten según lo previsto.

Los cristales láser son cristales ópticos típicamente dopados con metales de transición o iones de tierras raras. Hay muchos tipos y formas de cristales diferentes y cada cristal tiene su propio conjunto único de atributos que deben tenerse en cuenta. Algunas formas de cristal comunes incluyen varillas, cubos y losas en zigzag que se utilizan para reducir las lentes térmicas y la birrefringencia inducida por tensión.

Las bolas crudas, o lingotes de cristales cultivados sintéticamente, se cortan, muelen y pulen según las especificaciones de estricta tolerancia necesarias para la aplicación. El paralelismo y la perpendicularidad de las diferentes caras del cristal deben controlarse estrictamente ya que la alineación del cristal dentro de una cavidad láser es crucial para su correcto funcionamiento. Proteger las superficies previamente pulidas mientras se pulen las otras superficies es fundamental para mantener la calidad de la superficie. El pulido se controla cuidadosamente para minimizar el daño subsuperficial, lo que podría provocar una pérdida de luz e incluso un fallo total si la luz láser de alta potencia se dispersa de los defectos o es absorbida.

La metrología durante el proceso garantiza que se cumplan los requisitos de figura superficial, paralelismo, perpendicularidad, especificaciones dimensionales y calidad de la superficie. También es importante una limpieza cuidadosa de todas las superficies pulidas antes de la deposición de los recubrimientos para evitar la introducción de cualquier contaminación como lodo o sustancias bloqueantes. La limpieza ultrasónica elimina los restos de compuestos de pulido antes del recubrimiento. Esto es especialmente útil para limpiar superficies molidas, ya que son más difíciles de limpiar a mano que las superficies pulidas. Finalmente, una inspección manual utilizando un microscopio de gran aumento verifica la limpieza y la calidad, determinando si se requiere un paso de limpieza manual adicional.

La mayoría de los cristales láser tienen dos superficies que deben pulirse y recubrirse, pero dependiendo de la geometría del cristal, es posible que se necesiten hasta seis superficies pulidas y revestidas diferentes. Recubrir múltiples superficies aumenta la complejidad del proceso de recubrimiento. Se debe considerar el orden específico en el que se aplican los recubrimientos para preservar la calidad de la superficie de las caras de cristal restantes y no dañar los recubrimientos que ya se hayan aplicado. Las técnicas de herramientas y bloqueo utilizadas durante el recubrimiento también son fundamentales para proteger las superficies ya recubiertas y evitar el exceso de pulverización no deseada sobre otras superficies. Las herramientas están diseñadas para permitir la expansión de diferentes materiales durante el recubrimiento sin dañarse. En determinados casos se alternan las etapas de pulido y revestimiento. Esto es común cuando las superficies adyacentes entre sí están recubiertas hasta los bordes.

Se depositan recubrimientos de película delgada para mejorar las propiedades de transmisión y reflexión. Los recubrimientos específicos utilizados dependen completamente de la longitud de onda de la aplicación final, los niveles de potencia, los requisitos ambientales (temperatura, humedad, vacío, radiación, niebla salina, etc.), el diseño del láser y otros factores. Los recubrimientos se aplican en longitudes de onda monobanda y multibanda según las especificaciones del cliente. La geometría de la cámara y las técnicas de evaporación son parámetros importantes que se deben cumplir para tener una perfecta uniformidad entre todas las piezas. Los recubrimientos multibanda están diseñados con mucho cuidado para lograr repetibilidad con un control de espesor de capa muy discreto para obtener películas no absorbentes y de baja pérdida. A veces se recubre una losa de cristal entera, se corta en trozos más pequeños y luego se recubre nuevamente para cubrir las superficies recién creadas.

Los recubrimientos de haz de electrones (haz de electrones) son ligeramente porosos y su comportamiento puede cambiar ligeramente según la absorción de humedad o los aumentos de temperatura, que expulsan la humedad absorbida. La Figura 4 muestra un ejemplo de cómo un cambio de temperatura puede afectar el rendimiento espectral. Los datos históricos y las pruebas en las condiciones operativas de la aplicación final informan cómo se comportará el cristal en el campo. Otras técnicas de recubrimiento, como la deposición asistida por iones (IAD) y la pulverización catódica con haz de iones (IBS), pueden minimizar el desplazamiento o eliminarlo por completo comprimiendo las películas para limitar la entrada de humedad. Sin embargo, estas técnicas pueden introducir tensión en el cristal y reducir su umbral de daño por láser (LDT), por lo que todos los requisitos deben priorizarse entre sí.

Para especificaciones extremadamente difíciles, como recubrimientos de banda estrecha o multibanda, la ubicación de cada cristal individual en la cámara de recubrimiento es importante para mantener la repetibilidad (Figura 5). Las piezas están dispuestas específicamente en la cámara para garantizar la uniformidad entre todas las piezas. Cualquier error de espesor se evalúa para determinar si afectará el rendimiento final del cristal.

Para verificar las especificaciones clave se utiliza una amplia gama de metrología durante y después del proceso, incluidos espectrofotómetros, interferómetros, microscopía de alta potencia, medición dimensional, absorción fototérmica y pruebas de daños por láser. Esto es esencial para que los proveedores de óptica tengan la confianza de que realmente se cumplen todos los requisitos del cliente.

A medida que muchas aplicaciones láser continúan avanzando hacia potencias más altas, mantener tolerancias dimensionales estrictas, umbrales de daño láser altos y un rendimiento espectral preciso se vuelve cada vez más importante para los cristales láser. Hable con su proveedor de componentes ópticos cuando obtenga cristales láser para asegurarse de que haya tenido en cuenta las consideraciones anteriores en sus cotizaciones y diseños. Alinear estos requisitos desde el principio reducirá la probabilidad de iteraciones de diseño y hará que sea más probable que sus cristales se comporten según sea necesario en su sistema final.

Este artículo fue escrito por Karl George Jr., Gerente de Desarrollo Comercial de Óptica Láser, y James Karchner, Gerente de Ventas de Óptica Láser, Edmund Optics. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de septiembre de 2022 de la revista Photonics & Imaging Technology.

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