掺铒 (Er) 磷酸盐玻璃表现出许多有益的特性，这导致近年来对 Er: 玻璃激光器的应用需求不断增加范围广泛，如激光测距、远程通信、皮肤病学和激光诱导击穿光谱 (LIBS)。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， 和Er：玻璃美容激光正在获得关注去除疤痕乃至治疗脱发由雄激素性脱发引起。
这些不断增长的应用空间需要具有严格尺寸公差和高功率激光涂层的高精度激光玻璃。严格的公差使系统集成商相信可以轻松地将组件放入其系统中，而无需耗时的对准，但这些规范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，才能制造出不断增长的近红外激光光学领域所需的高要求组件。
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、缩小系统尺寸和新的工作波长方面取得了重大进展。Er:玻璃激光器通常发射对人眼安全的波长 1540nm、1550nm 或 1570nm，这对于测距和其他人们可能接触到光束的情况非常有益。这些波长得益于大气中的高透射率。1540nm 的黑色素吸收也极少，这使得 Er: 玻璃激光器成为针对肤色较深的患者进行美容激光应用的最佳选择。
图 1. 铒的能态。Er:玻璃激光器通常用 800nm 或 980nm 激光器泵浦，并以 1540nm 或 1570nm 发射。
磷酸盐玻璃达到高透射率，可以掺杂铒、镱等稀土原子，使其在暴露于800nm或980nm泵浦波长时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 (LIDT)，使 Er:玻璃和其他掺杂磷酸盐玻璃成为近红外激光增益介质的理想选择。
磷酸盐玻璃比硅酸盐玻璃具有更高的稀土离子溶解度，且具有更刚性的基体结构。[1]然而，它们的带宽比硅酸盐玻璃窄，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得到充分的防潮保护。
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其严格的小型 Er: 玻璃组件。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，并且通常没有斜角，因为它们太小了（图 2）。这使得边缘碎裂的可能性更大。在这些小型部件上实现严格的平行度和表面质量规格可能非常具有挑战性。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%，光学表面边缘周围几乎没有误差空间。
图 2. 用于激光测距和其他 NIR 激光应用的 Er: 玻璃板通常只有普通 SIM 卡的大小或更小。
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 棒的多个晶体元件的较大子组件。这些附加组件可能包括布儒斯特板、用于无源 Q 开关的可饱和吸收器或频率转换晶体。变频晶体在测距仪或其他露天应用中非常重要，因为钕的发射波长比铒危险得多，必须转移到更长的波长才能安全地长距离传输。
测距仪应用通常有冲击和振动要求，这使得将多个组件粘合在一起同时满足所有规格变得困难。从这些旧设计转向单一的抛光铒玻璃，通过各种涂层完成相同的任务，从而减少了系统尺寸和成本。YAG 晶体通常用于布儒斯特角，但通过使用涂层也可以实现相同的效果。由于 Er: 玻璃板无论如何都需要涂层，因此添加此类涂层以包含尽可能多的功能并节省其他成本是有益的。
由于磷酸盐玻璃具有轻微的吸湿性，如果未镀膜的 Er: 玻璃在室外放置几天，就会降解。镀膜前必须控制表面质量，以防止湿气进入玻璃。沉积在最终玻璃板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 的常见规格：玻璃板边缘垂直度 <5 弧分，端部垂直度 <10 弧秒，表面质量优于 10-5 划痕挖掘。这些苛刻的规格需要清洁的环境、高度控制的流程以及最短的接触时间。
激光玻璃通常仅在端部有两个抛光表面，而其余表面均经过研磨，但这些 Er: 玻璃板的某些侧面也经过抛光并具有高公差，以简化对准。选择先抛光和涂覆哪一面、在切割之前或之后抛光哪一面、以及何时使用单面或双面抛光都决定了成本和产量。不知情的流程与经验丰富的制造商优化的流程之间的产量差异很容易达到三倍之多。
为了减少接触时间并提高产量，最好在单个位置进行所有制造和涂层。每次半成品零件在不同地点之间运输时，污染和损坏的可能性都会大大增加，并且还会增加排队时间。
多种高强度涂层
制造用于测距和其他精密近红外应用的小型 Er: 玻璃板面临的一项挑战是，多个涂层通常沉积在组件的不同面上。这是很困难的，因为在涂覆之前需要固定和保护原始的未涂覆表面。对于制造商来说，避免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。末端具有抗反射 (AR) 涂层，具有高激光诱导损伤阈值 (LIDT)。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。一些四面板甚至还具有额外的涂层，用于内置高反射率腔镜、波长辨别和泵浦光抑制。
计量学：如果无法测量，就无法成功
如果没有正确测量和验证关键规格所需的适当计量方法，制造精度和过程控制将毫无用处。激光干涉仪（例如 ZYGO Verifier）通常用于测量平面度，但在测量小 Er: 玻璃板时，由于平行度规格要求较高，后表面开始干扰前表面的测量。操作员可以通过在背面涂抹凡士林或其他物质来解决这个问题，但随后需要重新清洁该表面，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。板坯边缘的切屑会妨碍操作员准确测量平整度，这使得制造过程中的过程控制变得更加重要。垂直度和楔形通常使用双通道自准直仪进行验证。
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出越来越高精度的激光玻璃和镀膜。1540nm 和 1570nm 人眼安全激光应用有助于提高使用安全性，通过美观的激光手术增强信心，并改善长距离通信。最好的建议是，在开发近红外激光系统时；与您的组件供应商讨论您的具体应用需求，以获取正确激光玻璃和其他组件的细致选择的指导。
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。
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更新时间：2022年4月1日
