Herausforderungen bei der Herstellung und Beschichtung von Laserkristallen

Laserkristalle können als „Motoren“ von Festkörperlasern betrachtet werden. Sie werden für Verstärkungsmedien, zur Frequenzumwandlung und zur Verwaltung der Lasereigenschaften und -leistung verwendet. Wie beim Motor eines Autos ermöglichen Laserkristalle, wenn sie sauber sind und ordnungsgemäß funktionieren, dem größeren System, auf einem höheren Niveau zu arbeiten. Bei einem Lasersystem bedeutet der Betrieb auf hohem Niveau, einen stabilen Strahl zu erzeugen und hohe optische Leistungen zu erreichen. Einige Vorteile von Laserkristallen gegenüber anderen Festkörper-Verstärkungsmedien bestehen darin, dass sie typischerweise eine geringere Absorption, eine schmalere Emissionsbandbreite, höhere Übergangsquerschnitte und eine höhere Wärmeleitfähigkeit bieten. Laserkristalle sind für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter Lasermaterialbearbeitung, Laserchirurgie, Sensorik, Verteidigungsanwendungen wie Entfernungsmessung und mehr.

Da Laserkristalle empfindliche optische Komponenten sind und oft mit Hochleistungslasern verwendet werden, ist es wichtig, die richtigen Beschichtungen darauf aufzubringen, ohne dass Defekte entstehen. Während die komplexen Geometrien und die hohen Anforderungen an die Laserzerstörungsschwelle (LDT) die Herstellung von Laserkristallen zu einer Herausforderung machen, hilft die Berücksichtigung einiger wichtiger Überlegungen dabei, sicherzustellen, dass sich der Kristall und seine Beschichtung wie vorgesehen verhalten.

Laserkristalle sind optische Kristalle, die typischerweise mit Übergangsmetallen oder Seltenerdionen dotiert sind. Es gibt viele verschiedene Kristallarten und -formen und jeder Kristall hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen. Zu den gebräuchlichen Kristallformen gehören Stäbe, Würfel und Zickzackplatten, die zur Reduzierung der thermischen Linsenbildung und der spannungsinduzierten Doppelbrechung eingesetzt werden.

Rohe Kristallkugeln oder synthetisch gezüchtete Kristallbarren werden gemäß den für die Anwendung erforderlichen eng tolerierten Spezifikationen geschnitten, geschliffen und poliert. Die Parallelität und Rechtwinkligkeit der verschiedenen Flächen des Kristalls müssen streng kontrolliert werden, da die Ausrichtung des Kristalls innerhalb eines Laserhohlraums für die ordnungsgemäße Funktion von entscheidender Bedeutung ist. Der Schutz zuvor polierter Oberflächen beim Polieren der anderen Oberflächen ist für die Aufrechterhaltung der Oberflächenqualität von entscheidender Bedeutung. Das Polieren wird sorgfältig überwacht, um Schäden unter der Oberfläche zu minimieren, die zu Lichtverlust und sogar zum vollständigen Ausfall führen können, wenn Hochleistungslaserlicht an Defekten gestreut oder absorbiert wird.

Die prozessbegleitende Messtechnik stellt sicher, dass die Anforderungen an Oberflächenform, Parallelität, Rechtwinkligkeit, Maßangaben und Oberflächenqualität erfüllt werden. Eine sorgfältige Reinigung aller polierten Oberflächen vor dem Aufbringen der Beschichtungen ist außerdem wichtig, um das Eindringen von Verunreinigungen wie Schlamm oder blockierenden Substanzen zu verhindern. Durch die Ultraschallreinigung werden Poliermittelreste vor der Beschichtung entfernt. Dies ist besonders hilfreich bei der Reinigung von geschliffenen Oberflächen, da diese von Hand schwerer zu reinigen sind als polierte Oberflächen. Abschließend überprüft eine manuelle Inspektion mit einem Mikroskop mit hoher Vergrößerung die Sauberkeit und Qualität und stellt fest, ob ein zusätzlicher manueller Reinigungsschritt erforderlich ist.

Die meisten Laserkristalle haben zwei Oberflächen, die poliert und beschichtet werden müssen, aber je nach Kristallgeometrie können bis zu sechs verschiedene polierte und beschichtete Oberflächen erforderlich sein. Die Beschichtung mehrerer Oberflächen erhöht die Komplexität des Beschichtungsprozesses. Die Reihenfolge, in der die Beschichtungen aufgetragen werden, muss genau beachtet werden, um die Oberflächenqualität der verbleibenden Kristallflächen zu erhalten und bereits aufgetragene Beschichtungen nicht zu beschädigen. Die beim Beschichten verwendeten Werkzeug- und Blockierungstechniken sind auch entscheidend für den Schutz bereits beschichteter Oberflächen und die Vermeidung unerwünschten Sprühnebels auf andere Oberflächen. Die Werkzeuge sind so konzipiert, dass sie die Ausdehnung verschiedener Materialien während der Beschichtung ermöglichen, ohne dass sie beschädigt werden. In bestimmten Fällen wechseln sich Polier- und Beschichtungsschritte ab. Dies ist häufig der Fall, wenn die aneinander angrenzenden Flächen bis zu den Rändern beschichtet sind.

Zur Verbesserung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften werden dünne Filmbeschichtungen aufgebracht. Die verwendeten spezifischen Beschichtungen hängen vollständig von der Wellenlänge, den Leistungsniveaus, den Umgebungsanforderungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vakuum, Strahlung, Salzsprühnebel usw.), dem Laserdesign und anderen Faktoren der Endanwendung ab. Die Beschichtungen werden je nach Kundenvorgabe als Single-Band- und Multi-Band-Wellenlängen aufgebracht. Kammergeometrie und Verdampfungstechniken sind wichtige Parameter, die eingehalten werden müssen, um eine perfekte Gleichmäßigkeit zwischen allen Teilen zu gewährleisten. Multiband-Beschichtungen sind sehr sorgfältig auf Wiederholbarkeit ausgelegt und verfügen über eine sehr diskrete Schichtdickensteuerung, um verlustarme, nicht absorbierende Filme zu erhalten. Manchmal wird eine ganze Kristallplatte beschichtet, in kleinere Stücke geschnitten und dann erneut beschichtet, um die neu entstandenen Oberflächen abzudecken.

Elektronenstrahlbeschichtungen (E-Beam) sind leicht porös und ihr Verhalten kann sich aufgrund der Aufnahme von Feuchtigkeit oder Temperaturerhöhungen, die absorbierte Feuchtigkeit austreiben, leicht verändern. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel dafür, wie sich eine Temperaturänderung auf die spektrale Leistung auswirken kann. Historische Daten und Tests unter den Betriebsbedingungen der Endanwendung geben Aufschluss darüber, wie sich der Kristall im Feld verhält. Andere Beschichtungstechniken wie ionenunterstützte Abscheidung (IAD) und Ionenstrahlsputtern (IBS) können die Verschiebung minimieren oder ganz eliminieren, indem die Filme komprimiert werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu begrenzen. Allerdings können diese Techniken den Kristall belasten und seine Laserzerstörungsschwelle (LDT) senken, sodass alle Anforderungen gegeneinander priorisiert werden müssen.

Bei extrem schwierigen Spezifikationen wie Schmalband- oder Multibandbeschichtungen ist die Platzierung jedes einzelnen Kristalls in der Beschichtungskammer wichtig, um die Wiederholbarkeit aufrechtzuerhalten (Abbildung 5). Die Teile sind in der Kammer speziell angeordnet, um die Einheitlichkeit aller Teile zu gewährleisten. Eventuelle Dickenfehler werden ausgewertet, um festzustellen, ob sie die endgültige Leistung des Kristalls beeinträchtigen.

Zur Überprüfung wichtiger Spezifikationen wird ein breites Spektrum an In- und Post-Prozess-Messtechnik eingesetzt, darunter Spektrophotometer, Interferometer, Hochleistungsmikroskopie, Dimensionsmessung, photothermische Absorption und Laserschadensprüfung. Dies ist für Optiklieferanten von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass alle Kundenanforderungen tatsächlich erfüllt werden.

Da viele Laseranwendungen zunehmend auf höhere Leistungen umsteigen, wird die Einhaltung enger Maßtoleranzen, hoher Laserzerstörschwellen und präziser spektraler Leistung für Laserkristalle immer wichtiger. Sprechen Sie bei der Beschaffung von Laserkristallen mit Ihrem Lieferanten optischer Komponenten, um sicherzustellen, dass er die oben genannten Überlegungen in seinen Angeboten und Designs berücksichtigt hat. Eine frühzeitige Ausrichtung auf diese Anforderungen verringert die Wahrscheinlichkeit von Entwurfsiterationen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sich Ihre Kristalle in Ihrem endgültigen System wie erforderlich verhalten.

Dieser Artikel wurde von Karl George Jr., Laser Optics Business Development Manager, und James Karchner, Laser Optics Sales Manager, Edmund Optics, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2022 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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