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Oct 03, 2023

Sfide della fabbricazione e del rivestimento dei cristalli laser

Laser crystals can be considered the “engines” of solid-state lasers. They are

I cristalli laser possono essere considerati i "motori" dei laser a stato solido. Vengono utilizzati per i mezzi di guadagno, per la conversione di frequenza e per gestire le caratteristiche e le prestazioni del laser. Come il motore di un’auto, se i cristalli laser sono puliti e funzionano correttamente, consentono al sistema più grande di funzionare a un livello superiore. Nel caso di un sistema laser, operare ad alta quota significa creare un fascio stabile e raggiungere potenze ottiche elevate. Alcuni vantaggi dei cristalli laser rispetto ad altri mezzi di guadagno a stato solido sono che in genere offrono meno assorbimento, una larghezza di banda di emissione più stretta, sezioni trasversali di transizione più elevate e una maggiore conduttività termica. I cristalli laser sono fondamentali per consentire un'ampia varietà di applicazioni, tra cui la lavorazione laser dei materiali, la chirurgia laser, il rilevamento, le applicazioni di difesa come la telemetria e altro ancora.

Poiché i cristalli laser sono componenti ottici sensibili e vengono spesso utilizzati con laser ad alta potenza, è essenziale depositare su di essi i rivestimenti corretti senza introdurre difetti. Sebbene le geometrie complesse e i requisiti di soglia di danno laser elevata (LDT) rendano impegnativa la fabbricazione di cristalli laser, tenere presenti diverse considerazioni chiave aiuta a garantire che il cristallo e il suo rivestimento si comportino come previsto.

I cristalli laser sono cristalli ottici tipicamente drogati con metalli di transizione o ioni di terre rare. Esistono molti tipi e forme di cristalli diversi e ogni cristallo ha il suo insieme unico di attributi che devono essere considerati. Alcune forme cristalline comuni includono aste, cubi e lastre a zigzag utilizzate per ridurre la lente termica e la birifrangenza indotta dallo stress.

Le bocce grezze, o lingotti coltivati ​​sinteticamente, di cristalli vengono tagliati, macinati e lucidati secondo le specifiche di tolleranza strettamente necessarie per l'applicazione. Il parallelismo e la perpendicolarità delle diverse facce del cristallo devono essere strettamente controllati poiché l'allineamento del cristallo all'interno di una cavità laser è fondamentale per il corretto funzionamento. Proteggere le superfici precedentemente lucidate mentre si lucidano le altre superfici è fondamentale per mantenere la qualità della superficie. La lucidatura viene attentamente monitorata per ridurre al minimo i danni al sottosuolo, che potrebbero portare alla perdita di luce e persino al guasto completo se la luce laser ad alta potenza si disperde dai difetti o viene assorbita.

La metrologia in-process garantisce che i requisiti relativi alla figura della superficie, al parallelismo, alla perpendicolarità, alle specifiche dimensionali e alla qualità della superficie siano stati soddisfatti. Anche un'accurata pulizia di tutte le superfici lucidate prima della deposizione dei rivestimenti è importante per prevenire l'introduzione di qualsiasi contaminazione come fanghi o sostanze bloccanti. La pulizia ad ultrasuoni rimuove eventuali residui di lucidatura prima del rivestimento. Ciò è particolarmente utile per pulire le superfici levigate, poiché sono più difficili da pulire a mano rispetto alle superfici lucidate. Infine, un'ispezione manuale utilizzando un microscopio ad alto ingrandimento verifica la pulizia e la qualità, determinando se è necessaria un'ulteriore fase di pulizia manuale.

La maggior parte dei cristalli laser hanno due superfici che devono essere lucidate e rivestite, ma a seconda della geometria del cristallo potrebbero essere necessarie fino a sei diverse superfici lucidate e rivestite. Il rivestimento di più superfici aumenta la complessità del processo di rivestimento. È necessario considerare l'ordine specifico in cui vengono applicati i rivestimenti per preservare la qualità della superficie delle restanti facce di cristallo e non danneggiare i rivestimenti già applicati. Anche le tecniche di lavorazione e bloccaggio utilizzate durante il rivestimento sono fondamentali per proteggere le superfici già rivestite e prevenire spruzzi eccessivi indesiderati su altre superfici. L'attrezzatura è progettata per consentire l'espansione di diversi materiali durante il rivestimento senza danneggiarsi. In alcuni casi, le fasi di lucidatura e rivestimento vengono alternate. Questo è comune quando le superfici adiacenti l'una all'altra sono entrambe rivestite fino ai bordi.

Vengono depositati rivestimenti a film sottile per migliorare le proprietà trasmissive e di riflessione. I rivestimenti specifici utilizzati dipendono interamente dalla lunghezza d'onda dell'applicazione finale, dai livelli di potenza, dai requisiti ambientali (temperatura, umidità, vuoto, radiazioni, nebbia salina, ecc.), dalla progettazione del laser e da altri fattori. I rivestimenti vengono applicati come lunghezze d'onda a banda singola e multibanda secondo le specifiche del cliente. La geometria della camera e le tecniche di evaporazione sono parametri importanti che devono essere rispettati per avere una perfetta uniformità tra tutte le parti. I rivestimenti multibanda sono progettati con molta attenzione per la ripetibilità con un controllo molto discreto dello spessore dello strato per ottenere pellicole a bassa perdita e non assorbenti. A volte un'intera lastra di cristallo viene rivestita, tagliata in pezzi più piccoli e quindi rivestita nuovamente per coprire le superfici appena create.