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Oct 03, 2023

レーザー結晶の製造とコーティングの課題

Un cristallo laser può essere considerato il "motore" di un laser a stato solido.sono

レーザー結晶は固体レーザーの「エンジン」と考えることができます。 これらはゲインメディア、周波数変換、およびレーザーの特性とパフォーマンスの管理に使用されます。 車のエンジンと同様、レーザー結晶がきれいで適切に動作していれば、より大きなシステムをより高いレベルで動作させることができます。 レーザー システムの場合、高レベルで動作するとは、安定したビームを生成し、高い光出力に達することを意味します。 他の固体利得媒体に対するレーザー結晶のいくつかの利点は、通常、吸収が少なく、発光帯域幅が狭く、遷移断面積が大きく、熱伝導率が高いことです。 レーザー結晶は、レーザー材料加工、レーザー手術、センシング、距離測定などの防衛用途など、さまざまな用途を実現するために不可欠です。

レーザー結晶は繊細な光学部品であり、多くの場合高出力レーザーで使用されるため、欠陥を生じさせずに適切なコーティングを結晶上に堆積することが不可欠です。 複雑な形状と高いレーザー損傷閾値 (LDT) 要件によりレーザー結晶の製造は困難ですが、いくつかの重要な考慮事項を念頭に置くと、結晶とそのコーティングが意図したとおりに動作することが保証されます。

レーザー結晶は、通常、遷移金属または希土類イオンがドープされた光学結晶です。 さまざまな結晶の種類や形状があり、各結晶には考慮する必要がある独自の属性セットがあります。 一般的な結晶の形状には、熱レンズや応力による複屈折を低減するために使用されるロッド、立方体、ジグザグのスラブなどがあります。

結晶の生のブール、または合成的に成長させたインゴットは、用途に必要な厳しい公差仕様に合わせて切断、研削、研磨されます。 レーザーキャビティ内の結晶の配列は適切に機能するために重要であるため、結晶のさまざまな面の平行度と垂直度を厳密に制御する必要があります。 他の表面を研磨しながら、以前に研磨した表面を保護することは、表面の品質を維持するために重要です。 研磨は、表面下の損傷を最小限に抑えるために慎重に監視されます。高出力のレーザー光が欠陥から散乱したり吸収されたりすると、光の損失や完全な故障につながる可能性があります。

インプロセス計測により、表面形状、平行度、直角度、寸法仕様、および表面品質の要件が満たされていることを確認します。 コーティングの堆積前にすべての研磨面を注意深く洗浄することも、スラリーやブロッキング物質などの汚染の侵入を防ぐために重要です。 超音波洗浄により、コーティング前に残った研磨剤を除去します。 これは、研磨された表面よりも手で掃除するのが難しい地面の表面を掃除する場合に特に役立ちます。 最後に、高倍率顕微鏡を使用した手動検査で清浄度と品質を検証し、追加の手動洗浄手順が必要かどうかを判断します。

ほとんどのレーザー結晶には、研磨およびコーティングが必要な 2 つの表面がありますが、結晶の形状によっては、最大 6 つの異なる研磨およびコーティングされた表面が必要になる場合があります。 複数の表面をコーティングすると、コーティングプロセスが複雑になります。 コーティングを塗布する特定の順序は、残りの結晶面の表面品質を維持し、すでに塗布されているコーティングを損傷しないように考慮する必要があります。 コーティング中に使用される工具やブロッキング技術も、すでにコーティングされた表面を保護し、他の表面への不要なオーバースプレーを防ぐために重要です。 ツーリングは、コーティング中に損傷することなくさまざまな材料が膨張できるように設計されています。 場合によっては、研磨とコーティングのステップが交互に行われます。 これは、互いに隣接する表面が両方とも端までコーティングされている場合によく見られます。

透過特性と反射特性を向上させるために、薄膜コーティングが堆積されます。 使用される特定のコーティングは、最終用途の波長、出力レベル、環境要件 (温度、湿度、真空、放射線、塩水噴霧など)、レーザー設計、およびその他の要因に完全に依存します。 コーティングは、顧客の仕様に従ってシングルバンドおよびマルチバンド波長として適用されます。 チャンバーの形状と蒸着技術は、すべての部品間で完全な均一性を得るために満たさなければならない重要なパラメーターです。 マルチバンド コーティングは、再現性を考慮して非常に慎重に設計されており、非常に離散的な層厚制御により、低損失で非吸収性のフィルムが得られます。 場合によっては、結晶スラブ全体をコーティングし、小さな断片に切り分けてから、新しく作成された表面を覆うために再度コーティングすることもあります。

電子ビーム (e-ビーム) コーティングはわずかに多孔質であり、水分の吸収や温度上昇に基づいてその挙動がわずかに変化する可能性があり、吸収された水分を追い出します。 図 4 は、温度変化がスペクトル性能にどのような影響を与えるかを示す例です。 履歴データと最終アプリケーションの動作条件でのテストにより、水晶振動子が現場でどのように動作するかがわかります。 イオンアシスト蒸着 (IAD) やイオン ビーム スパッタリング (IBS) などの他のコーティング技術では、フィルムを圧縮して水分の侵入を制限することで、シフトを最小限に抑えたり、シフトを完全に排除したりできます。 ただし、これらの技術は結晶にストレスを与え、レーザー損傷閾値 (LDT) を低下させる可能性があるため、すべての要件を相互に優先する必要があります。

狭帯域またはマルチバンドのコーティングなどの非常に難しい仕様の場合、再現性を維持するには、コーティング チャンバー内の個々の結晶の配置が重要です (図 5)。 すべての部品間の均一性を確保するために、部品はチャンバー内に特別に配置されます。 厚さの誤差があれば、それが結晶の最終性能に影響を与えるかどうかを判断するために評価されます。

主要な仕様を検証するために、分光光度計、干渉計、高倍率顕微鏡、寸法計測、光熱吸収、レーザー損傷試験などの幅広いインプロセスおよびポストプロセス計測が使用されます。 これは、光学サプライヤーが顧客のすべての要件が実際に満たされていることを確信するために不可欠です。

多くのレーザーアプリケーションが高出力に移行し続けるにつれて、レーザー結晶にとって厳しい寸法公差、高いレーザー損傷閾値、および正確なスペクトル性能を維持することがますます重要になっています。 レーザー結晶を調達する際には、光学部品のサプライヤーに相談して、見積書や設計に上記の考慮事項が考慮されていることを確認してください。 早い段階でこれらの要件に合わせることで、設計の反復の可能性が減り、クリスタルが最終システムで必要に応じて動作する可能性が高くなります。

この記事は、Edmund Optics のレーザー光学事業開発マネージャーである Karl George Jr. とレーザー光学セールスマネージャーである James Karchner によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine の 2022 年 9 月号に初めて掲載されました。

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