Desafios de fabricação e revestimento de cristais a laser

Os cristais de laser podem ser considerados os “motores” dos lasers de estado sólido. Eles são usados ​​para ganho de mídia, para conversão de frequência e para gerenciar características e desempenho do laser. Como o motor de um carro, se os cristais de laser estiverem limpos e funcionando corretamente, eles permitirão que o sistema maior opere em um nível mais elevado. No caso de um sistema laser, operar em alto nível significa criar um feixe estável e atingir altas potências ópticas. Algumas vantagens dos cristais de laser sobre outros meios de ganho de estado sólido são que eles normalmente oferecem menos absorção, uma largura de banda de emissão mais estreita, seções transversais de transição mais altas e maior condutividade térmica. Os cristais de laser são essenciais para permitir uma ampla variedade de aplicações, incluindo processamento de materiais a laser, cirurgia a laser, detecção, aplicações de defesa como telêmetro e muito mais.

Como os cristais de laser são componentes ópticos sensíveis e são frequentemente usados ​​com lasers de alta potência, é essencial depositar os revestimentos corretos sobre eles sem introduzir quaisquer defeitos. Embora as geometrias complexas e os requisitos de alto limiar de dano ao laser (LDT) tornem a fabricação de cristais de laser um desafio, manter várias considerações importantes em mente ajuda a garantir que o cristal e seu revestimento se comportem conforme pretendido.

Cristais de laser são cristais ópticos normalmente dopados com metais de transição ou íons de terras raras. Existem muitos tipos e formatos diferentes de cristais e cada cristal tem seu próprio conjunto único de atributos que devem ser considerados. Algumas formas de cristal comuns incluem bastões, cubos e placas em zigue-zague usadas para reduzir lentes térmicas e birrefringência induzida por estresse.

Bolas brutas, ou lingotes cultivados sinteticamente, de cristais são cortadas, moídas e polidas de acordo com as especificações de tolerância rigorosa necessárias para a aplicação. O paralelismo e a perpendicularidade das diferentes faces do cristal devem ser rigorosamente controlados, uma vez que o alinhamento do cristal dentro da cavidade do laser é crucial para o funcionamento adequado. Proteger superfícies previamente polidas durante o polimento de outras superfícies é fundamental para manter a qualidade da superfície. O polimento é cuidadosamente monitorado para minimizar danos subterrâneos, o que pode levar à perda de luz e até mesmo à falha completa se a luz do laser de alta potência se espalhar pelos defeitos ou for absorvida.

A metrologia em processo garante que os requisitos de figura de superfície, paralelismo, perpendicularidade, especificações dimensionais e qualidade de superfície foram atendidos. A limpeza cuidadosa de todas as superfícies polidas antes da deposição dos revestimentos também é importante para evitar a introdução de qualquer contaminação, como lama ou substâncias bloqueadoras. A limpeza ultrassônica remove quaisquer restos de compostos de polimento antes do revestimento. Isso é especialmente útil para limpar superfícies polidas, pois são mais difíceis de limpar manualmente do que superfícies polidas. Finalmente, uma inspeção manual utilizando um microscópio de alta ampliação verifica a limpeza e a qualidade, determinando se é necessária uma etapa adicional de limpeza manual.

A maioria dos cristais de laser tem duas superfícies que precisam ser polidas e revestidas, mas dependendo da geometria do cristal, podem ser necessárias até seis superfícies diferentes polidas e revestidas. O revestimento de múltiplas superfícies aumenta a complexidade do processo de revestimento. A ordem específica na qual os revestimentos são aplicados deve ser considerada para preservar a qualidade da superfície das faces restantes do cristal e não danificar quaisquer revestimentos que já tenham sido aplicados. As técnicas de ferramentas e bloqueio usadas durante o revestimento também são críticas para proteger superfícies já revestidas e evitar pulverização excessiva indesejada em outras superfícies. As ferramentas são projetadas para permitir a expansão de diferentes materiais durante o revestimento sem serem danificados. Em certos casos, as etapas de polimento e revestimento são alternadas. Isso é comum quando as superfícies adjacentes uma à outra são revestidas até as bordas.

Revestimentos de película fina são depositados para melhorar as propriedades transmissivas e de reflexão. Os revestimentos específicos utilizados dependem inteiramente do comprimento de onda da aplicação final, níveis de potência, requisitos ambientais (temperatura, umidade, vácuo, radiação, névoa salina, etc.), design do laser e outros fatores. Os revestimentos são aplicados em comprimentos de onda de banda única e multibanda de acordo com as especificações do cliente. A geometria da câmara e as técnicas de evaporação são parâmetros importantes que devem ser atendidos para que haja perfeita uniformidade entre todas as peças. Os revestimentos multibanda são cuidadosamente projetados para repetibilidade com controle de espessura de camada muito discreto para obter filmes não absorventes e de baixa perda. Às vezes, uma placa de cristal inteira é revestida, cortada em pedaços menores e depois revestida novamente para cobrir as superfícies recém-criadas.