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Oct 03, 2023

Desafios da fabricação e revestimento de cristais de laser

Os cristais de laser podem ser considerados os “motores” dos lasers de estado sólido. Eles são

Os cristais de laser podem ser considerados os "motores" dos lasers de estado sólido. Eles são usados ​​para mídia de ganho, para conversão de frequência e para gerenciar características e desempenho do laser. Como o motor de um carro, se os cristais do laser estiverem limpos e funcionando corretamente, eles permitem que o sistema maior opere em um nível mais alto. 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 apresentar nenhum defeito. Embora as geometrias complexas e os requisitos de alto limite de dano do laser (LDT) tornem a fabricação de cristais de laser desafiadora, manter várias considerações importantes em mente ajuda a garantir que o cristal e seu revestimento se comportem conforme o pretendido.

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

Bolas brutas, ou lingotes cultivados sinteticamente, de cristais são cortados, moídos e polidos de acordo com as especificações estritamente toleradas necessárias para a aplicação. O paralelismo e a perpendicularidade das diferentes faces do cristal devem ser rigidamente controlados, pois 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 na subsuperfície, o que pode levar à perda de luz e até falha completa se a luz do laser de alta potência se dispersar dos defeitos ou for absorvida.

A metrologia em processo garante que os requisitos de figura de superfície, paralelismo, perpendicularidade, especificações dimensionais e qualidade de superfície sejam 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 de bloqueio. A limpeza ultrassônica remove quaisquer restos de compostos de polimento antes do revestimento. Isso é especialmente útil para limpar superfícies de solo, pois são mais difíceis de limpar à mão do que superfícies polidas. Finalmente, uma inspeção manual usando um microscópio de alta ampliação verifica a limpeza e a qualidade, determinando se uma etapa adicional de limpeza manual é necessária.

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 polidas e revestidas diferentes. O revestimento de várias 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 cristalinas remanescentes e não danificar nenhum revestimento que já tenha sido aplicado. As técnicas de ferramental e bloqueio usadas durante o revestimento também são críticas para proteger as superfícies já revestidas e evitar o excesso de pulverização indesejada em outras superfícies. As ferramentas são projetadas para permitir a expansão de diferentes materiais durante o revestimento sem serem danificadas. Em certos casos, as etapas de polimento e revestimento são alternadas. Isso é comum quando as superfícies adjacentes umas às outras são revestidas até as bordas.

Os revestimentos de película fina são depositados para melhorar as propriedades de transmissão e reflexão. Os revestimentos específicos usados ​​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 banda múltipla 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 partes. 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, toda uma placa de cristal é revestida, cortada em pedaços menores e depois revestida novamente para cobrir as superfícies recém-criadas.