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用于法拉第旋转器和隔离器的磁光材料

作者:维尔克斯  时间:2022-4-24 9:54:21

激光隔离器是确保激光器的安全和可预测输出的关键设备,被广泛应用于各种场景。这些激光隔离器通过利用非对等的法拉第效应,确保背反射的激光束不会重新进入激光腔。这种磁光效应是指激光器的偏振平面的变化。当光束在一个与光同轴的外部磁场存在下穿过材料时,它的偏振旋转是相同的。无论光的传播方向如何,偏振旋转的意义都是一样的。当法拉第旋转器和隔离器,与适当排列的偏振器相结合时,激光束只能在一个方向上通过,实现了光学隔离。

光学活性法拉第材料是高性能光隔离器、高功率激光隔离器的关键光学元件。法拉第光学元件的重要特性包括高Verdet维尔德常数、低吸收系数、低非线性折射率和高损伤阈值。短的元件具有明显的优势,因为它们将自聚焦的影响和其他与热有关的影响降到最低。美国EOTElectro-Optics Technology发表在《Laser Technik》,13: 18–21. doi: 10.1002/latj.201600017期刊上的文章《Promising Materials for High Power Laser Isolators》中,从高功率激光隔离器的应用和发展中,对比了用于法拉第旋转器和隔离器的磁光材料的TGGTLFKTF三种晶体材料的特点情况,其中TLFKTFTGG有更好的短波长吸收表现,KTF高功率激光隔离器的晶体材料更可能成为较高激光功率下EOT光学隔离器的探索发展方案。

激光波长在650-1100 nm范围内最常用的晶体材料是铽镓石榴石(TGG–Tb3Ga5O12),TGG的参数包括其立方体晶体,TGG的结构不需要对准处理,几乎没有内在的双折射,而且易于制造。然而,对于高功率的激光应用,TGG受限于其在纳米1064的吸收。具体来说,在高激光功率下,热透镜和去极化效应成为一个限制因素。虽然TGG的吸收率在过去几年里有了明显的提高,但还是有一个内在的限制。由于最近高功率光纤激光器的发展,有必要改进TGG晶体的性能或开发能够处理越来越高功率水平的替代材料。

美国EOTElectro-Optics Technology已经对磁光材料进行了改进,从而可以制造出持续低吸收的TGG晶体。尽管这些方法使高功率激光隔离器的性能得到了提高,但这对于高功率激光隔离器的晶体材料还远远不够。因此,其他晶体,如氟化物,已经被研究。众所周知,单晶氟化物具有较低的热光学系数,通常为负值。此外,这些晶体表现出较低的非线性折射率。不幸的是,与镓榴石不同,氟化物晶体的熔化程度不一致,因此可能更难生长,特别是难以达到TGG这样的氧化物的规模。

目前,铽镓石榴石(Tb3Ga5O12TGG)是光学隔离器应用中最常用的单晶法拉第旋转器。由于TGG在大约1825°C的温度下全熔化,因此可以使用Czochralski柴可拉斯基法技术生长大晶体。直径50毫米和100毫米长的晶体很常见。尽管可以生长出相对较大的TGG晶体,但有一些体部缺陷限制了晶体的充分使用。这些缺陷包括颜色中心、位错、夹杂物和由于生长界面形状而产生的应变区。比如,颜色中心心会引起不必要的吸收,因此限制了热诱导的去极化和整体性能。下图显示了三个具有不同吸收水平的TGG晶体的光谱,整个可见光谱区的广泛吸收与颜色中心有关,甚至会影响到近红外的性能。

由于TGG 的性能有内在的限制,氟化锂(TLFLiTbF4)和氟化铽(KTFKTb3F10)晶体表现出较小的非线性再折光指数和热光学共效率,同时仍表现出接近TGGVerdet常数,使它们成为有吸引力的材料。与TGG不同的是,TLFKTF的熔体不一致,因此在生长方面更具挑战性。TLF具有四边形白钨矿结构,因此具有较大的内在双折射率。正因为TLF有严格的晶体学排列要求,所以美国EOTElectro-Optics Technology集中在KTF上,氟化物立方晶体结构,没有双折射特点。如下图示,TLFKTF的透明度范围都与TGG相似。应该注意的是,这两种氟化物材料在较短的波长上显示出更好的吸收。与TGG不同的是,在氟化物晶体中,KTF色心的形成和阳离子价位的变化是最小的,这对可见光波长激光器的EOT光学隔离器来说是很有应用方向的。

美国EOTElectro-Optics Technology利用TGG来制造光学隔离器。零件的尺寸范围为直径4毫米至8毫米,长度达20毫米。图中显示4了三个经过激光抛光和AR涂层的KTF部件的样品。EOT生产的各种EOT光学隔离器、高功率激光隔离器越来越多地成为使能部件,使激光器在材料加工、生命科学和其他科学应用中充分发挥其潜力。脉冲光纤激光器的光学隔离器可以防止来自工件的反向反射。

光纤激光器对光隔离器的要求越来越高,如高功率激光隔离器,在更高的功率水平上,热透镜焦距移动、去极化和B积分的问题都会发挥作用。这就突破了目前法拉第旋转器的极限。在EOT测量了利用KTF的光隔离器的激光功率高达400瓦的去极化和焦距移动。如下图结果,包括用TGG隔离器进行的测量,KTF晶体材料在更高的激光功率下减少了去极化现象,并且比TGG有更小的焦距移动。在法拉第旋转器和隔离器应用中,这些高功率激光隔离器的晶体材料

结果是非常有前瞻应用性的,表明KTF磁光晶体材料可以成为较高激光功率下EOT光学隔离器的的解决方案。

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