晶体材料被用于高功率激光隔离器

时间：2022-09-02

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*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*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*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*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较低。美国EOT，Electro-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*旋转器和隔离器的磁光材料的TGG、TLF、KTF三种晶体材料的特点情况，其中TLF和KTF较TGG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范围内较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，热透镜和去较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。由于较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EOT，Electro-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（Tb3Ga5O12，TGG）是光学隔离器应用中较常用的单晶法拉*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较化和整体性能。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(TLF，LiTbF4)和氟化铽(KTF，KTb3F10)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TGG的Verdet常数，使它们成为有吸引力的材料。与TGG不同的是，TLF和KTF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EOT，Electro-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，TLF和KTF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较小的，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EOT，Electro-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。

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