晶體材料被用于高功率激光隔離器

時間：2022-09-02作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：144

激光隔離器是確保激光器的安全和可預(yù)測輸出的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各種場景。這些激光隔離器通過利用非對等的法拉*效應(yīng)，確保背反射的激光束不會重新進(jìn)入激光腔。這種磁光效應(yīng)是指激光器的偏振平面的變化。當(dāng)光束在一個與光同軸的外部磁場存在下穿過材料時，它的偏振旋轉(zhuǎn)是相同的。無論光的傳播方向如何，偏振旋轉(zhuǎn)的意義都是一樣的。當(dāng)法拉*旋轉(zhuǎn)器和隔離器，與適當(dāng)排列的偏振器相結(jié)合時，激光束只能在一個方向上通過，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)隔離。






光學(xué)活性法拉*材料是高性能光隔離器、高功率激光隔離器的關(guān)鍵光學(xué)元件。法拉*光學(xué)元件的重要特性包括高Verdet維爾德常數(shù)、低吸收系數(shù)、低非線性折射率和高損傷閾值。短的元件具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈儗⒆跃劢沟挠绊懞推渌c熱有關(guān)的影響降到較低。美國EOT，Electro-Optics Technology發(fā)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，從高功率激光隔離器的應(yīng)用和發(fā)展中，對比了用于法拉*旋轉(zhuǎn)器和隔離器的磁光材料的TGG、TLF、KTF三種晶體材料的特點(diǎn)情況，其中TLF和KTF較TGG有較好的短波長吸收表現(xiàn)，KTF高功率激光隔離器的晶體材料較可能成為較高激光功率下EOT光學(xué)隔離器的探索發(fā)展方案。

激光波長在650-1100 nm范圍內(nèi)較常用的晶體材料是鋱鎵石榴石（TGG–Tb3Ga5O12），TGG的參數(shù)包括其立方體晶體，TGG的結(jié)構(gòu)不需要對準(zhǔn)處理，幾乎沒有內(nèi)在的雙折射，而且易于制造。然而，對于高功率的激光應(yīng)用，TGG受限于其在納米1064的吸收。具體來說，在高激光功率下，熱透鏡和去較化效應(yīng)成為一個限制因素。雖然TGG的吸收率在過去幾年里有了明顯的提高，但還是有一個內(nèi)在的限制。由于較近高功率光纖激光器的發(fā)展，有必要改進(jìn)TGG晶體的性能或開發(fā)能夠處理越來越高功率水平的替代材料。

美國EOT，Electro-Optics Technology已經(jīng)對磁光材料進(jìn)行了改進(jìn)，從而可以制造出持續(xù)低吸收的TGG晶體。盡管這些方法使高功率激光隔離器的性能得到了提高，但這對于高功率激光隔離器的晶體材料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，其他晶體，如氟化物，已經(jīng)被研究。眾所周知，單晶氟化物具有較低的熱光學(xué)系數(shù)，通常為負(fù)值。此外，這些晶體表現(xiàn)出較低的非線性折射率。不幸的是，與鎵榴石不同，氟化物晶體的熔化程度不一致，因此可能較難生長，特別是難以達(dá)到TGG這樣的氧化物的規(guī)模。

目前，鋱鎵石榴石（Tb3Ga5O12，TGG）是光學(xué)隔離器應(yīng)用中較常用的單晶法拉*旋轉(zhuǎn)器。由于TGG在大約1825°C的溫度下全熔化，因此可以使用Czochralski柴可拉斯基法技術(shù)生長大晶體。直徑50毫米和100毫米長的晶體很常見。盡管可以生長出相對較大的TGG晶體，但有一些體部缺陷限制了晶體的充分使用。這些缺陷包括顏色中心、位錯、夾雜物和由于生長界面形狀而產(chǎn)生的應(yīng)變區(qū)。比如，顏色中心心會引起不必要的吸收，因此限制了熱誘導(dǎo)的去較化和整體性能。下圖顯示了三個具有不同吸收水平的TGG晶體的光譜，整個可見光譜區(qū)的廣泛吸收與顏色中心有關(guān)，甚至?xí)绊懙浇t外的性能。



由于TGG 的性能有內(nèi)在的限制，氟化鋰(TLF，LiTbF4)和氟化鋱(KTF，KTb3F10)晶體表現(xiàn)出較小的非線性再折光指數(shù)和熱光學(xué)共效率，同時仍表現(xiàn)出接近TGG的Verdet常數(shù)，使它們成為有吸引力的材料。與TGG不同的是，TLF和KTF的熔體不一致，因此在生長方面較具挑戰(zhàn)性。TLF具有四邊形白鎢礦結(jié)構(gòu)，因此具有較大的內(nèi)在雙折射率。正因?yàn)?/span>TLF有嚴(yán)格的晶體學(xué)排列要求，所以美國EOT，Electro-Optics Technology集中在KTF上，氟化物立方晶體結(jié)構(gòu)，沒有雙折射特點(diǎn)。如下圖示，TLF和KTF的透明度范圍都與TGG相似。應(yīng)該注意的是，這兩種氟化物材料在較短的波長上顯示出較好的吸收。與TGG不同的是，在氟化物晶體中，KTF色心的形成和陽離子價位的變化是較小的，這對可見光波長激光器的EOT光學(xué)隔離器來說是很有應(yīng)用方向的。



美國EOT，Electro-Optics Technology利用TGG來制造光學(xué)隔離器。零件的尺寸范圍為直徑4毫米至8毫米，長度達(dá)20毫米。圖中顯示4了三個經(jīng)過激光拋光和AR涂層的KTF部件的樣品。EOT生產(chǎn)的各種EOT光學(xué)隔離器、高功率激光隔離器越來越多地成為使能部件，使激光器在材料加工、生命科學(xué)和其他科學(xué)應(yīng)用中充分發(fā)揮其潛力。脈沖光纖激光器的光學(xué)隔離器可以防止來自工件的反向反射。






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