晶体材料被用于高功率激光隔离器

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有较好的短波长吸收表现，ktf高功率激光隔离器的晶体材料较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，因此可能较难生长，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，因此在生长方面较具挑战性。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较好的吸收。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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