白皮书
新材料实现千瓦级法拉第隔离器
KTF 是一种磁活性晶体，与 TGG 相比，它能够显著降低热效应。这样一来，在高功率激光系统中，光学隔离器就能具有更长的使用寿命和更好的性能。
法拉第隔离器是一种光单向阀。它们通常放置在激光器和放大器的输出端，以保护它们免受下游光学器件或表面反射回来的光的影响。如果返回的光重新进入激光器，可能会导致输出不稳定甚至损坏。
法拉第隔离器依赖于磁活性晶体；这种材料放置在磁场中，会旋转线性偏振光的方向。长期以来，铽镓石榴石 (TGG) 一直是用于可见光和近红外光谱法拉第隔离器的标准磁活性材料。然而，随着工业激光器输出功率的不断提高，TGG 固有的吸收和热光学特性却变成了劣势，而且负面影响越来越大。这最终会使法拉第隔离器成为限制激光系统性能的光学元件。
现在，氟化铽钾 (KTF) 已崭露头角，成为了一种替代磁活性材料。它克服了 TGG 的局限性，可以在高得多的激光功率下成功运行。本文档提供了有关 KTF 特性的详细信息。报告还回顾了专为高功率激光器设计的新系列法拉第隔离器（Coherent Pavos Ultra 系列）的测试结果。
TGG 及其局限性
长期以来，TGG 一直是 650 - 1100 nm 光谱范围内的首选法拉第旋转晶体，原因有以下几点：例如，它的生长纯度很高。它具有很高的维尔德常数（衡量法拉第效应强度的指标），其立方晶体结构和较低的本征双折射使其很容易实现高偏振消光，而无需敏感的对准流程。而且成本相对较低。
然而，即使是最纯净的 TGG，也会因其体吸收而遇到性能限制。这种吸收会在晶体内部导致局部加热，从而引发三个严重的性能限制因素。
首先，偏振旋转量作为激光功率的函数变化。这是因为晶体的维尔德常数随温度变化。当晶体变热时，也会加热周围的磁体，从而改变它们的性能。结果就是隔离性能下降。
第二个问题是热透镜效应。由于晶体通常固定在大型永磁体内，因此很难直接冷却。晶体内的高斯光束产生径向温度梯度，从而导致折射率梯度。这会产生透镜效应，强度取决于功率，并且会改变系统的焦点位置。如果透镜效应足够强或不对称，也会降低光束质量。
另一个问题是热诱发双折射，这也是材料内部的热梯度引起的。这会影响透射光的偏振。这会降低隔离器以及依赖偏振的下游光学元件的性能。
这三个因素共同影响工作表面上的功率稳定性、光束质量和聚焦光斑位置。这些都直接影响加工结果，因此会降低工艺一致性并导致工艺窗口缩小。
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法拉第隔离器如何工作？
法拉第隔离器的操作在概念上很简单，如此图所示。线性偏振光（从左侧进入）穿过与其偏振矢量对齐的偏振器。它进入磁场内的磁活性晶体。由于法拉第效应，该晶体将光的偏振平面旋转 45°。光线穿过与旋转偏振对齐的另一个偏振片，然后通过光学系统进入加工流程。
从系统或流程中返回的任何光线都会首先经过偏振器，而偏振器会排除任何与原始隔离器输出方向不同的偏振。然后，过滤后的光穿过磁活性晶体并再次旋转 45°。这样其偏振矢量就与第一个偏光片成直角，而后者会排除剩余的返回光。
KTF 及其优势
KTF 具有与 TGG 类似的传输范围以及 Verdet 常数。最重要的是，与 TGG 相比，它具有更低的体吸收系数（八分之一）、热光学系数（十五分之一）和应力光学系数。这些优势加在一起，使它能够避免 TGG 法拉第隔离器在高激光功率下出现的隔离性能、光束聚焦和光束质量下降等问题。
然而，早期的 KTF 生长方法产生的球体带有气泡、内含物和高散射问题。与 TGG 相比，这些设备在传输方面没有任何净改善。
幸运的是，通过不断改进工艺，现在已经能够以更低的成本生产出更多的高质量 KTF。因此，在大功率法拉第旋转器和隔离器中，KTF 将取代 TGG。
Pavos Ultra 系列实验数据
基于 KTF 的 Coherent Pavos Ultra 系列法拉第隔离器，现已通过数千小时的近红外千瓦级激光器寿命测试。这些测试清楚地表明，它具有出色的隔离性能和光束质量，同时能在工业激光器制造商所需的长时间连续使用中保持性能。
第一张图比较了 TGG 和 KTF 隔离器的光隔离度（隔离器的关键性能指标）与激光功率的函数关系。虽然 TGG 在最低功率时性能较好，但随着功率的提高，其性能迅速下降。Pavos Ultra 隔离器在测量功率范围内表现出了稳定的性能，这意味着无论激光系统以何种方式运行、运行多长时间，它都值得信赖。
图 1：KTF 和 TGG 的隔离性能与激光功率的函数关系。
与基于 TGG 的隔离器相比，KTF 隔离器还能保持更好的光束质量。在 6 W 和 200 W 功率下对两种类型隔离器进行的光束轮廓测量中，这一点得到了证明。
隔离器类型 |
6W |
200W |
TGG |
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Pavos Ultra (KTF) |
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图 2： KTF 和 TGG 中的光束轮廓效应与激光功率的函数关系。
使用 M² 指标可对光束质量进行量化度更好的测量。这个比率将测量光束的强度曲线与理论上完美的高斯光束进行比较。下图比较了 TGG 和 KTF 隔离层的测得 M²。很明显，在测试功率范围内，Pavos Ultra 隔离器的光束质量几乎没有下降。
图 3：KTF 和 TGG 中光束质量与激光功率的函数关系。
焦距偏移是在高功率下使用法拉第隔振器的最大问题之一。这是因为，即使激光系统在没有损坏甚至不稳定的情况下继续运行，焦距偏移也会降低加工效果。
尽管 TGG 的热导率比 KTF 高一个数量级，但实验结果清楚地表明，在同等功率水平下，与 TGG 相比，KTF 的热相关焦距偏移明显更低，光束质量更好。下图中提供了测试结果。
图 4：KTF 和 TGG 隔离器在 200 W 激光功率变化下的焦距偏移。
图中没有显示的是，KTF 的小焦距偏移也是线性的。这意味着根据测得的偏移，很可能可以推断出在更高功率水平下的预期焦距偏移。
最后一张图中需要注意的另一个要点是 KTF 表现出负焦点偏移。具体而言，光束发散度随着温度的升高而增加，这与吸收光学器件中具有正位移的自聚焦相反。
当 KTF 与其他正位移光学器件（例如熔融石英元件）一起使用时，这实际上是有优势的。具体来说，KTF 的负偏移将部分补偿其他组件的正偏移，从而降低整个系统的净焦点偏移。
例如，Coherent 4 毫米孔径 PAVOS Ultra 隔离器使用两个熔融石英偏振分束器立方体和一个 KTF 晶体。每个分束器的焦距偏移约为 0.3 zR/kW。KTF 晶体的平均焦距为 -0.6 zR/kW。因此，整个隔离器的焦距偏移通常可以忽略不计。
Coherent PAVOS Ultra 系列隔离器的长期性能也经过了检验。具体来说，这些隔离器在 Coherent 的原型激光腔内进行了测试，使用周期为 1800 - 3000 小时。
KTF 晶体的入射功率为 2.7 kW，光束直径约为 800 µm。这意味着功率密度略高于 130 kW/cm²。从图中可以看出，在时长 1800 小时的整个测试期间，激光腔保持稳定。所有的跳跃或变化都是由于 KTF 旋转器之外其他系统组件的调整造成的。要保持这种稳定性，光束质量必须保持不变。
图 5. 基于 KTF 的 Coherent Pavos Ultra 隔离器在高激光功率下的长期运行稳定性。
结论
虽然 TGG 仍是低功率法拉第隔离器和旋转器的首选磁活性晶体，但其固有的吸收和热光学特性限制了它在高功率激光器中的应用。通过采用 KTF 作为高功率法拉第隔离器的新标准，激光制造商将能够消除 TGG 带来的限制，集中精力提高系统其他部分的性能。