白皮书
新材料启用KW-Class Faraday天博体育器
KTF是一种磁性晶体，与TGG相比，其热效应大大降低。这使得光学天博体育器具有更好的寿命和高功率激光系统的性能。
FARADAY天博体育器是光线的单向阀。它们通常放置在激光器和放大器的输出上，以保护它们免受下游光学或表面反射的光线的侵害。如果返回的光重新输入激光器，它可能会导致输出不稳定性甚至损坏。
法拉第天博体育器依赖于磁性晶体；这是一种材料，当放置在磁场中时，将旋转线性极化光的方向。长期以来，Terbium Gallium Garnet（TGG）一直是在可见光和IR频谱附近运行的Faraday天博体育器的标准磁性材料。但是，随着工业激光器的输出功率继续扩展，TGG固有的吸收和热光特性变得越来越不利。这最终可以使Faraday天博体育器在激光系统中成为限制性能的光学元素。
现在，氟化钾（KTF）已成为替代磁性材料。它克服了TGG的局限性，并可以成功地在更高的激光幂中运行。本文档提供了有关KTF属性的详细信息。它还回顾了一系列专门针对高功率激光器（连贯的Pavos Ultra系列）的Faraday天博体育器系列的测试结果。
TGG及其限制
TGG长期以来一直是650 - 1100 nm光谱范围的F天博体育aday旋转器晶体，原因有几个。例如，它可以具有很高的纯度。它具有较高的verdet常数（衡量了其法拉第效应的强度）及其立方晶体结构和低内在的双折射，使得在不需要敏感比对过程的情况下实现高极化灭绝。而且成本相对较低。
但是，即使是最纯的TGG由于其散装吸收而遇到了性能限制。这种吸收会导致晶体内的局部加热，从而导致三个重要的性能限制因素。
第一个是极化旋转量随激光功率的函数而变化。这是因为晶体的Verdet常数随温度而变化。随着晶体的变暖，它也会加热周围磁铁，从而改变其性能。结果是天博体育性能的退化。
第二期是热透镜。由于通常将晶体保持在大型永久磁铁中，因此很难直接冷却晶体。晶体内的高斯光束会产生径向温度梯度，从而导致折射率梯度。这具有镜头效应，它取决于功率，并将改变系统的焦点位置。如果镜头足够坚固或不对称，它也可以降低光束质量。
另一个问题是热诱导的双折射，再次是由材料中的热梯度引起的。这会影响传输光的极化。这可以降低天博体育器的性能，以及依赖极化的下游光学组件。
一起，这三个因素会影响功率稳定性，梁质量和在工作表面上的聚焦位置。这些都直接影响处理结果，因此可以降低过程一致性并减少过程窗口的大小。
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法拉第天博体育器如何工作？
Faraday天博体育器的操作在概念上很简单，并且在此图中进行了说明。线性偏振光（从左侧出现）通过与其偏振矢量对齐的偏光剂。它进入磁场内的磁性活性晶体。该晶体将光的极化平面旋转45°（由于法拉第效应）。光穿过另一个与旋转极化对齐的偏振器，然后通过光学系统向外偏离该过程。
首先从系统或过程返回的任何光线通过偏光剂，该偏光器拒绝任何不像原始天博体育器输出相同的偏振化。然后，该过滤的光穿过磁性晶体，然后再经历45°旋转。这使其偏振向量与第一个偏振器成直角，然后拒绝其余的返回光。
KTF及其福利
KTF的传输范围与TGG相似，并且具有可比的Verdet常数。最重要的是，与TGG相比，它具有较低的散装吸收系数（低八倍），热光系数（低15倍）和应力 - 光学系数。这些在一起，可以避免在暴露于高激光功率时，会避免天博体育性能，光束聚焦和光束质量的降解。
但是，早期的KTF增长努力产生了带有气泡，夹杂物和高散射问题的Boules。这些没有提供通过TGG传输的净改进。
幸运的是，连续的过程改进现在已以降低的成本启用了高质量KTF的更高产量。结果，KTF准备替换高功率法拉第旋转器和天博体育器中的TGG。
Pavos Ultra系列实验数据
基于KTF的Cooherent Pavos Ultra系列Faraday天博体育器现在已经通过近红外的KW级激光器进行了数千个小时的终身测试。这些测试清楚地表明，它可以提供出色的天博体育和梁质量，同时根据工业激光制造商的要求保持长期，连续的使用时间的性能。
第一个图比较光学天博体育 - 天博体育器的关键性能度量 - 作为TGG和KTF天博体育器的激光功率的函数。尽管TGG在最低功率方面的表现更好，但随着功率的增加，其性能会迅速降低。 Pavos Ultra天博体育器在测得的功率范围内的稳定性能意味着无论如何操作激光系统，它都可以依赖于它。
图1：KTF和TGG作为激光功率的天博体育性能。
KTF天博体育器还保持比基于TGG的天博体育器更好的光束质量。这在光束曲线测量值中证明了这两种类型的天博体育器，在功率的6 W和200W处显示。
天博体育器类型 |
6W |
200W |
TGG |
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Pavos Ultra（KTF） |
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图2：KTF和TGG中的光束曲线效果作为激光功率的函数。
使用M²度量提供了更定量的光束质量度量。这是一个比较，将测得的光束与理论上完美的高斯光束进行比较。下一个图比较了TGG和KTF天博体育器的M²。显然，Pavos Ultra天博体育器在测试的功率范围内几乎没有降解。
图3：KTF和TGG的光束质量作为激光功率的函数。
焦点移动是使用高功率的Faraday天博体育器最重要的问题之一。这是因为即使激光系统继续在没有损坏甚至不稳定的情况下运行，焦点转移也会降低过程结果。
，即使TGG的导热率比KTF高的数量级，但与TGG相比，在同等功率水平上，实验结果显然表明，与TGG相比，热相关的局灶性偏移和更好的光束质量明显较低。在下一个图中提供了测试结果。
图4： KTF和TGG天博体育器的200 W激光功率变化的焦点转移。
图中看不到的是，KTF经历的小焦点移动也是线性的。这意味着可以将测得的偏移推断出来，以在更高的功率水平下提供预期的焦点转移。
从最后一个图中注意到的另一个重要点是，KTF表现出负面的焦点移动。具体而言，束发散会随温度而增加，而不是自我关注的焦点，而自我焦点是以正移吸收光学元件。
当KTF与其他正转移光学器件（例如熔融二氧化硅组件）一起使用时，这实际上可能是有益的。具体而言，KTF的负转移将部分补偿其他组件的正变化，从而导致整个系统的净局部变化较低。
例如，连贯的4 mm光圈pavos ultra天博体育器使用两个融合的二氧化硅偏光梁插图立方体和一个KTF晶体。每个Beamsplitter的焦点大约为0.3 ZR/kW。 KTF晶体的平均局灶性移位为-0.6 Zr/kW。结果通常是对完整天博体育器的焦点移动微不足道的焦点。
还检查了相干Pavos Ultra系列天博体育器的长期性能。具体而言，这些天博体育器以1800 - 3000小时的使用间隔在原型激光腔中进行了测试。
KTF晶体处的入射功率为2.7 kW，近似光束直径为800µm。 这转化为刚好超过130 kW/cm²的功率密度。该图显示，在整个1800小时的测试期间，腔保持稳定。所有跳跃或变化都是由于KTF旋转器外部其他系统组件的调整所致。保持这种稳定性需要梁质量保持恒定。
图5.基于KTF的相干Pavos Ultra天博体育器的长期工作稳定性时。
结论
TGG仍然是首选磁电晶体的首选磁电晶体法拉第天博体育器和旋转器，其固有的吸收和热光特性限制了其与高功率激光器的使用。通过采用KTF作为大功率Faraday天博体育器的新标准，激光制造商将能够消除TGG施加的限制，并将其集中精力致力于改善系统其余部分的性能。