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Neues Material ermöglicht Faraday-Isolatoren im kW-Bereich
KTF ist ein magnetoaktiver Kristall, der im Vergleich zu TGG deutlich geringere thermische Effekte aufweist. Dies ermöglicht optische Isolatoren mit längerer Lebensdauer und besserer Leistung in Hochleistungslasersystemen.
Faraday-Isolatoren sind Einwegventile für Licht. Sie werden häufig am Ausgang von Lasern und Verstärkern angebracht, um diese vor Licht zu schützen, das von nachgeschalteten optischen Elementen oder Oberflächen zurückreflektiert wird. Wenn dieses zurückgeworfene Licht wieder in den Laser gelangt, kann es zu Instabilitäten im Ausgangssignal oder sogar zu Schäden führen.
Faraday isolators rely on a magneto-active crystal; this is a material that, when placed in a magnetic field, will rotate the orientation of linearly polarized light. Terbium Gallium Garnet (TGG) has long been the standard magneto-active material for Faraday isolators operating in the visible and near IR spectrum. However, as the output power of industrial lasers continues to scale up, TGG’s inherent absorption and thermo-optical properties become increasingly disadvantageous. This can ultimately make the Faraday isolator the performance-limiting optical element in the laser system.
Nun hat sich Kalium-Terbium-Fluorid (KTF) als alternatives magnetoaktives Material etabliert. Es überwindet die Einschränkungen von TGG und kann bei wesentlich höheren Laserleistungen erfolgreich eingesetzt werden. Dieses Dokument enthält detaillierte Informationen zu den Eigenschaften von KTF. Außerdem werden die Testergebnisse einer neuen Serie von Faraday-Isolatoren vorgestellt, die speziell für Hochleistungslaser – die Coherent Ultra-Serie – entwickelt wurden und dieses Material enthalten.
TGG und seine Grenzen
TGG has long been the Faraday rotator crystal of choice for the 650 – 1100 nm spectral range for several reasons. For example, it can be grown with high purity. It has a high Verdet constant (a measure of the strength of its Faraday effect) and its cubic crystal structure and low intrinsic birefringence make it easy to achieve high polarization extinction without the need for sensitive alignment processes. And it is relatively low cost.
However, even the purest TGG encounters performance limits due to its bulk absorption. This absorption causes localized heating within the crystal which leads to three significant performance limiting factors.
Erstens ändert sich der Betrag der Polarisationsdrehung in Abhängigkeit von der Laserleistung. Dies liegt daran, dass sich die Verdet-Konstante des Kristalls mit der Temperatur ändert. Wenn sich der Kristall erwärmt, erwärmt er auch die umgebenden Magnete, was deren Leistung verändert. Die Folge ist eine Verschlechterung der Isolationsleistung.
A second issue is thermal lensing. Since the crystal is typically held within a large permanent magnet, the crystal is difficult to cool directly. A Gaussian beam within the crystal produces a radial temperature gradient which causes a refractive index gradient. This has a lensing effect which is power dependent and will shift the focal position of the system. If the lensing is strong enough or asymmetrical, it can also reduce beam quality.
Ein weiteres Problem ist die thermisch induzierte Doppelbrechung, die ebenfalls durch einen Temperaturgradienten innerhalb des Materials verursacht wird. Dies beeinflusst die Polarisation des durchgelassenen Lichts. Dies kann die Leistung des Isolators sowie der nachgeschalteten optischen Komponenten beeinträchtigen, die auf Polarisation angewiesen sind.
Zusammen beeinflussen diese drei Faktoren die Leistungsstabilität, die Strahlqualität und die Position des fokussierten Strahlflecks auf der Werkstückoberfläche. All dies wirkt sich unmittelbar auf die Bearbeitungsergebnisse aus und kann somit die Prozesskonsistenz beeinträchtigen und das Prozessfenster einschränken.
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How Does a Faraday Isolator Work?
Die Funktionsweise von Faraday-Isolatoren ist vom Prinzip her einfach und wird in dieser Zeichnung veranschaulicht. Linear polarisiertes Licht (das von links einfällt) durchläuft einen Polarisator, der auf seinen Polarisationsvektor ausgerichtet ist. Es tritt in einen magnetoaktiven Kristall ein, der sich in einem Magnetfeld befindet. Dieser Kristall dreht die Polarisationsebene des Lichts um 45° (aufgrund des Faraday-Effekts). Das Licht durchläuft einen weiteren Polarisator, der auf die gedrehte Polarisation ausgerichtet ist, und tritt dann durch das optische System zum Prozess aus.
Jedes vom System oder Prozess zurückgeworfene Licht durchläuft zunächst einen Polarisator, der jede Polarisation zurückwirft, die nicht in derselben Richtung ausgerichtet ist wie der Ausgang des ursprünglichen Isolators. Dieses gefilterte Licht durchläuft dann den magnetoaktiven Kristall und erfährt eine weitere Drehung um 45°. Dadurch steht sein Polarisationsvektor im rechten Winkel zum ersten Polarisator, der daraufhin das verbleibende zurückgeworfene Licht zurückwirft.
KTF und seine Vorteile
KTF has a similar transmission range to TGG, as well as a comparable Verdet constant. Most importantly, as compared to TGG it possesses a lower bulk absorption coefficient (eight times lower), thermo-optic coefficient (15 times lower), and stress-optic coefficient. Together, these allow it to avoid the degradations in isolation performance, beam focus, and beam quality that plague TGG Faraday isolators when exposed to high laser power.
Die frühen Entwicklungsbemühungen von KTF führten jedoch zu Kristallen mit Blasen, Einschlüssen und einer hohen Streuung. Diese brachten keine nennenswerte Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit gegenüber TGG.
Glücklicherweise ermöglichen kontinuierliche Prozessverbesserungen inzwischen höhere Ausbeuten an hochwertigem KTF bei geringeren Kosten. Daher ist KTF auf dem besten Weg, TGG in Hochleistungs-Faraday-Rotatoren und -Isolatoren zu ersetzen.
Experimentelle Daten zur Pavos Ultra-Serie
Die auf KTF basierenden Faraday-Isolatoren der Coherent Ultra-Serie wurden inzwischen Tausenden von Stunden lang mit Nahinfrarot-Lasern im kW-Bereich auf ihre Lebensdauer getestet. Diese Tests belegen eindeutig, dass sie eine hervorragende Isolation und Strahlqualität bieten und gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit über eine lange, kontinuierliche Nutzungsdauer hinweg beibehalten, wie es von Herstellern industrieller Laser gefordert wird.
The first graph compares optical isolation – the key performance metric of an isolator – as a function of laser power for TGG and KTF isolators. While TGG performs better at the lowest powers, its performance rapidly degrades as power increases. The stable performance of the Pavos Ultra isolator over the measured power range means that it can be relied on no matter how, and how long, the laser system is operated.
Abbildung 1: DieIsolationsleistung von KTF und TGG in Abhängigkeit von der Laserleistung.
Der KTF-Isolator weist zudem eine bessere Strahlqualität auf als der TGG-basierte Isolator. Dies zeigen die Messungen des Strahlprofils, die für beide Isolatortypen bei einer Leistung von 6 W und 200 W dargestellt sind.
Isolator-Typ |
6W |
200W |
TGG |
 |
 |
Pavos Ultra (KTF) |
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Abbildung 2:Auswirkungen des Strahlprofilsbei KTF und TGG in Abhängigkeit von der Laserleistung.
Ein quantitativeres Maß für die Strahlqualität liefert die M²-Metrik. Dabei handelt es sich um ein Verhältnis, das das Intensitätsprofil eines gemessenen Strahls mit einem theoretisch perfekten Gaußschen Strahl vergleicht. Die folgende Grafik vergleicht die gemessenen M²-Werte für TGG- und KTF-Isolatoren. Es ist deutlich zu erkennen, dass beim Pavos Ultra-Isolator über den gesamten getesteten Leistungsbereich hinweg nahezu keine Verschlechterung der Strahlqualität auftritt.
Abbildung 3: Strahlqualitätbei KTF und TGG in Abhängigkeit von der Laserleistung.
Focal shifting is one of the most significant problems with using Faraday isolators at high power. This is because even if the laser system continues to operate without damage or even instability, a focal shift can degrade process results.
Even though the thermal conductivity of TGG is an order of magnitude higher than for KTF, experimental results clearly demonstrate significantly lower thermally related focal shifts and better beam quality when compared to TGG at equivalent power levels. Test results are provided in the next graph.
Abbildung 4:Fokusverschiebung bei einer Änderung der Laserleistung um 200 W für KTF- und TGG-Isolatoren.
Was in der Grafik nicht zu sehen ist, ist, dass die bei KTF auftretende geringe Fokusverschiebung ebenfalls linear verläuft. Das bedeutet, dass die gemessene Verschiebung wahrscheinlich extrapoliert werden kann, um die erwartete Fokusverschiebung bei höheren Leistungsstufen zu ermitteln.
Ein weiterer wichtiger Punkt, der aus der letzten Grafik hervorgeht, ist, dass KTF eine negative Fokusverschiebung aufweist. Konkret nimmt die Strahldivergenz mit steigender Temperatur zu, im Gegensatz zur Selbstfokussierung, die bei absorbierenden Optiken mit positiver Verschiebung auftritt.
Dies kann sich tatsächlich als vorteilhaft erweisen, wenn KTF zusammen mit anderen Optiken mit positiver Fokusverschiebung (wie beispielsweise Komponenten aus Quarzglas) verwendet wird. Konkret gleicht die negative Fokusverschiebung des KTF die positive Fokusverschiebung der anderen Komponenten teilweise aus, was zu einer geringeren Netto-Fokusverschiebung für das gesamte System führt.
For instance, the Coherent 4 mm aperture PAVOS Ultra isolator uses two fused silica polarizing beamsplitter cubes and a KTF crystal. Each beamsplitter has approximately a 0.3 zR/kW focal shift. The KTF crystal has an average focal shift of -0.6 zR/kW. The result is generally a negligible focal shift for the complete isolator.
Auch die Langzeitleistung der Isolatoren Coherent Ultra-Serie wurde untersucht. Konkret wurden diese Isolatoren bei Coherent in Prototyp-Laserresonatoren Coherent Betriebszeiten von 1800 bis 3000 Stunden getestet.
Die Eingangsleistung am KTF-Kristall betrug 2,7 kW bei einem Strahldurchmesser von etwa 800 µm. Dies entspricht einer Leistungsdichte von etwas mehr als 130 kW/cm². Die Grafik zeigt, dass der Resonator über den gesamten Testzeitraum von 1800 Stunden stabil blieb. Alle Sprünge oder Veränderungen waren auf die Justierung anderer Systemkomponenten außerhalb des KTF-Rotators zurückzuführen. Um diese Stabilität aufrechtzuerhalten, musste die Strahlqualität konstant bleiben.
Abbildung 5. Langfristige Betriebsstabilität des KTF-basierten Isolators Coherent Ultra“ bei Einwirkung hoher Laserleistung.
Fazit
While TGG remains the first choice magneto-active crystal for lower-power Faraday isolators and rotators, its inherent absorption and thermo-optical properties limit its use with higher-power lasers. By adopting KTF as the new standard for high-power Faraday isolators, laser manufacturers will be able to remove the constraints imposed by TGG and focus their efforts on improving performance in the rest of the system.