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Neues Material ermöglicht Faraday-Isolatoren der kW-Klasse
KTF ist ein magnetoaktiver Kristall und weist im Vergleich zu TGG wesentlich geringere thermische Effekte auf. Dies ermöglicht die Konstruktion optischer Isolatoren mit längerer Lebensdauer und höherer Leistung für Hochleistungslasersysteme.
Faraday-Isolatoren sind Einwegventile für Licht. Sie werden häufig am Ausgang von Lasern und Verstärkern angebracht, um sie vor Licht zu schützen, das von nachgeschalteten Optiken oder Oberflächen reflektiert wird. Wenn dieses reflektierte Licht wieder in den Laser eintritt, kann es zu einer Instabilität des abgestrahlten Lichts und sogar zu Schäden führen.
Faraday-Isolatoren basieren auf einem magnetoaktiven Kristall. Dieser dreht die Ausrichtung von linear polarisiertem Licht, wenn er in einem Magnetfeld platziert wird. Terbium-Gallium-Granat (TGG) ist seit langer Zeit das magnetoaktive Standardmaterial für Faraday-Isolatoren, die im sichtbaren und im Nahinfrarotspektrum arbeiten. Da jedoch die Ausgangsleistung industrieller Laser immer weiter steigt, werden die inhärenten Absorptionseigenschaften und thermooptischen Eigenschaften von TGG immer problematischer. Dadurch wird der Faraday-Isolator zum leistungsbegrenzenden optischen Element im Lasersystem.
Nun wird zunehmend Kaliumterbiumfluorid (KTF) als alternatives magnetoaktives Material eingesetzt. Es unterliegt nicht den Einschränkungen von TGG und kann mit Lasern deutlich höherer Leistung 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 entwickelt wurden und dieses Material enthalten: die Coherent-Serie Pavos Ultra.
Die für TGG geltenden Einschränkungen
TGG ist aus mehreren Gründen seit langem der im Spektralbereich 650 – 1100 nm vorwiegend eingesetzte Faraday-Rotatorkristall. Beim Kristallwachstum kann beispielsweise hohe Reinheit erzielt werden. Das Material hat eine hohe Verdet-Konstante (ein Maß für die Stärke des Faraday-Effekts) und dank seiner kubischen Kristallstruktur sowie der geringen intrinsischen Doppelbrechung lässt sich problemlos eine hohe Polarisationsextinktion erreichen, ohne empfindliche Ausrichtungsprozesse erforderlich zu machen. Zudem ist das Material relativ kostengünstig.
Allerdings stößt selbst das reinste TGG aufgrund seiner Volumenabsorption an Leistungsgrenzen. Diese Absorption verursacht eine lokale Erwärmung im Kristall, die zu drei signifikanten leistungseinschränkenden Faktoren beiträgt.
Der erste Faktor besteht darin, dass sich der Umfang der Polarisationsdrehung als Funktion der Laserleistung ändert. Ursache ist die Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstante des Kristalls. Und wenn sich der Kristall erwärmt, werden auch die umgebenden Magnete warm. Das ändert wiederum deren Leistung. Im Ergebnis ergibt sich eine verschlechterte Isolationsleistung.
Ein zweites Problem sind die thermischen Linseneffekte. Da der Kristall normalerweise in einem großen Permanentmagneten gehalten wird, ist eine direkte Kühlung des Kristalls schwierig. Ein Gaußscher Strahl im Kristall erzeugt einen radialen Temperaturgradienten, der einen Brechungsindexgradienten verursacht. Dies hat einen Linseneffekt, der leistungsabhängig ist und die Fokusposition des Systems verschiebt. Wenn die Linse stark genug oder asymmetrisch ist, kann dies auch zu einer Beeinträchtigung der Strahlqualität führen.
Ein weiteres Problem ist die thermisch induzierte Doppelbrechung, die ebenfalls durch einen Wärmegradienten im Material verursacht wird. Dies beeinflusst die Polarisation des übertragenen Lichts. Es kann die Leistung des Isolators und nachgeschalteter optischer Komponenten verringern, die von der Polarisation abhängig sind.
Zusammen beeinflussen diese drei Faktoren Leistungsstabilität, Strahlqualität und Fokusposition auf der Arbeitsfläche. Diese Faktoren wirken sich direkt auf die Bearbeitungsergebnisse aus und können die Prozesskonsistenz beeinträchtigen sowie die Größe des Prozessfensters verringern.
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Wie funktioniert ein Faraday-Isolator?
Der Betrieb von Faraday-Isolatoren basiert auf einem einfachen Konzept und wird in dieser Zeichnung veranschaulicht. Linear polarisiertes Licht (von links einfallend) passiert einen Polarisator, der am 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 passiert einen weiteren Polarisator, der auf die gedrehte Polarisation ausgerichtet ist. Anschließend wird das Licht durch das optische System zum Prozess geführt.
Jedes vom System oder Prozess reflektierte Licht passiert zunächst einen Polarisator, der jede Polarisation reflektiert, die nicht wie die ursprüngliche Ausgabe des Isolators ausgerichtet ist. Dieses gefilterte Licht passiert dann den magnetoaktiven Kristall und wird um weitere 45° gedreht. Dadurch wird der Polarisationsvektor im rechten Winkel zum ersten Polarisator ausgerichtet, der das übrige zurückgestrahlte Licht reflektiert.
KTF und seine Vorteile
KTF hat einen ähnlichen Übertragungsbereich wie TGG. Auch die Verdet-Konstante ist vergleichbar. Am wichtigsten ist aber, dass KTF im Vergleich zu TGG einen niedrigeren Volumenabsorptionskoeffizienten (achtmal niedriger), thermooptischen Koeffizienten (fünfzehnmal niedriger) und spannungsoptischen Koeffizienten aufweist. Insgesamt werden dadurch Verschlechterungen der Isolationsleistung, des Strahlfokus und der Strahlqualität vermieden, die bei Faraday-Isolatoren auf TGG-Basis auftreten, wenn mit hoher Laserleistung gearbeitet wird.
Anfangs kam es beim Wachsen der KTF-Kristalle zu Kugeln mit Blasen, Einschlüssen und Problemen mit großer Streuung. Insgesamt ergab sich deshalb im Vergleich zu TGG keine Verbesserung der Übertragung.
Glücklicherweise haben kontinuierliche Verbesserungen des Prozesses zu einem höheren Ausstoß an hochwertigem KTF geführt – bei geringeren Kosten. Deshalb kann KTF jetzt TGG in Faraday-Hochleistungsrotatoren und -isolatoren ersetzen.
Experimentaldaten zur Serie Pavos Ultra
Die auf KTF basierenden Faraday-Isolatoren der Coherent-Serie Pavos Ultra wurden inzwischen über Tausende von Stunden mit Nahinfrarotlasern der kW-Klasse eingesetzt. Diese Tests machen deutlich, dass KTF hervorragende Isolation und Strahlqualität bietet und die von Herstellern von Industrielasern geforderte Leistung über eine lange und kontinuierliche Lebensdauer bietet.
Das erste Diagramm vergleicht die optische Isolation als wichtigste Kennzahl eines Isolators für TGG- und KTF-Isolatoren als Funktion der Laserleistung. Während TGG bei niedrigen Leistungen besser funktioniert, ändert sich dies mit zunehmender Laserleistung rapide. Die stabile Leistung des Pavos Ultra-Isolators über den gemessenen Leistungsbereich bedeutet, dass er unabhängig von Betriebsart und -dauer des Lasersystems zuverlässig arbeitet.
Abbildung 1: Die Isolationsleistung von KTF und TGG als Funktion der Laserleistung.
Der KTF-Isolator bietet zudem bessere Strahlqualität als der TGG-basierte Isolator. Dies zeigen die Strahlprofilmessungen, die für beide Isolatortypen bei 6 W und 200 W Leistung dargestellt sind.
Isolatortyp |
6 W |
200 W |
TGG |
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Pavos Ultra (KTF) |
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Abbildung 2: Strahlprofileffekte in KTF und TGG als Funktion der Laserleistung.
Die Kennzahl M² ist ein quantitatives Maß der Strahlqualität. Sie repräsentiert ein Verhältnis, das das Intensitätsprofil eines gemessenen Strahls mit dem eines theoretisch perfekten Gaußschen Strahl vergleicht. Das nächste Diagramm vergleicht den gemessenen M²-Wert für TGG- und KTF-Isolatoren. Es zeigt deutlich, dass beim Pavos Ultra-Isolator im getesteten Leistungsbereich nahezu keine Verschlechterung der Strahlqualität auftritt.
Abbildung 3: Strahlqualität in KTF und TGG als Funktion der Laserleistung.
Die Fokusverschiebung ist eines der größten Probleme, das bei Verwendung von Faraday-Isolatoren mit hoher Leistung auftritt. Auch wenn das Lasersystem weiterhin ohne Schäden oder Instabilitäten arbeitet, kann eine Fokusverschiebung die Prozessergebnisse verschlechtern.
Die Wärmeleitfähigkeit von TGG ist um eine Größenordnung höher als die von KTF. Die Ergebnisse der Experimente belegen, dass deutlich weniger thermisch bedingte Fokusverschiebungen auftreten und die Strahlqualität im Vergleich zu TGG bei vergleichbarer Laserleistung besser ist. Das nächste Diagramm zeigt die Testergebnisse.
Abbildung 4: Fokusverschiebung für KTF- und TGG-Isolatoren über den Leistungsbereich eines 200-W-Lasers.
Dabei ist dem Diagramm nicht zu entnehmen, dass die geringe Fokusverschiebung bei KTF linear verläuft. Das bedeutet, dass sich die gemessene Verschiebung gut extrapolieren lässt, um die zu erwartende Fokusverschiebung bei höheren Leistungen zu ermitteln.
Außerdem kann dem letzten Diagramm entnommen werden, dass bei KTF eine negative Fokusverschiebung auftritt. Insbesondere nimmt die Strahldivergenz mit der Temperatur zu, im Unterschied zur Selbstfokussierung, die bei absorbierenden Optiken mit positiver Verschiebung auftritt.
Dies kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn KTF zusammen mit anderen positiv verschiebenden Optiken (z. B. Quarzglaskomponenten) verwendet wird. Hier wird die negative Verschiebung von KTF die positive Verschiebung der anderen Komponenten zumindest teilweise kompensieren, sodass die Fokusverschiebung für das System insgesamt kleiner ist.
Beim PAVOS Ultra-Isolator mit 4-mm-Blende von Coherent kommen beispielsweise zwei polarisierende Strahlteilerwürfel aus Quarzglas und ein KTF-Kristall zum Einsatz. Jeder Strahlteiler weist eine Fokusverschiebung von ca. 0,3 zR/kW auf. Der KTF-Kristall weist eine durchschnittliche Fokusverschiebung von –0,6 zR/kW auf. Daraus resultiert eine weitgehend vernachlässigbare Fokusverschiebung für den Isolator insgesamt.
Die Langzeitleistung der Isolatoren der Serie PAVOS Ultra von Coherent wurde ebenfalls untersucht. Die Isolatoren wurden mit den optischen Resonatoren von Prototyp-Lasern bei Coherent über Nutzungsintervalle von 1800 bis 3000 Stunden getestet.
Die einfallende Leistung betrug am KTF-Kristall 2,7 kW bei einem ungefähren Strahldurchmesser von 800 µm. Dies entspricht einer Leistungsdichte von etwas über 130 kW/cm². Das Diagramm zeigt, dass der optische Resonator über den gesamten Testzeitraum von 1800 Stunden gearbeitet hat. Alle Sprünge und Änderungen in den Werten sind auf die Justierung anderer Systemkomponenten außerhalb des KTF-Rotators zurückzuführen. Diese Stabilität kann nur aufrechterhalten werden, wenn die Strahlqualität konstant bleibt.
Abbildung 5. Langfristige Betriebsstabilität des KTF-basierten Pavos Ultra-Isolators von Coherent bei hoher Laserleistung.
Schlussfolgerung
TGG bleibt der magnetoaktive Kristall der Wahl für Faraday-Isolatoren und -Rotatoren für niedrige Leistung. Seine immanenten Absorptionseigenschaften und thermooptischen Eigenschaften beschränken jedoch den Einsatz mit Lasern höherer Leistung. Mit KTF als neuem Standard für Faraday-Hochleistungsisolatoren können Laserhersteller die immanenten Beschränkungen von TGG umgehen und sich auf die Verbesserung der Leistung des übrigen Systems konzentrieren.