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新材料によりkWクラスのファラデーアイソレーターが実現

KTFは磁気活性結晶であり、TGGと比較して熱影響が大幅に低減されます。これにより、高出力レーザシステムにおける光アイソレーターの寿命と性能が向上します。

ファラデーアイソレーターは、光用の一方向弁です。多くの場合、下流の光学部品や表面によって反射される光から保護するために、レーザや増幅器の出力側に配置されます。この戻り光が再びレーザに入射すると、出力が不安定になったり、破損したりすることがあります。

ファラデーアイソレーターは磁気活性結晶に依存した材料であり、磁場中に置かれると直線偏光の方向を回転させます。テルビウムガリウムガーネット（TGG）は、可視および近赤外スペクトルで動作するファラデーアイソレーターの標準的な磁気活性材料として長年使用されてきました。ただし、産業用レーザの出力が増大し続けるにつれて、TGG固有の吸収特性と熱光学特性はますます不利になっています。これにより、最終的にはファラデーアイソレーターがレーザシステムの性能を制限する光学素子になってしまう可能性があります。

現在、フッ化テルビウムカリウム（KTF）が代替磁気活性材料として登場しました。KTFは、TGGの制限を克服し、はるかに高いレーザ出力で正常に動作できます。このドキュメントでは、KTFの特性に関する詳細な情報を提供します。また、この材料を組み込んだ高出力レーザ専用のファラデーアイソレーターの新シリーズ（Coherent Pavos Ultraシリーズ）の試験結果についても説明しています。

TGGとその制約

TGGは、いくつかの理由から、650～1100 nmのスペクトル範囲に適したファラデー回転子結晶として長い間選ばれてきました。たとえば、高純度で成長させることができます。また、ベルデ定数（ファラデー効果の強さの尺度）が高く、立方晶の結晶構造で固有複屈折が小さいため、高感度なアライメントプロセスを必要とせずに、高い偏光消光を簡単に実現することができます。また、比較的低コストです。

ただし、最も純粋なTGGであっても、そのバルク吸収のために性能の限界があります。この吸収は結晶内で局部加熱が発生し、3つの重大な性能制限要因につながります。

1つ目は、偏光回転量がレーザ出力の関数として変化することです。これは、結晶のベルデ定数が温度によって変化するためです。そして、結晶が温まると、周囲の磁石も温まり、その性能が変化します。その結果、アイソレーション性能が低下します。

2つ目の問題は熱レンズ効果です。通常、結晶は大きな永久磁石の中に保持されているため、結晶を直接冷却することは困難です。結晶内のガウシアンビームは、半径方向の温度勾配を発生させ、これが屈折率勾配の原因になります。出力に依存するレンズ効果があり、システムの焦点位置を移動させます。レンズ作用が十分強かったり非対称だったりすると、ビーム品質も低下します。

もう1つの問題は熱誘起複屈折で、これも材料内の温度勾配が原因です。これは、透過光の偏光に影響を与えます。アイソレーターや、偏光に依存する下流の光学系コンポーネントの性能を低下させる可能性があります。

これら3つの要素が相まって、出力安定性、ビーム品質、加工面における集光スポットの位置に影響を与えます。これらはすべて加工結果に直接影響するため、加工方法の一貫性が低下し、加工ウィンドウのサイズが小さくなる可能性があります。

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ファラデーアイソレーターの仕組み

ファラデーアイソレーターの動作は概念的に単純で、次の図で解説しています。直線偏光された光（左から入射）は、その偏光ベクトルと整列させた偏光子を通過します。偏光子を通過した光は、磁場内にある磁気活性結晶に入ります。この結晶は、光の偏光面を45°回転させます（ファラデー効果による）。光は、回転された偏光に合わせて配置された別の偏光子を通過し、光学システムを通って加工方法へ出力されます。

システムや加工方法から戻ってきた光は、まず偏光板を通過します。この偏光板は、元のアイソレーターの出力と同じ方向でない偏光を取り除きます。フィルタリングされた光は磁気活性結晶を通過し、さらに45°回転します。これにより、偏光ベクトルが最初の偏光板に対して直角になり、残りの戻り光が拒否されます。

KTFとその利点

KTFはTGGと同様の透過率範囲を持ち、ベルデ定数も同等です。最も重要なことは、TGGと比較して、バルク吸収係数が8分の1、熱光学係数が15分の1であり、応力光学係数が低いことです。これらを組み合わせることで、TGGファラデーアイソレーターが高出力レーザにさらされた場合に問題となる、アイソレーション性能、ビームフォーカス、ビーム品質の劣化を回避することができます。

ただし、初期のKTF成長の取り組みでは、泡、含有物、および散乱度の高い問題を含むブールが生成されました。このため、TGGと比較して透過率が正味で改善されることはありませんでした。

幸いなことに、加工方法の継続的な改良により、現在では高品質のKTFを低コストでより高い歩留まりで製造できるようになりました。その結果、KTFは高出力ファラデー回転子やアイソレーターにおいてTGGに取って代わる準備が整っています。

Pavos Ultraシリーズの実験データ

KTFをベースとしたCoherent Pavos Ultraシリーズファラデーアイソレーターは、近赤外線、kWクラスのレーザで数千時間の寿命試験を経ています。これらの試験は、産業用レーザメーカーが要求する、長期間の連続使用において性能を維持しながら、優れたアイソレーションとビーム品質を実現することを明確に示しています。

最初のグラフは、アイソレーターの重要な性能指標である光学アイソレーションを、TGGアイソレーターとKTFアイソレーターのレーザ出力の関数として比較したものです。TGGは出力が低いほど優れた性能を発揮しますが、出力が高くなるにつれて性能は急速に低下します。Pavos Ultraアイソレーターは、測定された出力レンジにおいて安定した性能を発揮するため、レーザシステムがどのように、またどのような時間運用されても信頼性を確保できます。

図1：レーザ出力の関数としてのKTFとTGGのアイソレーション性能。

また、KTFアイソレーターは、TGGベースのアイソレーターよりも優れたビーム品質を維持します。このことは、6 Wと200 Wの出力における両タイプのアイソレーターのビームプロファイル測定で実証されています。

アイソレータータイプ	6 W	200 W
TGG
Pavos Ultra（KTF）

図2：レーザ出力の関数としてのKTFおよびTGGにおけるビームプロファイルの影響。

ビーム品質のより定量的な尺度は、M²指標を使用して得られます。M²指標は、測定されたビームの強度プロファイルを、理論的に完全なガウシアンビームと比較する比率です。次のグラフは、TGGアイソレーターとKTFアイソレーターのM²の実測値を比較しています。明らかに、Pavos Ultraアイソレーターは、試験した出力レンジにおいてビーム品質の劣化がほとんどありません。

図3：KTFとTGGにおけるレーザ出力の関数としてのビーム品質。

焦点シフトは、ファラデーアイソレーターを高出力で使用する際の最も大きな問題の1つです。なぜなら、レーザシステムが損傷や不安定さを生じることなく動作し続けたとしても、焦点シフトによって加工方法の結果が損なわれる可能性があるからです。

TGGの熱伝導率はKTFよりも一桁高いにもかかわらず、実験結果は、同等の出力レベルでTGGと比較した場合、熱に関連した焦点シフトが著しく少なく、ビーム品質が優れていることを明確に示しています。試験結果を次のグラフに示します。

図4：KTFおよびTGGアイソレーターの200 Wレーザ出力変化による焦点シフト。

このグラフに表示されていないのは、KTFで発生する小さな焦点シフトも線形であることです。これは、測定されたシフトを外挿することで、より高い出力レベルで予想される焦点シフトが得られる可能性が高いことを意味します。

最後のプロットから注目すべきもう1つの重要な点は、KTFが負の焦点シフトを示していることです。具体的には、正のシフトを伴う吸収光学系で起こる自己集束とは対照的に、ビーム発散が温度とともに増加します。

これは、KTFが他の正光学系（溶融シリカ部品など）と一緒に使用される場合、実際に有益です。具体的には、KTFの負のシフトが他のコンポーネントの正のシフトを部分的に補うため、結果としてシステム全体の正味の焦点シフトが小さくなります。

たとえば、Coherentの4 mm開口径PAVOS Ultraアイソレーターは、2つの溶融シリカ偏光ビームスプリッターキューブとKTF結晶を使用しています。各ビームスプリッターの焦点シフトは約0.3 zR/kWです。KTF結晶の平均焦点シフトは -0.6 zR/kWです。その結果、一般的にアイソレーター全体の焦点シフトは無視できるほど小さくなります。

Coherent PAVOS Ultraシリーズアイソレーターの長期性能も検証されています。具体的には、これらのアイソレーターは、Coherentのプロトタイプレーザキャビティ内で、1,800～3,000時間の使用間隔で試験されました。

KTF結晶への入射出力は2.7 kWで、ビーム径はおよそ800 μmでした。これは130 kW/cm²をわずかに超える出力密度に相当します。このグラフは、1,800時間の試験期間中、キャビティが安定していたことを示しています。ジャンプや変化はすべて、KTF回転子以外の他のシステムコンポーネントの調整によるものです。この安定性を維持するには、ビーム品質を一定に保つ必要があります。

図5：KTFベースのCoherent Pavos Ultraアイソレーターの高レーザ出力時の長期動作安定性。

まとめ

TGGは、低出力ファラデーアイソレーターおよび回転子用の磁気活性結晶として第一の選択肢であり続けていますが、その固有の吸収と熱光学特性により、高出力レーザでの使用が制限されます。高出力ファラデーアイソレーター用の新しい標準としてKTFを採用することで、レーザメーカーはTGGによって課される制約を取り除き、システムの他の部分の性能向上に力を注ぐことができます。