磁光晶体及器件研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0146

摘要/Abstract

摘要： 磁光隔离器作为激光系统中的关键器件，核心功能依赖于磁光晶体的法拉第效应，能够有效隔离反射光，提升激光系统的稳定性。本文综述了磁光材料的发展历程，重点介绍了稀土石榴石晶体（如TGG、TAG、TSAG、YIG）和氟化物晶体（如CeF₃、KTb₃F₁₀）的磁光性能、生长技术及应用现状。TGG晶体是目前应用最广泛的磁光材料，但其磁光性能在高功率激光器中逐渐面临瓶颈；TAG和TSAG晶体性能更优，Verdet常数要高于TGG晶体30%以上，但生长难度较大；YIG晶体在中远红外波段表现优异，在1 064 nm处的Verdet常数可达-515.82 rad/（T·m），但尺寸限制仍需突破。氟化物晶体（如CeF₃和KTF）凭借高透过率和低光学吸收成为新兴研究方向，尤其在紫外和可见光波段潜力显著，在紫外波段透过率能达到85%。此外，本文探讨了磁光隔离器的工作原理、发展历程及研究进展，并展望了未来高性能磁光材料及器件的应用前景。

关键词: 磁光晶体; 磁光效应; 石榴石晶体; 氟化物晶体; 磁光隔离器

Abstract: As a key component in laser systems， the core function of magneto-optical isolators relies on the Faraday effect of magneto-optical crystals， which can effectively isolate reflected light and improve the stability of laser systems. This article reviews the development history of magneto-optical materials， focusing on the magneto-optical properties， growth techniques， and application status of rare earth garnet crystals （such as TGG， TAG， TSAG， YIG） and fluoride crystals （such as CeF₃， KTb₃F₁₀）. TGG crystal is currently the most widely used magneto-optical material， but its magneto-optical performance is gradually facing bottlenecks in high-power lasers； TAG and TSAG crystals have better performance， with a Verdet constant more than 30% higher than that of TGG crystal， but they are more difficult to grow； YIG crystal exhibits excellent performance in the mid to far infrared range， with the Verdet constant reaching -515.82 rad/（T·m） at 1 064 nm， but size limitations still need to be overcome. Fluoride crystals （such as CeF₃ and KTF） have emerged as a promising research field due to their high transmittance and low optical absorption. They show great potential， particularly in the ultraviolet （UV） and visible spectral bands， achieving transmittance rates of up to 85% in the UV region. In addition， this article explores the working principle， development history， and research progress of magneto-optical isolators， and looks forward to the application prospects of high-performance magneto-optical materials and devices in the future.

Key words: magneto-optical crystal; magneto-optical effect; garnet crystal; fluoride crystal; magneto-optical isolator

中图分类号:

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图/表 25

图1 法拉第效应示意图

Fig.1 Schematic diagram of the Faraday effect

图2 磁光隔离器示意图

Fig.2 Schematic diagram of magneto-optical isolator

图3 福晶科技生长的大尺寸TGG晶体［39］

Fig.3 Large-sized TGG crystals grown by CASTECH［39］

图4 福晶科技生产的商用TGG晶体（?75 mm×100 mm）

Fig.4 Commercial TGG crystals produced by CASTECH （?75 mm×100 mm）

图5 Tb2O3-Al2O3二元体系相图［15］

Fig.5 Tb2O3-Al2O3 binary system phase diagram［15］

图6 激光浮区法生长的TAG单晶（直径为3 mm）［49］

Fig.6 TAG single crystal grown by laser zone melting method （diameter： 3 mm）［49］

图7 福晶科技生产的商用大尺寸TSAG晶体

Fig.7 Commercially-sized TSAG crystals produced by CASTECH

图8 导模法生长的Ga∶YIG晶体［59］

Fig.8 Ga∶YIG crystals grown by the guided-mode method［59］

图9 顶部籽晶法生长的YIG晶体［61］

Fig.9 YIG crystals grown by the top seed crystal method［61］

图10 CeF3晶体内部的原子排列［71］

Fig.10 Atomic arrangement within the CeF3 crystal［71］

图11 坩埚下降法（左）及提拉法（右）生长的CeF3晶体［62?63］

Fig.11 CeF3 crystals grown by the Bridgman method （left） and the CZ method （right）［62?63］

表1 室温条件下CeF3晶体的基本特性［71］

Table 1 Basic characteristics of CeF3 crystals under room temperature［71］

分子式	晶系	空间群	密度	生长方法	透光范围	热导率	热膨胀系数
CeF₃	三方	P3c1	6.16 g/cm³	提拉法、坩埚下降法	282~12 000 nm	（2.51±0.12） W·m^-1·K^-1 （c轴）	16.5×10^-6 （c轴）

图12 CeF3晶体在可见及红外波段的透过光谱（a）及折射率（b）变化［71，73］

Fig.12 Transmission spectra （a） and refractive index （b） variations of CeF3 crystals in the visible-infrared wavelength ranges［71，73］

图13 CeF3与TGG晶体的Verdet常数色散和紫外-可见透射光谱（a），以及品质因数（FOM）（b）比较［73?74］

Fig.13 Comparison of Verdet constant dispersion and ultraviolet-visible transmission spectra （a） between CeF3 and TGG crystals， as well as figure of merit （FOM）（b）［73?74］

图14 CeF3和TGG晶体的热透镜强度随激光功率P的变化关系（a），以及电流I与CeF3晶体中c轴与激光传播方向之间夹角ρ的关系（b）［75?76］

Fig.14 Relationship between the thermal lensing strength of CeF3 and TGG crystals and the laser power P （a）， and relationship between the current I and the angle ρ between the c-axis of the CeF3 crystal and the direction of laser propagation （b）［75?76］

表2 KTF晶体的基本特性［79］

Table 2 Basic characteristics of KTF crystals［79］

分子式	密度	透光范围	Verdet常数	折射率	吸收
KTb₃F₁₀	5.86 g/cm³	400~1 500 nm	36 rad/（T·m）@1 064 nm	1.5@1 064 nm	0.02%/cm@1 064 nm

图15 诺斯罗普·格鲁曼公司生产的KTF晶体［80］

Fig.15 KTF crystal produced by Northrop Grumman Company［80］

表3 KTF晶体常见激光波长附近的Verdet常数

Table 3 Verdet constant near the common laser wavelength of KTF crystals

λ/nm	T/K	Verdet constant/（rad·T^-1·m^-1）
λ/nm	T/K	Vojna^［85］	Zelmon^［83］	Weber^［78］	Jalali^［81］
632.7	295	-113.4±2.7	-114.9	-112
	75	-455.7±10.7
1 062	295	-32.7±0.9	-28.2	-33	-34
	75	-143.3±3.4

图16 国外典型高功率大口径磁光隔离器

Fig.16 Typical high-power large-aperture magneto-optical isolators from abroad

表4 块状分立元件式高功率磁光隔离器国外相应研究参数进展

Table 4 Progress of corresponding research parameters for bulk discrete component high-power magneto-optical isolators from abroad

研究单位	平均功率	通光孔径	透过率	1 064 nm峰值隔离度
美国EOT	400 W	45 mm	＞95%	>33 dB
美国IPO	400 W	70 mm	＞96%	>33 dB
德国Qioptiq	>50 W	8 mm	＞90%	>38 dB
美国Thorlabs	200 W	9 mm	＞92%	>33 dB

表5 国内磁光隔离器研究进展

Table 5 Research progress of magnetic optical isolators in China

研究单位	平均功率/W	通光孔径/mm	透过率/%	1 064 nm峰值隔离度
福晶科技	100	20	>95	>33 dB
海创光电	100	5	>93	>33 dB
光越科技	100	5	>90	>30 dB
光库科技	100	5	>95	>35 dB

图17 法拉第旋转器及空间隔离器外观示意图

Fig.17 Schematic diagram of the appearance of Faraday rotator and spatial isolator

图18 光纤-自由空间型隔离器外观示意图

Fig.18 Schematic diagram of the optical fiber-free space type isolator appearance

图19 常规在线隔离器（左）与TAP型在线隔离器（右）外观示意图

Fig.19 Schematic diagram of the appearance of conventional online isolator （left） and TAP type online isolator （right）

图20 磁光环形器外观示意图

Fig.20 Schematic diagram of the magnetic ring amplifier

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