Research Progress of Magneto-Optical Crystals and Devices

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

Abstract

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

CLC Number:

CHEN Wei, WANG Chengqiang, CHEN Yangguo, ZHANG Rui, DANG Yu, CHEN Jiangxu, CHEN Qiuhua, ZHANG Xing. Research Progress of Magneto-Optical Crystals and Devices[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1696-1713.

Figures/Tables 25

Fig.1 Schematic diagram of the Faraday effect

Fig.2 Schematic diagram of magneto-optical isolator

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

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

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

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

Fig.7 Commercially-sized TSAG crystals produced by CASTECH

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

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

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

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

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）

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

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］

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］

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.20 Schematic diagram of the magnetic ring amplifier

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