Tb3Ga5O12 鋱鎵石榴石簡介

 Tb3Ga5O12(簡稱TGG,鋱鎵石榴石)是重要的磁光材料,它具有立方對稱的石榴石結構,其中鋱離子(Tb³⁺)嵌在氧化鎵基質(Ga₅O₁₂)中。

TGG的透明度覆蓋了寬波長範圍(從可見光到近紅外)。在可見和近紅外光區具有較高的費爾德常數、低的透射損耗、高熱導率和高激光損傷閾值及易生長大尺寸晶體等優點,是目前這一波段(400-1100nm,不包括470nm-500nm)用於製作法拉第旋光器與隔離器的最佳磁光材料。

TGG的核心功能在於其強大的磁光響應,主要由法拉第效應決定。法拉第效應描述了光在磁場中穿過磁光介質時,偏振平面旋轉的現象。TGG的Verdet常數尤其高,特別是在可見光範圍內,這使得它在需要短距離內實現強法拉第旋轉的應用中(如法拉第隔離器和流量計)非常有效率。法拉第隔離器是激光系統中的關鍵元件,特別是在高功率操作下。法拉第隔離器的目的是防止反射光重新進入激光腔,防止其不穩定性和系統性能下降。TGG的高光學透明度和低吸收率,讓激光光線通過隔離器時的能量損失最小。

TGG主要特點:
– 大的費爾德常數 (40 rad T-1 m-1 @ 1064 nm)
-低的透射損耗 (<0.1% /cm)
– 高的熱導率 (4.5 W m-1 K-1@ 300K)
– 高的抗激光損傷閾值 (>1 GW/cm2)

TGG主要應用:

-離子輻照磁光波導 
-法拉第旋光器 
-光纖隔離器 
-自由空間隔離器 
-磁光開關和磁光調制器

在高功率激光系統中,管理熱效應是關鍵挑戰,特別是當激光能量通過系統傳輸時,TGG吸收一部分激光能量,導致局部加熱,進而在晶體內產生不均勻的溫度分布,這導致了折射率的變化,即所謂的熱透鏡效應(產生的相位畸變和光束質量下降)是影響TGG在高功率激光應用中的持續使用的主要問題​。

降低TGG的熱透鏡效應,可以使用複合結構,將TGG與具有更好熱導率的材料(如藍寶石)結合,這種結構可以更有效地散熱,降低TGG晶體內的溫度梯度,從而減輕熱透鏡效應。複合TGG-藍寶石元件已被證明能夠顯著改善法拉第隔離器中的熱管理,而不會犧牲系統的磁光性能​。