(57)【要約】【課題】大型のファラデー回転子を用いても漏洩磁場を小さくして，機器の誤動作や，周辺の物体への電磁力を少なくしたファラデー回転子装置を提供する【解決手段】両端に開口を有する筒状の電磁石の中央部にファラデー素子を支持し，上記電磁石によって上記ファラデー素子に印加する磁界を制御し，ファラデー効果による偏光面の制御を行う複数組のファラデー回転子を備え，これら複数組のファラデー回転子を入射光の光軸方向に対して直交する方向に隣接配置すると共に，隣り合うファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向が互いに逆方向になるようにしたものである。【選択図】図２
2009053356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に開口を有する筒状の電磁石の中央部にファラデー素子を支持し，上記電磁石によって上記ファラデー素子に印加する磁界を制御し，ファラデー効果による偏光面の制御を行う複数組のファラデー回転子を備え，
これら複数組のファラデー回転子を入射光の光軸方向に対して直交する方向に隣接配置すると共に，隣り合うファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向が互いに逆方向になるようにしたことを特徴とするファラデー回転子装置。
【請求項２】
上記ファラデー回転子を４組備え，それぞれ隣り合うファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向を互いに逆方向になるようにしたことを特徴とする請求項１記載のファラデー回転子装置。
【請求項３】
両端に開口を有する筒状の電磁石の中央部にファラデー素子を支持し，上記電磁石によって上記ファラデー素子に印加する磁界を制御し，ファラデー効果による偏光面の制御を行う７組のファラデー回転子を備え，
中心となる1組のファラデー回転子を囲むように６組のファラデー回転子を環状に配置し
，環状に配置されたファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向を互い違いとし，中心に配置された上記ファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向と同じ方向の磁場の強度を反対向き磁場の強度の３／４としたことを特徴とするファラデー回転子装置。
【請求項４】
上記ファラデー回転子の電磁石が超電導コイルを使用したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のファラデー回転子装置。
【請求項５】
上記複数組のファラデー回転子全体を包囲する磁気シールドを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のファラデー回転子装置。
【請求項６】
少なくとも１組のファラデー回転子のファラデー素子を支持する支持部の温度を測定し，測定された温度に応じて上記ファラデー素子の偏光角度が一定になるよう各組のファラデー回転子の電磁石に対する通電電流を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のファラデー回転子装置。
【請求項７】
少なくとも１組のファラデー回転子におけるファラデー素子の周辺温度を測定すると共に，上記ファラデー素子を通過する直前の通過光エネルギーまたは通過光エネルギーの累積値から上記ファラデー素子の現状の温度を推定し，推定された温度に応じて上記ファラデー素子の偏光角度が一定になるよう各組のファラデー回転子の電磁石に対する通電電流を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のファラデー回転子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，入射した光の偏光面を回転させるファラデー回転子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のファラデー回転子は，例えば特許文献１に示すように，光アイソレータの一部をなすもので，磁石とファラデー回転子から構成されている。光アイソレータは光を一方通行させるための装置で，偏光フィルタを通過した光が入射側から入ったとき，４５度偏光面が回転して光アイソレータから出てくる。もし光が反射して光アイソレータに帰ってくると，ファラデー回転子でさらに４５度偏光面が回転し，入射側に設置された偏光フィルタの偏光面に９０度回転した光が偏光フィルタに戻るため，入射側に設置された偏光フィルタを透過できない。このことにより，光が発光源に再入射できないので，発光源がレーザのように，外部からの光入射で動作条件が大幅に変わるような場合，光源の動作の安定化に資することができる。
通常，光アイソレータは，光通信などに用いるレーザ光に使用するためのであるので，アイソレータを通過するエネルギーは高々０．１Ｗ程度であり，光ビームの直径も小さい。このため，アイソレータの口径は高々１０ｍｍ程度と小型で良く，必要な磁場も永久磁石で十分に得ることができる。
また，ファラデー回転子の偏光面の回転角度は特許文献２に示すように温度の関数になっている。このことについて，ファラデー回転角の温度依存性が反対であるような回転子を貼り合わせて補償する事例もある。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１５７９９１号公報
【特許文献２】特開平６−４３３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし，レーザ照射機やレーザ核融合実験装置などのように高エネルギーの光を使用する用途では，エネルギー密度を高くしすぎると，ファラデー回転子が熱で破損する問題があり，口径を大きくする必要があった。
口径を大きくすると，永久磁石では必要な磁場を発生できない問題があり，電磁石を使用する必要がある。しかし，単に永久磁石を電磁石に置き換えただけでは，ファラデー回転子の周囲に大きな漏洩磁場が発生し，周辺機器の誤動作や，電磁力による反発・吸引・破損などの事故が発生する恐れがあった。
また，周囲温度変化やファラデー回転子に光が当たることによるファラデー回転子の温度上昇，温度変化により偏光角度が変わっても，永久磁石では調整が不能である問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり，大型のファラデー回転子を用いても漏洩磁場を小さくして，機器の誤動作や，周辺の物体への電磁力を少なくしたファラデー回転子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るファラデー回転子装置は，両端に開口を有する筒状の電磁石の中央部にファラデー素子を支持し，上記電磁石によって上記ファラデー素子に印加する磁界を制御し，ファラデー効果による偏光面の制御を行う複数組のファラデー回転子を備え，これら複数組のファラデー回転子を入射光の光軸方向に対して直交する方向に隣接配置すると共
に，隣り合うファラデー回転子の電磁石の開口における磁場の方向が互いに逆方向になるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わるファラデー回転子装置によれば，ファラデー回転子用磁石には，複数の近接する開口を設け，その開口の近接するものに互いに異なる方向の磁場を与えることにより漏洩磁場が小さくなる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下，この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は光アイソレータの基本構成を示す縦断面図で，両端に開口を有する円筒状の電磁石２と，この電磁石の中央部に固定された磁気光学結晶からなるファラデー素子１によって構成されるファラデー回転子１００を用い，ファラデー素子１の両面に偏光素子１０１，１０２を配置し，電磁石２によってファラデー素子１に印加する磁界を制御し，ファラデー効果による偏光面の制御を行うものである。
図２はこの発明の実施の形態１によるファラデー回転子装置の概略縦断面図及び平面図を示すもので，図１に示したファラデー回転子１００を２組備え，これらのファラデー回転子１００を入射光の光軸方向に対して直交する方向に隣接配置すると共に，各ファラデー回転子１００の電磁石２の開口における磁場の方向が互いに逆の方向を向くよう設定したものである。
このような構成のファラデー回転子装置において，各ファラデー回転子１００の電磁石２は入射する光に対してファラデー素子１が偏光を４５度回転させるように磁場を発生させるが，このとき，２つの電磁石２は開口における磁場の方向が互いに逆の方向を向くように設定されているので，電磁石２から離れた場所での磁場は打ち消し効果により非常に小さくなる。
なお，上記電磁石２として，超電導コイルを使用したものを用いることも可能である。
【０００９】
図３は電流が作る磁場を説明した図で，回路電流Ｉが流れているときに，経路∫dsで積分すると，磁場を求めることができる。
【数１】
2009053356.tif 000003
ここで，μ0は透磁率，Ｉは回路電流，積分は電流の流れている経路で１周する。電磁石
に流れる電流を円形電流で近似すると，円の中心軸上の磁束密度Ｂは（１．１）より
【数２】
2009053356.tif 000004
となる。図４は式（１．２）を説明する図である。
【００１０】
従って，１個の電磁石では，磁束密度は磁石からの距離Ｒの３乗に反比例することがわかる。電磁石を実施の形態１のように配置した場合，距離Ｒの３乗に反比例する項は打ち消されるので，磁束密度Ｂは距離Ｒの４乗に反比例する。
電磁石が１個の場合，装置からの距離Ｒの３乗に反比例して磁場が減少するのに対して，このファラデー回転子装置では距離Ｒの４乗に比例して低減する効果が得られる。
このため，周辺機器の誤動作や，通電に伴う電磁力による機器の損傷を防止できる効果が得られる。
【００１１】
ここで，磁場が距離Ｒの４乗に反比例して減少する理由をさらに詳しく説明する。
先行技術文献（株式会社学術図書出版社発行  斉藤晴男他著「物理学への道下」８０から８１ページ）に示されているように，円形コイルに流れる電流のつくる磁場は遠距離では磁気モーメントｍのつくる磁場と同じである。ここで，ｍは電流Ｉと電流の囲む面積Ｓの積となる。磁気モーメントｍの作る磁場は
【数３】
2009053356.tif 000005
となる。これは，電気双極子の作る電場と係数が異なるが同じ数式である。
【００１２】
一方，先行技術文献（共立出版株式会社発行  後藤憲一・山崎修一郎著「詳解電磁気学演習」２から４ページ）に記載されているように，電気多重極子のつくる電位は１．２７式で表されるので，２重極子(双極子)の作る電場はｎ＝１より距離ｒの３乗に反比例し，４重極子のつくる電場は距離ｒの４乗に反比例，８重極子の作る電場は距離ｒの５乗に反比例することがわかる。
従って，４重極子である実施の形態１の場合も距離ｒの４乗に反比例して磁場が減少することが判る。
【００１３】
実施の形態２．
上記実施の形態１では，２組のファラデー回転子を用いたファラデー回転子装置について述べたが，図５に示したように，２組のファラデー回転子をさらに１台追加して４組とし，隣接するファラデー回転子１００の電磁石２の開口における磁場の方向が互いに逆方向になるようにしたものである。
このファラデー回転子装置では，電磁石２を４組としたことにより，８重極子の構成となるため，磁場は距離ｒの５乗に反比例し，漏洩磁場をさらに低減する効果が得られる。図７は実際に各ファラデー回転子１００の光が透過する面積を１ｍ２，各電磁石２の発生する磁場を１Ｔとして，漏洩磁場を計算した例である。図７の計算結果Ａに示すように距離の５乗に反比例して磁場が低減していることが判る。
【００１４】
実施の形態３．
上記実施の形態１，２では，ファラデー回転子１００が２組もしくは４組のファラデー回転子装置について述べたが，図６に示したように，７組とすることもできる。
このファラデー回転子装置では，中心のファラデー回転子１００を囲むように６組のファラデー回転子１００を環状に配置し，環状に配置されたファラデー回転子１００の電磁石２の開口における磁場の方向を互い違いとし，中心に配置されたファラデー回転子１００の電磁石２の開口における磁場の方向と同じ方向の磁場の強度を反対向き磁場の強度の３／４としたものである。
このファラデー回転子装置では，発生する磁気モーメントの総和がゼロとなるので，実施の形態１，２よりさらに漏洩磁場が低減する効果が得られるとともに，広い透過面積をもった，高エネルギーの光を透過させることができる。
また，ファラデー回転子１００をこの実施形態３のように配置すると，対称性が良くなるので，漏洩磁場分布の改善が可能になる。
【００１５】
実際に実施の形態２の計算例と同様に，各ファラデー回転子１００の光が透過する面積を１ｍ２，各電磁石２の発生磁場を１Ｔとして，光軸に対して垂直方向の漏洩磁場を計算したところ，図７の計算結果Ｂに示すように実施の形態２の計算結果Ａと比較して，おおむね１/５に磁場が低減していることが判った。
なお，この場合，各ファラデー回転子１００におけるファラデー素子１の厚さは磁場に
反比例した厚さに設定し，４５度のファラデー回転角度を得るようにする必要がある。
例えば，０．６３μｍの波長に対して４．６１×１０−３ｄｅｇ／Ａのヴェルデ定数を持つＢＳＯ（Ｂｉ１２ＳｉＯ２０）の場合，４５度の偏光角を発生するのに必要な磁場は厚さ０．０１ｍに対して約１．２Ｔであり，実施形態３の場合，厚さ０．０１ｍmと０．１
３ｍのファラデー素子を準備する必要がある。
【００１６】
実施の形態４．
上記実施の形態１，２，３では，空芯の電磁石２を備えたファラデー回転子１００を用いた場合について述べたが，電磁石の周辺に磁気シールドを付加することもできる。
図８及び９はその一例として，４組のファラデー回転子１００を含むファラデー回転子装置の周りにファラデー回転子全体を包囲する磁気シールド１０３を付加した形態を示している。
磁気シールド１０３は，例えば，ＪＩＳＣ２５０４で規定される電磁軟鉄やＪＩＳＧ３１０１で規定される一般構造用圧延鋼材を用い，鉄の飽和磁束密度が２Ｔ程度であることを考慮して，磁気シールド１０３に発生する磁束密度が０．１Ｔ以上２Ｔを超えないように板厚を調整することによって，漏洩磁束を１／５程度以上にすることが可能と従来の他の電磁石の例から想定される。
このことにより，ファラデー回転子装置からの漏洩磁場をさらに低減することが可能である。
【００１７】
実施の形態５．
上記実施の形態では，ファラデー回転子１００の電磁石２に通電する電流を，光の偏光角が４５度になるように設定することとしたが，実際には温度によって光の偏光角は図１１に示すように変化する。
光の偏光角は磁場に比例するので，図１０に示すように，温度センサ１０４を用いてファラデー素子１の温度を測定し，測定温度に応じて電源及び通電電流調整装置１０５により必要な通電電流を計算して電磁石２に通電すると，偏光角度を正確に４５度に調整できる。なお，図中，６は各電磁石２に対する電源供給用の配線を示している。
例えば，ファラデー素子１が図１１に示すような温度特性を示す場合は，ファラデー素子１の温度が６０℃以上の状態において，電磁石２の通電電流を若干増加させれば良い。このことにより，ファラデー回転子装置としての性能を向上することができる。
【００１８】
また，光の透過する部分のファラデー素子１の温度は直接測定できないので，ファラデー素子１を支持する支持枠の温度を測定すれば，近似的にファラデー素子の温度を測定可能であり，雰囲気の温度を測定するより実体の温度を反映していると考えられる。
従って，図１２に示すように，ファラデー素子１を支持ゴム４を介して支持する支持枠３によって電磁石２に固定する構造において，この支持枠３に温度センサ１０４を埋め込むようにすれば，比較的精度良くファラデー素子１の温度を測定できる。
【００１９】
実施の形態６．
上記実施の形態５においては，ファラデー素子１の温度を測定するために，支持枠３の温度を測定するようにしたが，レーザ光が繰り返しのパルス状であるような場合は，ファラデー素子１の温度は透過するレーザ光のエネルギーを一部吸収して瞬間的に上昇するため，ファラデー素子１の温度は支持枠３の温度と必ずしも一致しない。
この場合は，図１３に示すように，少なくとも１組のファラデー回転子１００のファラデー素子１（図では２組の場合を示す）にその周辺温度を測定する温度センサ１０４を設け，この温度センサ１０４に接続された通電電流指示装置１０６にレーザ光透過エネルギー測定装置または発生エネルギーモニタ１０７を接続し，透過光のエネルギーを測定または光発生装置の指示値をモニタして，ファラデー素子１を通過した直前の通過光エネルギーまたは通過光エネルギーの累積値からファラデー素子１の現状の温度を推定し，次のレー
ザ光入射時においてファラデー素子の偏光角度が一定になるよう電磁石２への通電電流を決定することができる。
【００２０】
例えば図１４に示すように，まず，ファラデー素子を支持する支持枠の温度測定結果とその周辺温度測定結果とレーザ光の入射エネルギーまたはその累積値のデータをもとに，ファラデー素子熱容量及びファラデー素子光吸収係数を参照して，入射エネルギーによるファラデー素子の温度上昇を計算し，次に，レーザ光入射タイムテーブル及びファラデー素子冷却特性時間を参照して，レーザ光入射後の温度降下予想時間と光入射タイムテーブルによるレーザ光入射時の予想温度を計算した後，計算されたレーザ光入射時の予想温度をもとにファラデー素子温度と偏光角４５度となる電流値の数表を参照して，電磁石への必要通電電流を求め，この必要通電電流を電磁石のコイルに出力するようにすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光アイソレータの基本構成を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるファラデー回転子装置の概略縦断面図及び平面図である。
【図３】電流が作る磁場を説明するための図である。
【図４】電磁石の電流による磁束密度を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるファラデー回転子装置の平面図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるファラデー回転子装置の平面図である。
【図７】この発明の実施の形態２，３によるファラデー回転子装置の漏洩磁場の計算結果を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるファラデー回転子装置の平面図である。
【図９】図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５によるファラデー回転子装置を示す概略平面図である
【図１１】ファラデー素子の温度特性の一例を示す図である。
【図１２】実施の形態５におけるファラデー回転子の支持構造例を示す縦断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態６によるファラデー回転子装置を示す概略平面図である。
【図１４】実施の形態５における電磁石への通電電流の計算手順を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１：ファラデー素子
２：電磁石
３：支持枠
４：支持ゴム
１００：ファラデー回転子
１０１，１０２：偏光素子
１０３：磁気シールド
１０４：温度センサ
１０５：電源及び通電電流調整装置
１０６：通電電流指示装置
１０７：レーザ光透過エネルギー測定装置または発生エネルギーモニタ
【図１】
2009053356.tif 000006
【図２】
2009053356.tif 000007
【図３】
2009053356.tif 000008
【図４】
2009053356.tif 000009
【図５】
2009053356.tif 000010
【図６】
2009053356.tif 000011
【図７】
2009053356.tif 000012
【図８】
2009053356.tif 000013
【図９】
2009053356.tif 000014
【図１０】
2009053356.tif 000015
【図１１】
2009053356.tif 000016
【図１２】
2009053356.tif 000017
【図１３】
2009053356.tif 000018
【図１４】
2009053356.tif 000019