Изолятор Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений
FARADAY ISOLATOR WITH COMPENSATION OF AXIALLY SYMMETRICAL POLARIZATION DISTORTIONS

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной средней мощностью излучения.
Основной проблемой, препятствующей разработке и созданию изоляторов Фарадея для лазеров с большой средней мощностью, является наличие поляризационных искажений лазерного луча как на прямом, так и на обратном проходе через магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) в изоляторе Фарадея, обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейшей характеристики изолятора Фарадея - степени изоляции.
Поглощение излучения в магнитооптическом ротаторе вызывает неоднородное по поперечному сечению распределение температуры, что приводит к возникновению трех негативных тепловых эффектов. Во-первых, в результате зависимости показателя преломления от температуры возникают искажения волнового фронта («тепловая линза»). Во-вторых, наряду с циркулярным двулучепреломлением (эффект Фарадея) появляется и линейное, связанное с механическими напряжениями из-за градиента температуры (фотоупругий эффект) и приводящее к поляризационным искажениям (Хазанов Е.А., Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея, «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр. 59-64). В-третьих, зависимость постоянной Верде от температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота по поперечному сечению ротатора и, соответственно, к возникновению аксиально-симметричных поляризационных искажений. Фотоупругий эффект и зависимость постоянной Верде от температуры приводят к ухудшению степени изоляции устройства и снижению его предельно допустимой рабочей мощности.
Если для борьбы с поляризационными искажениями, вызванными фотоупругим эффектом, разработаны и опробованы эффективные методы компенсации и подавления, то для борьбы с аксиально-симметричными поляризационными искажениями сделано намного меньше. Связано это с тем, что для наиболее популярного кристалла тербий-галлиевого граната (TGG) величина поляризационных искажений, вызванных фотоупругим эффектом, значительно превышает величину искажений, обусловленных зависимостью постоянной Верде от температуры (Е.А. Khazanov, О.V. Kulagin, S. Yoshida, D.В. Tanner, and D.H. Reitze, "Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet", IEEE J. Quantum Electron. 35, 1116-1122 (1999)). Ho, во-первых, стали известны перспективные магнитоактивные кристаллы, в которых такое соотношение не выполняется (R. Yasuhara, I. Snetkov, A. Starobor, Е. Mironov, and О. Palashov, "Faraday rotator based on TSAG crystal with <001> orientation", Optics Express, 24 (14), pp. 15486-15493, (2016)), а во-вторых, развитие технологий компенсации приводит к тому, что зависимость постоянной Верде от температуры начинает играть все более существенную роль.
Одним из методов решения данной проблемы является охлаждение магнитооптического ротатора при помощи оптических элементов с высокой теплопроводностью, находящихся в оптическом контакте с его торцевыми поверхностями (Zheleznov D.S., Starobor A.V., Palashov О.V., Khazanov Е.A Cryogenic Faraday isolator with a disk-shaped magneto-optical element (Journal of Optical Society of America B» 29, 2012, стр. 786-792). Благодаря этому удается не только увеличить теплоотвод от магнитооптического ротатора, но и значительно сократить значения градиентов температуры в поперечном направлении относительно оси ротатора за счет перенаправления потока тепла в продольном направлении. Уменьшение поперечного градиента температуры приводит к меньшей величине ее неоднородности и, соответственно, к меньшей величине поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры. Основным недостатком таких изоляторов является сложность конструкции магнитооптического ротатора, которая требует наличия высококачественных оптических контактов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки.
Другим методом, эксплуатирующим эту идею, является использование дисковых магнитооптических элементов в составе магнитооптического ротатора, охлаждаемых с торцевых поверхностей ламинарным потоком охлажденного газа (И.Б. Мухин, Е.А. Хазанов, "Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью", Квантовая Электроника, 34, №10, 973-978, 2004). Однако громоздкость, сложность конструкции, дороговизна эксплуатации делает применение таких устройств нецелесообразным в подавляющем большинстве случаев.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа (Е.А. Mironov, A.V. Voitovich,, A.V. Starobor, O.V. Palashov, "Compensation of polarization distortions in Faraday isolators by means of magnetic field inhohmogeneity" Applied Optics, 53 (16), pp. 3486-3491, (2014)). Магнитная система изолятора прототипа выполнена таким образом, что в области расположения магнитооптического ротатора создается поперечная неоднородность поля, связанная со спадом напряженности при удалении от оси системы. Таким образом, угол вращения плоскости поляризации излучения в такой системе при отсутствии оптического нагрева на оси изолятора будет больше, чем при удалении от нее (приближении к краю апертуры). При нагреве магнитооптического ротатора лазерным пучком его центральная часть нагревается сильнее, чем периферийные области, за счет теплоотвода через боковую поверхность при помощи теплопроводящего держателя. Величина постоянной Верде падает с ростом температуры, поэтому в однородном магнитном поле угол вращения плоскости поляризации на оси изолятора будет меньше. Таким образом, в изоляторе прототипе два негативных эффекта, приводящих по отдельности к появлению аксиально-симметричных поляризационных искажений компенсируют друг друга, тем самым позволяя повысить максимально допустимую рабочую мощность при сохранении степени изоляции устройства.
Недостатком изолятора Фарадея прототипа является сложная конструкция магнитной системы, которая создает необходимый профиль магнитного поля. Кроме того такой подход хорошо работает только при использовании достаточно широких лазерных пучков, радиус которых приближается к размеру апертуры. Узкие лазерные пучки создают локализованную в центральной части магнитооптического ротатора неоднородность температуры, которая приводит к локализованным там же поляризационным искажениям, которые невозможно скомпенсировать таким путем, поскольку невозможно создать соответствующую неоднородность магнитного поля. Использование же широких пучков в мощных лазерах не всегда возможно, поскольку сопряжено с увеличением риска задеть пучком апертуру устройства и повредить его мощным излучением.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является компенсация аксиально-симметричных поляризационных искажений в изоляторе Фарадея, что может быть использовано как для увеличения степени изоляции устройства, так и для увеличения его максимально допустимой рабочей мощности.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, помещенный в поле, создаваемое магнитной системой, и анализатор.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из последовательно расположенных магнитооптического элемента, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 45 градусов в одном направлении, фазовой пластинки с разностью хода λ/6, магнитооптического элемента, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположном направлении, и еще одной фазовой пластинки с разностью хода λ/6, причем магнитная система организована таким образом, что в местах размещения магнитооптических элементов направления магнитного поля противоположны.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что его магнитная система выполнена с использованием постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что его магнитная система представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.
- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы.
Разработанный изолятор Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический ротатор 1, состоящий из последовательно расположенных вдоль оптической оси изолятора магнитооптического элемента 2, обеспечивающего вращение плоскости поляризации излучения на 45 градусов в одном направлении, фазовой пластинки 3 с разностью хода λ/6, магнитооптического элемента 4, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположном направлении, и еще одной фазовой пластинки 5 с разностью хода λ/6. Магнитооптический ротатор помещен в такое создаваемое магнитной системой 6 поле, что в областях размещения магнитооптических элементов 2 и 4 направления магнитного поля противоположны. Магнитооптическим элементам 2 и 4 подбирают соответственно такие характеристики, что при помещении в такое создаваемое магнитной системой 6 поле магнитооптический элемент 2 вращает плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на 45 градусов в одну сторону, а магнитооптический элемент 4 на 90 градусов в противоположную сторону. Снаружи магнитной системы 6, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 7 и анализатор 8, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора.
Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить его степень изоляции и/или максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет того, что при таком построении оптической схемы изолятора аксиально-симметричные поляризационные искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры, приобретенные мощным лазерным излучением при прохождении через магнитооптический элемент 2, компенсируются при прохождении через магнитооптический элемент 4.
Разработанный изолятор Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений работает следующим образом. Лазерный пучок (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе через поляризатор 7 делится на нем на два ортогонально поляризованных пучка. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 7 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный пучок проходит через магнитооптический элемент 2, помещенный в магнитную систему 6, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на угол 45 градусов, но при прохождении через магнитооптический элемент 2 пучок приобретает поляризационные искажения вследствие неравномерного распределения температуры по поперечному сечению, вызванного поглощением излучения в среде, и зависимости постоянной Верде от температуры. Центральная область магнитооптического элемента 2 нагревается сильнее периферийных областей и, вследствие убывания постоянной Верде с ростом температуры, угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через нее, меньше.
Дальнейшее преобразование поляризации излучения опишем при помощи формализма матриц Джонса. Матрица Джонса магнитооптического элемента 2 с учетом малого возмущения ε, вызванного его неоднородным нагревом, записывается следующим образом:
Далее излучение проходит через фазовую пластинку 3. Без ограничения общности будем полагать, что оптические оси фазовых пластинок 3 и 5 совпадают с плоскостью пропускания поляризатора 7. В противном случае принцип работы предлагаемого изолятора останется таким же за тем исключением, что плоскость пропускания анализатора должна быть подобрана таким образом, чтобы совпадать с плоскостью поляризации излучения на выходе из пластинки 5. Расчет выходной поляризации в этом случае выполняется аналогично приводимым ниже расчетам. Матрица Джонса фазовой пластинки 3 в случае, если ее оптическая ось совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 7, выглядит следующим образом:
1
Затем излучение проходит через магнитооптический элемент 4, обеспечивающий вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположную сторону по отношению к вращению плоскости поляризации в магнитооптическом элементе 2. В данном случае угол поворота в матрице Джонса будет иметь противоположный знак, чем в матрице R. В нем наводятся такая же поперечная неоднородность температуры (т.к. в приближении стержня она не зависит от его длины), следовательно, его матрица Джонса записывается как:
3
Наконец, излучение проходит через фазовую пластинку 4, матрица Джонса которой идентична F:
Поляризация на выходе из фазовой пластинки 4 можно рассчитать как
где  - поляризация на выходе из поляризатора 7. Введем базис, в котором поляризация  представлена в виде вектора . Тогда, подставляя все матрицы в выражение и проводя необходимые вычисления, можно убедиться, что на выходе из фазовой пластинки 4 поляризация излучения с точностью до членов второго порядка малости по ε совпадает с поляризацией на выходе из поляризатора 7 (). Таким образом, если ориентировать плоскость пропускания анализатора 8 так же, как и плоскость пропускания поляризатора 7, то излучение пройдет сквозь него без потерь (с точностью до членов второго порядка малости по ε). На обратном проходе через анализатор 8 пройдет поляризация , которая
На входе в поляризатор 7 на обратном проходе войдет поляризация , которую можно рассчитать из  и матриц Джонса оптических элементов
Проводя необходимые вычисления, можно убедиться, что она с точностью до членов второго порядка малости по ε ортогональна , таким образом, она с этой точностью полностью отразится от поляризатора 7 и будет выведена из схемы, т.е. не пройдет через изолятор на обратном проходе.
Таким образом, аксиально-симметричные поляризационные искажения, наводимые в магнитооптических элементах вследствие зависимости постоянной Верде от температуры, полностью компенсируются в первом приближении, что позволяет решить поставленную задачу, то есть повысить степень изоляции устройства и/или его максимально допустимую рабочую мощность.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 6 из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов без использования электромагнитов. В этом случае требуемая конфигурация магнитного поля со сменой его направления создается сама, в то время как в случае с электромагнитами магнитная система требует дополнительных расчетов. На фиг. 2 показан характерный график напряженности магнитного поля на оси системы постоянных магнитов. Поскольку будут отсутствовать токи проводимости, согласно теореме о циркуляции, интеграл от величины напряженности магнитного поля на оси системы, взятый от минус бесконечности до плюс бесконечности, будет равен нулю. Т.е. интеграл от напряженности поля, взятый по области с положительным значением проекции напряженности будет равен интегралу, взятому по областям с отрицательным значением этой проекции. Если при этом магнитная система обладает центральной симметрией, то интеграл, взятый по области с положительным значением проекции напряженности, будет в два раза превосходить интеграл, взятый по одной области с отрицательным значением проекции. Поскольку величина угла поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через магнитооптический элемент, пропорциональна значению интеграла напряженности поля, взятого по длине магнитооптического элемента, в данном случае можно подобрать так магнитооптические элементы ротатора 2 и 4, что, будучи помещенными в соседние области с различными направлениями магнитного поля, магнитооптический элемент 2 будет поворачивать плоскость поляризации на 45 градусов в одном направлении, а магнитооптический элемент 4 на 90 градусов в обратном. При этом длины магнитооптических элементов 2 и 4 будут близки.
Во частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно изготовить магнитную систему 6 из коаксиально и радиально намагниченных колец. Кольца соединены таким образом, чтобы обеспечить высокую напряженность поля в областях расположения магнитооптических элементов. Это обеспечит простоту устройства и удобство сборки магнитной системы.