Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы
FARADAY ISOLATOR WITH VARIABLE DIRECTION OF MAGNETIC SYSTEM FIELD

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров ближнего и среднего ИК-диапазонов.
Принцип действия изоляторов Фарадея основан на эффекте поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитоактивную среду, помещенную в магнитное поле. Особенностью этого эффекта является его невзаимность, т.е. независимость направления вращения плоскости поляризации излучения от направления его распространения. Если обеспечить величину угла поворота плоскости поляризации в магнитооптическом элементе на 45 градусов на прямом проходе, то на обратном она довернется еще на 45 градусов в ту же сторону и, таким образом, станет ортогональной к исходной плоскости поляризации. Благодаря этому можно обеспечить поляризационную развязку и изолировать одну часть оптической схемы от другой.
Угол поворота плоскости поляризации ϕ излучения, проходящего через магнитооптический элемент, помещенный в магнитное поле, согласно закону Фарадея может быть рассчитан по формуле:
z
где V - постоянная Верде используемой магнитоактивной среды, L - длина магнитооптического элемента, H - проекция напряженности поля магнитной системы изолятора Фарадея на ее ось, z - координата, откладываемая на оси изолятора. Таким образом, для обеспечения заданного угла поворота необходимо создание магнитного поля требуемой напряженности в области магнитооптического элемента, величина которой определяется значением постоянной Верде среды и длиной элемента.
На практике обеспечить необходимый угол поворота плоскости поляризации в 45 градусов так, чтобы при этом удовлетворить требованиям к основным характеристикам изолятора, иногда бывает непросто из-за ограниченного значения величины постоянной Верде используемых магнитоактивных сред.
Существует ряд способов решить данную задачу. Одним из них является использование магнитных систем, в которых может быть обеспечена необходимая величина магнитного поля в достаточно протяженной области. Это довольно легко осуществить, используя в качестве магнитной системы соленоид (D.S. Zheleznov, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, E.A. Khazanov, A.V. Voitovich, Faraday rotators with short magneto-optical elements for 50 kW laser power, IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 43, 451-457, 2007). Согласно теореме о циркуляции удлинение обмотки соленоида при сохранении силы тока, протекающего через него, приведет к увеличению циркуляции напряженности магнитного поля. Для наглядности изменение профиля напряженности магнитного поля соленоида на его оси при удлинении его обмотки показано в верхнем ряду на фиг. 1. Как видно, за счет удлинения обмотки можно обеспечить удлинение области пространства с необходимой величиной поля. Таким образом, в этом случае, если постоянная Верде используемой магнитоактивной среды невелика, для обеспечения необходимого угла поворота достаточно просто использовать более длинные магнитооптические элементы и более длинные обмотки соленоидов.
Однако изоляторы Фарадея, использующие соленоиды в качестве магнитных систем практически не используются на данный момент в реальных лазерных системах вследствие их очевидных недостатков. Существенным недостатком такого устройства является импульсный режим его работы, что затрудняет его применение в лазерных установках, поскольку требует дополнительной синхронизации при работе с ним. Кроме того, пропускание мощных импульсов тока через соленоид может приводить к резким механическим смещениям различных элементов оптической схемы, что неприемлемо. Постоянная же работа данного устройства потребует организации отвода значительного количества выделяющегося тепла, т.к. требуется создание магнитных полей значительной напряженности. Также недостатком является и необходимость использования громоздких зарядных электрических батарей, благодаря которым возможно создание требуемых импульсов тока. Это влечет за собой дороговизну и громоздкость устройства и дополнительные трудности его эксплуатации.
В случае использования в магнитной системе изолятора Фарадея постоянных магнитов также существует несколько способов решения указанной проблемы. Они основаны на другом подходе вследствие ряда принципиальных отличий от случая использования соленоидов. Во-первых, согласно теореме о циркуляции циркуляция напряженности поля системы постоянных магнитов по любому замкнутому контуру, в том числе по контуру, проходящему по оси системы через бесконечность, равна нулю. Следствием этого является неизбежная смена направления поля в таких системах. Во-вторых, одномерное удлинение магнитной системы не обеспечивает удлинения области пространства с необходимой величиной поля. Для наглядности изменение профиля напряженности магнитного поля коаксиально намагниченного кольца на его оси при увеличении его толщины показано в нижнем ряду на фиг. 1. Для удлинения области пространства с необходимой величиной поля в случае системы постоянных магнитов требуется увеличение всех трех линейных размеров магнитной системы. Такой подход используется при разработке широкоапертурных изоляторов Фарадея (Е.А. Mironov, D.S. Zheleznov, A.V. Starobor, A.V. Voitovich, O.V. Palashov, A.M. Bulkanov, A.G. Demidenko, Large-aperture Faraday isolator based on a terbium gallium garnet crystal, Optics Letters, 40(12), pp. 2794-2797, 2015).
Недостатком этого метода в случае, если постоянная Верде используемой магнитоактивной среды невелика, является значительное увеличение массы и стоимости магнитной системы, которое зачастую неприемлемо, если не требуется увеличения световой апертуры изолятора.
Другим путем обеспечения необходимого угла поворота плоскости поляризации в изоляторе Фарадея является создание в магнитной системе поля высокой напряженности.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с переменным направлением магнитного поля, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа (Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов «Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ», Квант, электрон., 43:8 (2013), 740-743). Магнитная система изолятора Фарадея выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов, в ней создается поле напряженностью 2,5 Тесла. Постоянные магниты в конструкции магнитной системы изолятора прототипа представляют собой коаксиально и радиально намагниченные кольца, размеры и расположение которых тщательно подобраны с целью создания сильного магнитного поля в области магнитооптического ротатора. Магнитопроводы, расположенные внутри магнитной системы, позволяют концентрировать силовые линии магнитного поля, тем самым создавая локально в центре поле с еще более высокой напряженностью. Это позволило изготовить изолятор Фарадея с одним магнитооптическим ротатором, выполненным из кристалла ТГГ, длиной всего 9 мм.
Основным недостатком данной конструкции является труднопреодолимое ограничение по величине поля, которую можно получить в такой магнитной системе. На данный момент превзойти величину поля в 2,5-3 Тесла в системе такой конструкции чрезвычайно сложно в силу нескольких причин. Во-первых, это вызвано логарифмической зависимостью величины напряженности поля от отношения внешнего и внутреннего диаметров магнитной системы, т.е. дальнейшее увеличение напряженности поля требует неприемлемого увеличения массы и габаритов системы. Во-вторых, увеличение напряженности поля также затруднено вследствие эффекта размагничивания центральной части системы.
Таким образом, возникает ограничение снизу на величину постоянной Верде возможных для использования в изоляторах Фарадея сред. Это ограничение очень серьезное и его необходимо преодолеть, поскольку в последнее время имеется острая необходимость использования сред с относительно невысоким значением постоянной Верде в изоляторах Фарадея. Это связано с появлением сред с очень хорошими термооптическими характеристиками, но невысокими магнитооптическими свойствами (например, кристалл Tb:CaF2), которые можно использовать в создании изоляторов для мощных лазеров. Также бурное развитие лазеров с длиной волны ~2 мкм и более требует создания изоляторов Фарадея для них, способных работать при относительно больших мощностях. Проблема здесь состоит в том, что в этом диапазоне длин волн все известные магнитоактивные среды, которые могут быть использованы для создания изолятора (например, ZnSe, ZnS), обладают постоянной Верде в ~5-10 раз меньшей, чем у традиционно используемого кристалла ТГГ в случае длины волны 1 мкм. Т.е. описанный подход в данном случае неприемлем.
Недостатком подхода, применяемого при разработке изолятора прототипа, является неэффективное использование потенциала магнитов. Создавая магнитное поле высокой напряженности в некоторой области пространства системой постоянных магнитов, мы неизбежно создаем поле высокой напряженности с противоположным направлением в другой или других областях пространства в соответствии с теоремой о циркуляции. При использовании этих других областей пространства также по назначению можно создать компактные изоляторы Фарадея на базе постоянных магнитов, задействовав при этом магнитоактивные среды с невысокими значениями постоянной Верде (порядка 0,5 значения постоянной Верде для традиционного кристалла ТГГ и ниже). Особенность здесь состоит в том, что плоскость поляризации излучения в магнитооптических элементах, помещенных в магнитные поля с противоположными направлениями, будет вращаться в разные стороны. Однако поместив полуволновую пластинку между магнитооптическими элементами, расположенными в областях пространства с противоположными направлениями магнитного поля, можно обеспечить суммарный невзаимный угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе такой же, как если бы эти элементы были расположены в полях с такой же напряженностью, но одного направления.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, - реализовать возможность использования магнитоактивных сред с невысоким значением постоянной Верде для создания компактных недорогих изоляторов Фарадея с использованием магнитных систем на базе постоянных магнитов.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с переменным направлением магнитного поля достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из нескольких магнитооптических элементов, разделенных полуволновыми пластинками, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора, причем магнитная система организована таким образом, что соседние магнитооптические элементы помещены в противоположно направленные магнитные поля и при этом сумма модулей углов поворота плоскости поляризации во всех магнитооптических элементах равна 45 градусам.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что его магнитная система представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из двух магнитооптических элементов, в каждом из которых плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 22,5 градуса.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 новым является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из трех магнитооптических элементов, причем угол поворота плоскости поляризации излучения в центральном магнитооптическом элементе составляет 22,5 градуса, а в боковых по 11,25 градуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.
- на фиг. 3 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.
- на фиг. 4 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 3 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.
- на фиг. 5 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 4 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.
Разработанный изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 2, содержит магнитооптические элементы 1, помещенные в магнитную систему 2, магнитное поле которой меняет свое направление при движении вдоль ее оси. Соседние магнитооптические элементы 1 помещены в области вдоль оси магнитной системы 2 с магнитными полями противоположных направлений. Между каждой парой соседних магнитооптических элементов 1 расположена одна из полуволновых пластинок 3, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора 4. Сумма модулей углов поворота плоскости поляризации в магнитооптических элементах 1 равна 45 градусам. Магнитооптические элементы 1, разделенные полуволновыми пластинками 3, образуют магнитооптический ротатор предлагаемого изолятора Фарадея. С противоположной стороны от поляризатора 4 на оси изолятора Фарадея расположен анализатор 5, плоскость пропускания которого повернута на 45 градусов относительно плоскости пропускания поляризатора 4.
Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет компактно создать последовательность областей вдоль оси магнитной системы 2 с противоположными направлениями магнитного поля с необходимой величиной напряженности. При этом магнитооптический ротатор позволяет обеспечивать невзаимный угол поворота плоскости поляризации изучения такой же, как если бы магнитное поле не меняло своего направления и в конструкции магнитооптического ротатора отсутствовали полуволновые пластинки. Увеличение числа областей с необходимой величиной напряженности поля достигается за счет одномерного удлинения системы, т.е. является недорогим решением, позволяющим создавать компактные устройства.
Разработанный изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы работает следующим образом. Пучок лазерного излучения (в общем случае - неполяризованного) на прямом проходе через поляризатор 4 делится на нем на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 4 и далее не рассматривается. Оставшийся пучок проходит через первый по ходу распространения излучения из магнитооптических элементов 1, помещенных в магнитную систему 2, в результате чего плоскость поляризации его излучения поворачивается на некоторый угол. Далее пучок проходит через ближайшую по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3, оптические оси которых составляют 45 градусов с плоскостью пропускания поляризатора 4 (с исходной плоскостью поляризации излучения). На выходе из ближайшей по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3 плоскость поляризации излучения переходит в положение, которое является симметричным отражением плоскости поляризации на входе в нее относительно оптической оси ближайшей по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3. Далее пучок проходит через следующий из магнитооптических элементов 1, помещенный в поле с противоположным направлением относительно предыдущего. Соответственно, в нем плоскость поляризации излучения вращается на некоторый угол в направлении, противоположном направлению вращения в первом по ходу распространения из магнитооптических элементов 1, приближаясь к плоскости пропускания анализатора 5, которая составляет 45 градусов с плоскостью пропускания поляризатора 4. Подобные преобразования поляризации излучения повторяются такое же число раз, сколько магнитооптических элементов 1 находится в магнитной системе 2. После прохождения излучением последнего из магнитооптических элементов 1 плоскость его поляризации совпадет с плоскостью пропускания анализатора 5, вследствие чего излучение беспрепятственно выходит из изолятора. На обратном проходе через изолятор Фарадея пучок линейно поляризованного излучения в магнитооптических элементах 1 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего изначального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 4 отразится от него. Таким образом, будет обеспечена оптическая развязка излучения на прямом и обратном проходах.
За счет одномерного удлинения магнитной системы можно создать необходимое количество областей с требуемой величиной напряженности магнитного поля, а магнитооптический ротатор позволяет обеспечить требуемый угол невзаимного вращения плоскости поляризации в 45 градусов, что позволяет решить поставленную задачу, то есть создать компактный изолятор Фарадея на базе постоянных магнитов с использованием магнитоактивных сред с невысоким значением постоянной Верде.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 2 из коаксиально и радиально намагниченных колец (см. фиг. 3). Это обеспечит простоту устройства и удобство сборки магнитной системы. Кольца соединены таким образом, чтобы обеспечить высокую напряженность поля в областях расположения магнитооптических элементов. При этом магниты, расположенные вокруг областей вдоль оси магнитной системы 2, где магнитооптические элементы 1 отсутствуют, обеспечивают вклад в магнитные поля в обеих соседних областях расположения магнитооптических элементов 1 за счет смены направления поля, т.е. такая конструкция позволяет эффективно использовать поле намагниченных колец.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно использовать в магнитооптическом ротаторе два магнитооптических элемента 1, в каждом из которых плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 22,5 градуса (см. фиг. 4). При этом центральная часть магнитной системы 2 будет давать одинаковые вклады в противоположно направленные магнитные поля, в которых расположены магнитооптические элементы 1, тем самым будет обеспечено эффективное использование поля, создаваемого магнитами. Таким образом, предложенная конструкция изолятора Фарадея более эффективна с точки зрения использования магнитов, чем конструкция с одним магнитооптическим элементом. При этом магнитную систему можно организовать как на базе коаксиально и радиально намагниченных колец, так и используя более сложные конфигурации.
В третьем частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 целесообразно использовать в магнитооптическом ротаторе три магнитооптических элемента 1, причем конфигурацию магнитного поля создать таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации излучения в центральном магнитооптическом элементе составлял 22,5 градуса, а в боковых по 11,25 градуса (см. фиг. 5). В этом случае в качестве магнитной системы 2 можно использовать любую систему на базе постоянных магнитов, применяемую для создания традиционных изоляторов Фарадея, например, такую как в прототипе. Использование двух дополнительных магнитооптических элементов плюс к тому, что расположен в центре системы, позволит эффективнее использовать поле такой системы. При этом магнитную систему можно организовать как на базе коаксиально и радиально намагниченных колец, так и используя более сложные схемы, например, используя магнитопроводящие материалы и намагниченные кольца с неортогональными направлениями намагниченности.