ИЗОЛЯТОР ФАРАДЕЯ ДЛЯ НЕПОЛЯРИЗОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
FARADAY ISOLATOR FOR NON-POLARIZED LASER RADIATION

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с неполяризованным излучением с субкиловаттной средней мощностью.
В некоторых лазерных установках, в том числе лазерных генераторах и усилителях, представляется более удобным работать с неполяризованным излучением, что увеличивает эффективность и облегчает возможность настройки оборудования. Однако для них все также актуальной является проблема экранирования устройств от обратного излучения. Традиционно применяющиеся изоляторы, основанные на эффекте Фарадея, работают с поляризованным излучением, поэтому приходится либо отбрасывать половину излучения, либо ставить параллельно два устройства, работающие каждый со своей линейной поляризацией. Первый путь приводит к потере половины мощности излучения, второй усложняет конструкцию и приводит к увеличению габаритов изолятора.
Основной проблемой, ограничивающей применение изоляторов Фарадея в лазерах с большой средней мощностью излучения, является неизбежное тепловыделение в магнитооптических элементах, вызванное поглощением лазерного излучения при прохождении через них. Тепловыделение приводит к неоднородному распределению температуры по поперечному сечению магнитооптического элемента, в результате чего возникают искажения волнового фронта проходящего излучения ("тепловая линза") и неоднородное распределение угла поворота его плоскости поляризации, вызванное зависимостью постоянной Верде от температуры. Также наряду с циркулярным двулучепреломлением появляется и линейное, связанное с механическими напряжениями, обусловленными градиентом температуры (фотоупругий эффект). Поляризационные искажения лазерного пучка с субкиловаттной средней мощностью, появляющиеся при проходе через магнитооптический элемент, снижают важнейшую характеристику устройства - степень изоляции. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит так называемая термонаведенная деполяризация, обусловленная фотоупругим эффектом (Е.А. Хазанов. "Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея". Квант. электрон., 26:1 (1999), 59-64).
Известны несколько конструкций изоляторов Фарадея, работающих с неполяризованным лазерным излучением с мощностью, превышающей 100 Вт. Все они состоят из того или иного вида поляризационного расщепителя пучка на входе устройства, поляризационного соединителя пучка на выходе и двух магнитооптических ротаторов плоскости поляризации и двух полуволновых пластин, помещенных в каждый из пучков. Магнитооптический ротатор состоит из магнитооптического элемента, помещенного в магнитную систему, состоящую из аксиально и радиально намагниченных колец. Так, например, в изоляторе, описанном в работе К. Никлауса [Nicklaus K. «Optical isolator for unpolarized laser radiation at multi-kilowatt average power» // Adv. Solid-State Photonics. 2006. C. 5-7], расщепитель пучка представляет собой два параллельных тонкопленочных поляризатора. Первый из них пропускает пучок с вертикальной поляризацией и отражает пучок с горизонтальной поляризацией, а второй, размещенный в отраженном от первого поляризатора горизонтальном пучке, отражает его параллельно пучку с вертикальной поляризацией. Поляризационный соединитель устроен аналогично, но работает в обратном направлении. Пучки проходят через два независимых магнитооптических ротатора, содержащих каждый цилиндрический магнитооптический элемент в аксиально симметричной магнитной системе. Полуволновые пластины устанавливаются таким образом, чтобы на прямом проходе после магнитооптических ротаторов поляризация была перпендикулярной поляризации на выходе из расщепителя в каждом из пучков.
Другая известная конструкция [Nicklaus K., Langer Т. «Faraday isolators for high average power fundamental mode radiation» // Solid State Lasers XIX: Technology and Devices / Под ред. W.A. Clarkson et al., 2010. C. 75781U-75781U-10] аналогична предыдущей за исключением того, что магнитооптические элементы находятся в общей магнитной системе. Данная конструкция является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции. Изолятор Фарадея (прототип) содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризационный расщепитель, два магнитооптических цилиндрических элемента, установленных в общей магнитной системе, полуволновую пластину и поляризационный соединитель пучка. Магнитная система изолятора Фарадея выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов.
Недостатками вышерассмотренной конструкции изолятора Фарадея (прототипа) являются сложность конструкции и настройки магнитооптических элементов, а также относительно высокий уровень деполяризации при работе с мощным лазерным излучением.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности изолятора Фарадея, эксплуатируемого в лазерных системах с неполяризованным излучением, при сохранении заданной степени изоляции и без значительного усложнения его оптической конструкции.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея для неполяризованного лазерного излучения достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризационный расщепитель пучка, магнитооптический ротатор, представляющий собой магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, полуволновую пластину и поляризационный соединитель пучка.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что поляризационный расщепитель пучка, магнитооптический элемент и поляризационный соединитель пучка выполнены и установлены таким образом, что два лазерных пучка с ортогональными поляризациями проходят через упомянутый магнитооптический элемент параллельно на определенном расстоянии друг от друга.
Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить его степень изоляции и максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет того, что два пучка, пропущенные параллельно на определенном расстоянии друг от друга через один магнитооптический элемент, оказывают взаимное тепловое влияние друг на друга, тем самым уменьшая градиент температуры в области между пучками и, соответственно, упругие напряжения, обуславливающие возникновение термонаведенной деполяризации. Численные расчеты, проведенные авторами, подтверждают это и показывают, что термонаведенная деполяризация, наведенная в магнитооптическом элементе при прохождении через него двух пучков, оказывается меньше, чем термонаведенная деполяризация в цилиндрическом магнитооптическом элементе при прохождении через него одного из этих пучков, что также подтверждено экспериментально.
Для разработанного изолятора Фарадея целесообразно изготовить аксиально симметричную магнитную систему с круглой апертурой на основе традиционной коаксиально симметричной системы постоянных магнитов, для которой разработан ряд эффективных методов создания поля с высокой напряженностью. Расщепитель пучка и соединитель пучка изготовлены в виде симметричных наклонных призм из двулучепреломляющей среды (например, исландского шпата) с оптической осью, перпендикулярной оси распространения света, которые превращают неполяризованный свет на входе в два пучка с ортогональной линейной поляризацией на выходе на расстоянии, определяемом параметрами призм и длиной волны излучения. Полуволновая пластина устанавливается таким образом, чтобы на прямом проходе после магнитооптического ротатора поляризация в каждом из пучков была ортогональной поляризации, получаемой на выходе из расщепителя.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея целесообразно выполнить магнитооптический элемент в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением, тем самым убрав неиспользуемые области магнитооптического элемента, при этом экономится объем элемента и уменьшается количество затраченного на элемент материала.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея с магнитооптическим элементом прямоугольного сечения целесообразно изготовить магнитную систему с прямоугольной апертурой путем заполнения центральных областей аксиально симметричной магнитной системы, через которые не проходит лазерный пучок, цилиндрическими сегментами постоянных магнитов с намагниченностями, ориентированными вдоль и поперек оси магнитной системы. Это позволяет увеличить напряженность магнитного поля в месте расположения магнитооптического элемента, что дает возможность сократить длину магнитооптического элемента, уменьшив тем самым тепловыделение и, следовательно, проявление негативных тепловых эффектов в изоляторе Фарадея.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы на прямом проходе излучения.
- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы на обратном проходе излучения.
- на фиг. 3 представлена в разрезе в двух сечениях схема магнитной системы разработанного изолятора Фарадея с магнитооптическим элементом в соответствии с пунктами 2 и 3 формулы.
Разработанный изолятор Фарадея для неполяризованных лазерных пучков в соответствии с п. 1 формулы, представленный на фиг. 1, 2, содержит магнитооптический ротатор, состоящий из магнитооптического элемента 2, помещенного в магнитную систему 3, через который проходят два лазерных пучка. Снаружи магнитной системы 3 вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризационный расщепитель пучка 1 и симметричный поляризационный соединитель пучка 5, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора, а также полуволновая пластина 4, расположенная между магнитооптическим ротатором и соединителем пучка.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы, представленном на фиг. 3, его магнитооптический элемент 2 выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 3 формулы, также представленном на фиг. 3, его магнитная система 3 изготовлена с прямоугольной апертурой. В качестве ее основы используется традиционная коаксиально симметричная система постоянных магнитов. Области 6 магнитной системы 3, через которые не проходит лазерный пучок, заполнены цилиндрическими сегментами постоянных магнитов, при этом упомянутые цилиндрические сегменты 7 с намагниченностями, ориентированными вдоль оси магнитной системы, чередуются с сегментами 8 с намагниченностями, ориентированными поперек оси магнитной системы.
Разработанный изолятор Фарадея для неполяризованного лазерного излучения с одним оптическим элементом работает следующим образом. Неполяризованный мощный лазерный пучок на прямом проходе через изолятор (см. фиг. 1) попадает на поляризационный расщепитель пучка 1, где разделяется на два пучка с ортогональными поляризациями: с горизонтальной линейной поляризацией и вертикальной линейной поляризацией, идущие параллельно падающему пучку. Затем оба пучка проходят параллельно на определенном расстоянии друг от друга (не перекрывая друг друга) через магнитооптический элемент 2, помещенный в магнитную систему 3, в результате чего их плоскости поляризации на выходе магнитооптического элемента 2 поворачиваются на 45 градусов. Далее оба пучка проходят через полуволновую пластину 4, которая поворачивает их плоскости поляризации на 45 градусов в ту же сторону, тем самым приводя их к виду, ортогональному начальному (на выходе расщепителя 1). При прохождении мощного лазерного излучения через магнитооптический элемент 2 пучки приобретают поляризационные искажения вследствие фотоупругого эффекта, вызванного поглощением излучения в среде. Пучки с неискаженной поляризацией складываются на поляризационном соединителе 5 и неполяризованный пучок мощного лазерного излучения используется далее по назначению, а деполяризованное излучение соединителем 5 выводится из схемы.
На обратном проходе через изолятор Фарадея (см. фиг. 2) неполяризованный пучок на поляризационном соединителе 5 разделяется на два пучка с ортогональными поляризациями: с горизонтальной линейной поляризацией и вертикальной линейной поляризацией, идущие параллельно падающему пучку. Затем на полуволновой пластине 4 их плоскости поляризации поворачиваются на -45 градусов. При прохождении магнитооптического элемента 2 пучки с ортогональными поляризациями получают дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в противоположном направлении (таким образом сохраняя направления поляризации после выхода из соединителя 5) и при прохождении расщепителя 1 выводятся из схемы, т.е. не пойдут по пути прямого луча. Однако деполяризованные компоненты пучков сложатся на расщепителе 1 и будут определять основную характеристику изолятора Фарадея - степень изоляции.
Поскольку через магнитооптический элемент 2 проходят два параллельных лазерных пучка разных поляризаций, то, как установлено авторами, термонаведенная деполяризация, наведенная в нем, оказывается меньше, чем термонаведенная деполяризация в круглом магнитооптическом элементе при прохождении через него одного из этих пучков. Численные оценки показывают, что замена магнитооптического ротатора из двух круглых в сечении магнитооптических элементов одним, через который проходят два пучка, позволяет уменьшить величину интегральной термонаведенной деполяризации на 40-60% в зависимости от поперечного профиля исходного лазерного пучка.
Таким образом, поляризационные искажения в изоляторе Фарадея для неполяризованного лазерного излучения с одним магнитооптическим элементом оказываются меньше по сравнению с прототипом, что позволяет решить поставленную задачу, то есть повысить максимально допустимую рабочую мощность изолятора Фарадея.
2
2
Особенностью предлагаемого изолятора Фарадея по п. 2 формулы является то, что его магнитооптический элемент выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением, что приводит к более рациональному использованию объема магнитооптического элемента и экономии материала, используемого при его изготовлении. При замене цилиндрического магнитооптического элемента с радиусом R на параллелепипед с апертурой с шириной 2R и высотой R той же длины происходит уменьшение объема магнитооптической среды, используемой для изготовления магнитооптического элемента, равное отношению площадей оптических поверхностей элементов. Площадь оптической поверхности цилиндрического элемента πR, а площадь оптической поверхности элемента с прямоугольным сечением 2R, что дает уменьшение объема элемента в π/2≈1,57 раз.
Особенностью предлагаемого изолятора Фарадея по п. 3 формулы является то, что его магнитная система изготовлена с прямоугольной апертурой путем заполнения ее центральных областей 6, через которые не проходит лазерный пучок, цилиндрическими сегментами 7 и 8 постоянных магнитов с намагниченностями, ориентированными вдоль и поперек оси магнитной системы 3. Это приводит к увеличению напряженности магнитного поля в области магнитооптического элемента 2, за счет чего его можно укоротить и снизить величину наведенной в нем термодеполяризации.
Цилиндрические сегменты 7 с намагниченностями, ориентированными вдоль оси магнитной системы 3, чередуются с сегментами 8 с намагниченностями, ориентированными поперек оси магнитной системы 3.
Расчет показывает, что такое заполнение позволяет увеличить напряженность поля в области магнитооптического элемента 2 на ~10%. Увеличение напряженности поля магнитной системы позволяет сократить длину магнитооптического элемента 2 на ~10%. А поскольку величина термонаведенной деполяризации пропорциональна квадрату длины магнитооптического элемента 2 (Е.А. Khazanov, O.V. Kulagin, S.Y. Yoshida, D.B. Tanner, D.H. Reitze "Investigation of self-induced depolarization in terbium gallium garnet", IEEE Journal of Quantum electronics, 50(8), 1999), ее удается снизить на ~20%.