Изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров большой мощности
FARADAY INSULATOR WITH CRYSTALLINE MAGNETOOPTICAL ROTATOR FOR HIGH POWER LASERS

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 магнитооптического ротатора (вращателя 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 оптическом элементе приводит к появлению в его объеме неоднородного распределения температуры. Вследствие этого неоднородное распределение по объему получат все оптические характеристики, зависящие от температуры. Градиент температуры приводит к появлению внутренних напряжений и термонаведенному двулучепреломлению, вызванному фотоупругим эффектом.
Кроме того, неоднородное распределение показателя преломления вкупе с изменением геометрических размеров оптического элемента приводит к искажению волнового фронта, называемому «тепловой линзой», но не изменяет поляризацию Проходящего излучения.
laser
laser
Термонаведенное двулучепреломление в каждой точке поперечного сечения изменяет как разность хода между собственными поляризациями, так и сами собственные поляризации, которые становятся эллиптическими, и это термонаведенное двулучепреломление растет при увеличении мощности лазерного излучения. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного луча вносит именно фотоупругий эффект (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея // Квантовая электроника, 26, №1, 1999, стр. 59-64). Термонаведенная деполяризация γ, вызванная фотоупругим эффектом, зависит от термооптической характеристики материала Q (А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов. Термооптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986), теплопроводности материала κ, параметра оптической анизотропии материала ξ длины волны лазерного излучения λ и полной выделившейся мощности внутри поглощающего оптического элемента W≈αLP, здесь α - коэффициент поглощения материала, L - длина оптического элемента, P - мощность проходящего через поглощающий оптический элемент излучения.
Зная постоянную Верде материала V и перечисленные выше термооптические характеристики, можно определить параметр магнитооптической добротности μ среды , который характеризует ее с точки зрения термонаведенной деполяризации при высокой средней мощности (Е.A. 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., vol. 35, no. 8, pp. 1116-1122, 1999). Чем больше μ, тем лучше магнитоактивная среда. Кристаллические среды существенно превосходят стеклянные по этому параметру, поэтому они более предпочтительны при разработке изоляторов Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения.
Существуют возможности уменьшения влияния поглощения мощного лазерного излучения в магнитооптическом ротаторе на характеристики изоляторов Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором.
Так, известен изолятор, направленный на повышение лучевой стойкости устройства при средней мощности лазерного излучения субкиловаттного уровня, содержащий магнитную систему и помещенный в ее магнитное поле магнитооптический ротатор. При этом магнитооптический ротатор охлаждается до температуры жидкого азота, что позволяет существенно повысить его постоянную Верде и термооптические свойства. Вследствие увеличения значения постоянной Верде, для обеспечения заданного угла поворота плоскости поляризации излучения длину магнитооптического ротатора можно существенно сократить. В результате удается значительно сократить величину поглощаемого тепла в изоляторе и проявление всех негативных тепловых эффектов (Железное Д.С., Войтович А.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Значительное уменьшение термооптических искажений в изоляторах Фарадея при их охлаждении до 77 К // Квантовая Электроника, 36, 2006, стр. 383-388). Недостатком такой конструкции является ее сложность и громоздкость, а также неудобства в эксплуатации, связанные с использованием жидкого азота.
Известен изолятор Фарадея для лазера с киловаттной средней мощностью, магнитооптический ротатор которого изготовлен в виде двух фарадеевских элементов, поворачивающих плоскость поляризации на 22,5° каждый, между которыми расположен взаимный оптический элемент в виде кварцевой пластины - взаимный кварцевый вращатель поляризации (Андреев Н.Ф. и др., Изолятор Фарадея с развязкой 45 дБ при средней мощности излучения 100 Вт // Квантовая электроника, 30, №12, 2000, стр. 1107-1108; I.B.Mukhin et al., Experimental Study of Kilowatt-Average-Power Faraday Isolator, ASSP, Technical Digest, 2007, TuB13). В таком изоляторе Фарадея обеспечивается частичная компенсация поляризационных искажений лазерного пучка, возникающих в первом фарадеевском элементе при прохождении излучения через второй фарадеевский элемент, что позволяет получить степень изоляции устройства более 20 дБ для лазера с киловаттной средней мощностью.
Основным недостатком такого устройства является сложная конструкция магнитооптического ротатора, состоящего как минимум из трех элементов, что существенно затрудняет настройку изолятора. Также недостатком описанного изолятора Фарадея является невозможность оптимального использования области пространства магнитной системы, в которой создается поле с наибольшей напряженностью. Поскольку оба упомянутых фарадеевских элемента должны поворачивать плоскость поляризации на одинаковые углы, они должны быть расположены в таких местах системы, в которых средняя напряженность поля одинакова. В силу симметрии системы, профиль поля также оказывается симметричным относительно ее центра, где напряженность максимальна. Таким образом, фарадеевские элементы должны располагаться на равном удалении от центра системы и между ними в области максимального поля должен быть помещен взаимный кварцевый вращатель. При этом расположение взаимного кварцевого вращателя в сильном магнитном поле также играет негативную роль. Поскольку кварц обладает слабыми магнитооптическими свойствами, это вызывает обусловленную эффектом Фарадея отстройку угла поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через него, на 1°-1,5°. Компенсация этой отстройки приводит к дополнительному усложнению оптической конструкции изолятора, а также к небольшим потерям мощности излучения на прямом проходе через него.
Другой возможностью борьбы с термонаведенной деполяризацией в изоляторах Фарадея с кристаллическими оптическими элементами является подбор таких магнитоактивных сред, комбинация магнитооптических и термооптических характеристик которых обеспечивает высокое значение параметра магнитооптической добротности.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров большой мощности, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор (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). В нем магнитооптический ротатор выполнен из кристалла тербий-галлиевого граната (ТГГ) с высоким значением магнитооптической добротности. Такой изолятор Фарадея с единственным магнитооптическим ротатором обеспечивает степень изоляции 30 дБ при максимально допустимой рабочей мощности ~650 Вт.
9
9.33
4
6
2
9.33
4
6
2
4
4
Недостатком изолятора Фарадея прототипа является невозможность увеличения его рабочей мощности при сохранении степени изоляции, что ограничивает сферу его применения. В изоляторе-прототипе используется оптически изотропный кубический кристалл ТГГ. Кристаллы ТГГ традиционно применяются в изоляторах Фарадея, используемых в мощных лазерных системах, поскольку технологии их выращивания хорошо отработаны и позволяют изготавливать магнитооптические элементы хорошего качества. Кристаллы ТГГ имеют достаточно высокие значения магнитооптических и термооптических характеристик, обеспечивающие значение магнитооптической добротности μ ~ 1.1⋅10 рад⋅Вт/Тл⋅м, которая, в свою очередь, определяет максимально допустимую рабочую мощность изолятора. В то же время известны магнитоактивные среды некубической сингонии, с лучшими значениями некоторых магнитооптических и термооптических характеристик. Например, кристалл Tb(SiO)O обладает в 2 раза большим значением постоянной Верде, чем кристалл ТГГ (Xin Chen, Zhongliang Gong, Hao Fu, Naifeng Zhuang, Wenhui Zhang, Xitong Xie, Feiyun Guo, Jianzhong Chen "Czochralski growth and Faraday rotation properties of Tb(SiO)O crystals", Journal of Crystal Growth, 418 (2015) p. 126-129), а кристалл ванадата тербия TbVO обладает 1,5-кратным преимуществом в значении постоянной Верде и 2-кратным преимуществом по теплопроводности по сравнению с ТГГ (Feiyun Guo, Xin Chen, Zhongliang Gong, Xiang Chen, Bin Zhao, Jianzhong Chen, "Growth and Faraday rotation characteristics of TbVO crystals", Optical Materials, 47 (2015) p. 543-547).
Среды некубической сингонии, которые являются оптически анизотропными, в изоляторах Фарадея не используются, поскольку вследствие линейного двулучепреломления собственные поляризации излучения, распространяющегося в такой среде, в общем случае являются эллиптическими, а не циркулярными, как в случае с оптически изотропной магнитоактивной средой. Параметры собственных поляризаций зависят от анизотропных свойств среды, и в общем случае организовать изоляцию излучения в таком устройстве становится невозможно. Однако в таких средах имеются выделенные направления (оптические оси), при распространении вдоль которых отсутствует линейное двулучепреломление. Т.е. использование таких кристаллов в изоляторах Фарадея требует довольно точной юстировки оси магнитооптического ротатора в направлении его оптической оси. Применение этих кристаллов в изоляторах Фарадея существенно расширит диапазон возможных для использования магнитоактивных сред. Это, в свою очередь, позволит использовать магнитоактивную среду с более высоким значением магнитооптической добротности, чем у известных изотропных сред, т.е. станет возможным уменьшить величину термонаведенной деполяризации и соответственно увеличить максимальную рабочую мощность изолятора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание изолятора Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором, в котором будет возможно увеличить по сравнению с прототипом либо степень изоляции устройства при фиксированной максимально допустимой рабочей мощности, либо максимально допустимую рабочую мощность при фиксированной степени изоляции.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, кристаллический магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что магнитооптический ротатор изготовлен из кристалла некубической сингонии, а его ось совпадает с ориентацией оптической оси кристалла.
В первом частном случае реализации изобретения по п. 2 новым является то, что ориентация кристаллографических осей магнитооптического ротатора относительно плоскости поляризации входного излучения выбрана таким образом, чтобы обеспечить минимум термонаведенной деполяризации.
Во втором частном случае реализации изобретения по п. 2 новым является то, что магнитооптический ротатор и магнитная система помещены в криостат.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.
Разработанный изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит кристаллический магнитооптический ротатор 1, выполненный из кристалла некубической сингонии и помещенный в магнитную систему 2. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 3 и анализатор 4, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора 1. Оптическая ось кристалла некубической сингонии, из которого изготовлен магнитооптический ротатор 1, ориентирована вдоль оси изолятора и совпадает с направлением распространения излучения (направлением вектора к на фиг. 1).
Организация изоляции оптического излучения в такой конфигурации устройства становится возможна благодаря тому, что собственные поляризации излучения, распространяющегося вдоль оптической оси магнитоактивного анизотропного кристалла, помещенного в продольное магнитное поле, являются циркулярными, а не эллиптическими. В результате, распространение линейно поляризованного лазерного излучения в такой среде может быть представлено как поворот плоскости поляризации излучения вокруг оптической оси, т.е. в данном случае ситуация полностью аналогична распространению излучения в изотропной магнитоактивной среде. Расчеты показывают, что для характерных значений разности показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в анизотропных средах допустимая отстройка направления распространения луча в изоляторе Фарадея от направления оптической оси кристалла, из которого изготовлен магнитооптический ротатор, составляет 1°-2° для обеспечения степени изоляции в 30 дБ.
Разработанный изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров большой мощности работает следующим образом. Лазерный пучок (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе через поляризатор 3 делится на нем на два ортогонально поляризованных пучка. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 3 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный пучок проходит через магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на некоторый угол. При прохождении через кристаллический магнитооптический ротатор 1 пучок приобретает поляризационные искажения, обусловленные тепловыми эффектами и качеством кристалла. Компонента пучка с неискаженной поляризацией беспрепятственно проходит сквозь анализатор 4, а деполяризованная компонента отражается им и выводится из схемы. На обратном проходе через изолятор Фарадея линейно поляризованный пучок в магнитооптическом ротаторе 1 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего изначального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 3 отразится от него, т.е. не пойдет по пути прямого луча. Однако его деполяризованная компонента пройдет сквозь поляризатор 3 и будет определять основную характеристику изолятора Фарадея - степень изоляции. При этом, поскольку магнитооптический ротатор 1 изготовлен из анизотропного магнитоактивного кристалла с более высоким значением магнитооптической добротности, чем у прототипа, величина термонаведенной деполяризации может быть уменьшена.
Величина термонаведенной деполяризации, определяющей степень изоляции прибора, определяется выражением
где λ и Р - длина волны и мощность излучения, L, α, κ, Q - соответственно длина, коэффициент поглощения, теплопроводность, термооптическая постоянная среды, для гауссова распределения пучка коэффициент А=0,014 (Е.A. 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., vol. 35, no. 8, pp. 1116-1122, 1999).
9.33
4
6
2
4
Пользуясь этой формулой и значениями магнитооптических и термооптических характеристик конкретного анизотропного кристалла, можно оценить эффект от его использования. Так, например, можно заключить, что использование таких кристаллов некубической сингонии, как Tb(SiO)O и TbVO, упомянутых выше, позволяет при фиксированной степени изоляции увеличить максимально допустимую рабочую мощность изолятора Фарадея в 2-3 раза по сравнению с изоляторами, основанными на кубическом кристалле ТГГ (при сравнимом качестве кристаллов) за счет лучших термооптических и магнитооптических характеристик. Во-первых, большее значение постоянной Верде позволяет использовать более короткий магнитооптический ротатор 1, за счет чего снизить тепловыделение в нем и, соответственно, проявление всех тепловых эффектов, а, во-вторых, большее значение теплопроводности также позволяет снизить термонаведенную деполяризацию. Таким образом, если проводить сравнение с изолятором прототипом, следует вывод о возможности создания изолятора Фарадея с максимально допустимой рабочей мощностью порядка 1,5-2 кВт (при равной степени изоляции) без необходимости организации компенсации термонаведенной деполяризации и криогенного охлаждения, т.е. уже при реализации изобретения по п. 1 формулы.
min
max
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно выбрать ориентацию кристаллографических осей магнитооптического ротатора 1 относительно плоскости поляризации входного излучения таким образом, чтобы обеспечить минимум термонаведенной деполяризации. Величина термонаведенной деполяризации определяется не только параметром магнитооптической добротности материала и мощностью проходящего излучения, а еще и ориентацией кристаллографических осей относительно плоскости поляризации (E, k) входного излучения (см. фиг. 1). В зависимости от угла между кристаллографическими осями и плоскостью поляризации величина термонаведенной деполяризации меняется в диапазоне от γ до γ (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея // Квантовая электроника, 26, №1, 1999, стр. 59-64). Величина этого диапазона зависит от значений коэффициентов фотоупругого тензора магнитоактивной среды. Таким образом, разумно обеспечить минимум термонаведенной деполяризации поворотом магнитооптического ротатора 1 вокруг оптической оси в соответствующее положение. В данном случае будет обеспечена максимальная степень изоляции или допустимая рабочая мощность.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно поместить магнитооптический ротатор и магнитную систему в криостат. Охлаждение элемента приводит к увеличению магнитооптической добротности материала магнитооптического ротатора, а охлаждение магнитов дает увеличение напряженности магнитного поля в системе. Увеличение магнитооптической добротности позволит снизить величину термонаведенной деполяризации, а увеличение магнитного поля позволит использовать магнитооптический ротатор 1 меньшей длины, что приведет к уменьшению тепловыделения в нем и, соответственно, уменьшению всех паразитных тепловых эффектов. Таким образом, оба эти эффекта позволяют дополнительно увеличить степень изоляции или допустимую рабочую мощность изолятора.
Таким образом, несмотря на то, что использование кристаллов с некубической сингонией в изоляторах Фарадея требует довольно точной юстировки оси магнитооптического ротатора в направлении его оптической оси, предлагаемое изобретение позволяет существенно снижать величину термонаведенной деполяризации в изоляторе Фарадея, что, соответственно, позволяет либо увеличить степень изоляции устройства при фиксированной максимально допустимой рабочей мощности, либо увеличить максимально допустимую рабочую мощность при фиксированной степени изоляции по сравнению с прототипом, то есть решить поставленную задачу.