ИЗОЛЯТОР ФАРАДЕЯ С НЕОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
FARADAY ISOLATOR WITH INHOMOGENEOUS MAGNETIC FIELD 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 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. Два последних эффекта приводят к ухудшению степени изоляции устройства и снижению его предельно допустимой рабочей мощности.
Конфигурация магнитного поля внутри магнитной системы изолятора Фарадея является важной характеристикой этого устройства, поскольку она также может существенным образом влиять на его степень изоляции. Особенностью магнитных систем изоляторов Фарадея является наличие в них отверстия для пропускания лазерного излучения, в результате чего создание однородных по поперечному сечению апертуры магнитных полей становится затруднительным. В большинстве случаев неоднородность магнитного поля рассматривается как негативный фактор, потому что она служит дополнительным источником деполяризации проходящего через изолятор излучения.
Существует ряд методов, направленных на уменьшение влияния поглощения мощного лазерного излучения в магнитооптическом ротаторе на характеристики изоляторов Фарадея с неоднородным магнитным полем. 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 (Железнов 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.
Другим подходом к решению данной проблемы является охлаждение магнитооптического ротатора при помощи оптических элементов с высокой теплопроводностью, находящимися 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. Поскольку именно поперечные градиенты температуры приводят к появлению искажений поляризации излучения, влияние поглощения излучения на характеристики изолятора в данном случае уменьшается. Основным недостатком таких изоляторов является сложность конструкции магнитооптического ротатора, которая требует наличия высококачественных оптических контактов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки.
Другой путь уменьшения термонаведенных поляризационных искажений в изоляторах Фарадея с неоднородным полем основан на усовершенствовании характеристик их магнитных систем.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности, 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 длиной всего 9 мм, обеспечивающий степень изоляции 30 дБ при максимально допустимой рабочей мощности ~650 Вт.
Недостатком изолятора Фарадея прототипа является поперечный профиль напряженности поля магнитной системы в области магнитооптического ротатора, характеризующийся увеличением напряженности при удалении от оси изолятора. Такая поперечная неоднородность поля приводит к увеличению аксиально-симметричных поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры, и снижает возможности применения таких изоляторов при работе с мощным лазерным излучением.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является компенсация аксиально-симметричных поляризационных искажений в изоляторе Фарадея поперечной неоднородностью поля его магнитной системы, 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 неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности 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 является то, что внутри его магнитной системы, создающей поле в направлении прямого прохода излучения, содержится дополнительная магнитная система, создающая меньшее поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода выполнена в виде соленоида.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода выполнена из постоянных магнитов.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.
Разработанный изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, создающую поле в направлении прямого прохода излучения. Внутри магнитной системы 2 вблизи магнитооптического ротатора 1 расположена дополнительная магнитная система 3, создающая меньшее по величине поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 4 и анализатор 5, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора 1.
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 в совокупной магнитной системе, образованной магнитной системой 2 и дополнительной магнитной системой 3, в ее центральной части может быть создано поле со спадающей величиной напряженности при удалении от оси системы в поперечном направлении.
Возможность создания такой поперечной конфигурации напряженности обеспечивается тем, что магниты, составляющие магнитную систему 2 и создающие поле в направлении прямого прохода излучения, расположены преимущественно на значительном расстоянии от магнитооптического ротатора 1, вследствие чего поле, создаваемое магнитной системой 2, обладает малой неоднородностью по поперечному сечению магнитооптического ротатора 1. Дополнительная магнитная система 3, создающая поле в направлении обратного прохода излучения, напротив, расположена в непосредственной близости к магнитооптическому ротатору 1. Она занимает малую часть полного объема совокупной магнитной системы, поэтому поле, создаваемое ей на оси изолятора невелико, но оно существенно возрастает (в разы) при приближении к боковой поверхности магнитооптического ротатора 1. Это справедливо, например, для тонких намагниченных колец и для тонких соленоидов. В результате суммарное поле оказывается сонаправленным с прямым проходом излучения и его величина на оси изолятора оказывается несущественно меньше изначального, но его напряженность спадает при удалении от оси в поперечном направлении, а не возрастает, как в случае с прототипом.
Поглощение лазерного излучения приводит к тому, что температура магнитооптического ротатора 1 в центре оказывается выше, чем на его периферии, а вследствие снижения постоянной Верде при увеличении температуры это приводит к тому, что угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего вдоль оси изолятора, оказывается меньше, чем для излучения, распространяющегося возле края световой апертуры. Угол поворота пропорционален постоянной Верде и напряженности магнитного поля, поэтому в предлагаемом изоляторе Фарадея увеличение постоянной Верде магнитооптического ротатора 1 при удалении от оси изолятора вследствие снижения температуры компенсируется спаданием напряженности поля. Величина деполяризации, обусловленной аксиально-симметричными поляризационными искажениями, снижается, что может быть использовано в целях увеличения степени изоляции или максимально допустимой рабочей мощности.
Разработанный изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности работает следующим образом. Лазерный пучок (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе через поляризатор 4 делится на нем на два ортогонально поляризованных пучка. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 4 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 магнитооптический ротатор 1 пучок приобретает поляризационные искажения вследствие неравномерного распределения температуры по поперечному сечению магнитооптического ротатора 1, вызванного поглощением излучения в среде, и зависимости постоянной Верде от температуры. Центральная область магнитооптического ротатора 1 нагревается сильнее периферийных областей и, вследствие убывания постоянной Верде с ростом температуры, угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через нее, меньше. Компонента пучка с неискаженной поляризацией беспрепятственно проходит сквозь анализатор 5, 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 4 отразится от него, т.е. не пойдет по пути прямого луча. Однако его деполяризованная компонента пройдет сквозь поляризатор 4 и будет определять основную характеристику изолятора Фарадея - степень изоляции. Поскольку внутри магнитной системы 2 расположена дополнительная магнитная система 3, создающая меньшее по величине поле в противоположном направлении с большой неоднородностью, удается получить спадающий при удалении от оси изолятора профиль напряженности суммарного поля. Относительное увеличение постоянной Верде в периферийных областях магнитооптического ротатора 1 компенсируется меньшей величиной напряженности поля в них, в результате чего профиль распределения угла поворота выравнивается, и величина деполяризации уменьшается.
Таким образом, поляризационные искажения в разработанном изоляторе Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности оказываются меньше по сравнению с прототипом, что позволяет решить поставленную задачу, то есть повысить его степень изоляции или максимально допустимую рабочую мощность.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 3, создающую поле в направлении обратного прохода излучения, в виде соленоида. При этом в процессе эксплуатации изолятора потребуется обеспечение магнитной системы 3 током и отводом тепла от нее. Однако достоинством магнитной системы 3 в виде соленоида является то, что она дает преимущество в создании магнитного поля нужной конфигурации, поскольку в данном случае кроме геометрических параметров появляется возможность варьирования силы тока, что в свою очередь позволит получить компенсацию поляризационных искажений для более высоких мощностей лазерного излучения.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно выполнить магнитную систему, создающую поле в направлении обратного прохода излучения, из постоянных магнитов. В этом случае также удастся получить поле необходимой конфигурации и при этом в процессе эксплуатации изолятора не потребуется обеспечения магнитной системы током и отводом тепла от нее.
Например, как установлено авторами предлагаемого изобретения, использование одного коаксиально намагниченного кольца в качестве системы 3, создающей небольшое по величине поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью, позволяет создать суммарное поле с 10% неоднородностью на апертуре 10 мм. При этом потери напряженности поля в направлении прямого прохода излучения не превысят 10%. Подобная конструкция магнитной системы позволяет обеспечить полную компенсацию поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры, для излучения мощностью 1,5 кВт в криогенном изоляторе Фарадея на кристалле тербий-галлиевого граната. Использование более сложных конструкций магнитных систем позволит добиться лучших результатов.