ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТЕРМОНАВЕДЕННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
OPTICAL ISOLATOR WITH COMPENSATION FOR THERMALLY INDUCED DEPOLARISATION FOR HIGH-POWER LASERS

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с большой средней мощностью от 1 до 10 кВт.
Основной проблемой, препятствующей разработке и созданию оптических вентилей для лазеров с большой средней мощностью, является наличие поляризационных искажений лазерного луча, как на прямом, так и на обратном проходе магнитооптического ротатора в оптическом вентиле, обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейшей характеристики оптического вентиля - степени изоляции, обеспечиваемой вентилем, которая, как правило, должна быть более 20 дБ.
Поглощение излучения в магнитооптическом ротаторе вызывает неоднородное по поперечному сечению распределение температуры, что приводит к трем физическим механизмам изменения поляризации излучения: к искажению волнового фронта («тепловая линза») в результате зависимости показателя преломления от температуры, к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, вызванному зависимостью постоянной Верде от температуры, и к появлению одновременно с циркулярным (эффект Фарадея) линейного двулучепреломления, связанного с механическими напряжениями из-за градиента температуры (фотоупругий эффект). Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного луча в магнитооптическом ротаторе вносит фотоупругий эффект (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея. «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр.59-64).
1
2
1
2
Наиболее близкой по технической сущности заявляемой конструкции является известная конструкция оптического вентиля для лазера с киловаттной средней мощностью (единственно известная), содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, при этом магнитооптический ротатор изготовлен в виде двух фарадеевских элементов, поворачивающих плоскость поляризации на 22,5° каждый, между которыми расположен взаимный поляризационный вращатель в виде кварцевой пластины (Андреев Н.Ф. и др. Изолятор Фарадея с развязкой 45дБ 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). При создании данной конструкции изолятора Фарадея направление одной из кристаллографических осей в обоих фарадеевских элементах относительно поляризации падающего на оптический вентиль излучения традиционно предполагалось одинаковым (θ=θ). Исходя из этого предположения были найдены оптимальные значения для угла поворота плоскости поляризации φ в кварцевой пластине (φ=67,5°) и ориентации фарадеевских элементов относительно поляризации падающего излучения (θ=θ=11,25°). Изготовленная с такими параметрами конструкция оптического вентиля прототипа обеспечивает частичную компенсацию поляризационных искажений лазерного луча, возникающих в первом фарадеевском элементе, при прохождении излучения через второй фарадеевский элемент, что позволяет получить степень изоляции оптического вентиля порядка 30 дБ для лазера с киловаттной средней мощностью.
Один из недостатков известного технического решения прототипа заключается в недостаточно высокой максимально допустимой средней мощности (~ 1 кВт) лазерного излучения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического вентиля, обеспечивающего степень изоляции более 30 дБ для лазеров со средней мощностью от 1 до 5 кВт.
Технический результат в разработанном оптическом вентиле для лазеров большой мощности достигается за счет того, что он, как и оптический вентиль-прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, при этом магнитооптический ротатор изготовлен в виде двух фарадеевских элементов, поворачивающих плоскость поляризации на 22,5° каждый, между которыми расположен взаимный поляризационный вращатель, вращающий плоскость поляризации излучения на угол φ.
1
2
1
2
1
2
Новым в разработанном оптическом вентиле с компенсацией термонаведенной деполяризации для лазеров большой мощности является то, что оба фарадеевских элемента изготовлены из одного и того же монокристалла с ориентацией [001], но имеют различные направления кристаллографических осей θ и θ относительно поляризации падающего на оптический вентиль излучения. При этом угол поворота плоскости поляризации φ во взаимном поляризационном вращателе лежит в пределах от 70° до 74°, отношение длин фарадеевских элементов L/L варьируется от 0,96 до 1, и конкретные их значения определяются параметром оптической анизотропии материала ξ, из которого они изготовлены, а направления кристаллографических осей θ и θ фарадеевских элементов относительно поляризации лазерного излучения выбираются из условия максимума степени изоляции оптического вентиля.
1
2
1
2
1
2
В частном случае реализации разработанного оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации целесообразно фарадеевские элементы изготовить из монокристалла тербий галлиевого граната, угол поворота плоскости поляризации φ во взаимном поляризационном вращателе выбрать равным 73,2°, а отношение длин фарадеевских элементов L/L целесообразно выполнить равным 0,96, при этом направления кристаллографических осей θ и θ фарадеевских элементов относительно поляризации лазерного излучения целесообразно выбрать следующими: θ=15,3° и θ=20°.
Технический результат данного изобретения, заключающийся как в значительном увеличении степени изоляции оптического вентиля по сравнению с прототипом (более чем в 20 раз), так и в повышении максимально допустимой для него средней мощности лазерного излучения, обеспечивается за счет более полной (эффективной) компенсации поляризационных искажений лазерного луча, возникающих в первом фарадеевском элементе, при прохождении излучения через второй фарадеевский элемент. Такой результат достигается за счет предложения авторов по-разному ориентировать кристаллографические оси у фарадеевских элементов относительно поляризации падающего излучения, что ранее никогда не делалось. Исходя из этого численно решена задача нахождения таких параметров оптического вентиля, при которых его термонаведенная деполяризации будет минимальна, что позволило определить для известных на сегодняшний день кристаллических магнитооптических материалов, используемых для создания магнитооптического ротатора, диапазоны возможных значений этих параметров.
1
2
1
2
1
2
Если фарадеевские элементы изготовлены из монокристалла тербий галлиевого граната (ТГГ) с ориентацией [001], то оптимальными для достижения указанного технического результата являются: угол поворота плоскости поляризации φ во взаимном поляризационном вращателе 73,2°, угол между одной из кристаллографических осей первого фарадеевского элемента и осью x-θ=15,3°, такой же угол для второго фарадеевского элемента - θ=20°, отношение длины первого фарадеевского элемента к длине второго L/L равно 0,96. Положительное направление изменения углов θ и θ отсчитывается против часовой стрелки (см. фиг.1, б). Направление оси x выбрано совпадающим с направлением поляризации лазерного излучения на входе в оптический вентиль.
Такое построение оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации для лазеров большой мощности в соответствии с п.1 формулы позволяет повысить два основных потребительские свойства оптического вентиля: максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения в 1,7 раза и степень изоляции более чем в 20 раз по сравнению с прототипом.
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1, а представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации для лазеров большой мощности в соответствии с пунктом 1 формулы. На фиг.1, б изображены направления кристаллографических осей, определенные углами в фарадеевских элементах: в первом фарадеевском элементе - θ и во втором фарадеевском элементе - θ относительно оси x. Направление оси x выбрано совпадающим с направлением поляризации лазерного излучения на входе в оптический вентиль.
Оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п.1 формулы и представленный на фиг.1, а, содержит два фарадеевских элемента 1 и 2, которые вращают плоскость поляризации лазерного излучения на 22,5° каждый, разделенных взаимным поляризационным вращателем 3. Данные оптические элементы 1, 2, 3 помещены в сильное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 4, выполненной, например, на постоянных магнитах, либо на сверхпроводящем соленоиде. Снаружи магнитной системы 4, вдоль оптической оси z вентиля находятся поляризатор 5 и анализатор 6, расположенные по разные стороны относительно магнитной системы 4.
1
2
В примере конкретной реализации разработан оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации для лазеров большой мощности по схеме, представленной на фиг.1, а. В качестве взаимного поляризационного вращателя 3 использована кварцевая пластина, вращающая плоскость поляризации проходящего излучения на угол φ=73,2°, в качестве фарадеевских элементов 1 и 2 использованы два кристалла ТГГ с ориентацией [001]. Угол между осью x и одной из кристаллографических осей в первом фарадеевском элементе θравняется 15°, а во втором фарадеевском элементе угол θ равняется 20°. Указанный в примере конкретной реализации разработанный оптический вентиль с компенсацией деполяризации обеспечивает степень изоляции порядка 30 Дб при средней мощности лазерного излучения 4 кВт.
2
2
1
Разработанный оптический вентиль для лазеров большой мощности с параметрами, выбранными в соответствии с пунктом 1 формулы, представленный на фиг.1, работает следующим образом. Лазерное излучение большой средней мощности (в общем случае - неполяризованное) на прямом проходе через оптический вентиль сначала поступает на поляризатор 5, делится в нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 5 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный луч сначала проходит сквозь фарадеевский элемент 1, изменяя плоскость поляризации на +22,5°, затем проходит через взаимный поляризационный вращатель 3, угол поворота плоскости поляризации φ в котором для обеспечения максимальной степени изоляции оптического вентиля выбирается из диапазона от 70° до 74° в зависимости от величины оптической анизотропии материала ξ, из которого изготовлены фарадеевские элементы 1 и 2. Угол поворота плоскости поляризации во взаимном поляризационном вращателе 3 на прямом проходе составляет величину -φ. Затем излучение проходит через фарадеевский элемент 2, опять изменяя плоскость поляризации на +22,5°. При этом длина L фарадеевского элемента 2, направление кристаллографических осей (угол θ) фарадеевского элемента 2 и направление кристаллографических осей (угол θ) фарадеевского элемента 1 относительно поляризации падающего излучения выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную степень изоляции оптического вентиля. Конкретные их значения определяются из величины параметра оптической анизотропии ξ. Суммарный поворот плоскости поляризации на прямом проходе через оптический вентиль составляет 45°-φ, именно под таким углом направлена ось анализатора 6. Основное излучение проходит анализатор 6 и далее используется по назначению, а его деполяризованная компонента, которая возникла в элементах 1 и 2, выводится анализатором 6 из схемы. На обратном проходе прошедшее анализатор 6 линейно поляризованное излучение проходит через фарадеевский элемент 2. Так как эффект Фарадея невзаимный, то плоскость поляризации излучения поворачивается на те же +22,5°, и в нем возникают поляризационные искажения. При последующем прохождении излучением взаимного поляризационного вращателя 3 новых поляризационных искажений не возникает, но так как поляризационный вращатель 3 - взаимный, то в каждой точке поперечного сечения на выходе вращателя 3 плоскость поляризации поворачивается на угол +φ. При прохождении излучения через фарадеевский элемент 1 происходят тепловые процессы, аналогичные процессам в фарадеевском элементе 2, но благодаря тому, что до фарадеевского элемента 1 плоскость поляризации была повернута на угол +φ, причем в том же направлении, в котором вращают фарадеевские элементы, поляризационные искажения существенно уменьшаются.
То есть происходит компенсация термонаведенной деполяризации, наведенной в фарадеевском элементе 2, при прохождении излучения через фарадеевский элемент 1. Поляризация же основной компоненты излучения после прохождения фарадеевского элемента 1 составит 90° и полностью отразится поляризатором 5, что позволяет, например, защитить источник лазерного излучения от отраженного излучения. Деполяризованная компонента излучения в данной конструкции оптического вентиля минимальна, и она пройдет через поляризатор 5 и будет определять степень изоляции оптического вентиля.
1
2
1
2
1
2
Таким образом, полная развязка прямого и обратного луча разработанным оптическим вентилем осуществляется путем устранения поляризационных искажений луча, возникших в одном элементе, за счет их компенсации в другом. А за счет того, что выбраны такие (указанные в п.1 формулы) параметры оптических элементов, компенсация термонаведенной деполяризации происходит эффективнее, чем в прототипе. Значения параметров оптических элементов зависят от величины параметра оптической анизотропии материала ξ, из которого изготовлены фарадеевские элементы. Угол поворота плоскости поляризации φ во взаимном поляризационном вращателе, обеспечивающий эффективную компенсацию термонаведенной деполяризации для широкого класса кристаллов, лежит в пределах от 70° до 74°. Отношение длин (L/L) фарадеевских элементов 1 и 2 так же слабо зависит от выбора известных на сегодняшний день кристаллических магнитооптических материалов и варьируется от 0,96 до 1. Углы θ и θот выбора материала зависят сильнее и могут изменяться в широких пределах, но эти углы θ и θ легко настраиваемые и в любом частном случае их можно экспериментально определить при настройке оптического вентиля.
1
2
Разработанный оптический вентиль в частном случае реализации с параметрами, выбранными в соответствии с пунктом 2 формулы, также представленный на фиг.1, а, работает аналогичным образом. В качестве фарадеевских элементов 1 и 2 в данном случае использованы два кристалла тербий галлиевого граната с ориентацией кристаллографических осей [001]. Угол между осью x и одной из кристаллографических осей в первом фарадеевском элементе θ равняется 15,3°, а для второго фарадеевского элемента угол θ равняется 20°, что соответствует максимуму степени изоляции оптического вентиля из данного материала.
В данном частном случае лазерное излучение большой средней мощности на прямом проходе через оптический вентиль сначала поступает на поляризатор 5 и делится в нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 5 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный луч сначала проходит сквозь фарадеевский элемент 1, изменяя плоскость поляризации на +22,5°, затем через взаимный вращатель поляризации 3, изменяя плоскость поляризации на -73,2°, затем через фарадеевский элемент 2, опять изменяя плоскость поляризации на +22,5°. Суммарный поворот плоскости поляризации на прямом проходе через оптический вентиль составляет -28,2°, именно под таким углом направлена ось анализатора 6. Основное излучение проходит анализатор 6, а его деполяризованная компонента, которая возникла в элементах 1 и 2, выводится анализатором 6 из схемы. На обратном проходе прошедшее анализатор 6 линейно поляризованное излучение проходит через фарадеевский элемент 2. Так как эффект Фарадея невзаимный, то плоскость поляризации излучения поворачивается на те же +22,5°, и в нем возникают поляризационные искажения. При прохождении взаимного поляризационного вращателя 3 новых поляризационных искажений не возникает, но так как поляризационный вращатель взаимный, то в каждой точке поперечного сечения на выходе вращателя 3 плоскость поляризации поворачивается на угол +73,2°. При прохождении излучения через фарадеевский элемент 1 происходят тепловые процессы, аналогичные процессам в фарадеевском элементе 2, но благодаря тому, что до фарадеевского элемента 1 плоскость поляризации была повернута на угол +73,2°, причем в том же направлении, в котором вращают фарадеевские элементы, поляризационные искажения значительно уменьшаются. Поляризация основной компоненты излучения после прохождения фарадеевского элемента 1 составляет 90° и полностью отражается поляризатором 5. Данный оптический вентиль с компенсацией деполяризации обеспечивает степень изоляции порядка 30 Дб при средней мощности лазерного излучения 4 кВт.