Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с высокой напряженностью магнитного поля
FARADAY ISOLATOR ON PERMANENT MAGNETS WITH HIGH MAGNETIC FIELD STRENGTH

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения.
Основной проблемой, ограничивающей применение изоляторов Фарадея в лазерах с большой средней мощностью излучения, является неизбежное тепловыделение в магнитооптических элементах, вызванное поглощением лазерного излучения, проходящего через них. Тепловыделение приводит к неоднородному распределению температуры по поперечному сечению 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, появляющиеся при проходе через магнитооптический элемент, снижают важнейшую характеристику устройства - степень изоляции.
Одним из способов увеличения максимально допустимой рабочей мощности изоляторов Фарадея является увеличение напряженности поля его магнитной системы. Увеличение напряженности поля позволяет использовать более короткие магнитооптические элементы, сокращая тем самым тепловыделение в них и снижая величину паразитных тепловых эффектов, которые являются основным ограничением для использования изоляторов Фарадея в мощных лазерах. Снижение величины термонаведенных эффектов может быть использовано как для улучшения характеристик изоляторов при заданном уровне мощности проходящего лазерного излучения, так и для увеличения их максимально допустимой рабочей мощности при заданных требованиях на характеристики (степень изоляции).
Магнитные системы с высокой напряженностью поля необходимы и для разработки изоляторов Фарадея, предназначенных для лазеров среднего ИК диапазона, поскольку в этом диапазоне длин волн величина постоянной Верде магнитоактивных сред существенно ниже, чем в ближнем ИК.
Создание изолятора Фарадея с высокой напряженностью поля требует определенной организации намагниченности в его магнитной системе. Оптимальному распределению намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея соответствует непрерывное изменение ее направления в объеме, которое определяется расположением конкретной точки относительно магнитооптического элемента (фиг. 1). Малый объем магнита с намагниченностью М и с координатой r создает в центре магнитной системы поле с проекцией на ось Z величиной:
где θ - полярный угол, a Ψ - угол между радиус-вектором r положения этого объема магнита и вектором его намагниченности. Условие получения максимального поля выполняется при создании распределения, которому соответствует 2tgΨ=tgθ. Для такого распределения намагниченности в бесконечно длинной магнитной системе изолятора Фарадея ( W. Volondat, О. Cugat and  «Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere», Appl. Opt. 50, 4788-4797 (2011)) было получено выражение для величины магнитного поля в ее центре:
Создание магнитных систем с непрерывным изменением направления намагниченности невозможно с практической точки зрения, однако к нему можно приближаться, используя различные подходы. В работе «Изоляторы Фарадея на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью» авторов Е.А. Миронова, А.В. Войтовича, О.В. Палашова (Квантовая Электроника, 41, 71-74, 2011 г.) была предложена и реализована магнитная система изолятора Фарадея, в которой наряду с коаксиально и радиально намагниченными кольцами использовались кольца с промежуточным направлением намагниченности. В статье «Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere» авторов G. Trenec, W. Volondat, O. Cugat and J. Vigue (Appl. Opt. 50, 4788-4797, 2011 г.) была исследована конструкция из аксиальных и радиальных конусных магнитов.
Применение таких подходов позволяет создавать распределение намагниченности внутри магнитной системы изолятора Фарадея приближенное к оптимальному и, соответственно, получать магнитные поля с более высокой напряженностью при сохранении размеров устройства. Увеличение напряженности поля может быть использовано для уменьшения длины магнитооптического элемента и повышения максимально допустимой рабочей мощности. Однако, изготовление магнитов, отличных от коаксиально и радиально намагниченных колец, является технически сложной задачей, поскольку ферромагнитные сплавы Nd-Fe-B являются хрупкими, плохо поддающимися механической обработке. К тому же такое изготовление зачастую подразумевает обработку магнита в намагниченном виде на станке, что также вызывает ряд серьезных технологических проблем, решение которых не всегда оправдано получаемым выигрышем в величине поля.
Наиболее близким по технической сущности является изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля, описанный в патентном документе RU 2559863 «Изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности» (публ. 27.06.2015 г, МПК G02F 1/09) и выбранный в качестве прототипа. Магнитная система данного устройства выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводов, причем использовались магниты только с коаксиальным и радиальным направлениями намагниченности. Ключевым моментом, позволяющим добиться увеличения напряженности магнитного поля, является использование магнитопроводов. Целесообразность их использования объясняется тем, что намагниченность насыщения ряда магнитопроводящих материалов существенно превышает остаточную индукцию самых сильных постоянных магнитов. При этом в магнитных системах изоляторов Фарадея существуют области, в которых величина поля достаточна для того, чтобы магнитопроводящие материалы достигли насыщения. При использовании магнитопроводов в магнитных системах изоляторов Фарадея можно выбрать области их размещения так, чтобы индуцированная в них намагниченность была направлена оптимальнее, чем в радиально и аксиально намагниченных кольцах. Однако при этом возникают нежелательные эффекты: в центральной области магнитной системы происходит перемагничивание областей постоянных магнитов из-за сильных локальных магнитных полей. В результате чего сильное размагничивающее поле перемещается вглубь центрального магнита и перемагничивает новые области. В конечном итоге перемагничивается важнейшая часть магнитной системы - область магнитов, наиболее близкая к магнитооптическому элементу. Поэтому в конструкции прототипа области магнитной системы, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой. В итоге в магнитной системе прототипа удалось создать поля на оси с напряженностью 2,6 Тл.
Такой принцип построения магнитных систем изоляторов Фарадея приводит к большему выигрышу в величине магнитного поля, а реализация такого устройства проще с технической точки зрения по сравнению с магнитной системой, описанной в статье, приведенной выше.
Основным недостатком магнитной системы изолятора Фарадея прототипа является то, что отсутствуют области центрального магнита, граничащие с магнитопроводами, которые могли попасть в область перемагничивающего поля при сборке. Таким образом, отсутствуют области магнитного материала центральной наиболее важной части магнитной системы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности изолятора Фарадея при сохранении заданной степени изоляции (30 дБ) за счет увеличения напряженности поля его магнитной системы.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея на постоянных магнитах с высокой напряженностью магнитного поля достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, и анализатор. При этом магнитная система состоит из последовательно расположенных на ее оси первого бокового постоянного магнита, центрального постоянного магнита с намагниченностью, ориентированной вдоль оси магнитной системы, и второго бокового постоянного магнита, причем намагниченности боковых постоянных магнитов лежат в плоскости, перпендикулярной оси магнитной системы, и ориентированы в противоположных направлениях к оси системы и от нее, а также магнитопроводов, расположенных вдоль оси магнитной системы на внутренней поверхности боковых постоянных магнитов.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что магнитопроводы размещены таким образом, что между ними и центральным постоянным магнитом расположены области боковых постоянных магнитов.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея магнитная система также содержит дополнительные постоянные магниты, расположенные вдоль оси магнитной системы на внутренней поверхности боковых постоянных магнитов со стороны удаленных от магнитооптического элемента торцов магнитопроводов, и имеющие намагниченность, ориентированную противоположно намагниченности центрального постоянного магнита.
В другом частном в изоляторе Фарадея на постоянных магнитах с высокой напряженностью магнитного поля магнитопроводы выполнены из низкоуглеродистой нелегированной стали или сплава железа, кобальта и ванадия.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлено рассчитанное оптимальное распределение намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея.
На фиг. 2 представлена магнитная система с нежелательными областями перемагничивания.
На фиг. 3 представлена схема разработанного авторами изолятора Фарадея.
Создание изолятора Фарадея с высокой напряженностью поля требует определенной организации намагниченности в его магнитной системе. Оптимальному распределению намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея (фиг. 1) соответствует непрерывное изменение ее направления в объеме, которое определяется расположением конкретной точки относительно магнитооптического элемента.
На фиг. 2 показана магнитная система, состоящая из центрального постоянного магнита 1 с коаксиальной намагниченностью, боковых постоянных магнитов 2 с радиальной намагниченностью и магнитопроводов 3, позволяющих добиться увеличения напряженности магнитного поля. Намагниченность насыщения ряда магнитопроводящих материалов существенно превышает остаточную индукцию самых сильных постоянных магнитов. При этом в магнитных системах изоляторов Фарадея существуют области, в которых величина поля достаточна для того, чтобы магнитопроводящие материалы достигли насыщения. Использование магнитопроводов 3 в магнитных системах изоляторов Фарадея выгодно также тем, что можно выбрать области их размещения таким образом, чтобы индуцированная в них намагниченность имела промежуточное направление. Таким образом, намагниченность всей магнитной системы в целом приближается к желаемому оптимальному виду (фиг. 1).
При таком подходе область магнитов, которую выгодно заменить магнитопроводами 3, вплотную приближается к центральному постоянному магниту 1 с коаксиальным направлением намагниченности. Но близость магнитопроводов 3 к центральному постоянному магниту 1 приводит к усилению локальных размагничивающих полей в нем, которые в отсутствии магнитопроводов 3 значительно слабее. Наличие этих локальных размагничивающих полей может привести к смене направления намагниченности в i-ых областях 4 центрального постоянного магнита 1. Кроме того, после перемагничивания каждая i-ая область 4 начинает создавать вблизи себя поле с напряженностью Н, противоположной изначальному направлению намагниченности М. В результате этого сильное размагничивающее поле перемещается вглубь центрального постоянного магнита 1 и перемагничивает новые j-ые области 5 и так далее. В результате система может размагнититься.
Разработанный изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля, представленный на фиг. 3, содержит магнитооптический элемент 6, помещенный в магнитную систему. Снаружи магнитной системы, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 7 и анализатор 8, расположенные по разные стороны магнитооптического элемента 6. Магнитная система изолятора содержит центральный постоянный магнит 1 с коаксиальной намагниченностью, два боковых постоянных магнита 2 с радиальной намагниченностью и магнитопроводы 3.
Центральный постоянный магнит 1 и магнитопроводы 3 располагают таким образом, чтобы между ними находились области 9 боковых постоянных магнитов 2 с радиальным направлением намагниченности. Такое отдаление магнитопроводов 3 от центрального постоянного магнита 1 снижает размагничивающее поле в нем, позволяя минимизировать объем магнитов, попадающих в области перемагничивания. В результате, в отличие от магнитной системы изолятора Фарадея прототипа, удается избежать удаления из центральной части системы магнитов, которые расположены в непосредственной близости от магнитооптического элемента 6 и оказывают существенное влияние на величину магнитного поля в нем. Таким образом, предложенная конструкция позволяет оптимизировать расположение и форму магнитопроводов 3 для максимизации величины магнитного поля в области магнитооптического элемента 6 с учетом эффекта размагничивания, который становится принципиально важным в системах постоянных магнитов с высокой напряженностью поля.
В частном случае реализации предложенного изолятора Фарадея магнитная система содержит расположенные на удалении от магнитооптического элемента 6 дополнительные постоянные магниты 10 с намагниченностью, ориентированной противоположно намагниченности центрального постоянного магнита 1. Это позволяет добиться дополнительного увеличения магнитного поля, поскольку, как видно из фиг. 1, направление намагниченности в дополнительных магнитах 10 близко к оптимальному направлению намагниченности в области их расположения.
В свою очередь, увеличение напряженности магнитного поля позволяет укоротить магнитооптический элемент 6 и снизить тепловыделение в нем.
В другом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно использовать в качестве материала магнитопроводов 3 низкоуглеродистую нелегированную сталь или сплав железа, кобальта и ванадия. Эти материалы обладают высоким значением намагниченности насыщения, то есть их использование позволяет достичь высокого значения магнитного поля в магнитной системе изолятора Фарадея.
Разработанный изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля работает следующим образом. Пучок лазерного излучения (в общем случае -неполяризованного) на прямом проходе через поляризатор 7 делится на нем на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Один из этих пучков выводится из схемы поляризатором 7 и далее не рассматривается. Оставшийся пучок проходит через магнитооптический элемент 6, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на 45 градусов вокруг оси изолятора и проходит через анализатор 8. На обратном проходе через изолятор Фарадея пучок линейно поляризованного излучения в магнитооптическом элементе 6 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего начального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 7 отражается от него. Таким образом, будет обеспечена оптическая развязка излучения на прямом и обратном проходах. Однако поглощение части проходящего излучения в магнитооптическом элементе 6 приводит к появлению линейного двулучепреломления, связанного с механическими напряжениями, обусловленными градиентом температуры и фотоупругим эффектом. В результате появляются поляризационные искажения лазерного пучка, приводящие к потерям излучения на прямом проходе на анализаторе 8 и к прохождению части излучения на обратном проходе через поляризатор 7, то есть снижающие важнейшую характеристику устройства - степень изоляции. Отдаление магнитопроводов 3 от центрального постоянного магнита 1 магнитной системы изолятора позволяет снизить размагничивающие поля в нем и максимизировать величину магнитного поля в магнитооптическом элементе 6.
Таким образом, построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить напряженность магнитного поля в области расположения магнитооптического элемента 6. При этом достигается минимизация длины магнитооптического элемента 6 и тепловыделения в нем, что позволяет решить поставленную задачу, то есть увеличить максимально допустимую рабочую мощность изолятора при заданной степени изоляции.
В конкретной реализации разработанного изолятора Фарадея в магнитной системе удалось создать поле с напряженностью более 3 Тл, что на ~ 20% больше, чем в магнитной системе изолятора Фарадея прототипа при одинаковых внешних габаритах и диаметре «чистой» апертуры. На такую же величину в процентном отношении должна возрасти и максимально допустимая рабочая мощность изолятора при использовании таких же магнитоактивных сред для магнитооптических элементов.