Изолятор Фарадея со стабилизацией степени изоляции
FARADAY ISOLATOR WITH STABILIZATION OF INSULATION

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров, подверженных влиянию окружающей среды.
Изоляторы Фарадея являются очень чувствительными к изменению их рабочих условий и состояния окружающей среды. Характеристики изоляторов - степень изоляции и пропускание излучения на прямом проходе - в значительной степени зависят от мощности проходящего излучения, давления в камере изолятора, условий теплоотвода от магнитооптического ротатора и т.д. Важным параметром является и температура окружающей среды, поскольку она может определять температуру магнитооптического ротатора, а также, вследствие зависимости его постоянной Верде от температуры, и угол поворота плоскости поляризации проходящего через изолятор излучения. Отстройка угла поворота от заданного значения (45 градусов) приводит к уменьшению пропускания излучения на прямом проходе и, что намного хуже, к снижению его степени изоляции вследствие возрастания пропускания на обратном проходе.
Такая проблема возникает в лазерных системах, подверженных тепловому воздействию окружающей среды, например, широко использующихся в промышленности и при исследованиях окружающей среды, что ограничивает сферу их применения и сужает диапазон решаемых ими задач. В таком случае необходима стабилизация рабочих характеристик изоляторов Фарадея.
Существует ряд изоляторов Фарадея, в которых реализована стабилизация рабочих характеристик при изменении температуры окружающей среды. Одним из таких приборов является изолятор, термостабилизация магнитооптического ротатора которого осуществляется при помощи воды постоянной температуры и втулок держателя ротатора с высокой теплопроводностью, через которые пропускается эта вода [D. Zheleznov, A. Starobor, О. Palashov, H. Lin, and S. Zhou, "Improving characteristics of Faraday isolators based on TAG ceramics by cerium doping," Optics Letters 39 (7), 2183-2186 (2014)]. Недостатком такого подхода является необходимость наличия воды постоянной температуры во время всего периода работы лазерной системы.
Другим примером стабилизации характеристик изоляторов Фарадея является термостабилизация магнитооптического ротатора при помощи элемента Пельтье [О.В. Палашов, И.В. Иевлев, Е.А. Перевезенцев, Е.В. Катин, Е.А. Хазанов, "Охлаждение и термостабилизация вращателей Фарадея в диапазоне температур 300-200 K при помощи элементов Пельтье", Квантовая электроника, 41 (9), 858-861, (2011)]. Недостатком данного прибора является усложнение конструкции изначально очень простого устройства и, соответственно, его удорожание и усложнение эксплуатации, связанное с обслуживанием дополнительного оборудования.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является известная конструкция изолятора Фарадея со стабилизацией степени изоляции, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа [The Virgo Collaboration, "In-vacuum Faraday isolation remote tuning", APPLIED OPTICS, 49 (25), 4780-4790, (2010)]. Стабилизация степени изоляции осуществляется автоматической подстройкой углов поворота поляризатора и анализатора, направленной на обеспечение максимальной степени изоляции устройства.
Недостатком изолятора Фарадея прототипа является неизбежное при такой работе схемы стабилизации степени изоляции ухудшение коэффициента пропускания прибора на прямом проходе при отстройке угла поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитооптический ротатор. Существенным недостатком является и необходимость системы автоматизированной подстройки углов поворота поляризатора и анализатора, организация которой оправдана только в случае довольно сложных систем и дорогих проектов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является стабилизация степени изоляции изолятора Фарадея в широком диапазоне температур окружающей среды без существенного усложнения конструкции и способа эксплуатации прибора при сохранении неизменным коэффициента его пропускания на прямом проходе.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея со стабилизацией степени изоляции достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе с помощью держателя, и анализатор.
Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что магнитная система изолятора выполнена таким образом, что создаваемое ею поле обладает продольной неоднородностью в области расположения магнитооптического ротатора, а часть держателя магнитооптического ротатора выполнена из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно превышает коэффициенты теплового расширения других материалов изолятора.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что часть держателя магнитооптического ротатора выполнена из полимерного материала.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что магнитная система представляет собой систему соленоидов.
В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 новым является то, что магнитная система представляет собой систему постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов.
Предлагаемое изобретение основано на том, что создание в направлении оси магнитной системы неоднородного магнитного поля определенной конфигурации в области расположения магнитооптического ротатора позволяет организовать стабилизацию угла поворота плоскости поляризации проходящего излучения путем перемещения магнитооптического ротатора вдоль оси системы при изменении температуры окружающей среды.
z
Поскольку величина угла поворота плоскости поляризации определяется выражением  (где V - постоянная Верде, L - длина магнитооптического ротатора, H(z) - осевая компонента напряженности поля магнитной системы), а величина постоянной Верде спадает с увеличением температуры, то смещение ротатора при увеличении его температуры в область более сильного магнитного поля позволяет добиться стабилизации значения угла поворота.
0
T
Перемещение магнитооптического ротатора может быть организовано за счет теплового изменения длины держателя ротатора с большим коэффициентом теплового расширения:  где  - длина держателя при температуре Т,  - длина держателя при температуре Т, α - коэффициент его теплового расширения. Для обеспечения стабилизации угла поворота длина держателя должна определяться величиной коэффициента теплового расширения и профилем поля магнитной системы.
При этом не требуется температурной стабилизации магнитооптического ротатора и подстройки углов поворота поляризатора и анализатора, т.е. предлагаемое устройство хорошо тем, что его конструкция не претерпевает заметных усложнений, не затрудняется его эксплуатация и у него стабилизирована не только степень изоляции, но и коэффициент пропускания на прямом проходе.
Работу предлагаемого устройства можно рассмотреть на одном из конкретных примеров его реализации, который иллюстрирует изобретение, но не ограничивает его. Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы;
- на фиг. 2 представлен пример реализации неоднородного поля в магнитной системе изолятора и расположение магнитооптического ротатора в нем.
Разработанный изолятор Фарадея со стабилизацией степени изоляции, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, создающую неоднородное в продольном направлении поле в области расположения магнитооптического ротатора 1. Магнитооптический ротатор 1 закреплен относительно магнитной системы 2 с помощью держателя 3, часть которого выполнена из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно превышает коэффициенты теплового расширения других материалов изолятора. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 4 и анализатор 5, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора 1.
Неоднородность поля в магнитной системе 2 изолятора Фарадея может быть реализована, например, за счет смены направления напряженности поля, как показано на фиг. 2. В данном примере реализации в одной половине магнитной системы 2 поле направлено в одну сторону, а в другой - в противоположную. За счет этого удается организовать значительный перепад средней по длине магнитооптического ротатора 1 напряженности поля при его смещениях вдоль оси магнитной системы 2.
Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет обеспечить стабилизацию степени изоляции устройства при изменении температуры окружающей среды. Этот результат достигается за счет того, что при увеличении температуры среды уменьшается величина постоянной Верде магнитооптического ротатора 1 и увеличивается длина его держателя 3. За счет увеличения длины держателя 3 магнитооптический ротатор 1 перемещается в область с большей напряженностью магнитного поля. Поскольку угол поворота плоскости поляризации излучения пропорционален как значению постоянной Верде магнитооптического ротатора 1, так и величине магнитного поля, при определенном соотношении величин коэффициента теплового расширения материала держателя 3 магнитооптического ротатора 1, его длины и неоднородности поля, становится возможным обеспечить неизменность угла поворота при изменении температуры окружающей среды. Неизменность угла поворота плоскости поляризации и обеспечивает стабильность рабочих характеристик изолятора - степени изоляции и коэффициента пропускания излучения на прямом проходе.
Разработанный изолятор Фарадея со стабилизацией степени изоляции 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 угол 45°. При прохождении через магнитооптический ротатор 1 пучок приобретает поляризационные искажения, величина которых определяется качеством магнитооптического ротатора 1. Компонента пучка с неискаженной поляризацией беспрепятственно проходит сквозь анализатор 5, а деполяризованная компонента отражается им и выводится из схемы. При отстройке угла поворота от 45°, вызванной изменением температуры окружающей среды, а вместе с ней и температуры магнитооптического ротатора 1 и, как следствие, величины его постоянной Верде, от анализатора 5 отразится и составляющая часть пучка, плоскость поляризации которой ортогональна плоскости пропускания анализатора 5. 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, определяемая качеством магнитооптического ротатора 1 и отстройкой угла поворота плоскости поляризации от 45°, пройдет сквозь поляризатор 4 и будет определять основную характеристику изолятора Фарадея - степень изоляции. Поскольку магнитооптический ротатор 1 закреплен в держателе 3, длина которого увеличивается с возрастанием температуры окружающей среды, смещая магнитооптический ротатор 1 в область большего магнитного поля, происходит компенсация уменьшения угла поворота плоскости поляризации излучения, вызванного уменьшением величины его постоянной Верде. Таким образом, угол поворота плоскости поляризации остается неизменным при изменении температуры окружающей среды, что позволяет решить поставленную задачу, то есть обеспечить стабильность степени изоляции без существенного усложнения конструкции и способа эксплуатации прибора при сохранении неизменным коэффициента его пропускания на прямом проходе.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить часть держателя 3 магнитооптического ротатора 1 из полимерного материала, например, полиэтилена, поскольку такие материалы обладают высоким коэффициентом теплового расширения более чем на два порядка превышающим коэффициенты теплового расширения других материалов изолятора (металлов, магнитоактивных кристаллов, стекол). Это позволяет использовать для обеспечения стабилизации угла поворота держатель 3 приемлемой длины (порядка длины магнитной системы 2) и снизить требования на величину неоднородности поля магнитной системы 2.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно выполнить магнитную систему 2 из соленоидов, поскольку в данном случае появляется возможность регулирования величины неоднородности поля магнитной системы 2 при помощи величины тока, пропускаемого через ее обмотки.
В третьем частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 целесообразно выполнить магнитную систему 2 из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов. В этом случае также удастся получить поле необходимой конфигурации и при этом в процессе эксплуатации изолятора не потребуется обеспечения магнитной системы 2 током и отводом тепла от нее.
Так, например, как установлено авторами предлагаемого изобретения, использование магнитной системы диаметром ~10 см и длиной ~15 см, собранной из нескольких магнитных колец с коаксиальным и радиальным направлением намагниченности, а также вставок из магнитопроводящих материалов, позволяет добиться неоднородности магнитного поля, достаточной для стабилизации степени изоляции изолятора Фарадея на базе магнитооптического элемента из кристалла тербий-галлиевого граната, при помощи держателя, выполненного из полиэтилена длиной ~10 см в диапазоне температур от -10 до +50 градусов Цельсия