ИЗОЛЯТОР ФАРАДЕЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С КВАДРАТНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ ПРОФИЛЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ
FARADAY ISOLATOR FOR LASER BEAMS WITH SQUARE CROSS SECTION OF INTENSITY DISTRIBUTION

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной средней мощностью излучения.
В некоторых приложениях лазерной физики в силу ряда причин приходится использовать лазерные пучки с квадратным профилем распределения интенсивности. Особенно это актуально в задачах получения высокоэнергетичных световых импульсов, например, в проектах по осуществлению лазерного термоядерного синтеза (S. Banerjee, К. Ertel, P. Mason, P. Phillips, Μ. Siebold, Μ. Loeser, С. Hernandez-Gomez, and J. Collier, "High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb:YAG multislab amplifier," Opt. Lett. 37, 2175-2177 (2012)) или при создании лазеров накачки для петаваттных лазерных систем (М. Sawicka, Μ. Divoky, J. Novak, A. Lucianetti, B. Rus, and T. Mocek, "Modeling of amplified spontaneous emission, heat deposition, and energy extraction in cryogenically cooled multislab Yb3+:YAG laser amplifier for the HiLASE Project," J. Opt. Soc. Am. В 29, 1270-1276 (2012)). Такая форма пучков обусловлена соответствующей геометрией усилителей и необходимостью эффективного извлечения из них запасенной энергии. В то же время в таких лазерах используются традиционные изоляторы Фарадея с круглым магнитооптическим ротатором, что неизбежно влечет за собой неэффективное использование апертур ротатора и магнитной системы.
Основной проблемой, ограничивающей применение изоляторов Фарадея в лазерах с большой средней мощностью излучения, является неизбежное тепловыделение в магнитооптических ротаторах, вызванное поглощением лазерного излучения при прохождении через них. Тепловыделение приводит к неоднородному распределению температуры по поперечному сечению ротатора, 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 с субкиловаттной средней мощностью, появляющиеся при проходе через магнитооптический ротатор, снижают важнейшую характеристику устройства - степень изоляции. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит так называемая термонаведенная деполяризация, обусловленная фотоупругим эффектом (Е.А. Хазанов. "Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея", Квант. электрон., 26:1 (1999), 59-64).
Известно несколько путей уменьшения термонаведенной деполяризации, которые можно использовать для улучшения характеристик изоляторов Фарадея для лазерных пучков с квадратным профилем распределения интенсивности. Охлаждение магнитооптических элементов до температуры жидкого азота увеличивает постоянную Верде магнитоактивной среды и ее теплопроводность, что позволяет добиться существенного сокращения величины термонаведенной деполяризации и, соответственно, увеличения степени изоляции и максимальной рабочей мощности устройства (Д.С.Железное, А.В. Войтович, И.Б. Мухин, О.В. Палашов, Е.А. Хазанов. "Значительное уменьшение термооптических искажений в изоляторах Фарадея при их охлаждении до 77 К", Квант. электрон., 36:4 (2006), 383-388). Однако криогенно охлаждаемые изоляторы Фарадея обладают рядом недостатков, сопряженных с громоздкостью охлаждающей системы и сложностями в их эксплуатации.
Известна конструкция изолятора 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) (Н.Ф. Андреев, О.В. Палашов, А.К. Потемкин, Д.X. Райтци, А.М. Сергеев, Е.А. Хазанов. "Изолятор Фарадея с развязкой 45 дБ при средней мощности излучения 100 Вт", Квант, электрон., 30:12 (2000), 1107-1108; I. Mukhin, Ε. Khazanov, О. Palashov, and A. Voytovich, "Experimental Study of Kilowatt-Average-Power Faraday Isolators," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2007), paper TuB13). Такая конструкция изолятора Фарадея обеспечивает частичную компенсацию поляризационных искажений лазерного пучка, возникающих в первом фарадеевском элементе при прохождении излучения через второй фарадеевский элемент, что позволяет получить степень изоляции оптического вентиля 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 этой конструкции 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 магнитной системы профиль поля также оказывается симметричным относительно ее центра, где напряженность максимальна. Таким образом, магнитооптические (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 отстройку угла поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через него, на , обусловленную эффектом Фарадея. Компенсация этой отстройки приводит к дополнительному усложнению оптической конструкции изолятора, а также к небольшим потерям мощности излучения на прямом проходе через него.
Другой путь уменьшения термонаведенных поляризационных искажений, реализованный и в предлагаемом изобретении, требует увеличения напряженности поля внутри магнитной системы изолятора Фарадея. Угол поворота плоскости поляризации излучения φ, проходящего через магнитооптический элемент с постоянной Верде V длины L, помещенный в магнитное поле с напряженностью Н, определяется выражением: φ=VHL. Из него видно, что увеличение напряженности поля позволит укоротить магнитооптический ротатор, снизив тем самым все паразитные тепловые эффекты.
Известны конструкции изоляторов Фарадея, в которых используются магнитооптические ротаторы с квадратным поперечным сечением, например, в заявке № JP 2000221448 A "OPTICAL ISOLATOR", публ. 11.08.2000 и в заявке № JP 2002196282 А "OPTICAL ISOLATOR", публ. 12.07.2002. Целью использования таких магнитооптических ротаторов служит создание миниатюрных, маловесных изоляторов, которые удобно монтировать в оптические схемы.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея 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. Данная конструкция изолятора Фарадея может быть использована и для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности.
Недостатком изолятора Фарадея прототипа является нерациональное использование световой апертуры при работе с пучками с квадратным профилем распределения интенсивности. Данный изолятор имеет круглую апертуру, в результате чего в центре магнитной системы имеются области, незаполненные магнитами, не участвующие в пропускании лазерного пучка.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности изолятора Фарадея, эксплуатируемого в лазерных системах с квадратным поперечным профилем интенсивности пучка, при сохранении заданной степени изоляции и без усложнения его оптической конструкции.
Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея для лазерных пучков с квадратным профилем распределения интенсивности 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 его магнитная система изготовлена с квадратной апертурой путем заполнения ее центральных (аксиально-симметричных) областей, через которые не проходит лазерный пучок, цилиндрическими сегментами постоянных магнитов, при этом упомянутые цилиндрические сегменты с намагниченностями, ориентированными вдоль оси магнитной системы, чередуются с цилиндрическими сегментами с намагниченностями, ориентированными поперек оси магнитной системы.
Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет увеличить напряженность магнитного поля в месте расположения магнитооптического ротатора, что дает возможность сократить длину магнитооптического ротатора, уменьшив тем самым проявление негативных тепловых эффектов, в частности величину термонаведенной деполяризации. Снижение величины термонаведенной деполяризации можно использовать для увеличения максимальной рабочей мощности изолятора, при которой сохраняется требуемая степень изоляции, либо для увеличения степени изоляции разработанного устройства. В качестве основы магнитной системы для изолятора Фарадея с квадратной апертурой используется традиционная аксиально-симметричная цилиндрическая система постоянных магнитов, для которой разработан ряд эффективных методов создания поля с высокой напряженностью. Габариты цилиндрических сегментов постоянных магнитов оказываются заданными поперечными размерами магнитооптического ротатора и длиной магнитной системы.
Кроме того, такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет использовать магнитооптический элемент с квадратным поперечным сечением и, соответственно, дополнительно повысить его степень изоляции и максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет того, что, как показывают численные расчеты, проведенные авторами, термонаведенная деполяризация, наведенная в квадратном магнитооптическом ротаторе при прохождении через него пучка с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности, оказывается меньше, чем термонаведенная деполяризация в круглом ротаторе, что подтверждено экспериментально.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея целесообразно использовать цилиндрические сегменты постоянных магнитов с различными направлениями намагниченности с длинами, выбранными из условия создания максимальной напряженности поля в области магнитооптического ротатора. В этом случае можно добиться заметного увеличения напряженности поля, несмотря на малость объема заполняемых областей в сравнении с объемом всей магнитной системы, благодаря тому, что они расположены в непосредственной близости от магнитооптического ротатора. Увеличение напряженности поля магнитной системы позволяет еще больше сократить длину магнитооптического ротатора по сравнению с реализацией устройства в общем случае по п. 1 формулы. Это приводит к еще большему сокращению поглощенного в ротаторе излучения и, соответственно, позволяет снизить все негативные тепловые эффекты, в частности величину термонаведенной деполяризации. Снижение величины термонаведенной деполяризации можно использовать в целях увеличения степени изоляции разработанного устройства либо для увеличения его максимальной рабочей мощности, при которой сохраняется требуемая степень изоляции.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея целесообразно использовать магнитооптический ротатор с квадратным поперечным сечением, выполненный из оптической керамики, поскольку технология изготовления керамических оптических ротаторов с квадратным поперечным сечением не отличается от технологии изготовления круглых элементов. Изготовленные же из монокристаллов оптические элементы первоначально обладают аксиальной симметрией в силу особенностей их выращивания, поэтому изготовление из них магнитооптических ротаторов с квадратным поперечным сечением сопряжено с сокращением площади их поперечного сечения, т.е. требует изначального выращивания кристаллов большей апертуры, что затруднительно с технологической точки зрения и неэффективно. Кроме того, оптическая керамика позволяет создавать широкоапертурные ротаторы, что востребовано при работе с мощным лазерным излучением.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе в двух сечениях схема магнитной системы разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1, 2 формулы.
- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 3 формулы.
Разработанный изолятор Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности в соответствии с п. 1 формулы, представленный на фигурах 1 и 2, содержит магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, изготовленную с квадратной апертурой. В качестве ее основы используется традиционная аксиально-симметричная цилиндрическая система постоянных магнитов 5. Области магнитной системы, через которые не проходит лазерный пучок, заполнены цилиндрическими сегментами 6 постоянных магнитов, при этом упомянутые цилиндрические сегменты 7 с намагниченностями, ориентированными вдоль оси магнитной системы, чередуются с цилиндрическими сегментами 8 с намагниченностями, ориентированными поперек оси магнитной системы. Магнитооптический ротатор 1 может быть выполнен в виде параллелепипеда с квадратным поперечным сечением. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 3 и анализатор 4, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора 1.
В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы, также представленном на фиг. 1, длины упомянутых цилиндрических сегментов 7 и 8 постоянных магнитов выбраны исходя из условия создания максимальной напряженности поля в области магнитооптического ротатора 1.
Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 3 формулы, представленном на фиг. 2, магнитооптический ротатор 1 с квадратным поперечным сечением выполнен из оптической керамики.
Разработанный изолятор Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности 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 45 градусов. При прохождении через магнитооптический ротатор 1 пучок приобретает поляризационные искажения вследствие фотоупругого эффекта, вызванного поглощением излучения в среде. Компонента пучка с неискаженной поляризацией беспрепятственно проходит сквозь выходной поляризатор (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.
Поскольку магнитная система 2 изготовлена с квадратной апертурой путем заполнения ее центральных областей, через которые не проходит лазерный пучок, цилиндрическими сегментами 6 постоянных магнитов с намагниченностями, ориентированными вдоль и поперек оси магнитной системы, то это приводит к увеличению напряженности магнитного поля в области магнитооптического ротатора 1, за счет чего можно укоротить магнитооптический ротатор 1 и снизить величину термонаведенной деполяризации. Снижение величины термонаведенной деполяризации можно использовать для увеличения максимальной рабочей мощности изолятора, при которой сохраняется требуемая степень изоляции, либо для увеличения степени изоляции разработанного устройства, что позволяет решить поставленную задачу.
Цилиндрические сегменты 7 с намагниченностями, ориентированными вдоль оси магнитной системы, чередуются с цилиндрическими сегментами 8 с намагниченностями, ориентированными поперек оси магнитной системы.
Поскольку магнитооптический ротатор 1 может быть выполнен в виде параллелепипеда с квадратным поперечным сечением, то, как установлено авторами, термонаведенная деполяризация, наведенная в нем при прохождении через него пучка с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности, оказывается меньше, чем термонаведенная деполяризация в круглом магнитооптическом элементе. Это различие оказывается тем более существенным, чем больше радиус пучка. Численные оценки показывают, что переход от круглой геометрии магнитооптического ротатора 1 к квадратной позволяет уменьшить величину интегральной термонаведенной деполяризации практически вдвое.
Таким образом, поляризационные искажения в разработанном изоляторе Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности оказываются меньше по сравнению с прототипом.
Особенностью работы предлагаемого изолятора Фарадея по п. 2 формулы является использование цилиндрических сегментов 7 постоянных магнитов с намагниченностями, ориентированными вдоль оси, и цилиндрических сегментов 8 постоянных магнитов с намагниченностями, ориентированными поперек оси, с длинами, выбранными исходя из условия создания максимальной напряженности поля в области магнитооптического ротатора 1. Расчет показывает, что тщательный подбор соотношений длин цилиндрических сегментов 7 и 8 позволяет увеличить напряженность поля в области магнитооптического ротатора 1 на ~10%. Увеличение напряженности поля магнитной системы позволяет сократить длину ротатора 1 на ~10%. А поскольку величина термонаведенной деполяризации пропорциональна квадрату длины магнитооптического ротатора 1 (Е.А. Khazanov, O.V. Kulagin, S.Y. Yoshida, D.B. Tanner, D.H. Reitze "Investigation of selfinduced depolarization in terbium gallium garnet", IEEE Journal of Quantum electronics, 50(8), 1999), ее удалось снизить на ~20%.
Особенностью работы предлагаемого изолятора Фарадея по п. 3 формулы является использование керамического магнитооптического ротатора 1, что позволяет создавать широкоапертурные изоляторы, востребованные при работе с мощным излучением.