УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕРМОНАВЕДЕННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ В ПОГЛОЩАЮЩЕМ ОПТИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТЕ ЛАЗЕРА
APPARATUS FOR THERMALLY INDUCED DEPOLARISATION COMPENSATION IN LASER ABSORBING OPTICAL ELEMENT

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для подавления термонаведенного двулучепреломления в поглощающих оптических элементах лазеров с большой средней мощностью излучения.
При создании лазерных систем с большой средней мощностью излучения неизбежно возникают тепловые эффекты в поглощающих оптических элементах, таких как активные элементы, оптические вентили и другие. Эти тепловые эффекты негативно влияют на работу оптических приборов и лазера в целом. Их изучению и способу борьбы с ними посвящено много работ как в отечественной, так и зарубежной литературе.
Поглощение излучения в оптическом элементе приводит к появлению в его объеме неоднородного распределения температуры и к изменению его геометрических размеров. Вследствие этого неоднородное распределение по объему получат все оптические характеристики, зависящие от температуры. Градиент температуры приводит к появлению внутренних напряжений и термонаведенному двулучепреломлению, вызванному фотоупругим эффектом.
Кроме того, неоднородное распределение показателя преломления вкупе с изменением геометрических размеров оптического элемента приводит к искажению волнового фронта, называемому «тепловой линзой», но не изменяет поляризацию проходящего излучения.
laser
laser
Термонаведенное двулучепреломление в каждой точке поперечного сечения оптического элемента изменяет как разность хода между собственными поляризациями, так и сами собственные поляризации, которые становятся эллиптическими, и это термонаведенное двулучепреломление растет при увеличении мощности лазерного излучения. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного луча вносит именно фотоупругий эффект (Хазанов Е.А., Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея, «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр.59-64). Термонаведенная деполяризация γ, вызванная фотоупругим эффектом, зависит от термооптической характеристики материала Q (А.В.Мезенов, Л.Н.Соме, А.И.Степанов, Термооптика твердотельных лазеров. Ленинград: Машиностроение, 1986), теплопроводности материала κ, параметра оптической анизотропии материала ξ, длины волны лазерного излучения λ и полной выделившейся мощности внутри поглощающего оптического элемента W≈αLP, здесь α - коэффициент поглощения материала, L - длина оптического элемента, P - мощность проходящего через поглощающий оптический элемент излучения. Если поглощающий оптический элемент является монокристаллом, то термонаведенная деполяризация γ зависит еще и от направления его кристаллографических осей. Выражения и способ вычисления термонаведенной деполяризации γ при произвольном направлении кристаллографических осей описан в работе (М.А.Каган, Е.А.Хазанов. "Компенсация термонаведенного двулучепреломления в активных элементах из поликристаллической керамики". Квантовая электроника, т.33, №10, 2003, стр.876-882).
Насколько известно авторам, самостоятельных устройств для компенсации термонаведенной деполяризации γ в мировой практике реализовано не было, однако существуют приборы с реализованной в них схемой компенсации термонаведенной деполяризации. Одним из таких приборов является конструкция вентиля Фарадея со схемой компенсации поляризационных искажений (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея, «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр.59-64). Этот прибор 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 оптический элемент в виде кварцевой пластины, вращающей плоскость поляризации на угол φ, равный 67,5°. Функцию устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в этом приборе выполняет схема компенсации поляризационных искажений в виде кварцевой пластины и одного из фарадеевских элементов, но выделить устройство для компенсации отдельно от прибора нельзя, т.к. при исключении кварцевой пластины и одного из фарадеевских элементов вентиль Фарадея перестает выполнять свои функции.
В описанном приборе оба фарадеевских элемента обязаны быть одинаковыми и вместе с кварцевой пластиной должны быть расположены внутри магнитной системы, что усложняет доступ к этим оптическим элементам и их настройку. Оптимальные параметры кварцевой пластины для данного вентиля Фарадея были найдены исходя из условия идентичности фарадеевских элементов и идентичности материала, из которого они изготовлены, при этом не учитывалось, что если они изготовлены из монокристалла, то направления кристаллографических осей в поглощающем и компенсирующем кристаллах (фарадеевских элементах) могут быть сориентированы по-разному.
0
0
1
Наиболее близким по технической сущности заявляемой конструкции является устройство для компенсации термонаведенной деполяризации γ в активном элементе Nd:YAG лазера, содержащее взаимный поляризационный вращатель, выполненный из кристаллического кварца, вращающий плоскость поляризации проходящего излучения на угол φ, равный 90°, и компенсирующий оптический элемент (дополнительный активный элемент, в котором происходит компенсация термонаведенной деполяризации), идентичный первому активному элементу (W.С.Scott and M. de Wit, "Birefringence compensation and TEM00 mode enhancement in a Nd:YAG laser," Applied Physics Letters, vol.18, pp.3-4, 1971). Предложенная схема прототипа обеспечивает компенсацию термонаведенной деполяризации γ, возникающей при прохождении лазерного излучения через первый активный элемент, при последующем прохождении этого же лазерного излучения через второй активный элемент, в котором появляется термонаведенная деполяризация γ. Устройство для компенсации термонаведенной деполяризации в поглощающем оптическом элементе лазера включает в себя последовательно расположенные на оптической оси кварцевый взаимный поляризационный вращатель и один из активных элементов лазера, установленные за поглощающим оптическим элементом.
0
Первый недостаток известного технического решения прототипа заключается в том, что компенсирующий оптический элемент, в котором происходит частичная компенсация термонаведенной деполяризации γ, должен быть идентичен поглощающему элементу, в котором эти искажения возникли. Это означает, что он должен быть изготовлен из того же материала, в той же геометрии и тех же размеров, т.е. вместо одного дорогостоящего элемента необходимо иметь два. Второй недостаток известного технического решения прототипа заключается в том, что он не работает, если необходимо компенсировать термонаведенную деполяризацию в оптическом элементе с циркулярным двулучепреломлением, таким как оптический вентиль (изолятор Фарадея). Добавление 90° кварцевого взаимного поляризационного вращателя и идентичного компенсирующего элемента лишь увеличит термонаведенную деполяризацию. Третий недостаток прототипа заключается в том, что из-за идентичности материала обоих элементов тепловая линза, возникшая в поглощающем элементе, при прохождении через компенсирующий оптический элемент лишь усиливается.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства, позволяющего компенсировать термонаведенную деполяризацию в поглощающем элементе лазера, при этом иметь более слабое ограничение на выбор материала для компенсирующего элемента и возможность изготавливать аналогичные устройства компенсации термонаведенной деполяризации для произвольного, наперед заданного поглощающего элемента лазера.
0
0
0
0
0
0
0
Технический результат в разработанном устройстве для компенсации термонаведенной деполяризации γ (Р, Q, κ, ξ, α, L, W) в поглощающем оптическом элементе лазера достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси взаимный поляризационный вращатель, поворачивающий плоскость поляризации проходящего излучения на угол φ, и компенсирующий оптический элемент, установленные за поглощающим оптическим элементом.
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
Новым в разработанном устройстве для компенсации термонаведенной деполяризации в поглощающем оптическом элементе лазера является то, что в качестве компенсирующего элемента выбран оптический элемент, имеющий при одинаковых параметрах лазерного излучения величину термонаведенной деполяризации γ приближенно равную γ:γ (P, Q, κ, ξ, α, L, W)≈γ (P, Q, κ, ξ, α, L, W). При этом, по крайней мере, один из упомянутых параметров, от которых зависит γ, не равен соответствующему параметру γ, а угол φ взаимного поляризационного вращателя и отличающиеся параметры компенсирующего элемента определены выбором материала компенсирующего элемента и условием минимума суммарной термонаведенной деполяризации в системе поглощающий элемент - взаимный поляризационный вращатель - компенсирующий элемент.
Авторами впервые в мировой практике предложена конструкция устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в любом произвольном поглощающем оптическом элементе как самостоятельного прибора, который может быть рассчитан и изготовлен из доступных материалов и внесен в схему мощного лазера для уменьшения поляризационных искажений лазерного излучения.
1
0
0
1
0
В первом частном случае реализации разработанного устройства при наличии поглощающего оптического элемента в виде магнитооптического элемента изолятора Фарадея из монокристалла с ориентацией [001] целесообразно компенсирующий оптический элемент изготовить из того же монокристалла и с той же ориентацией, что и поглощающий оптический элемент, при этом длину компенсирующего элемента L целесообразно выбрать равной 0,9L, взаимный поляризационный вращатель изготовить с углом вращения φ равным 73,5°, а значения углов θ и θ, определяющих положение кристаллографических осей поглощающего и компенсирующего оптических элементов относительно поляризации лазерного излучения на входе в поглощающий элемент, выбрать исходя из значения параметра оптической анизотропии материала ξ.
1
0
Во втором частном случае реализации разработанного устройства целесообразно материал для компенсирующего оптического элемента выбрать таким, чтобы знак его термооптической характеристики Р был противоположен знаку аналогичной термооптической характеристики Р поглощающего оптического элемента, что позволяет компенсировать тепловую линзу, возникающую в поглощающем оптическом элементе.
В третьем частном случае реализации разработанного устройства целесообразно на поверхности компенсирующего оптического элемента нанести соответствующие диэлектрические покрытия, что позволяет ему дополнительно выполнять функцию зеркала или поляризатора.
1
Таким образом, как предложено авторами, материал компенсирующего элемента может отличаться от материала поглощающего элемента, а параметры взаимного поляризационного вращателя и компенсирующего элемента рассчитываются исходя из параметров поглощающего элемента и термооптических констант материала компенсирующего элемента. Численно рассчитывается термонаведенная деполяризация системы поглощающий оптический элемент - взаимный поляризационный вращатель - компенсирующий оптический элемент. При этом учитывается кристаллическая структура материалов поглощающего и компенсирующего элементов (монокристалл, керамика или стекло), если материал представляет собой монокристалл, то учитывается направление кристаллографических осей. Затем, варьируя угол φ взаимного поляризационного вращателя и длину L компенсирующего элемента (а если материал представляет собой монокристалл, то и положения кристаллографических осей в поглощающем и компенсирующем элементах), ищутся оптимальные их значения, при которых термонаведенная деполяризация системы минимальна. Для нахождения термонаведенной деполяризации используется формализм матриц Джонса. Каждый оптический элемент описывается своей матрицей Джонса, при этом учитывается геометрия оптических элементов, форма и размер греющего излучения, способ отвода от них тепла и ориентация их кристаллографических осей. Зная матрицы Джонса для каждого оптического элемента и поле на входе, можно найти поле на выходе и вычислить термонаведенную деполяризацию системы элементов.
Такое построение устройства для компенсации термонаведенной деполяризации и выбор его параметров в соответствии с п.1 формулы позволяет создать устройство, эффективно компенсирующее термонаведенную деполяризацию в поглощающем элементе лазерной системы без внесения изменения в поглощающий оптический элемент. При этом материал компенсирующего элемента может быть выбран по тому или иному признаку отличным от материала поглощающего элемента, например выбран более дешевым.
1
0
Изготовление устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с п.2 формулы позволяет создать устройство, эффективно компенсирующее термонаведенную деполяризацию в частном случае поглощающего оптического элемента - в оптическом вентиле. Расчеты показывают, что если поглощающий и компенсирующий оптические элементы выполнены из одного монокристаллического материала с ориентацией [001], то угол поворота плоскости поляризации во взаимном поляризационном вращателе должен быть равен 73,5°, а длина компенсирующего элемента L должна быть равной 0,9 от длины поглощающего элемента L. Расчеты показывают также, что величина термонаведенной деполяризации в оптическом вентиле при добавлении разработанного устройства компенсации с приведенными параметрами может быть снижена более чем на два порядка, что позволяет увеличить максимально допустимую мощность, ниже которой степень изоляции оптического вентиля больше 30 Дб, в 7,7 раза.
Изготовление устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с п.3 формулы позволяет выбирать материал компенсирующего элемента со знаком производной показателя, преломления противоположным знаку производной показателя преломления поглощающего элемента, а параметры поляризационного вращателя и длину компенсирующего элемента находить согласно п.1 формулы. Такое устройство, кроме компенсации термонаведенной деполяризации, будет дополнительно частично компенсировать тепловую линзу.
Построение устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с п.4 формулы позволяет совмещать в компенсирующем элементе функции других оптических элементов лазера. Например, при изготовлении компенсирующего элемента с соответствующим диэлектрическим покрытием он может дополнительно выполнять функцию поляризатора или зеркала.
Сущность изобретения поясняется чертежами,
0
1
где на фиг.1,а представлена в разрезе схема разработанного устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с пунктами 1 и 3 формулы. На фиг.1,б изображены направления кристаллографических осей, определенные углами в поглощающем элементе θ и компенсирующем элементе θ относительно оси x, в том случае если поглощающий и компенсирующий оптические элементы сделаны из монокристалла с ориентацией [001].
На фиг.2 представлена в разрезе схема разработанного устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с пунктами 2 и 3 формулы.
На фиг.3 представлена в разрезе схема разработанного устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в соответствии с п.4 формулы.
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Устройство для компенсации термонаведенной деполяризации, изготовленное в соответствии с п.1 формулы и представленное на фиг.1, содержит последовательно расположенные на оптической оси взаимный поляризационный вращатель 1 и компенсирующий оптический элемент 2, установленные после поглощающего оптического элемента 3. Угол φ взаимного поляризационного вращателя 1, длина L и положение кристаллографических осей θ компенсирующего элемента 2 определены исходя из параметров материала поглощающего оптического элемента 3 Р, Q, κ, ξ, α, параметров материала компенсирующего оптического элемента 2 Р, Q, κ, ξ, α и условий минимума суммарной термонаведенной деполяризации в системе: поглощающий элемент - взаимный поляризационный вращатель - компенсирующий элемент. Отклонение от найденных параметров будет ухудшать компенсацию термонаведенной деполяризации, а при определенных ее значениях устройство перестанет быть компенсирующим и будет дополнительно к термонаведенной деполяризации поглощающего оптического элемента вносить свои поляризационные искажения, увеличивая суммарную деполяризацию.
Устройство для компенсации термонаведенной деполяризации, изготовленное в соответствии с п.2 формулы и представленное на фиг.2, содержит взаимный поляризационный вращатель 1 и компенсирующий оптический элемент 2, последовательно расположенные на оптической оси после поглощающего оптического элемента 3, который представляет собой магнитооптический элемент, помещенный в магнитную систему 4, выполненную, например, на постоянных магнитах, либо на сверхпроводящем соленоиде. И все эти элементы расположены между поляризаторами 5 и 6. Схема, представленная на фиг.2, представляет собой оптический вентиль с добавленным в него разработанным устройством для компенсации термонаведенной деполяризации, которое позволяет увеличить два основных потребительских свойства оптического вентиля: максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения и степень изоляции.
Устройство для компенсации термонаведенной деполяризации, изготовленное в соответствии с п.4 формулы и представленное на фиг.3, содержит взаимный поляризационный вращатель 1 и компенсирующий оптический элемент 2, помещенные на оптической оси после поглощающего оптического элемента 3. На одну из граней компенсирующего элемента 2 нанесено диэлектрическое покрытие 7, а сам элемент 2 располагается под углом к падающему излучению и в зависимости от типа диэлектрического покрытия 7 компенсирующий оптический элемент 2 может дополнительно выполнять функцию поляризатора или поворотного зеркала.
В примере конкретной реализации представлено устройство для компенсации термонаведенной деполяризации в оптическом вентиле по схеме на фиг.2. В качестве взаимного поляризационного вращателя 1 использовалась кварцевая пластина диаметром 10,3 мм и длиной 10,7 мм, вращающая плоскость поляризации проходящего излучения на угол φ=67,5°, в качестве компенсирующего элемента 2 использовался кристалл ТГГ (тербий-галиевый гранат) с размерами (диаметр 20 мм, длина 18 мм) и ориентацией [001]. Компенсировали деполяризованное излучение, которое возникало в оптическом вентиле 3. В качестве поглощающего элемента 3 выступал магнитооптический элемент оптического вентиля, изготовленный из кристалла ТГГ с ориентацией [001]. Параметры устройства для компенсации термонаведенной деполяризации в примере конкретной реализации отличаются от приведенных в п.2 формулы, но добавление устройства компенсации с такими параметрами в схему оптического вентиля позволило при мощности лазерного излучения 300 Вт уменьшить термонаведенную деполяризацию в 36 раз и увеличить степень изоляции оптического вентиля с 20 Дб до 35 Дб, что хорошо согласуется с расчетами. Разработанное устройство для компенсации термонаведенной деполяризации с параметрами, приведенными в п.2 формулы, позволит при той же мощности лазерного излучения увеличить степень изоляции оптического вентиля до 50 Дб.
0
0
1
1
0
Принцип работы разработанного устройства для компенсации термонаведенной деполяризации аналогичен принципу работы прототипа. При прохождении поглощающего элемента 3 линейно поляризованное лазерное излучение частично поглощается, что приводит к неоднородному распределению температуры внутри поглощающего элемента 3, а вследствие этого возникают напряжения, которые благодаря фотоупругому эффекту приводят к термонаведенному двулучепреломлению. Термонаведенное двулучепреломление в каждой точке поперечного сечения поглощающего элемента 3 изменяет как разность хода между собственными поляризациями, так и сами собственные поляризации, которые становятся эллиптическими. Это приводит к возникновению деполяризованной компоненты у изначально линейно поляризованного излучения. Отношение мощности деполяризованной компоненты к полной падающей мощности лазерного излучения определяет термонаведенную деполяризацию γ в поглощающем оптическом элементе 3 лазера. При последующем прохождении лазерным излучением взаимного поляризационного вращателя 1 новых поляризационных искажений излучения не возникает, т.е. величина γ не изменяется, но в каждой точке поперечного сечения на выходе взаимного поляризационного вращателя 1 плоскость поляризации поворачивается на заранее рассчитанный угол φ, который задается вращателем 1. Далее при прохождении лазерным излучением компенсирующего оптического элемента 2 происходят процессы, аналогичные процессам в поглощающем оптическом элементе 3. В нем (оптическом элементе 2) возникает термонаведенная деполяризация γ, но благодаря тому, что поляризация излучения до компенсирующего оптического элемента 2 была повернута на специально рассчитанный угол φ, разность хода и поворот собственных поляризаций в компенсирующем оптическом элементе 2 происходят в противоположном направлении. Деполяризованная компонента излучения при этом уменьшается на величину γ, близкую к γ и, вследствие этого, суммарная деполяризация системы, включающей в себя поглощающий оптический элемент - взаимный поляризационный вращатель - компенсирующий оптический элемент, существенно уменьшается. Таким образом, при прохождении излучения через разработанное устройство происходит компенсация термонаведенной деполяризации, возникшей в поглощающем оптическом элементе 3, что позволяет решить поставленную задачу.
Кроме того, поскольку при решении задачи по созданию устройства для компенсации термонаведенной деполяризации не накладывались ограничения на то, чтобы компенсирующий оптический элемент был идентичен поглощающему оптическому элементу, то это позволяет выбирать материал компенсирующего оптического элемента из всех доступных оптических материалов по признакам: дешевизна, доступность, противоположная по знаку "тепловая" линза и т.д.