ИЗОЛЯТОР ФАРАДЕЯ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной 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 при прохождении 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 изолятора Фарадея, снижают важнейшую характеристику данного устройства - степень изоляции. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит фотоупругий эффект (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея. Квантовая электроника, 26, №1, 1999, стр.59-64).

Существует несколько путей уменьшения термонаведенных поляризационных искажений. 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 (Андреев Н.Ф. и др. Изолятор Фарадея с развязкой 45 дБ 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). 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 элементы должны располагаться на равном удалении от центра магнитной 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 1-1,5°, обусловленную эффектом Фарадея. Компенсация этой отстройки приводит к дополнительному усложнению оптической конструкции данного изолятора, а также к небольшим потерям мощности излучения на прямом проходе через него.

Другой путь уменьшения термонаведенных поляризационных искажений требует увеличения напряженности поля внутри магнитной системы изолятора Фарадея. Угол поворота плоскости поляризации φ излучения, 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 элемент, снизив тем самым все паразитные тепловые эффекты.

Одним из направлений получения магнитных полей с высокой напряженностью является использование сверхпроводящих соленоидов (D.S. Zheleznov, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, E.A. Khazanov, A.V. Voitovich, Faraday rotators with short magneto-optical elements for 50 kW laser power, IEEE Journal of Quantum Electronics, v.43, 451-457, 2007). Поскольку при этом удается получать поля с высокой напряженностью (выше 5 Тл), магнитооптические элементы могут быть выполнены в виде тонких дисков, что позволяет обеспечить высокую рабочую мощность изолятора, однако, громоздкость, сложность конструкции, дороговизна эксплуатации делает применение таких устройств нецелесообразным в подавляющем большинстве случаев.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности, магнитная система которой выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов, в которой создается поле с напряженностью 2,1 Тл, и которая выбрана в качестве прототипа (I. Mukhin, A. Voitovich, О. Palashov, E. Khazanov "2.1 Tesia permanent-magnet Faraday isolator for subkilowatt average power lasers". Optics Communications, 282, 1969 (2009)). Постоянные магниты в конструкции магнитной системы изолятора прототипа (см. фиг.1) представляют собой коаксиально и радиально намагниченные кольца, размеры и расположение которых тщательно подобраны с целью создания сильного магнитного поля в области магнитооптического элемента. Магнитопроводы, расположенные внутри магнитной системы, позволяют концентрировать силовые линии магнитного поля в области магнитооптического элемента, тем самым создавать локально в центре поле с еще более высокой напряженностью. Это позволило изготовить изолятор Фарадея с одним магнитооптическим элементом длиной всего 10,3 мм, обеспечивающий степень изоляции 30 дБ при максимально допустимой рабочей мощности ~ 400 Вт.

Недостатком изолятора Фарадея прототипа является ограничение в величине напряженности поля, достигаемой в его магнитной системе, накладываемое особенностями ее конструкции. Увеличение габаритов магнитной системы и замена материала намагниченных колец на кольца с большей величиной остаточной индукции не приводит к возрастанию напряженности магнитного поля. Этот факт можно объяснить усилением эффекта перемагничивания постоянных магнитов, расположенных в центральной области магнитной системы. Как установлено авторами предлагаемого изобретения, в таких магнитных системах происходит перемагничивание магнитов в i-х областях 1 (см. фиг.1) из-за сильных (>3 Тл) локальных магнитных полей. Ситуация усугубляется тем, что после перемагничивания каждая i-я область 1 начинает создавать вблизи себя поле с напряженностью Н, противоположной изначальному направлению намагниченности М, в результате чего сильное размагничивающее поле перемещается вглубь центрального кольца и перемагничивает новые области 2 (j-я область) и т.д. В результате перемагничивается важнейшая часть магнитной системы - область магнитов, наиболее близкая к магнитооптическому элементу.

Такое размагничивание является существенным препятствием на пути к увеличению напряженности магнитного поля в магнитной системе, собранной из колец с коаксиальным и радиальным направлениями намагниченности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности изолятора Фарадея на постоянных магнитах, работающего при комнатной температуре, при сохранении заданной степени изоляции (30 дБ) и без усложнения его оптической конструкции.

Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор.

Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что в его магнитной системе области, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой.

Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п.1 формулы позволяет повысить его степень изоляции и максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет предотвращения попадания магнитов в области сильных размагничивающих полей. Таким образом, во-первых, исключаются области магнитов, которые меняют свое направление намагниченности при сборке магнитной системы и снижают напряженность поля в ее центре, и, во-вторых, предотвращается проникновение размагничивающих полей вглубь магнитной системы. В итоге полностью исключается появление перемагниченных областей при сборке магнитной системы, что приводит к увеличению напряженности поля, создаваемого в ней, а это, в свою очередь, предоставляет возможность использования более коротких магнитооптических элементов и соответственно сокращения всех паразитных тепловых эффектов.

В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея целесообразно для заполнения областей, подверженных перемагничиванию, в качестве неферромагнитной среды использовать медь.

Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея целесообразно для заполнения областей, подверженных перемагничиванию, в качестве неферромагнитной среды использовать воздух или вакуум.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена в разрезе схема изолятора Фарадея прототипа;

- на фиг.2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п.1 формулы.

Схема и особенности работы изолятора Фарадея прототипа, изображенного на фиг.1, достаточно подробно описаны выше.

Разработанный изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п.1 формулы и представленный на фиг.2, содержит магнитооптический элемент 3, помещенный в магнитную систему. Снаружи магнитной системы, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 4 и анализатор 5, расположенные по разные стороны магнитооптического элемента 3.

Магнитная система изолятора, изготовленного в соответствии с п.1 формулы, центральная часть которой представлена на фиг.2, содержит коаксиально и радиально намагниченные кольца 6 и магнитопроводы 7. Часть намагниченных колец 6 имеет поверхности, наклоненные относительно оси изолятора Фарадея таким образом, чтобы не допустить попадание магнитов в i-е области 1, в которых индуцируются сильные размагничивающие поля. В разработанной конструкции изолятора Фарадея i-е области 1 заполнены неферромагнитной средой, что позволяет предотвратить проникновение размагничивающих полей в j-е области 2 магнитной системы.

В итоге в магнитной системе разработанного изолятора Фарадея удалось создать поля на оси с напряженностью 2,6 Тл, при диаметре "чистой" апертуры в 13 мм. В системах же, подобных магнитной системе изолятора Фарадея прототипа, получить поля с напряженностью выше 2,1 Тл не удавалось. Такое увеличение напряженности поля позволило сократить длину используемого в качестве магнитооптического элемента кристалла TGG до 9 мм и поднять максимально допустимую рабочую мощность, при которой обеспечивается степень изоляции в 30 дБ, до 650 Вт (Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов. Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ. Квант, электроника, 43 (8)), то есть решить поставленную задачу.

Изобретение относится к оптике и представляет собой изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности. Изолятор включает в себя последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор, при этом в его магнитной системе области, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой. Техническим результатом является предотвращение попадания магнитов в область сильных размагничивающих полей и исключение появления перемагниченных областей при сборке магнитной системы, что приводит к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого в ней, и обеспечивает возможность использования более короткого магнитооптического элемента и тем самым увеличения максимально допустимой рабочей мощности. За счет этого удалось создать простой в использовании и работающий при комнатной температуре компактный изолятор Фарадея с одним магнитооптическим элементом для лазеров с уровнем мощности порядка 650 Вт. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор, отличающийся тем, что в его магнитной системе области, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой.

2. Изолятор Фарадея по п.1, отличающийся тем, что в его магнитной системе для заполнения областей, подверженных перемагничиванию, в качестве неферромагнитной среды используется медь.

3. Изолятор Фарадея по п.1, отличающийся тем, что в его магнитной системе для заполнения областей, подверженных перемагничиванию, в качестве неферромагнитной среды используется воздух или вакуум.