ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТЕРМОНАВЕДЕННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Российский патент 2017 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки или невзаимный вращатель поляризации на эффекте Фарадея для лазеров с большой средней мощностью от 1 до 10 кВт.

Основной проблемой, препятствующей разработке и созданию оптических вентилей и вращателей для лазеров с большой средней мощностью, является наличие поляризационных искажений лазерного луча как на прямом, так и на обратном проходе магнитооптического элемента, обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического элемента при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейших характеристик таких приборов.

Поглощение излучения в магнитооптическом элементе вызывает неоднородное по поперечному сечению распределение температуры, что приводит к следующим физическим механизмам изменения поляризации излучения: к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, вызванному зависимостью постоянной Верде от температуры и к появлению одновременно с циркулярным (эффект Фарадея) линейного двулучепреломления, связанного с механическими напряжениями из-за градиента температуры (фотоупругий эффект). Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного луча в магнитооптическом элементе вносит фотоупругий эффект (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея. «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр. 59-64). Количественно величину поляризационных искажений описывают с помощью интегральной степени термонаведенной деполяризации γ, которая определяется как отношение мощности деполяризованной компоненты поля к полной падающей мощности излучения и зависит от термооптической характеристики материала Q (А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов. Термооптика твердотельных лазеров. Ленинград: Машиностроение, 1986), параметра оптической анизотропии материала ξ, теплопроводности материала κ, длины волны лазерного излучения λ и полной выделившейся мощности внутри оптического элемента W≈αLP_laser, здесь α - коэффициент поглощения материала, L - длина оптического элемента, P_lazer - мощность проходящего через оптический элемент излучения.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить однокомпонентный компенсатор термонаведенной деполяризации в поглощающем оптическом элементе лазера, в котором в качестве поглощающего элемента используется, например, оптический вентиль (патент RU 2527257 C1, МПК (2006.01) H01S 3/10, G02F 1/01, публ. 27.08.2014). Упомянутая система оптический вентиль - компенсирующий элемент содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, помещенный в магнитное поле, в котором он невзаимно поворачивает плоскость поляризации проходящего излучения на 45°, компенсирующий оптический элемент и анализатор, при этом выбором материала компенсирующего оптического элемента с ξ<0 или со знаком разности коэффициентов пьезооптического тензора (π₁₁-π₁₂), противоположным знаку аналогичной разности для материала магнитооптического элемента, из схемы исключается поляризационный вращатель. Параметры компенсирующего элемента определяются выбором материала компенсирующего элемента и условием минимума суммарной термонаведенной деполяризации в системе оптический вентиль - компенсирующий элемент.

В описанном приборе принципиальным является то, что в компенсирующем элементе отсутствует циркулярное двулучепреломление (то есть он не обеспечивает фарадеевского вращения поляризации). Именно из этих условий найдены параметры компенсирующего элемента. При наличии в компенсирующем элементе циркулярного двулучепреломления пропадает эффективная компенсация термонаведенной деполяризации (компенсирующий элемент перестает выполнять свою функцию) и, что более принципиально, суммарный угол фарадеевского вращения становится отличным от 45°, а, следовательно, оптический вентиль перестает выполнять свою основную функцию - изоляцию оптического излучения.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемой конструкции является конструкция оптического вентиля, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, два магнитооптических элемента, установленные в магнитной системе, и анализатор, при этом магнитооптические элементы поворачивают плоскость поляризации на 22,5° каждый, а между ними расположен взаимный поляризационный вращатель, вращающий плоскость поляризации излучения на угол ϕ. Оба упомянутых магнитооптических элемента изготовлены из одного и того же монокристалла с ориентацией [001], но имеют различные направления кристаллографических осей θ₁ и θ₂ относительно поляризации падающего на оптический вентиль излучения, при этом угол поворота плоскости поляризации ϕ во взаимном поляризационном вращателе лежит в пределах от 70° до 74°, отношение длин магнитооптических элементов варьируется от 0,96 до 1, и конкретные их значения определяются параметром оптической анизотропии материала ξ, из которого они изготовлены, а направления кристаллографических осей θ₁ и θ₂ магнитооптических элементов относительно поляризации лазерного излучения выбираются из условия максимума степени изоляции оптического вентиля (патент RU 2458374 C1, МПК⁷ G02F 1/09, G02B 5/30, публ. 10.08.2012).

Одним из недостатков известного технического решения прототипа является использование в схеме прототипа взаимного поляризационного вращателя, расположенного в магнитном поле между магнитооптическими элементами (такое положение взаимного поляризационного вращателя в техническом решении прототипа необходимо для реализации компенсации термонаведенной деполяризации, возникающей в магнитооптических элементах оптического вентиля при прохождении сквозь них лазерного излучения с высокой средней мощностью). Так как магнитное поле имеет максимум своего значения в середине магнитной системы, а магнитооптические элементы, изготовленные из одного материала, для эффективной компенсации должны обеспечивать одинаковое фарадеевское вращение плоскости поляризации проходящего излучения, а следовательно, находиться в одинаковом по величине магнитном поле, то взаимный поляризационный вращатель попадает в максимум магнитного поля. Обычно взаимный поляризационный вращатель изготавливают из кристаллического кварца, который для вращения плоскости поляризации излучения с λ=1 микрон на угол 70°-74° должен быть длиной 11,22 мм-11,86 мм. Таким образом, область внутри магнитной системы размером порядка 11 мм с максимальным магнитным полем не используется, магнитооптические элементы располагаются в более слабом магнитном поле, и для обеспечения того же фарадеевского вращения элементы изготавливаются на ~10-15% большей длины (по сравнению с ситуацией (вариантом) расположения в максимуме магнитного поля), что дополнительно увеличивает термонаведенные эффекты в них. Дополнительно к этому, наличие взаимного поляризационного вращателя в схеме прототипа увеличивает количество оптических поверхностей, которые порождают паразитные блики. Эти блики могут привести к пробою оптики или самовозбуждению усилителей в лазерной системе. Усложняется настройка схемы оптического вентиля, так как настроить три элемента (два магнитооптических и взаимный поляризационный вращатель) сложнее, чем два. И в заключение, необходимость в оптических вентилях с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле возникает при большой средней мощности лазерного излучения. При таких мощностях требование к качеству обработки поверхностей и качеству диэлектрического просветляющего покрытия значительно возрастает, а следовательно, возрастает и стоимость каждого используемого оптического элемента и полная стоимость оптического вентиля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка более простого в изготовлении и настройке и более надежного в работе оптического вентиля, обеспечивающего сравнимую с прототипом степень изоляции для лазеров со средней мощностью от 1 до 5 кВт, состоящего из двух магнитооптических элементов, установленных в максимуме магнитного поля магнитной системы.

Технический результат в разработанном оптическом вентиле с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле достигается за счет того, что он, как и оптический вентиль прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, два магнитооптических элемента, установленных в магнитной системе, в которой они невзаимно вращают плоскость поляризации проходящего излучения на суммарный угол, равный 45°, и анализатор.

Новым в разработанном оптическом вентиле с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле является то, что магнитооптические элементы изготовлены из магнитоактивных монокристаллических материалов с ориентацией кристаллографических осей [001], хотя бы один из которых обладает отрицательным параметром оптической анизотропии (ξ<0) или материалы обладают разными знаками разности пьезооптических коэффициентов (π₁₁-π₁₂), что позволяет реализовать эффективную компенсацию термонаведенной деполяризации, возникающую в одном из магнитооптических элементов при прохождении через другой, без использования, в отличие от прототипа, взаимного поляризационного вращателя между магнитооптическими элементами оптического вентиля. При этом оба магнитооптических элемента обеспечивают фарадеевское вращение, суммарная величина которого равна 45°, и могут быть изготовлены из разных материалов. Численно рассчитывается термонаведенная деполяризация системы двух магнитооптических элементов. Зная постоянные Верде используемых материалов, продольное распределение магнитного поля в магнитной системе, термооптические характеристики Q, параметры оптической анизотропии ξ, коэффициенты теплопроводности κ, коэффициент поглощения α используемых материалов, варьируя длины магнитооптических элементов и положения кристаллографических осей в них, ищутся такие их значения, при которых суммарный угол фарадеевского вращения в магнитооптических элементах, помещенных в магнитное поле, равняется 45°, а 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 магнитооптических элементов.

Такое построение оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле в соответствии с п. 1 формулы позволяет создать оптический вентиль, состоящий из двух магнитооптических элементов, установленных в максимуме магнитного поля магнитной системы, в котором реализуется эффективная компенсация термонаведенной деполяризации без использования взаимного поляризационного вращателя, что позволяет более эффективно использовать области сильного магнитного поля, тем самым уменьшая необходимую для 45° фарадеевского вращения длину магнитооптических элементов. Это уменьшает общее количество оптических граней и приводит к уменьшению количества паразитных бликов, порождаемых оптическим вентилем, что повышает надежность его работы, а также обеспечивает удешевление его общей стоимости. Отсутствие взаимного поляризационного вращателя дополнительно упрощает изготовление и настройку оптического вентиля при сохранении основного потребительского свойства оптического вентиля - степени изоляции при высокой средней мощности лазерного излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле в соответствии с пунктом 1 формулы.

На фиг. 2, а изображены направления кристаллографических осей, определяемые углами θ₁ и θ₂ в магнитооптических элементах относительно оси x в том случае, если оба магнитооптических элемента изготовлены из монокристаллов с ориентацией [001], а направление оси x выбрано совпадающим с направлением поляризации лазерного излучения на входе в оптический вентиль.

На фиг. 2, б изображено характерное поперечное распределение локальной термонаведенной деполяризации в монокристалле с ориентацией [001]. Угол ϕ определяет максимум положения одного из лепестков термонаведенной деполяризации по отношению к оси x.

Оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит два магнитооптических элемента 1 и 2, изготовленных из магнитоактивных монокристаллических материалов с ориентацией кристаллографических осей [001]. Как минимум один из элементов 1 и 2 изготовлен из монокристалла с отрицательным параметром оптической анизотропии или элементы 1 и 2 изготовлены из материалов, отличающихся знаком разности пьезооптических коэффициентов (π₁₁-π₁₂). Магнитооптические элементы 1 и 2 помещены в сильное однородное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 3, выполненной, например, на постоянных магнитах, либо на сверхпроводящем соленоиде. Снаружи магнитной системы 3, вдоль оптической оси z вентиля находятся поляризатор 4 и анализатор 5, расположенные по разные стороны относительно магнитной системы 3.

В примере конкретной реализации разработан оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле по схеме, представленной на фиг. 1. В качестве магнитооптических элементов 1 и 2 использованы монокристаллы тербийскандийалюминиевого граната (TSAG) и тербийгаллиевого граната (TGG) с ориентацией [001] каждый. Эти два материала имеют одинаковый знак разности коэффициентов пьезооптического тензора (_π11-π₁₂). Элемент 1 изготовлен из монокристалла TSAG с отрицательным параметром оптической анизотропии ξ_TSAG=-101, (αQ/κ)_TSAG=1,44⋅10^-9 1/BT, V_TSAG(λ=1075нм)=46,2 рад/T⋅M. Элемент 2 изготовлен из монокристалла TGG с положительным параметром оптической анизотропии ξ_TGG=2,25, (αQ/κ)_TGG=5,24⋅10^-8 1/Вт, V_TGG(λ=1075 нм)=37 рад/T⋅м (I.L. Snetkov, R. Yasuhara, А.V. Starobor, Е.A. Mironov, and О.V. Palashov. "Thermo-Optical and Magneto-Optical Characteristics of Terbium Scandium Aluminum Garnet Crystals," IEEE Quantum Electron. 51, 1-7 (2015)). Для магнитной системы 3, обеспечивающей однородное магнитное поле с индукцией 2,5 Тесла, длина монокристалла TSAG равняется L₁=4,9 мм, а угол наклона одной из кристаллографических осей к направлению поляризации падающего лазерного излучения θ₁=52,8°; длина монокристалла TGG - L₂=2,4 мм, а θ₂=-25,6°. Магнитооптический элемент 1, изготовленный из монокристалла TSAG с отрицательным параметром оптической анизотропии, обеспечивает фарадеевское вращение поляризации проходящего излучения на 32,3°, а магнитооптический элемент 2, изготовленный из монокристалла TGG, обеспечивает фарадеевское вращение поляризации проходящего излучения на 12,7°, таким образом, суммарное фарадеевское вращение составляет 45°. При таком отношении длин магнитооптических элементов 1 и 2 и таких положениях кристаллографических осей θ₁ и θ₂ относительно поляризации падающего излучения достигается максимально эффективная компенсация термонаведенной деполяризации, что позволяет обеспечить степень изоляции более 30 дБ вплоть до мощности непрерывного излучения в 5 кВт.

Разработанный оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле с параметрами, выбранными в соответствии с пунктом 1 формулы, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.

Лазерное излучение большой средней мощности (в общем случае - неполяризованное) на прямом проходе через оптический вентиль сначала поступает на поляризатор 4, делится в нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 4 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный луч сначала проходит сквозь магнитооптический элемент 2, изменяя плоскость поляризации на +ϕ. Затем излучение проходит через магнитооптический элемент 1, дополнительно изменяя плоскость поляризации на угол +45°-ϕ. Таким образом, суммарный угол невзаимного фарадеевского вращения составляет +45°, именно под таким углом направлена ось анализатора 5. Углы невзаимного фарадеевского вращения определяются постоянными Верде используемых материалов, распределением величины магнитного поля в магнитной системе, длинами и положением магнитооптических элементов внутри магнитной системы. Основное излучение проходит анализатор 5 и далее используется по назначению, а его деполяризованная компонента, которая возникла в элементах 1 и 2, выводится анализатором 5 из схемы. На обратном проходе прошедшее анализатор 5 линейно поляризованное излучение проходит через магнитооптические элементы 1 и 2. Так как эффект Фарадея невзаимный, то плоскость поляризации излучения поворачивается на те же +45°. Поляризация основной компоненты излучения составит 90° и полностью отразится поляризатором 4, что позволяет, например, защитить источник лазерного излучения от отраженного излучения. Из-за высокой средней мощности проходящего излучения в элементах 1 и 2 возникает термонаведенное двулучепреломление и в проходящем излучении возникают поляризационные искажения. Деполяризованная компонента излучения пройдет через поляризатор 4 и будет определять степень изоляции оптического вентиля.

Принцип работы устройства оптического вентиля с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле аналогичен принципу работы прототипа. При прохождении каждого магнитооптического элемента 1 и 2 лазерное излучение частично поглощается, что приводит к неоднородному распределению температуры внутри каждого магнитооптического элемента, а вследствие этого возникают напряжения, которые, благодаря фотоупругому эффекту, приводят к термонаведенному двулучепреломлению. Термонаведенное двулучепреломление в каждой точке поперечного сечения магнитооптического элемента изменяет как разность хода между собственными поляризациями, так и сами собственные поляризации, которые становятся эллиптическими. Возникающее термонаведенное двулучепреломление зависит от используемого монокристаллического материала, его материальных констант и положения кристаллографических осей в магнитооптическом элементе. 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 каждом магнитооптическом элементе. Как показано в работе (Ilya Snetkov, Anton Vyatkin, Oleg Palashov, and Efim Khazanov Drastic reduction of thermally induced depolarization in CaF2 crystals with [111] orientation. Optics Express, Vol. 20, Issue 12, pp. 13357-13367 (2012)) в средах с отрицательным параметром оптической анизотропии поведение распределения локальной термонаведенной деполяризации кардинально отличается от аналогичного поведения в средах с положительным параметром оптической анизотропии при вращении кристалла относительно направления распространения лазерного излучения. Если параметр оптической анизотропии положителен, то распределение термонаведенной деполяризации при вращении кристалла с ориентацией [001], представляющее собой так называемый «мальтийский крест» (см. фиг. 2, б), относительно направления распространения лазерного излучения колеблется в некоторых пределах, зависящих от величины параметра оптической анизотропии и не превышающих 90°. То есть, каждый лепесток «мальтийского креста» не выходит из своего квадранта (0°<ϕ<90°). В случае если параметр оптической анизотропии материала отрицательный, «мальтийский крест» при вращении кристалла относительно направления распространения лазерного излучения неравномерно вращается с удвоенной частотой.

Лепестки «мальтийского креста» при таком вращении проходят через каждый из квадрантов (ϕ непрерывно изменяется от 0° до 360°). Каждый лепесток характеризуется знаком термонаведенного двулучепреломления, который в соседних лепестках различен. Таким образом, при использовании магнитооптических элементов 1 и 2 из материалов с положительными параметрами оптической анизотропии и одинаковыми знаками разности пьезооптических коэффициентов (π₁₁-π₁₂) без использования кварцевого вращателя нельзя добиться компенсации термонаведенной деполяризации, т.к. лепестки «мальтийского креста» с одинаковым знаком термонаведенного двулучепреломления находятся в одинаковых квадрантах и поворотом элементов нельзя переместить лепестки в другой квадрант. Для осуществления компенсации необходим еще один элемент - поляризационный вращатель, который меняет состояние поляризации прошедшего излучения так, что знаки у лепестков изменяются на противоположные, что и было продемонстрировано в прототипе.

Однако, если материал имеет отрицательный параметр оптической анизотропии (ξ<0), то возможно простым поворотом оптического элемента совместить лепестки с противоположными знаками. В другом случае, если разности коэффициентов пьезооптического тензора (π₁₁-π₁₂) у материалов первого и второго магнитооптических элементов имеют противоположные знаки, то и знаки термонаведенного двулучепреломления в одинаковых квадрантах у них будут противоположные и необходимо лишь совместить максимумы лепестков. Соотношение длин магнитооптических элементов 1 и 2 и ориентация их кристаллографических осей θ₁ и θ₂ подбираются такими, чтобы величины возникающего в них термонаведенного двулучепреломления и ориентации наводимых собственных поляризаций были максимально близкими. Таким образом, разность хода между двумя собственными поляризациями в разных магнитооптических элементах происходит в противоположных направлениях, деполяризованная компонента поля уменьшается и вследствие этого суммарная деполяризация в разработанном оптическом вентиле уменьшается, что и позволяет решить поставленную задачу.

Таким образом, полная развязка прямого и обратного лучей разработанным оптическим вентилем осуществляется за счет невзаимности фарадеевского вращения, высокая степень изоляции при высокой средней мощности проходящего излучения достигается за счет эффективной компенсации термонаведенной деполяризации, возникающей в одном магнитооптическом элементе при прохождении через второй. А достижение эффективной компенсации термонаведенной деполяризации при использовании только двух магнитооптических элементов без взаимного поляризационного вращателя между ними достигается за счет изготовления как минимум одного из магнитооптических элементов из монокристаллического материала с отрицательным параметром оптической анизотропии или за счет изготовления магнитооптических элементов из материалов, имеющих разный знак разности коэффициентов пьезооптического тензора (π₁₁-π₁₂).

Оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле включает в себя последовательно расположенные поляризатор, два магнитооптических элемента, установленных внутри магнитной системы и невзаимно вращающих плоскость поляризации проходящего излучения на суммарный угол, равный 45°, и анализатор. При этом отношение длин магнитооптических элементов определяется коэффициентами линейного поглощения α₀, коэффициентами теплопроводности κ, термооптическими характеристиками Q, параметрами оптической анизотропии материалов ξ, из которых они изготовлены, и постоянной Верде используемых материалов. Конкретные значения длин магнитооптических элементов и направления кристаллографических осей магнитооптических элементов выбираются из условий равенства невзаимного фарадеевского вращения 45 градусам и максимума степени изоляции оптического вентиля. Технический результат заявленного решения заключается в повышении эффективной компенсации термонаведенной деполяризации в оптических вентилях лазеров с большой средней мощностью от 1 до 5 кВт при более простом изготовлении и настройке схемы оптического вентиля. 1 з.п. ф-лы, 2ил.

1. Оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, два магнитооптических элемента, установленных в магнитной системе и невзаимно вращающих плоскость поляризации проходящего излучения на суммарный угол, равный 45°, и анализатор, отличающийся тем, что магнитооптические элементы изготовлены из магнитоактивных монокристаллических материалов с ориентацией кристаллографических осей [001], хотя бы один из которых обладает отрицательным параметром оптической анизотропии (ξ<0) или материалы обладают разными знаками разности пьезооптических коэффициентов (π₁₁-π₁₂), при этом отношение длин магнитооптических элементов определяется коэффициентами линейного поглощения α₀, коэффициентами теплопроводности κ, термооптическими характеристиками Q, параметрами оптической анизотропии материалов ξ, из которых они изготовлены, и постоянной Верде используемых материалов, а конкретные значения длин магнитооптических элементов и направления кристаллографических осей θ₁ и θ₂ магнитооптических элементов относительно поляризации лазерного излучения выбираются из условий равенства невзаимного фарадеевского вращения 45 градусам и максимума степени изоляции оптического вентиля.

2. Оптический вентиль с компенсацией термонаведенной деполяризации в магнитном поле по п. 1, отличающийся тем, что первый магнитооптический элемент длиной 4,9 мм изготовлен из монокристалла тербийскандийалюминиевого граната (TSAG) с , второй магнитооптический элемент длиной 2,4 мм изготовлен из монокристалла тербийгаллиевого граната (TGG) с , а направления кристаллографических осей θ₁ и θ₂ относительно поляризации лазерного излучения составляют соответственно θ₁=52,8° и θ₂=-25,6°.