Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения Российский патент 2019 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, препятствующей разработке и созданию изоляторов Фарадея для лазеров с большой средней мощностью, является наличие поляризационных искажений лазерного луча, как на прямом, так и на обратном проходе магнитооптического ротатора (вращателя плоскости поляризации), обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейшей характеристики изолятора Фарадея - степени изоляции.

Поглощение излучения в магнитооптическом ротаторе приводит к появлению в его объеме неоднородного распределения температуры. Вследствие этого неоднородное распределение по объему ротатора получат все оптические характеристики, зависящие от температуры. Градиент температуры приводит к появлению внутренних напряжений и термонаведенному двулучепреломлению, вызванному фотоупругим эффектом.

Термонаведенное двулучепреломление в каждой точке поперечного сечения 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.

Структура распределения температуры по объему магнитооптического ротатора существенным образом влияет на величину термонаведенной деполяризации. В работе (И.Б. Мухин, Е.А. Хазанов, "Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью", Квантовая Электроника, 34, №10, 973-978, 2004) показано, что использование в ротаторах магнитооптических элементов дисковой формы (т.е. с отношением их диаметра к длине D/L>>1), охлаждаемых с торцевых поверхностей, позволяет существенно снизить термонаведенную деполяризацию, вызванную фотоупругим эффектом, по сравнению со случаем использования стержневых магнитооптических элементов, охлаждаемых через боковую поверхность. Снижение обеспечивается за счет более выгодного распределения градиента температуры и, соответственно, сопутствующих упругих напряжений. В результате, становится возможным обеспечить требуемую степень изоляции прибора при большем уровне мощности проходящего лазерного излучения.

Проблемой, связанной с использованием дисковых магнитооптических элементов в магнитооптических ротаторах, является необходимость обеспечения угла поворота плоскости поляризации проходящего излучения в 45°. Вследствие ограничения световой апертуры изолятора и, соответственно, диаметра элемента, его длина L должна быть достаточно малой, поэтому обеспечить достаточный угол поворота становится сложной задачей, поскольку он пропорционален длине ротатора.

Один из способов решения данной проблемы заключается в использовании сверхпроводящих соленоидов в качестве магнитной системы (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, магнитооптические ротаторы могут быть выполнены в виде одного тонкого дискового магнитооптического элемента, в котором теплоотвод осуществляется в основном через торцевые поверхности, вследствие чего распределения температуры и упругих напряжений устроены таким образом, что термонаведенная деполяризация мала. Однако громоздкость, сложность конструкции, дороговизна эксплуатации делает применение таких устройств нецелесообразным в подавляющем большинстве случаев.

Другим способом решения является использование конструкции изолятора, магнитооптический ротатор которого изготовлен из нескольких дисковых магнитооптических элементов, обдуваемых потоком охлаждающего газа (И.Б. Мухин, Е.А. Хазанов, "Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью", Квантовая Электроника, 34, №10, 973-978, 2004). Благодаря тому, что в магнитооптическом ротаторе используются несколько магнитооптических элементов, решается проблема обеспечения заданного угла поворота плоскости поляризации проходящего излучения. Благодаря потоку охлаждающего газа обеспечивается теплоотвод от торцевых поверхностей магнитооптических элементов, что приводит к выгодному распределению температуры по объему элементов.

Недостатком такого изолятора Фарадея является его сложная оптическая конструкция, требующая юстировки нескольких оптических элементов внутри магнитной системы. Кроме того, использование нескольких магнитооптических элементов, расположенных друг за другом приводит к множественным френелевским переотражениям. Часть излучения, участвующая в переотражениях проходит другой оптический путь, чем основная часть, набирает отличный угол поворота от заданного, и в результате может существенно снизить степень изоляции устройства. Недостатком такого устройства также является необходимость организации обдува магнитооптических элементов охлаждающим газом. Для этого должна быть разработана и внедрена внутрь магнитной системы сложная система обдува. При этом важно не допустить турбулентного течения газа между магнитооптическими элементами, чтобы не вносить дополнительных искажений в лазерный пучок при прохождении через неоднородную среду, поэтому течение газа должно быть ламинарным. Все это влечет за собой дороговизну и сложность эксплуатации устройства. Кроме того, изолятор такой конструкции подразумевает симметричную магнитную систему на основе постоянных магнитов с проходом излучения сквозь нее, и, соответственно, невысокую величину напряженности поля, не позволяющую использовать магнитооптический ротатор малой длины. А поскольку величина поглощенной мощности пропорциональна длине ротатора, имеются существенные ограничения на величину допустимой рабочей мощности вследствие проявления тепловых эффектов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения, магнитооптический ротатор которого представляет собой один магнитооптический элемент дисковой формы, причем поляризатор и анализатор размещены снаружи магнитной системы со стороны одной из торцевых поверхностей магнитооптического элемента, используемой для ввода и вывода лазерного излучения, а на его противоположную торцевую поверхность, находящуюся в тепловом контакте с магнитной системой, нанесено отражающее покрытие (патент US 5115340 А, опубл. 19.05.1992).

Недостатком изолятора Фарадея прототипа является конструкция магнитной системы, которая состоит из постоянного кольцевого магнита и полюсных наконечников. Такое построение магнитной системы приводит к тому, что в ней невозможно получить высокую напряженность магнитного поля, а следовательно использовать магнитооптический ротатор малой длины. Кроме того такая конструкция затрудняет получение высокооднородного поля в области магнитооптического элемента, что ухудшает характеристики изолятора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности дискового изолятора Фарадея на постоянных магнитах при сохранении заданной степени изоляции (30 дБ).

Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит магнитооптический ротатор, представляющий собой магнитооптический элемент дисковой формы, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, а также поляризатор и анализатор, размещенные снаружи магнитной системы со стороны одной из торцевых поверхностей магнитооптического элемента, используемой для ввода и вывода лазерного излучения, на противоположную торцевую поверхность которого, находящуюся в тепловом контакте с магнитной системой, нанесено отражающее покрытие.

Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что магнитная система изготовлена из коаксиально намагниченного диска, коаксиально намагниченного кольца и радиально намагниченного кольца.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что магнитооптический элемент дисковой формы изготовлен из оптической керамики.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

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

Предлагаемый изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит дисковый магнитооптический элемент 1, помещенный в магнитную систему 2, состоящую из коаксиально намагниченного диска, коаксиально намагниченного кольца и радиально намагниченного кольца (см. фиг. 1) и создающую поле в направлении оси изолятора. Кольца и диск имеют такие соотношения размеров, чтобы обеспечить высокую напряженность поля в области расположения магнитооптического элемента 1.

На одну из торцевых поверхностей магнитооптического элемента 1 нанесено отражающее покрытие 3. Эта торцевая поверхность находится в тепловом контакте с магнитной системой 2. Со стороны противоположной торцевой поверхности магнитооптического элемента 1 снаружи магнитной системы 2 находятся поляризатор 4 и анализатор 5.

Построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет использовать асимметричную магнитную систему 2, не требующую обеспечения прохода излучения сквозь нее, как и в случае с прототипом. За счет того, что в магнитной системе вместо полюсных наконечников используются постоянные магниты, а также за счет того, что магнитооптический элемент 1 расположен непосредственно на магните, появляется возможность обеспечения большей напряженности магнитного поля в области магнитооптического элемента 1. Использование магнитов вместо полюсных наконечников позволяет увеличить энергию магнитного поля, а предлагаемое распределение вектора намагниченности позволяет максимизировать величину его напряженности именно в области магнитооптического элемента. Такое распределение намагниченности также позволяет получать высокооднородные магнитные поля, что позволяет избежать дополнительной деполяризации излучения.

Предлагаемый изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения работает следующим образом. Пучок лазерного излучения (в общем случае - неполяризованного) на прямом проходе через поляризатор 4 делится на нем на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 4 и далее не рассматривается. Оставшийся пучок проходит через магнитооптический элемент 1, отражается от отражающего покрытия 3, проходит через магнитооптический элемент 1 в противоположном направлении. В результате плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 45°, при этом пучок приобретает поляризационные искажения вследствие фотоупругого эффекта. Компонента пучка с неискаженной поляризацией беспрепятственно проходит сквозь анализатор 5, 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 4 отразится от него, т.е. не пойдет по пути прямого луча. Однако его деполяризованная компонента пройдет сквозь поляризатор 4 и будет определять основную характеристику изолятора Фарадея - степень изоляции. Поскольку магнитооптический ротатор представляет собой один магнитооптический элемент 1, в схеме отсутствуют переотражения, которые могли бы снизить степень изоляции устройства. Кроме того, за счет теплового контакта магнитооптического элемента 1 с магнитной системой 2 в предлагаемом изоляторе Фарадея проблема отвода тепла решена без дополнительных приспособлений. И наконец, поскольку в магнитной системе 2 изолятора постоянные магниты собраны таким образом, чтобы максимизировать поле в области магнитооптического элемента 1, и магнитооптический элемент 1 расположен непосредственно на магните, оказывается возможным создать поле большей напряженности по сравнению с прототипом, а за счет этого уменьшить длину магнитооптического ротатора и величину набираемых поляризационных искажений при прохождении через него, и, соответственно, увеличить максимально допустимую рабочую мощность изолятора Фарадея.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно использовать магнитооптический ротатор, выполненный из оптической керамики, поскольку в этом случае появляется возможность применять магнитоактивные материалы, которые не могут быть выращены монокристаллическими. В частности могут быть использованы материалы с высоким значением постоянной Верде, что позволит сократить длину магнитооптического элемента и сократить величину термонаведенной деполяризации, улучшив распределение термоупругих напряжений в нем. Например, можно использовать оптическую керамику Tb2O3, постоянная Верде которой в 3,5 раза превосходит постоянную Верде кристалла TGG.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной средней мощностью излучения. Изолятор содержит магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе и представляющий собой магнитооптический элемент дисковой формы, а также поляризатор и анализатор, размещенные снаружи магнитной системы со стороны одной из торцевых поверхностей магнитооптического элемента, используемой для ввода и вывода лазерного излучения. На противоположную торцевую поверхность магнитооптического элемента, находящуюся в тепловом контакте с магнитной системой, нанесено отражающее покрытие. Магнитная система изготовлена из коаксиально намагниченного диска, коаксиально намагниченного кольца и радиально намагниченного кольца. Технический результат – повышение максимально допустимой рабочей мощности при сохранении заданной степени изоляции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения, содержащий магнитооптический ротатор, представляющий собой магнитооптический элемент дисковой формы, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, а также поляризатор и анализатор, размещенные снаружи магнитной системы со стороны одной из торцевых поверхностей магнитооптического элемента, используемой для ввода и вывода лазерного излучения, на противоположную торцевую поверхность которого, находящуюся в тепловом контакте с магнитной системой, нанесено отражающее покрытие, отличающийся тем, что магнитная система изготовлена из коаксиально намагниченного диска, коаксиально намагниченного кольца и радиально намагниченного кольца.

2. Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения по п. 1, отличающийся тем, что магнитооптический элемент дисковой формы изготовлен из оптической керамики.