Изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров Российский патент 2024 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для обеспечения надежной и безопасной работы разнообразных лазерных систем, особенно на основе лазерных диодов. Вредное воздействие оптической обратной связи на лазерные диоды вызывает частотную нестабильность, релаксацию колебаний, усиление стимулированного излучения, в некоторых случаях повреждает оптические приборы. Поэтому для надежной работы лазерных систем необходимо исключить попадание отраженного оптического сигнала в лазерные диоды - «изолировать» источник лазерного излучения.

Уровень техники

Имеется множество различных конструкций оптических изоляторов. По ряду причин, наиболее работоспособными оказались изоляторы, основанные на эффекте Фарадея. Изолятор Фарадея состоит из трех частей: входного поляризатора, ротатора, т. е. магниточувствительного элемента, представляющего собой магниточувствительный материал в виде стержня, имеющий свойство поворачивать плоскость поляризации света при создании магнитного поля вдоль его оси, и выходного поляризатора (анализатора). Оси поляризаторов повернуты относительно друг друга на 45°. Работа изоляторов этого типа осуществляется следующим образом: пусть ось первого поляризатора принята за 0°, ось второго - наклонена на 45°. Свет распространяется в прямом направлении, после прохождения через входной поляризатор будет линейно поляризован вдоль оси 0°. Затем пучок попадает во вращатель Фарадея, плоскость поляризации поворачивается на 45°, и свет беспрепятственно проходит через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении, то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернет плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадет поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощен.

Для достижения необходимого угла поворота плоскости поляризации 45° требуются сильные магнитные поля (более 1 Тл) и чувствительные к магнитному полю материалы (наиболее эффективным является тербий-галлиевый гранат - ТГГ), что часто бывает затруднительным для реализации. Поэтому в конструкциях известных изоляторов для получения работоспособных изделий применяют различные технические решения. Так, известен изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы. Этот изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы содержит магнитооптические элементы, помещенные в магнитную систему, магнитное поле которой меняет свое направление при движении вдоль ее оси. Соседние магнитооптические элементы помещены в области вдоль оси магнитной системы с магнитными полями противоположных направлений. Между каждой парой соседних магнитооптических элементов расположена одна из полуволновых пластинок, оптические оси которых ориентированы под углом 45° к плоскости пропускания поляризатора. Сумма модулей углов поворота плоскости поляризации в магнитооптических элементах равна 45°. Магнитооптические элементы, разделенные полуволновыми пластинками, образуют магнитооптический ротатор этого изолятора Фарадея. С противоположной стороны от поляризатора на оси изолятора Фарадея расположен анализатор, плоскость пропускания которого повернута на 45° относительно плоскости пропускания входного поляризатора. Такое построение изолятора Фарадея позволяет компактно создать последовательность областей вдоль оси магнитной системы с противоположными направлениями магнитного поля с необходимой величиной напряженности. При этом магнитооптический ротатор позволяет обеспечивать невзаимный угол поворота плоскости поляризации излучения такой же, как если бы магнитное поле не меняло своего направления и в конструкции магнитооптического ротатора отсутствовали полуволновые пластинки [патент RU 2646551].

Недостатки этого изолятора заключаются в том, что увеличение числа областей с необходимой величиной напряженности поля достигается за счет одномерного удлинения системы, что не всегда допустимо по соображениям, связанным с ограниченным пространством для монтажа оптических элементов схемы. Недостатком конструкции также является сложность изготовления и юстировки такого изолятора.

Известен также изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности [патент RU 2559863], содержащий корпус, последовательно расположенные на оптической O-O1 входной поляризатор, кристаллический магнитооптический ротатор - магниточувствительный элемент, установленный в магнитном поле и выходной поляризатор-анализатор. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

В конструкции этого изолятора необходимо использовать радиально намагниченные кольцевые магниты. По технологическим соображениям такой магнит изготовить сложно, поэтому обычно его собирают из 4 радиально намагниченных сегментов. Большие силы отталкивания, возникающие при сборке сегментов и сложность изготовления являются существенным недостатком этой конструкции. Следует также отметит, что в данном изоляторе используются жестко закрепленные постоянные магниты, что не позволяет регулировать индукцию магнитного поля в магниточувствительном элементе. Таким образом, недостатками данного изолятора, которые следует устранить, являются сложность его изготовления и невозможность регулировки магнитного поля.

По поводу общего недостатка рассмотренных и других аналогичных конструкций, связанного с невозможностью регулировки магнитного поля при сборке изолятора следует пояснить подробней. В имеющихся конструкциях размеры и магниты подбираются так, чтобы при проходе луча его плоскость поляризации поворачивалась точно на 45°, иначе степень изоляции будет неудовлетворительной. Представляется, что такой подход принципиально неверен - необходимые магниты абсолютно точно подобрать невозможно, магниты с течением времени размагничиваются, могут быть индивидуальные различия в длине волны лазеров (а угол поворота очень сильно зависит от длины волны), на угол поворота могут влиять различные внешние поля, температура и другие воздействия. Поэтому необходимо иметь возможность подстройки магнитного поля. С помощью катушек с током, с учетом реальных ограничений на размеры изделия, это сделать невозможно, т.к. речь идет об очень сильных полях - несколько Тл. Следует также отметить, что из-за неточного значения индукции магнитного поля отличие угла поворота плоскости поляризации от 45° при прямом ходе луча вызовет такую же неточность поворота плоскости поляризации и при обратном ходе. Таким образом, ошибка удвоится.

Рассмотренное демонстрирует важность разработки конструкции изолятора с регулируемым магнитным полем в магниточувствительном элементе (ТГГ), при прохождении которого осуществляется поворот плоскости поляризации света.

Раскрытие сущности изобретения

Технические результаты изобретения заключаются в упрощении изготовления изолятора за счет использовании только аксиально намагниченных магнитов с возможностью изменения механической регулировкой расстояния между ними, что позволяет изменять индукцию магнитного поля в магниточувствительном элементе и в итоге получить изолятор с регулируемым магнитным полем.

Сущность изобретения заключается в том, что в изоляторе Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров, содержащем корпус, последовательно расположенные на оптической оси O-O1 входной поляризатор, кристаллический магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе и выходной поляризатор-анализатор, магнитная система изготовлена из основного магнита, входного регулировочного магнита и выходного регулировочного магнита, установленных с возможностью за счет поворота выходной регулировочной втулки и входной регулировочной втулки изменения расстояния d вдоль оптической оси O-O1 между входным регулировочным магнитом и основным магнитом, и между выходным регулировочным магнитом и основным магнитом, при этом в устройство введена внутренняя втулка, имеющая возможность поворота вокруг оптической оси O-O1 для задания угла α между поляризующими плоскостями входного поляризатора и выходного поляризатора-анализатора.

Существует вариант, в котором входной регулировочный магнит механически скреплен с входной регулировочной втулкой, установленной в корпусе с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1, а выходной регулировочный магнит скреплен с выходной регулировочной втулкой, установленной в корпусе с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1.

Краткое описание чертежей

На прилагаемом чертеже изображена компоновочная схема изолятора Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров.

Осуществление изобретения

Изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров содержит корпус 1, резьбу 2 для выходной регулировочной втулки 3, выходной регулировочный магнит 4. Выходная регулировочная втулку 3 предназначена для регулировки расстояния d между основным магнитом 5 и выходным регулировочным магнитом 4. Также конструкция содержит основной магнит 5, предназначенный для создания сильного магнитного поля, необходимого для поворота плоскости поляризации света, входной регулировочный магнит 6, входную регулировочную втулку 7, резьбу для выходной регулировочной втулки 8, входную крышку 9, оптическое окно 10 входной крышки, входной поляризатор 11, оптическое окно 12 во входном магните, ротатор 13, представляющий собой стержень из магниточувствительного тербий-галлиевого граната, оптическое окно 14 в выходном магните, выходной поляризатор-анализатор 15, резьбу 16 - для внутренней втулки 17, оптическое окно 18 выходной крышки, выходную крышку 19. При этом входной регулировочный магнит 6 может быть механически скреплен, например, клеем типа «Момент» с входной регулировочной втулкой 7, установленной в корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1, а выходной регулировочный магнит 4 может быть скреплен, например, клеем типа «Момент» с выходной регулировочной втулкой 3, установленной в корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1. Перечисленные элементы (за исключением магнитов) должны быть изготовлены из немагнитного материала, например, алюминия.

Изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров юстируется и работает следующим образом. При прохождении плоскополяризованного света с вертикальной поляризацией, полученного с помощью входного поляризатора 11, в прямом направлении (справа налево), магнитное поля поворачивает плоскость его поляризации на угол α, поэтому световой вектор уже не вертикален на выходе. Индукция магнитного поля в ротаторе 13 (стержне из магниточувствительного тербий-галлиевого граната) зависит от расстояния до входного регулировочного магнита 6 и выходного регулировочного магнита 4. Поэтому, вращая входную регулировочную втулку 7 и выходную регулировочную втулку 3, можно подобрать такое расстояние d, чтобы магнитное поле поворачивало плоскость поляризации точно на угол α=45°. При повороте на этот угол интенсивность выходящего света будет наибольшей, т. к. выходной поляризатор-анализатор 15 установлен под углом 45° за счет регулировки внутренней втулкой 17 по отношению к входному поляризатору 11. Таким образом, добиваясь наибольшей выходной интенсивности света, получаем необходимую величину магнитного поля. Перевернув изолятор на 180° (т.е. поменяв вход и выход местами, не изменяя положение лазера), можно убедиться, что свет насквозь не проходит, а при наличии его некоторой небольшой интенсивности можно постараться ее уменьшить за счет тонкой юстировки расстояния d и необходимого угла (45°) между призмами.

Технические результаты

То, что в изоляторе Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров, содержащем корпус 1, последовательно расположенные на оптической оси O-O1 входной поляризатор 11, кристаллический магнитооптический ротатор 13, установленный в магнитной системе и выходной поляризатор-анализатор 15, магнитная система изготовлена из основного магнита 5, входного регулировочного магнита 6 и выходного регулировочного магнита 4, установленных с возможностью за счет поворота выходной регулировочной втулки 3 и входной регулировочной втулки 7 изменения расстояния d вдоль оптической оси O-O1 между входным регулировочным магнитом 6 и основным магнитом 5 и между выходным регулировочным магнитом 4 и основным магнитом 5, при этом в устройство введена внутренняя втулка 17, имеющая возможность поворота вокруг оптической оси O-O1 для задания угла α между поляризующими плоскостями входного поляризатора 11 и выходного поляризатора-анализатора 15, приводит к возможности получения и, при необходимости, коррекции нужного значения величины магнитного поля и, как следствие, возможности достижения высокой степени оптической изоляции. Кроме того, отсутствие радиально намагниченных магнитов облегчает изготовление и сборку изолятора. Указанное - позволяет полноценно использовать изолятор по его назначению.

То, что входной регулировочный магнит 6 механически скреплен с входной регулировочной втулкой 7, установленной в корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1, а выходной регулировочный магнит 4 скреплен с выходной регулировочной втулкой 3, установленной в корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1, приводит к исключению возможных перекосов и заеданий магнитов в корпусе, которые могут иногда (при неточной выдержке размеров) наблюдаться за счет больших магнитных сил отталкивания между магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами. Использование рассмотренного скрепления повышает в итоге степень оптической изоляции.

Дополнительно необходимо отметить, что учитывая высокую цену на стержень из тербий-галлиевого граната, который применяется в качестве чувствительного к магнитному полю материала, также необходимо по возможности уменьшить его длину за счет использования более сильного магнитного поля. Для точек, расположенных внутри ротатора 13 (стержня из магниточувствительного тербий-галлиевого граната) магнитные поля внутри отверстия основного магнита 5 для поворота плоскости поляризации света и в выходном 4 и входном 6 регулировочных магнитах вне их отверстий, направлены в одну и ту же сторону. Поэтому приближая регулировочные магниты 4, 6 к основному магниту 5 одноименными полюсами, можно усилить магнитное поле в отверстии, где находится ротатор 13, и поэтому добиться необходимого угла поворота плоскости поляризации при относительно небольшой длине стержня. При этом основной магнит 5 со стержнем самоустанавливается между регулировочными магнитами посередине за счет больших сил отталкивания.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для обеспечения надежной и безопасной работы разнообразных лазерных систем, особенно на основе лазерных диодов. Сущность изобретения заключается в том, что в изоляторе Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров, содержащим корпус 1, последовательно расположенные на оптической оси О-О1 входной поляризатор 11, кристаллический магнитооптический ротатор 13, установленный в магнитной системе и выходной поляризатор-анализатор 15, магнитная система изготовлена из основного магнита 5, входного регулировочного магнита 6 и выходного регулировочного магнита 4, установленных с возможностью за счет поворота выходной регулировочной втулки 3 и входной регулировочной втулки 7 изменения расстояния d вдоль оптической оси O-O1 между входным регулировочным магнитом 6 и основным магнитом 5 и между выходным регулировочным магнитом 4 и основным магнитом 5, при этом в устройство введена внутренняя втулка 17, имеющая возможность поворота вокруг оптической оси O-O1 для задания угла α между поляризующими плоскостями входного поляризатора 11 и выходного поляризатора-анализатора 15. Технический результат - упрощение изготовления изолятора и возможность регулирования магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Изолятор Фарадея с кристаллическим магнитооптическим ротатором для лазеров, содержащий корпус, последовательно расположенные на оптической оси O-O1 входной поляризатор, кристаллический магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и выходной поляризатор-анализатор, отличающийся тем, что магнитная система изготовлена из основного магнита, входного регулировочного магнита и выходного регулировочного магнита, установленных с возможностью за счет поворота выходной регулировочной втулки и входной регулировочной втулки изменения расстояния d вдоль оптической оси O-O1 между входным регулировочным магнитом и основным магнитом и между выходным регулировочным магнитом и основным магнитом, при этом в устройство введена внутренняя втулка, имеющая возможность поворота вокруг оптической оси O-O1 для задания угла α между поляризующими плоскостями входного поляризатора и выходного поляризатора-анализатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что входной регулировочный магнит механически скреплен с входной регулировочной втулкой, установленной в корпусе с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1, а выходной регулировочный магнит скреплен с выходной регулировочной втулкой, установленной в корпусе с возможностью перемещения вдоль оптической оси O-O1.