Вращатель фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью
Вращатель Фарадея (оптический вентиль) по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью предназначен для оптической развязки на эффекте Фарадея прямого и обратного излучений лазера с большой средней мощностью от 1 до 20 кВт. Магнитооптический ротатор 7 оптического вентиля, установленный в магнитном поле магнитной системы 13, находится в тепловом контакте с элементом Пельтье 1 с возможностью поддержания в ротаторе 7 низкой температуры заданной величины для уменьшения тепловыделения и стабилизации параметров вентиля. Для защиты от обмерзания магнитооптический ротатор 7 отдельно или вместе с магнитной системой помещается в вакуумную камеру. Разработанный вращатель Фарадея обеспечивает степень изоляции более 20 дБ.
1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к оптической технике и может быть использована как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью от 1 до 20 кВт.
В свете интенсивного развития лазерной техники и роста средней мощности как непрерывного, так и импульсно-периодического излучения актуальной является задача уменьшения паразитных тепловых эффектов (термонаведенная деполяризация [Khazanov E.A., "Compensation of thermally induced polarization distortions in Faraday isolators," Quantum Electronics, 29, 59 (1999)], тепловая линза [Mukhin I.B., Voitovich A.V., Palashov O.V., Khazanov E.A. "2.1 tesia permanent -magnet Faraday isolator for. subkilowatt average power lasers". Opt. Commun., 282. 1969 (2009)]), возникающих в различных оптических элементах из-за поглощения лазерного излучения. Одним из таких устройств является вращатель Фарадея (ВФ) из-за относительно высокого поглощения (10-3 см-1 ) в его магнитооптических элементах (МОЭ).
Известен способ уменьшения термонаведенной деполяризации в МОЭ вращателя Фарадея, заключающийся в увеличении магнитного поля за счет использования в конструкции магнитной системы (МС) либо магнитопроводов [Mukhin I.B., Voitovich A.V., Palashov O.V., Khazanov E.A. "2.1 tesia permanent -magnet Faraday isolator for subkilowatt average power lasers", Opt. Commun., 282. 1969 (2009)], либо магнитов с неортогональной осью намагниченности [E.A.Миронов, А.В.Войтович, О.В.Палашов, Изоляторы Фарадея на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью, Квантовая электроника, 41, (2011)], что позволяет укорачивать МОЭ и соответственно уменьшать количество поглощенного тепла.
Наиболее близкой по технической сущности заявляемой конструкции вращателя Фарадея является известная конструкция вращателя Фарадея по так называемой традиционной схеме для лазера с киловаттной средней мощностью, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор. При этом магнитооптический ротатор изготовлен не из одного МОЭ, поворачивающего плоскость поляризации на 45 градусов, а из двух 22,5-градусных МОЭ и взаимного оптического элемента между ними в виде кварцевой пластины (Андреев Н.Ф. и др.. Изолятор Фарадея с развязкой 45дБ при средней мощности излучения 100 Вт, «Квантовая электроника», 30, 
12, 2000, стр.1107-1108; LB.Mukhin et al.. Experimental Study of Kilowatt-Average-Power Faraday Isolator, ASSP, Technical Digest, 2007, TuB13). У данного вращателя Фарадея прототипа частичная компенсация поляризационных искажений лазерного луча происходит за счет вычитания фазового набега: искажения, возникшие при проходе через первый магнитооптический элемент вращателя, частично компенсируются при прохождении через второй магнитооптический элемент вращателя. Это позволяет получить степень изоляции прямого и обратного лазерного луча вращателем Фарадея (оптическим вентилем) более 20 дБ для лазера с киловаттной средней мощностью.
Указанные выше конструкции вращателя Фарадея позволяют достигать лазерной мощности 1кВт, сохраняя при этом высокую (~30 дБ) степень изоляции. Однако даже при меньших уровнях мощности имеется существенный недостаток: степень изоляции -главная характеристика вращателя Фарадея - становится нестационарной из-за неизбежного и относительно высокого тепловыделения в МОЭ. Действительно, характерная длина МОЭ в мощных вращателях Фарадея составляет ~1 см, поэтому количество выделенного тепла в МОЭ при киловаттом уровне мощности составляет ~1 Вт. Выделяемое тепло, как правило, через втулки отводится на МС. В результате, из-за зависимости от температуры постоянной Верде МОЭ и магнитных свойств МС, угол поворота ВФ с течением времени уменьшается. Это приводит к ухудшению степени изоляции устройства. Характерное время установления квазистационарного режима, при котором угол поворота ВФ практически не изменяется, может составлять десятки минут в зависимости от многих факторов (теплоотвод от МОЭ, геометрия и конструкция МС).
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является разработка удобного в настройке вращателя Фарадея по традиционной схеме, обеспечивающего степень изоляции более 20 дБ для мощных (со средней мощностью от 1 до 20 кВт) лазеров в схемах с перестраиваемой мощностью лазера.
Технический результат в разработанном вращателе Фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью достигается за счет того, что он, как и вращатель Фарадея прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор.
Новым в разработанном вращателе Фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью является то, что в данную конструкцию введены элемент Пельтье, находящийся в тепловом контакте с магнитооптическим ротатором, и система обратной связи для охлаждения магнитооптического ротатора и стабилизации заданной температуры независимо от величины тепловыделения.
Такое построение вращателя Фарадея в соответствии с п.1 формулы позволяет повысить два основных потребительские свойства вращателя Фарадея (оптического вентиля): максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения и степень изоляции. Этот результат достигается за счет выбора и поддержания такой заданной низкой температуры, при которой существенно уменьшается тепловыделение в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения, и, как следствие, существенно уменьшаются поляризационные искажения лазерного луча, как на прямом, так и на обратном проходе магнитооптического ротатора.
В первом частном случае реализации разработанного вращателя Фарадея целесообразно магнитооптический ротатор, установленный в магнитном поле, поместить в вакуумную камеру.
Во втором частном случае реализации разработанного вращателя Фарадея целесообразно магнитную систему, выполненную на постоянных магнитах, и магнитооптический ротатор, установленный в магнитном поле, поместить в вакуумную камеру.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг.1 представлена в разрезе схема разработанного вращателя Фарадея в соответствии с п.1 формулы;
- на фиг.2 представлена в разрезе схема разработанного вращателя Фарадея в первом частном случае реализации в соответствии с п.2 формулы;
- на фиг.3 представлена в разрезе схема разработанного вращателя Фарадея во втором частном случае реализации в соответствии с п.3 формулы.
Вращатель Фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью, изготовленный в соответствии с п.1 формулы, представлен на фиг.1. Схема термостабилизации разработанного вращателя Фарадея с системой обратной связи состоит из элемента Пельтье (ЭП) 1, блока управления (БУ) 2 и термодатчиков 3 и 4. Теплоотвод с внешнего торца ЭП 1 осуществляется с помощью охлаждаемого водой радиатора 5. Внутренний торец ЭП 1 прикреплен к медной втулке 6, на конце которой находится магнитооптический ротатор 7, помещенный внутрь магнитной системы 13 вращателя Фарадея. БУ 2 представляет собой источник питания элемента Пельтье ЭП 1. БУ 2 выполнен с возможностью управления мощностью теплоотвода ЭП 1 и возможностью подстройки (при помощи резистора с переменным сопротивлением) так называемой температуры уставки Т0 элемента Пельтье 1. Для термостабилизации вращателя Фарадея показания термодатчика 3, измеряющего температуру Т втулки 6, поступают на БУ 2 и сравниваются с температурой уставки Т 0. При выполнении условия: Т>Т0 на ЭП 1 прикладывается напряжение заданной величины для увеличения мощности теплоотвода. Результат работы схемы термостабилизации анализируется по показаниям температуры Ti термодатчика 4. При этом магнитооптический ротатор 7, как и в других известных вращателях Фарадея по традиционной схеме, расположен на оптической оси вращателя Фарадея между поляризатором 8 и анализатором 9.
В первом частном случае реализации разработанного вращателя Фарадея в соответствии с пунктом 2 формулы, представленном на фиг.2, магнитооптический ротатор 7 помещен в вакуум, полученный, например, внутри втулки 6, закрытой с обоих концов прозрачными, герметичными окнами 10, 11 для защиты от обмерзания при охлаждении до низких температур.
Во втором частном случае реализации разработанного вращателя Фарадея в соответствии с пунктом 3 формулы, представленном на фиг.3, магнитная система 13, выполненная на постоянных магнитах, и магнитооптический ротатор 7 с элементом Пельтье 1 помещены в вакуумную камеру 12 для защиты от обмерзания при охлаждении до низких температур. При этом ввод и вывод лазерного излучения осуществляется, как и в предыдущем частном случае, через оптически прозрачные окна 10 и 11.
Разработанный вращатель Фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью, представленный на фиг.1, работает следующим образом.
Лазерный луч большой средней мощности (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе луча через поляризатор 8 делится в нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 8 и далее не рассматривается. Второй мощный линейно поляризованный лазерный луч проходит сквозь магнитооптический ротатор 7, который имеет заданную низкую температуру за счет теплового контакта с элементом Пельтье 1. С помощью системы обратной связи в элементе Пельтье 1 поддерживается такая заданная низкая температура, при которой существенно уменьшается тепловыделение в материале магнитооптического ротатора 7. Тем самым обеспечивается значительное уменьшение поляризационных искажений лазерного луча при прохождении через магнитооптический ротатор 7 мощного лазерного излучения. Мощный линейно поляризованный луч, прошедший магнитооптический ротатор 7 и изменивший плоскость поляризации на 45°, направляется далее на анализатор 9, направление оси которого составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 8, и проходит его без отражений. Таким образом, мощный линейно поляризованный лазерный луч на прямом проходе через разработанный оптический вентиль (вращатель Фарадея) не приобретает поляризационных искажений в магнитооптическом ротаторе 7 и далее используется в лазерной системе (на чертеже не показана) по своему назначению. На обратном проходе через вращатель Фарадея отраженный лазерной системой линейно поляризованный луч в магнитооптическом ротаторе 7 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего изначального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 8 полностью отражается от него, т.е. не проходит по пути прямого луча. Таким образом, разработанная конструкция вращателя Фарадея обеспечивает степень изоляции прямого и обратного лазерного луча более 20 дБ для мощных (со средней мощностью от 1 до 20 кВт) лазеров, то есть позволяет решить поставленную задачу.
Особенностью работы предлагаемого оптического вентиля по п.2 и п.3 формулы является охлаждение магнитооптического ротатора 7 до очень низких температур (вплоть до 200 К) и его термостабилизация при заданной температуре за счет теплового контакта с ЭП 1 и системы обратной связи, что позволяет повысить важнейшую характеристику оптического вентиля - степень изоляции, обеспечиваемую вентилем, либо повысить максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения. При этом либо магнитооптический ротатор 7 (см. фиг.2), либо почти весь вентиль (см. фиг.3) помещается в вакуумную камеру 12 для защиты от обмерзания.
Таким образом, полная развязка прямого и обратного лазерного луча разработанным вращателем Фарадея (оптическим вентилем) осуществляется путем устранения поляризационных искажений луча за счет уменьшения абсолютного количества тепла, выделяемого в самом магнитооптическом ротаторе 7, и стабилизации параметров вентиля независимо от мощности проходящего лазерного излучения, т.е. более эффективно по сравнению с прототипом, что и позволяет решить поставленную задачу.
1. Вращатель Фарадея по традиционной схеме для лазеров с высокой средней мощностью, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, отличающийся тем, что в данную конструкцию введены элемент Пельтье, находящийся в тепловом контакте с магнитооптическим ротатором, и система обратной связи для охлаждения магнитооптического ротатора и стабилизации заданной температуры.
2. Вращатель Фарадея по п.1, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор расположен в вакуумной камере для защиты от обмерзания.
3. Вращатель Фарадея по п.1, отличающийся тем, что магнитная система, выполненная на постоянных магнитах, и магнитооптический ротатор помещены в вакуумную камеру.
