ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ МАГНИТООПТИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

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 поляризации 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 Вер-де 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. В монокристаллических материалах возникающие вследствие фотоупругого эффекта поляризационные искажения существенным образом зависят от ориентации кристаллографических осей и, как показано в работе (Е.А. Хазанов. Особенности работы различных схем изолятора Фарадея при высокой средней мощности лазерного излучения. Квант, электроника, 2000, 30(2), 147-151), выбором ориентации можно существенно уменьшить величину этих искажений.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемой конструкции является известная конструкция оптического вентиля, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, и анализатор, при этом магнитооптический элемент изготовлен из магнитоактивного монокристалического материала с ориентацией кристаллографических осей [001] (Е.A. Khazanov, О.V. Kulagin, S. Yoshida, D. Tanner, and D. Reitze, "Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet," IEEE J. Quantum Elect. 35, 1116-1122 (1999)). При создании данной конструкции оптического вентиля используется монокристаллический магнитооптический элемент с ориентацией [001], который помещается в магнитную систему на постоянных магнитах. В ориентации [001] вносимые поляризационные искажения (термонаведенная деполяризация γ) зависят от угла θ между направлением одной из кристаллографических осей, лежащих в поперечном сечении магнитооптического элемента, и направлением поляризации падающего лазерного излучения:

где p - нормированная мощность тепловыделения, А - константа, зависящая от поперечной формы пучка (для гауссова пучка А=0,137), ξ - параметр оптической анизотропии материала (ξ=π₄₄/(π₁₁-π₁₂), где π_ij - коэффициенты пьезооптического тензора в двух индексном обозначении Ная).

Как видно из соотношения (1), при θ=-π/8 для материалов с ξ²>1 и при θ=π/8 для материалов с ξ²<1 наблюдается минимум вносимых поляризационных искажений. Изготовленный таким образом оптический вентиль прототип обеспечивает малые поляризационные искажения лазерного луча и как следствие обеспечивает высокую степень изоляции, что позволяет при использовании монокристалла тербий-галлиевого граната (TGG) с ориентацией [001] получать степень изоляции оптического вентиля лучше 30 дБ для лазеров со средней мощностью вплоть до 650 Вт (I.L. Snetkov, А.V. Voitovich, О.V. Palashov, and Е.A. Khazanov, "Review of Faraday Isolators for Kilowatt Average Power Lasers," IEEE J. Quantum Elect. 50, 434-443 (2014)).

Один из недостатков известного технического решения прототипа заключается в недостаточно высокой максимально допустимой средней мощности (~1 кВт) излучения для оптического вентиля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического вентиля, обеспечивающего степень изоляции более 30 дБ для лазеров со средней мощностью от 1 до 5 кВт.

Технический результат в разработанном оптическом вентиле с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности достигается за счет того, что он, как и оптический вентиль-прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, и анализатор.

Новым в разработанном оптическом вентиле с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности является то, что магнитооптический элемент изготовлен из материала с отрицательным параметром оптической анизотропии (ξ<0) и с ориентацией его кристаллографических осей (будем называть ее [С*]), определяемой величиной параметра оптической анизотропии ξ.

В частном случае реализации разработанного оптического вентиля целесообразно магнитооптический элемент изготовить из монокристалла тербий-скандий-алюминиевого граната (ТСАГ), имеющего параметр оптической анизотропии ξ=-101, при этом углы Эйлера для ориентации [С*] составляют α=45°, β=5,7°, θ=22,5° (α=π/4, β=0,1, θ=π/8 в радианах).

Известно, что в материалах, обладающих отрицательным параметром оптической анизотропии, в отсутствие циркулярного двулучепреломления (фарадеевского вращения) существует направление кристаллографических осей, при котором термонаведенная деполяризация не возникает (R.Е. Joiner, J. Marburger, and W.H. Steier, "Elimination of stress-induced birefringence effects in single-crystal high-power laser windows," Appl. Phys. Lett. 30, 485-486 (1977)). Это происходит в силу следующих причин: при возникновении термонаведенного двулучепреломления в материале с кубической симметрией направления собственных поляризаций в каждой точке поперечного сечения различны и зависят от распределения температуры, ориентации кристаллографических осей и величины параметра оптической анизотропии, это приводит к возникновению деполяризованной компоненты поля при прохождении поляризованного излучения через такой термонагруженный оптический элемент. В средах с отрицательным параметром оптической анизотропии существует ориентация [С] (и ей эквивалентные), при которой направления собственных поляризаций не зависят от поперечных координат и одинаковы во всех точках поперечного сечения. Следовательно, если направление поляризации падающего излучения совпадает с направлением одной из собственных поляризаций, то состояние поляризации падающего излучения при прохождении оптического элемента не меняется и деполяризации не возникает. Ориентацию кристаллографических осей удобно задавать углами Эйлера (α, β, θ) (Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1977 г., стр. 450-451). Три угла Эйлера однозначно задают любую ориентацию кристаллографических осей. Ориентация [С] (и ей эквивалентные) зависит только от величины параметра оптической анизотропии, а углы Эйлера, соответствующие ей, удовлетворяют следующим соотношениям (A.G. Vyatkin and Е.A. Khazanov, "Thermally induced depolarization in sesquioxide class m3 single crystals," J. Opt. Soc. Am. В 28, 805-811 (2011)):

следовательно, при любой мощности проходящего излучения деполяризации возникать не будет. Это свойство не сохраняется при помещении такого элемента в магнитное поле, которое наводит в нем циркулярное двулучепреломление (ответственное за фарадеевское вращение поляризации). При возникновении циркулярного двулучепреломления ориентация [С] пропадает, нет такого направления кристаллографических осей, в котором направления ориентации собственных волн не зависят от поперечных координат, а следовательно, термонаведенная деполяризация будет возникать и будет зависеть от мощности проходящего излучения. Однако материалы с отрицательным параметром оптической анизотропии сохраняют свою особенность даже при наличии циркулярного двулучеперломления. При изготовлении магнитооптического элемента из материала с отрицательным параметром оптической анизотропии с ориентацией [С*], определяемой углами Эйлера, которые находятся из следующих соотношений:

возникающая термонаведенная деполяризации может быть существенно уменьшена (в зависимости от величины параметра ξ от нескольких раз, до нескольких порядков по сравнению с минимальной термонаведенной деполяризаций для этого же материала, но в ориентации [001] (α=0, β=0 и θ - любые)). Таким образом, при использовании магнитооптических элементов из материала с отрицательным параметром оптической анизотропии (ξ<0) и ориентацией [С*] достигается большая максимально допустимая средняя мощность лазерного излучения для оптических вентилей по сравнению с максимально допустимой средней мощностью излучения для оптических вентилей на магнитооптических элементах, вырезанных из того же материала, но с другой ориентацией кристаллографических осей. Знак и величина параметра оптической анизотропии ξ могут быть легко определены для любого материала с кубической симметрией, используя метод, предложенный авторами в патенте RU 2506566.

Технический результат данного изобретения, заключающийся как в значительном увеличении степени изоляции оптического вентиля по сравнению с прототипом (в зависимости от величины ξ более чем в 2-100 раз), так и в повышении максимально допустимой для него средней мощности лазерного излучения обеспечивается за счет выбора материала магнитооптического элемента с отрицательным параметром оптической анизотропии и ориентации кристаллографических осей [С*] в нем. Указанный технический результат достигается за счет особенностей в зависимости термонаведенной деполяризации от ориентации кристаллографических осей в таких материалах, которые ранее для изоляторов Фарадея и вращателей Фарадея использовать не предлагалось. Используя метод определения параметра оптической анизотропии (патент RU 2506566) авторами предлагаемого изобретения был найден ряд магнитооптических материалов с отрицательным параметром ξ и для каждого из них найдена ориентация [С*] и ей эквивалентные.

Такое построение оптического вентиля с монокристаллическим магнитооптическим элементом в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить два его основных потребительские свойства: максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения и степень изоляции по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности в соответствии с пунктом 1 формулы.

На фиг. 2 изображена последовательность трех поворотов на углы Эйлера (α, β, θ), однозначно переводящие кристаллографическую систему координат (a, b, c) в лабораторную систему координат (x, y, z). Таким образом, произвольное направление кристаллографических осей может быть однозначно задано тремя углами Эйлера.

Оптический вентиль с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический элемент 1, изготовленный из материала с отрицательным параметром оптической анизотропии и вырезанный с ориентацией [С*]. Магнитооптический элемент 1 помещен в сильное однородное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 2 выполненной, например, на постоянных магнитах либо на сверхпроводящем соленоиде. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оптической оси z вентиля находятся поляризатор 3 и анализатор 4, расположенные по разные стороны относительно магнитной системы 2.

В примере конкретной реализации разработан оптический вентиль с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности по схеме, представленной на фиг. 1. В качестве магнитооптического элемента 1 использован монокристалл тербий-скандий-алюминиевого граната (ТСАГ), имеющий параметр оптической анизотропии ξ=-101. Углы Эйлера для ориентации [С*] составили α=45°, β=5,7°, θ=22,5° (α=π/4, β=0,1, θ=π/8 в радианах). Указанный в примере конкретной реализации разработанный оптический вентиль с компенсацией деполяризации обеспечивает степень изоляции порядка 35 Дб при средней мощности лазерного излучения 1,5 кВт.

Разработанный оптический вентиль с монокристаллическим магнитооптическим элементом для лазеров большой мощности 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 3, делится в нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 3 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный луч сначала проходит сквозь магнитооптический элемент 1, изменяя плоскость поляризации на +45°, именно под таким углом направлена ось анализатора 4. Основное излучение проходит анализатор 4 и далее используется по назначению, а его деполяризованная компонента, которая возникла в элементе 1, выводится анализатором 4 из схемы. На обратном проходе прошедшее анализатор 4 линейно поляризованное излучение проходит через магнитооптический элемент 1. Так как эффект Фарадея невзаимный, то плоскость поляризации излучения поворачивается на те же +45°. Однако из-за возникающего термонаведенного двулучепреломления в магнитооптическом элементе 1 возникают поляризационные искажения, которые приводят к возникновению деполяризованной компоненты излучения. Поляризация основной компоненты излучения составит 90° и полностью отразится поляризатором 3, что позволяет, например, защитить источник лазерного излучения от отраженного излучения. Деполяризованная компонента излучения в данной конструкции оптического вентиля пройдет через поляризатор 3 и будет определять степень изоляции оптического вентиля.

Таким образом, полная развязка прямого и обратного луча разработанным оптическим вентилем осуществляется за счет невзаимности фарадеевского вращения, а высокая степень изоляции при высокой средней мощности проходящего лазерного излучения достигается путем уменьшения поляризационных искажений луча, возникших в магнитооптическом элементе, за счет выбора материала с отрицательным параметром оптической анизотропии и ориентации кристаллографических осей в нем, что и позволяет решить поставленную задачу.