×
01.06.2019
219.017.7263

Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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.
Реферат Свернуть Развернуть

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.


Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения
Изолятор Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью излучения
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 64 items.
10.07.2016
№216.015.2b18

Изолятор фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности

Изобретение относится к оптической технике для мощных лазерных пучков. Магнитная система в изоляторе Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности изготовлена с квадратной апертурой путем заполнения ее центральных областей, через которые не проходит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589754
Дата охранного документа: 10.07.2016
20.04.2016
№216.015.34ec

Полевой транзистор на осаждённой из газовой фазы алмазной плёнке с дельта-допированным проводящим каналом

Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов. В полевом транзисторе на осажденной из газовой фазы алмазной пленке с дельта-допированным проводящим каналом, включающем недопированную алмазную подложку, осажденную на ней из газовой фазы алмазную пленку, состоящую из нанесенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581393
Дата охранного документа: 20.04.2016
20.08.2016
№216.015.4e78

Плазменный свч реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (варианты)

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (варианты). Выполнение реактора на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора и прикрепленного к его торцевой стенке круглого коаксиального резонатора, вдоль оси...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595156
Дата охранного документа: 20.08.2016
13.01.2017
№217.015.75ad

Изолятор фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной средней мощностью излучения. Изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности содержит последовательно расположенные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002598623
Дата охранного документа: 27.09.2016
13.01.2017
№217.015.854c

Изолятор фарадея для неполяризованного лазерного излучения

Изобретение относится к оптической технике, а именно к изоляторам Фарадея для неполяризованного лазерного излучения. Изолятор Фарадея содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризационный расщепитель пучка, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603229
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8cf1

Способ контактной литотрипсии

Изобретение относится к медицине, хирургии. Осуществляют воздействие на конкремент при контактной литотрипсии. На дистальный конец световода наносят поглощающий, термостойкий, износоустойчивый слой. Используется лазерное излучение, поглощающееся в специально нанесенном на торец волокна слое. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604800
Дата охранного документа: 10.12.2016
25.08.2017
№217.015.a2ef

Изолятор фарадея со стабилизацией степени изоляции

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров, подверженных влиянию окружающей среды. Изолятор Фарадея со стабилизацией степени изоляции содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607077
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.a340

Способ управления сейсмоакустическими косами и устройство позиционирования для его осуществления

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении морских сейсморазведочных работ. Предлагается устройство автоматизированного позиционирования (УАП), которое представляет собой тело нейтральной плавучести, корпус которого представляет собой две герметично...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607076
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.b97c

Способ измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы свч разряда в водородсодержащем газе

Изобретение относится к плазменным технологиям, в частности к способам измерения поглощенной мощности в СВЧ-разрядах. При реализации предложенного способа измерения мощности, поглощаемой единицей объема СВЧ-разряда, получают СВЧ-разряд в водородсодержащем газе, фотографируют плазму СВЧ-разряда...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615054
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.bcf8

Способ определения скорости ветра над водной поверхностью

Способ определения скорости ветра над водной поверхностью, в котором получают при помощи двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с разными направлениями визирования два пространственно-временных изображения водной поверхности. Стыкуют полученные изображения. Определяют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002616354
Дата охранного документа: 14.04.2017
Showing 1-10 of 30 items.
10.06.2013
№216.012.49f1

Поляризационная аподизирующая диафрагма

Изобретение относится к устройствам для регулирования интенсивности света и может быть использовано для формирования требуемого пространственного профиля лазерного излучения. Устройство содержит магнитооптический элемент, помещенный в поляризационный селектор. Неоднородность магнитного поля...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484509
Дата охранного документа: 10.06.2013
10.02.2014
№216.012.9f9a

Способ определения параметра оптической анизотропии сигма материала кубического монокристалла, относящегося к классу симметрии m3m, или 432

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения параметра оптической анизотропии кубических кристаллов, относящихся к классу m3m, или 432 симметрии. Первый вариант включает измерение распределения локальной степени деполяризации при двух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506566
Дата охранного документа: 10.02.2014
27.08.2014
№216.012.effe

Компенсатор термонаведенной деполяризации в поглощающем оптическом элементе лазера

Изобретение относится к оптической технике. Компенсатор термонаведенной деполяризации γ включает в себя расположенный на оптической оси компенсирующий оптический элемент, установленный за поглощающим оптическим элементом. При этом компенсирующий оптический элемент изготовлен из материала,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527257
Дата охранного документа: 27.08.2014
27.07.2015
№216.013.6860

Способ определения теплопроводности твердых тел

Изобретение относится к способам определения теплофизических характеристик твердых тел и позволяет измерять теплопроводность образцов твердых тел, являющихся малыми во всех трех измерениях. Систему, состоящую из исследуемого образца, закрепленного между двумя одинаковыми эталонными образцами,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002558273
Дата охранного документа: 27.07.2015
20.08.2015
№216.013.6e85

Изолятор фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности

Изобретение относится к оптике и представляет собой изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности. Изолятор включает в себя последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, выполненной с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559863
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.08.2015
№216.013.7072

Способ получения оптически прозрачных монокристаллов граната

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тербий-скандий-алюминиевого граната и может быть использовано в магнитной микроэлектронике для сцинтилляторной и лазерной техники, в частности для создания изоляторов Фарадея для лазерного излучения высокой средней по времени мощности и высокой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560356
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.08.2015
№216.013.70c4

Способ соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов

Изобретение относится к области изготовления оптического элемента путем соединения нескольких кристаллов гранатов. Такие композитные оптические элементы широко применяются в лазерах и других оптических устройствах. Способ включает полировку соединяемых поверхностей деталей, их совмещение и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560438
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.11.2015
№216.013.92b6

Способ определения тепловой проводимости контактов твердых тел

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано для определения тепловой проводимости контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами. Систему, состоящую из двух прозрачных образцов либо двух прозрачных и закрепленного между...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569176
Дата охранного документа: 20.11.2015
10.07.2016
№216.015.2b18

Изолятор фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности

Изобретение относится к оптической технике для мощных лазерных пучков. Магнитная система в изоляторе Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности изготовлена с квадратной апертурой путем заполнения ее центральных областей, через которые не проходит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589754
Дата охранного документа: 10.07.2016
20.05.2016
№216.015.3f41

Способ получения прозрачной керамики алюмоиттриевого граната

Изобретение относится к способу получения прозрачной керамики алюмоиттриевого граната (ИАГ), в том числе легированной ионами редкоземельных металлов (Nd, Yb, Tm, Но, Er), которая может быть использована в качестве активной лазерной среды, либо люминофоров и сцинтилляторов (при легировании...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584187
Дата охранного документа: 20.05.2016
+ добавить свой РИД