оптический вентиль для лазеров большой мощности

Формула изобретения

1. Оптический вентиль для лазеров большой мощности, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор расположен в термостате с возможностью поддержания в нем низкой температуры заданной величины для уменьшения тепловыделения.

2. Оптический вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостата использован криостат, в котором установлена магнитная система, выполненная на постоянных магнитах, и магнитооптический ротатор.

3. Оптический вентиль по п.2, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор выполнен из парамагнетика с постоянной Верде , увеличивающейся при уменьшении температуры Т° по закону ˜1/Т°, например из магнитооптического стекла МОС10 или кристалла TGG.

4. Оптический вентиль по п.3, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор выполнен в виде диска толщиной L<D, где D - диаметр лазерного пучка с возможностью торцевого охлаждения.

5. Оптический вентиль по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор выполнен из материала с теплопроводностью, увеличивающейся при уменьшении температуры, например из кристаллов GGG или YAG.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с большой средней мощностью от 1 до 100 кВт.

Основной проблемой, препятствующей разработке и созданию оптических вентилей 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) в оптическом вентиле, обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейшей характеристики оптического вентиля - степени изоляции, обеспечиваемой вентилем, которая, как правило, должна быть более 20 дБ.

Поглощение излучения в магнитооптическом ротаторе вызывает неоднородное по поперечному сечению распределение температуры, что приводит к трем физическим механизмам изменения поляризации излучения: к искажению волнового фронта («тепловая линза») в результате зависимости показателя преломления от температуры, к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, вызванному зависимостью постоянной Верде 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 ротаторе вносит фотоупругий эффект (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея. «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр.59-64).

Известен оптический вентиль, направленный на повышение лучевой стойкости устройства при средней мощности лазерного излучения порядка нескольких десятков ватт, содержащий магнитную систему и помещенный в ее магнитное поле магнитооптический ротатор. При этом магнитооптический ротатор выполнен в виде последовательно расположенных на оптической оси пластин из магнитооптического материала. Угол между оптической осью и нормалью к поверхности каждой пластины равен углу Брюстера, причем каждая последующая пластина повернута вокруг оптической оси относительно предыдущей пластины на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластиной в направлении, совпадающем с предыдущей пластиной в направлении, совпадающем с направлением поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине (пат. RU 2256945, МПК⁷ G02F 1/09, G02B 26/02, публ. 20.07.2005). Основным недостатком данного оптического вентиля является малая величина максимально допустимой средней мощности лазерного излучения, что связано с тем, что при разбиении на отдельные пластины общая длина магнитооптического ротатора не уменьшается и при наличии 15 штук пластин составляет не менее 3-х или 4-х см. Поляризационные искажения мощного лазерного излучения за счет фотоупругого эффекта в магнитооптическом ротаторе такой длины приводят к уменьшению степени изоляции, обеспечиваемой оптическим вентилем, и, как следствие, к уменьшению максимально допустимой средней мощности лазерного излучения. Другие недостатки данного оптического вентиля связаны с большим количеством (10-15 шт.) пластин из магнитооптического материала, что обуславливает повышенные требования к размерам области однородного магнитного поля (т.е. требуется увеличение количества магнитов и их габаритов). Кроме того, большое количество отражений в элементах конструкции (пластинах) приводит к уменьшению коэффициента пропускания всего устройства в целом, т.к. вторая грань каждой пластины при работе устройства оказывается расположенной не под углом Брюстера для выходящего из пластины излучения из-за поворота плоскости поляризации при прохождении через данную пластину. И, наконец, требуемая в данной конструкции взаимная юстировка отдельных компонентов многопластинчатого элемента является сложной технической задачей.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемой конструкции является известная конструкция оптического вентиля для лазера с киловаттной средней мощностью (единственно известная), содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, при этом магнитооптический ротатор изготовлен в виде двух фарадеевских элементов, поворачивающих плоскость поляризации на 22,5° каждый, между которыми расположен взаимный оптический элемент в виде кварцевой пластины (Андреев Н.Ф. и др. Изолятор Фарадея с развязкой 45 дБ при средней мощности излучения 100 Вт. «Квантовая электроника», 30, №12, 2000, стр.1107-1108; I.B.Mukhin et al., Experimental Study of Kilowatt-Average-Power Faraday Isolator, ASSP, Technical Digest, 2007, TuB13). Конструкция оптического вентиля прототипа обеспечивает частичную компенсацию поляризационных искажений лазерного луча, возникающих в первом фарадеевском элементе при прохождении излучения через второй фарадеевский элемент, что позволяет получить степень изоляции оптического вентиля более 20 дБ для лазера с киловаттной средней мощностью.

Один из недостатков известного технического решения прототипа заключается в недостаточно высокой максимально допустимой средней мощности (˜1 кВт) лазерного излучения. Другим недостатком прототипа, также как и аналога, является сложная конструкция магнитооптического ротатора, состоящего у прототипа как минимум из трех элементов, что существенно затрудняет настройку оптического вентиля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка удобного в настройке оптического вентиля, обеспечивающего степень изоляции более 20 дБ для лазеров со средней мощностью от 1 до 100 кВт.

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

Новым в разработанном оптическом вентиле для лазеров большой мощности является то, что магнитооптический ротатор расположен в термостате с возможностью поддержания в нем низкой температуры заданной величины для уменьшения тепловыделения.

Такое построение вентиля в соответствии с п.1 формулы позволяет повысить два основных потребительские свойства 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 оптического вентиля целесообразно магнитную систему, выполненную на постоянных магнитах, и магнитооптический ротатор, установленный в магнитном поле, поместить в криостат.

Во втором частном случае реализации разработанного оптического вентиля целесообразно магнитооптический ротатор выполнить из парамагнетика с постоянной Верде , увеличивающейся при уменьшении температуры Т° по закону ˜1/Т°, например, из магнитооптического стекла МОС10 или кристалла TGG.

В третьем частном случае реализации разработанного оптического вентиля целесообразно магнитооптический ротатор выполнить в виде диска толщиной L<D, где D - диаметр лазерного пучка, с возможностью торцевого охлаждения.

В четвертом частном случае реализации разработанного оптического вентиля целесообразно магнитооптический ротатор выполнить из материала с теплопроводностью, увеличивающейся при уменьшении температуры, например, из кристаллов GGG или YAG.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля в соответствии с п.1 формулы;

- на фиг.2 представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля в соответствии с п.2, 3, 5 формулы;

- на фиг.3 представлена в разрезе схема разработанного оптического вентиля в соответствии с п.4 формулы;

Оптический вентиль для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п.1 формулы и представленный на фиг.1, содержит магнитооптический ротатор 1, помещенный в термостат 2 для низких температур (ниже 0° Цельсия) с возможностью поддержания в нем низкой температуры заданной величины для уменьшения тепловыделения. Термостат 2 может быть выполнен в виде вакуумной камеры 3, в вакуумном объеме 6 которой расположен резервуар 4 для хладагента 5. Резервуар 4 представляет собой полый цилиндр с отверстием вдоль оси вращения, в котором установлен магнитооптический ротатор 1. Резервуар 4 снабжен, по крайней мере, двумя патрубками (на чертеже не указаны) для ввода в него и вывода хладагента 5, интенсивность подачи которого и определяет величину заданной температуры в резервуаре 4 и соответственно в магнитооптическом ротаторе 1. Вакуумная камера 3, имеющая оптически прозрачные окна 7 и 8 и изготовленная из немагнитного металла, например, нержавеющей стали или дюралюминия, находится в сильном магнитном поле, создаваемом магнитной системой 9, выполненной, например, на постоянных магнитах, либо на сверхпроводящем соленоиде. Снаружи магнитной системы 9, вдоль оптической оси вентиля находятся поляризатор 10 и анализатор 11, расположенные по разные стороны относительно термостата 2 с магнитооптическим ротатором 1. Поляризатор 10 находится относительно прямого прохода луча (идущего слева направо) перед входным окном 7 вакуумной камеры 3, а анализатор 11 - позади выходного окна 8 вакуумной камеры 3.

В частных случаях реализации разработанного оптического вентиля в соответствии с пунктами 2, 3, 5 формулы, представленных на фиг.2, термостат 2 выполнен в виде криостата 2.

В соответствии с п.2 формулы внутри вакуумной камеры 3 криостата 2 расположен резервуар 4 с хладагентом 5, контактирующий с магнитной системой 9 на постоянных магнитах, внутри которой установлен магнитооптический ротатор 1. В качестве хладагента 5 может быть использован жидкий хладагент, например, жидкий азот, водород или гелий. В корпусе вакуумной камеры 3 выполнены оптически прозрачные окна 7 и 8. Снаружи криостата 2, вдоль оптической оси вентиля находятся поляризатор 10 и анализатор 11. Поляризатор 10 находится соответственно перед входным окном 7 вакуумной камеры 3, а анализатор 11 - позади выходного окна 8 вакуумной камеры 3.

В соответствии с п.3 формулы магнитооптический ротатор 1 может быть выполнен из парамагнетика с постоянной Верде , увеличивающейся при уменьшении температуры Т° по закону ˜1/Т°, например, из магнитооптического стекла МОС10 или кристалла TGG.

В соответствии с п.5 формулы магнитооптический ротатор 1 может быть выполнен из материала с теплопроводностью, увеличивающейся при уменьшении температуры, например, из кристаллов GGG или YAG.

В другом частном случае реализации в соответствии с п.4 формулы оптический вентиль для лазеров большой мощности, представленный на фиг.3, содержит магнитооптический ротатор 1, выполненный в виде диска толщиной L<D, где D - диаметр лазерного пучка, с посаженными на диск на оптическом контакте двумя оптически прозрачными элементами 12 твердотельного хладагента, выполненными, например, из кристалла сапфира. Магнитооптический ротатор 1 расположен в магнитной системе 9 на постоянных магнитах. Магнитная система 9 прикреплена ко дну резервуара 4, заполненного жидким хладагентом 5, например, жидким азотом, водородом или гелием и размещенного в вакуумной камере 3, имеющей оптически прозрачные окна 7 и 8. Снаружи магнитной системы 9, вдоль оптической оси вентиля находятся поляризатор 10 и анализатор 11. Поляризатор 10 находится соответственно перед входным окном 7 вакуумной камеры 3, а анализатор 11 - позади выходного окна 8 вакуумной камеры 3.

В примере конкретной реализации разработанный оптический вентиль изготовлен по схеме, представленной на фиг.3. В качестве хладагента 5 в криостате 2 использован жидкий азот. Магнитооптический ротатор 1 выполнен в виде диска толщиной L=4 мм из кристалла TGG. Боковые поверхности магнитооптического ротатора 1 снабжены двумя оптически прозрачными элементами 12, выполненными из кристалла сапфира. Диаметр D лазерного пучка составляет 8 мм, т.е. выполняется соотношение L<D. Разработанный оптический вентиль обеспечивает степень изоляции более 20 дБ при средней мощности лазерного излучения 10 кВт.

Разработанный оптический вентиль для лазеров большой мощности, представленный на фиг.1, работает следующим образом. Лазерный луч большой средней мощности (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе луча через поляризатор 10 делится на нем на два ортогонально поляризованных луча. Один из лучей выводится из схемы поляризатором 10 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный луч проходит сквозь входное окно 7 вакуумной камеры 3 и магнитооптический ротатор 1. Поскольку магнитооптический ротатор 1 расположен в термостате 2 с возможностью поддержания в нем низкой температуры, подбираемой, исходя из мощности луча, для уменьшения тепловыделения, то поляризационные искажения луча в магнитооптическом ротаторе 1 не происходят. Линейно поляризованный луч, без искажений прошедший магнитооптический ротатор 1 и изменивший плоскость поляризации на 45°, направляется далее через выходное окно 8 вакуумной камеры 3 на анализатор 11, направление оси которого составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 10, и проходит его без отражений. Таким образом, мощный линейно поляризованный лазерный луч на прямом проходе через разработанный оптический вентиль не приобретает поляризационных искажений в магнитооптическом ротаторе 1. На обратном проходе через оптический вентиль линейно поляризованный луч 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 10 полностью отразится от него, т.е. не пойдет по пути прямого луча.

Таким образом, полная развязка прямого и обратного луча разработанным оптическим вентилем осуществляется путем устранения поляризационных искажений луча за счет уменьшения абсолютного количества тепла, выделяемого в самом магнитооптическом ротаторе 1, т.е. более эффективно по сравнению с прототипом, в котором уменьшение поляризационных искажений в магнитооптическом ротаторе осуществляется путем частичной компенсации этих искажений в самом же ротаторе, что позволяет решить поставленную задачу.

Особенностью работы предлагаемого оптического вентиля по п.2 формулы является использование для охлаждения магнитной системы 9 на постоянных магнитах, внутри которой установлен магнитооптический ротатор 1, криостата, т.е. охлаждение осуществляется до криогенных температур (120 К и ниже), что позволяет повысить важнейшую характеристику оптического вентиля - степень изоляции, обеспечиваемую вентилем, либо повысить максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения. В качестве хладагента 5 в этом частном случае может быть использован жидкий хладагент, например, жидкий азот, водород или гелий.

Особенностью работы предлагаемого оптического вентиля по п.3 формулы является использование в качестве материала для магнитооптического ротатора 1 парамагнетика с постоянной Верде , увеличивающейся при уменьшении температуры Т° по закону ˜1/Т°, что позволяет существенно уменьшить продольный (вдоль оптической оси) размер магнитооптического ротатора 1, поскольку поворот плоскости поляризации излучения на 45° при большой величине постоянной Верде может быть достигнут в более коротком магнитооптическом ротаторе 1.

В соответствии с п.4 магнитооптический ротатор 1, представленный на фиг.3, выполнен из вышеуказанного материала в виде диска толщиной L<D, где D - диаметр лазерного пучка. Возможность выполнения магнитооптического ротатора 1 коротким в виде диска толщиной L порядка нескольких миллиметров (3-4 мм) обеспечивается за счет дополнительного уменьшения температуры от 77 К и ниже, а также за счет увеличения напряженности магнитного поля магнитной системы 9. Особенностью работы предлагаемого оптического вентиля по п.4 формулы является возможность дополнительного торцевого охлаждения магнитооптического ротатора 1 оптически прозрачными элементами 12 твердотельного хладагента, что позволяет дополнительно увеличить максимально допустимую среднюю мощность лазерного излучения.

Особенностью работы предлагаемого оптического вентиля по п.5 формулы является использование для изготовления магнитооптического ротатора 1 материала с теплопроводностью, увеличивающейся при уменьшении температуры, например, из кристаллов GGG или YAG, что позволяет расширить класс материалов, традиционно использующихся для создания оптических вентилей, новыми относительно недорогими материалами, ранее для изготовления оптических вентилей не применявшимися.