[go: up one dir, main page]

RU2598623C1 - Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers - Google Patents

Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers Download PDF

Info

Publication number
RU2598623C1
RU2598623C1 RU2015125868/28A RU2015125868A RU2598623C1 RU 2598623 C1 RU2598623 C1 RU 2598623C1 RU 2015125868/28 A RU2015125868/28 A RU 2015125868/28A RU 2015125868 A RU2015125868 A RU 2015125868A RU 2598623 C1 RU2598623 C1 RU 2598623C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
magnetic system
faraday
faraday isolator
optical
Prior art date
Application number
RU2015125868/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Александрович Миронов
Александр Владимирович Войтович
Олег Валентинович Палашов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2015125868/28A priority Critical patent/RU2598623C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2598623C1 publication Critical patent/RU2598623C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to optical engineering and may be used as an element of the optical isolation Faraday effect for lasers with subkilowatt average radiating power. Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers contains the following parts successively arranged on the optical axis: polariser, magnetooptic rotator installed in the magnetic system made using permanent magnets, and an analyser. Inside the magnetic system which creates field in the forward direction of radiation passage there is an additional magnetic system which creates a minor field in the return direction of radiation passage with high transverse nonuniformity.
EFFECT: due to transverse nonuniformity of the field of overall magnetic system, compensation of axially-symmetric polarisation distortions in Faraday isolator takes place, and this may be used to increase the degree of the device isolation, as well as to increase its maximum allowable operating power.
3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с субкиловаттной средней мощностью излучения.The invention relates to optical technology and can be used as an optical isolation element based on the Faraday effect for lasers with a sub-kilowatt average radiation power.

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) в изоляторе Фарадея, 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.The main problem that hinders the development and creation of Faraday isolators for lasers with high average power is the presence of polarization distortions of the laser beam both on the direct and return passages of the magneto-optical rotator (polarization plane rotator) in the Faraday isolator, due to the absorption of radiation in the material of the magneto-optical rotator at passing through it powerful laser radiation. The polarization distortion of the laser beam leads to a deterioration of the most important characteristics of the Faraday isolator - the degree of isolation.

Поглощение излучения в магнитооптическом ротаторе вызывает неоднородное по поперечному сечению распределение температуры, что приводит к возникновению трех негативных тепловых эффектов. Во-первых, в результате зависимости показателя преломления от температуры возникают искажения волнового фронта («тепловая линза»). Во-вторых, наряду с циркулярным двулучепреломлением (эффект Фарадея) появляется и линейное, связанное с механическими напряжениями из-за градиента температуры (фотоупругий эффект) и приводящее к поляризационным искажениям (Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея, «Квантовая электроника», 26, №1, 1999, стр. 59-64). В-третьих, зависимость постоянной Верде от температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота по поперечному сечению ротатора и, соответственно, к возникновению аксиально-симметричных поляризационных искажений. Два последних эффекта приводят к ухудшению степени изоляции устройства и снижению его предельно допустимой рабочей мощности.The absorption of radiation in a magneto-optical rotator causes a non-uniform temperature distribution over the cross section, which leads to three negative thermal effects. Firstly, as a result of the temperature dependence of the refractive index, distortions of the wavefront arise (“thermal lens”). Secondly, along with circular birefringence (the Faraday effect), a linear one appears that is associated with mechanical stresses due to the temperature gradient (photoelastic effect) and leads to polarization distortions (Khazanov EA, Compensation of thermally induced polarization distortions in Faraday valves, “Quantum Electronics ”, 26, No. 1, 1999, pp. 59-64). Thirdly, the temperature dependence of the Verdet constant leads to an inhomogeneous distribution of the angle of rotation over the cross section of the rotator and, accordingly, to the appearance of axially symmetric polarization distortions. The last two effects lead to a deterioration in the degree of isolation of the device and a decrease in its maximum permissible operating power.

Конфигурация магнитного поля внутри магнитной системы изолятора Фарадея является важной характеристикой этого устройства, поскольку она также может существенным образом влиять на его степень изоляции. Особенностью магнитных систем изоляторов Фарадея является наличие в них отверстия для пропускания лазерного излучения, в результате чего создание однородных по поперечному сечению апертуры магнитных полей становится затруднительным. В большинстве случаев неоднородность магнитного поля рассматривается как негативный фактор, потому что она служит дополнительным источником деполяризации проходящего через изолятор излучения.The configuration of the magnetic field inside the magnetic system of the Faraday isolator is an important characteristic of this device, since it can also significantly affect its degree of isolation. A feature of the magnetic systems of Faraday isolators is the presence in them of a hole for transmitting laser radiation, as a result of which the creation of magnetic fields uniform in cross section of the aperture of the aperture becomes difficult. In most cases, the nonuniformity of the magnetic field is considered as a negative factor, because it serves as an additional source of depolarization of the radiation passing through the insulator.

Существует ряд методов, направленных на уменьшение влияния поглощения мощного лазерного излучения в магнитооптическом ротаторе на характеристики изоляторов Фарадея с неоднородным магнитным полем. Известен изолятор, направленный на повышение лучевой стойкости устройства при средней мощности лазерного излучения субкиловаттного уровня, содержащий магнитную систему и помещенный в ее магнитное поле магнитооптический ротатор. При этом магнитооптический ротатор охлаждается до температуры жидкого азота, что позволяет существенно повысить его постоянную Верде и термооптические свойства. Вследствие увеличения значения постоянной Верде, для обеспечения заданного угла поворота плоскости поляризации излучения длину магнитооптического ротатора можно существенно сократить. В результате удается значительно сократить величину поглощаемого тепла в изоляторе и проявление всех негативных тепловых эффектов (Железнов Д.С., Войтович А.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Значительное уменьшение термооптических искажений в изоляторах Фарадея при их охлаждении до 77 К, «Квантовая Электроника» 36, 2006, стр. 383-388). Недостатком такой конструкции является ее сложность и громоздкость, а также неудобства в эксплуатации, связанные с использованием жидкого азота.There are a number of methods aimed at reducing the effect of absorption of high-power laser radiation in a magneto-optical rotator on the characteristics of Faraday insulators with an inhomogeneous magnetic field. Known insulator aimed at increasing the radiation resistance of the device at an average laser power of sub-kilowatt level, containing a magnetic system and placed in its magnetic field magneto-optical rotator. In this case, the magneto-optical rotator is cooled to the temperature of liquid nitrogen, which can significantly increase its Verdet constant and thermo-optical properties. Due to the increase in the Verdet constant, to ensure a given angle of rotation of the plane of polarization of radiation, the length of the magneto-optical rotator can be significantly reduced. As a result, it is possible to significantly reduce the amount of absorbed heat in the insulator and the manifestation of all negative thermal effects (Zheleznov D.S., Voitovich A.V., Mukhin I.B., Palashov O.V., Khazanov E.A. Significant reduction in thermo-optical distortions in Faraday isolators when they are cooled to 77 K, "Quantum Electronics", 36, 2006, p. 383-388). The disadvantage of this design is its complexity and bulkiness, as well as inconvenience in operation associated with the use of liquid nitrogen.

Другим подходом к решению данной проблемы является охлаждение магнитооптического ротатора при помощи оптических элементов с высокой теплопроводностью, находящимися в оптическом контакте с его торцевыми поверхностями (Zheleznov D.S., Starobor A.V., Palashov О.V., Khazanov Е.A Cryogenic Faraday isolator with a disk-shaped magneto-optical element «Journal of Optical Society of America B» 29, 2012, стр. 786-792). Благодаря этому удается не только увеличить теплоотвод от магнитооптического ротатора, но и значительно сократить значения градиентов температуры в поперечном направлении относительно оси ротатора за счет перенаправления потока тепла в продольном направлении. Поскольку именно поперечные градиенты температуры приводят к появлению искажений поляризации излучения, влияние поглощения излучения на характеристики изолятора в данном случае уменьшается. Основным недостатком таких изоляторов является сложность конструкции магнитооптического ротатора, которая требует наличия высококачественных оптических контактов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки.Another approach to solving this problem is the cooling of the magneto-optical rotator using optical elements with high thermal conductivity, which are in optical contact with its end surfaces (Zheleznov DS, Starobor AV, Palashov O.V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator with a disk- shaped magneto-optical element "Journal of Optical Society of America B", 29, 2012, pp. 786-792). Due to this, it is possible not only to increase the heat sink from the magneto-optical rotator, but also to significantly reduce the temperature gradients in the transverse direction relative to the axis of the rotator due to the redirection of the heat flux in the longitudinal direction. Since it is the transverse temperature gradients that lead to the appearance of distortions in the polarization of radiation, the effect of radiation absorption on the characteristics of the insulator in this case decreases. The main disadvantage of such insulators is the complexity of the design of the magneto-optical rotator, which requires high-quality optical contacts that can withstand high thermal loads.

Другой путь уменьшения термонаведенных поляризационных искажений в изоляторах Фарадея с неоднородным полем основан на усовершенствовании характеристик их магнитных систем.Another way to reduce thermally induced polarization distortions in Faraday isolators with an inhomogeneous field is based on improving the characteristics of their magnetic systems.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа (Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов «Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ», Квант, электрон., 43:8 (2013), 740-743). Магнитная система изолятора Фарадея выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов, в ней создается поле напряженностью 2,5 Тесла. Постоянные магниты в конструкции магнитной системы изолятора прототипа представляют собой коаксиально и радиально намагниченные кольца, размеры и расположение которых тщательно подобраны с целью создания сильного магнитного поля в области магнитооптического ротатора. Магнитопроводы, расположенные внутри магнитной системы, позволяют концентрировать силовые линии магнитного поля, тем самым создавая локально в центре поле с еще более высокой напряженностью. Это позволило изготовить изолятор Фарадея с одним магнитооптическим ротатором длиной всего 9 мм, обеспечивающий степень изоляции 30 дБ при максимально допустимой рабочей мощности ~650 Вт.The closest in technical essence to the claimed design is the well-known design of the Faraday isolator with a nonuniform magnetic field for high power lasers, containing a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator installed in the magnetic system, and an analyzer that is selected as a prototype (E.A. Mironov, IL Snetkov, AV Voitovich, OV Palashov “Faraday Permanent Magnet Insulator with a field strength of 25 kOe”, Kvant, electron., 43: 8 (2013), 740-743). The magnetic system of the Faraday isolator is made of permanent magnets and magnetically conductive materials, a field of 2.5 Tesla is created in it. Permanent magnets in the design of the magnetic system of the prototype insulator are coaxially and radially magnetized rings, the dimensions and location of which are carefully selected in order to create a strong magnetic field in the region of the magneto-optical rotator. Magnetic cores located inside the magnetic system make it possible to concentrate the lines of force of the magnetic field, thereby creating a field locally in the center with an even higher intensity. This made it possible to manufacture a Faraday isolator with one magneto-optical rotator with a length of only 9 mm, providing a degree of isolation of 30 dB at a maximum permissible operating power of ~ 650 W.

Недостатком изолятора Фарадея прототипа является поперечный профиль напряженности поля магнитной системы в области магнитооптического ротатора, характеризующийся увеличением напряженности при удалении от оси изолятора. Такая поперечная неоднородность поля приводит к увеличению аксиально-симметричных поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры, и снижает возможности применения таких изоляторов при работе с мощным лазерным излучением.The disadvantage of the Faraday isolator of the prototype is the transverse profile of the field strength of the magnetic system in the region of the magneto-optical rotator, characterized by an increase in tension with distance from the axis of the insulator. Such transverse field inhomogeneity leads to an increase in axially symmetric polarization distortions caused by the dependence of the Verdet constant on temperature and reduces the possibility of using such insulators when working with high-power laser radiation.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является компенсация аксиально-симметричных поляризационных искажений в изоляторе Фарадея поперечной неоднородностью поля его магнитной системы, что может быть использовано как для увеличения степени изоляции устройства, так и для увеличения его максимально допустимой рабочей мощности.The problem to which the present invention is directed is to compensate for axially symmetric polarization distortions in the Faraday isolator by the transverse inhomogeneity of the field of its magnetic system, which can be used both to increase the degree of isolation of the device, and to increase its maximum allowable working power.

Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор.The technical result in the developed Faraday isolator with a non-uniform magnetic field for high-power lasers is achieved due to the fact that, like the prototype, it contains a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator installed in a permanent magnet magnet system, and an analyzer .

Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что внутри его магнитной системы, создающей поле в направлении прямого прохода излучения, содержится дополнительная магнитная система, создающая меньшее поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью.What is new in the developed Faraday isolator is that inside its magnetic system, which creates a field in the direction of the direct radiation pass, an additional magnetic system is contained, which creates a smaller field in the direction of the return radiation pass with a large transverse inhomogeneity.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода выполнена в виде соленоида.In the particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 2, the new one is that the magnetic system that creates the field in the direction of the return passage is made in the form of a solenoid.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода выполнена из постоянных магнитов.In the particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 3, the new one is that the magnetic system that creates the field in the direction of the return passage is made of permanent magnets.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.- in FIG. 1 shows a sectional diagram of a developed Faraday isolator in accordance with paragraph 1 of the formula.

Разработанный изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, создающую поле в направлении прямого прохода излучения. Внутри магнитной системы 2 вблизи магнитооптического ротатора 1 расположена дополнительная магнитная система 3, создающая меньшее по величине поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью. Снаружи магнитной системы 2, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 4 и анализатор 5, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора 1.The developed Faraday isolator with a nonuniform magnetic field for high power lasers, manufactured in accordance with paragraph 1 of the formula and presented in FIG. 1, comprises a magneto-optical rotator 1, placed in a magnetic system 2, creating a field in the direction of direct radiation passage. Inside the magnetic system 2, near the magneto-optical rotator 1, there is an additional magnetic system 3, which creates a smaller field in the direction of the return radiation path with a large transverse inhomogeneity. Outside the magnetic system 2, along the optical axis of the Faraday isolator there are a polarizer 4 and an analyzer 5 located on opposite sides of the magneto-optical rotator 1.

Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить его степень изоляции и максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет того, что в совокупной магнитной системе, образованной магнитной системой 2 и дополнительной магнитной системой 3, в ее центральной части может быть создано поле со спадающей величиной напряженности при удалении от оси системы в поперечном направлении.Such a construction of the Faraday isolator in accordance with paragraph 1 of the formula allows to increase its degree of isolation and the maximum allowable working power. This result is achieved due to the fact that in the total magnetic system formed by the magnetic system 2 and the additional magnetic system 3, a field with a decreasing value of tension can be created in its central part when moving away from the system axis in the transverse direction.

Возможность создания такой поперечной конфигурации напряженности обеспечивается тем, что магниты, составляющие магнитную систему 2 и создающие поле в направлении прямого прохода излучения, расположены преимущественно на значительном расстоянии от магнитооптического ротатора 1, вследствие чего поле, создаваемое магнитной системой 2, обладает малой неоднородностью по поперечному сечению магнитооптического ротатора 1. Дополнительная магнитная система 3, создающая поле в направлении обратного прохода излучения, напротив, расположена в непосредственной близости к магнитооптическому ротатору 1. Она занимает малую часть полного объема совокупной магнитной системы, поэтому поле, создаваемое ей на оси изолятора невелико, но оно существенно возрастает (в разы) при приближении к боковой поверхности магнитооптического ротатора 1. Это справедливо, например, для тонких намагниченных колец и для тонких соленоидов. В результате суммарное поле оказывается сонаправленным с прямым проходом излучения и его величина на оси изолятора оказывается несущественно меньше изначального, но его напряженность спадает при удалении от оси в поперечном направлении, а не возрастает, как в случае с прототипом.The possibility of creating such a transverse tension configuration is ensured by the fact that the magnets that make up the magnetic system 2 and create a field in the direction of direct radiation pass are located mainly at a considerable distance from the magneto-optical rotator 1, as a result of which the field created by the magnetic system 2 has a small cross-sectional heterogeneity magneto-optical rotator 1. An additional magnetic system 3, which creates a field in the direction of the return radiation path, on the contrary, is located in Immediate proximity to the magneto-optical rotator 1. It occupies a small part of the total volume of the total magnetic system; therefore, the field created by it on the axis of the insulator is small, but it increases significantly (several times) when approaching the side surface of magneto-optical rotator 1. This is true, for example, for thin magnetized rings and for thin solenoids. As a result, the total field turns out to be co-directional with a direct radiation pass and its value on the axis of the insulator turns out to be insignificantly lower than the initial one, but its intensity decreases with distance from the axis in the transverse direction, but does not increase, as in the case of the prototype.

Поглощение лазерного излучения приводит к тому, что температура магнитооптического ротатора 1 в центре оказывается выше, чем на его периферии, а вследствие снижения постоянной Верде при увеличении температуры это приводит к тому, что угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего вдоль оси изолятора, оказывается меньше, чем для излучения, распространяющегося возле края световой апертуры. Угол поворота пропорционален постоянной Верде и напряженности магнитного поля, поэтому в предлагаемом изоляторе Фарадея увеличение постоянной Верде магнитооптического ротатора 1 при удалении от оси изолятора вследствие снижения температуры компенсируется спаданием напряженности поля. Величина деполяризации, обусловленной аксиально-симметричными поляризационными искажениями, снижается, что может быть использовано в целях увеличения степени изоляции или максимально допустимой рабочей мощности.The absorption of laser radiation leads to the fact that the temperature of the magneto-optical rotator 1 in the center is higher than at its periphery, and due to a decrease in the Verdet constant with increasing temperature, this leads to a smaller angle of rotation of the plane of polarization of radiation passing along the axis of the insulator than for radiation propagating near the edge of a light aperture. The rotation angle is proportional to the Verdet constant and magnetic field strength, therefore, in the proposed Faraday isolator, the increase in the Verdet constant of the magneto-optical rotator 1 with distance from the axis of the insulator due to a decrease in temperature is compensated by a decrease in the field strength. The amount of depolarization due to axially symmetric polarization distortions is reduced, which can be used to increase the degree of isolation or the maximum allowable working power.

Разработанный изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности работает следующим образом. Лазерный пучок (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе через поляризатор 4 делится на нем на два ортогонально поляризованных пучка. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 4 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный пучок проходит через магнитооптический ротатор 1, помещенный в магнитную систему 2, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на некоторый угол. При прохождении через магнитооптический ротатор 1 пучок приобретает поляризационные искажения вследствие неравномерного распределения температуры по поперечному сечению магнитооптического ротатора 1, вызванного поглощением излучения в среде, и зависимости постоянной Верде от температуры. Центральная область магнитооптического ротатора 1 нагревается сильнее периферийных областей и, вследствие убывания постоянной Верде с ростом температуры, угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через нее, меньше. 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 внутри магнитной системы 2 расположена дополнительная магнитная система 3, создающая меньшее по величине поле в противоположном направлении с большой неоднородностью, удается получить спадающий при удалении от оси изолятора профиль напряженности суммарного поля. Относительное увеличение постоянной Верде в периферийных областях магнитооптического ротатора 1 компенсируется меньшей величиной напряженности поля в них, в результате чего профиль распределения угла поворота выравнивается, и величина деполяризации уменьшается.The developed Faraday isolator with a nonuniform magnetic field for high-power lasers works as follows. The laser beam (in the general case, non-polarized) in a direct passage through the polarizer 4 is divided into two orthogonally polarized beams. One of the beams is removed from the circuit by the polarizer 4 and is not considered further. The second linearly polarized beam passes through a magneto-optical rotator 1, placed in the magnetic system 2, as a result of which the plane of its polarization rotates at a certain angle. When passing through a magneto-optical rotator 1, the beam acquires polarization distortions due to the uneven distribution of temperature over the cross section of the magneto-optical rotator 1, caused by absorption of radiation in the medium, and the dependence of the Verdet constant on temperature. The central region of the magneto-optical rotator 1 heats up more strongly than the peripheral regions and, due to a decrease in the Verdet constant with increasing temperature, the angle of rotation of the plane of polarization of the radiation passing through it is smaller. The undistorted polarized beam component freely passes through the analyzer 5, and the depolarized component is reflected by it and removed from the circuit. On the return pass through the Faraday isolator, the linearly polarized beam in the magneto-optical rotator 1 receives an additional change in the plane of polarization by 45 ° in the same direction (90 ° in total relative to its original direction of polarization) and, when the polarizer 4 passes, it will be reflected from it, i.e. will not follow the path of a direct beam. However, its depolarized component will pass through the polarizer 4 and will determine the main characteristic of the Faraday isolator - the degree of isolation. Since an additional magnetic system 3 is located inside the magnetic system 2, which creates a smaller field in the opposite direction with great heterogeneity, it is possible to obtain the total field intensity profile decreasing as the distance from the insulator axis decreases. The relative increase in the Verdet constant in the peripheral regions of the magneto-optical rotator 1 is compensated by a lower field strength in them, as a result of which the rotation angle distribution profile is leveled off, and the depolarization value decreases.

Таким образом, поляризационные искажения в разработанном изоляторе Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности оказываются меньше по сравнению с прототипом, что позволяет решить поставленную задачу, то есть повысить его степень изоляции или максимально допустимую рабочую мощность.Thus, the polarization distortion in the developed Faraday isolator with an inhomogeneous magnetic field for high-power lasers is less than the prototype, which allows us to solve the problem, that is, to increase its degree of isolation or the maximum allowable working power.

В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 3, создающую поле в направлении обратного прохода излучения, в виде соленоида. При этом в процессе эксплуатации изолятора потребуется обеспечение магнитной системы 3 током и отводом тепла от нее. Однако достоинством магнитной системы 3 в виде соленоида является то, что она дает преимущество в создании магнитного поля нужной конфигурации, поскольку в данном случае кроме геометрических параметров появляется возможность варьирования силы тока, что в свою очередь позволит получить компенсацию поляризационных искажений для более высоких мощностей лазерного излучения.In the first particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 2, it is advisable to manufacture a magnetic system 3, which creates a field in the direction of the radiation return, in the form of a solenoid. In this case, during operation of the insulator, it will be necessary to provide the magnetic system 3 with current and heat removal from it. However, the advantage of magnetic system 3 in the form of a solenoid is that it gives an advantage in creating a magnetic field of the desired configuration, since in this case, in addition to geometric parameters, it is possible to vary the current strength, which in turn will allow one to obtain compensation for polarization distortions for higher laser radiation powers .

Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно выполнить магнитную систему, создающую поле в направлении обратного прохода излучения, из постоянных магнитов. В этом случае также удастся получить поле необходимой конфигурации и при этом в процессе эксплуатации изолятора не потребуется обеспечения магнитной системы током и отводом тепла от нее.In the second particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 3, it is advisable to carry out a magnetic system that creates a field in the direction of the return radiation path from permanent magnets. In this case, it will also be possible to obtain a field of the necessary configuration, and in this case during operation of the insulator it will not be necessary to provide the magnetic system with current and heat removal from it.

Например, как установлено авторами предлагаемого изобретения, использование одного коаксиально намагниченного кольца в качестве системы 3, создающей небольшое по величине поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью, позволяет создать суммарное поле с 10% неоднородностью на апертуре 10 мм. При этом потери напряженности поля в направлении прямого прохода излучения не превысят 10%. Подобная конструкция магнитной системы позволяет обеспечить полную компенсацию поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры, для излучения мощностью 1,5 кВт в криогенном изоляторе Фарадея на кристалле тербий-галлиевого граната. Использование более сложных конструкций магнитных систем позволит добиться лучших результатов.For example, as established by the authors of the present invention, the use of one coaxially magnetized ring as a system 3, which creates a small field in the direction of the backward radiation with a large transverse inhomogeneity, allows you to create a total field with 10% heterogeneity at a 10 mm aperture. In this case, the field strength loss in the direction of the direct radiation pass does not exceed 10%. Such a design of the magnetic system allows full compensation of polarization distortions caused by the dependence of the Verdet constant on temperature for radiation with a power of 1.5 kW in a Faraday cryogenic insulator on a terbium-gallium garnet crystal. The use of more complex designs of magnetic systems will achieve better results.

Claims (3)

1. Изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор, отличающийся тем, что внутри его магнитной системы, создающей поле в направлении прямого прохода излучения, содержится дополнительная магнитная система, создающая меньшее поле в направлении обратного прохода излучения с большой поперечной неоднородностью.1. The Faraday isolator with a non-uniform magnetic field for high power lasers, containing a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator installed in a magnetic system made using permanent magnets, and an analyzer, characterized in that inside its magnetic system, which creates a field in direction of the direct radiation pass, an additional magnetic system is contained, creating a smaller field in the direction of the return radiation pass with a large transverse inhomogeneity. 2. Изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода, выполнена в виде соленоида.2. The Faraday isolator with a non-uniform magnetic field for high-power lasers according to claim 1, characterized in that the magnetic system that creates the field in the direction of the return passage is made in the form of a solenoid. 3. Изолятор Фарадея с неоднородным магнитным полем для лазеров большой мощности по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система, создающая поле в направлении обратного прохода, выполнена из постоянных магнитов. 3. The Faraday isolator with a non-uniform magnetic field for high-power lasers according to claim 1, characterized in that the magnetic system that creates the field in the direction of the return passage is made of permanent magnets.
RU2015125868/28A 2015-06-29 2015-06-29 Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers RU2598623C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125868/28A RU2598623C1 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125868/28A RU2598623C1 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2598623C1 true RU2598623C1 (en) 2016-09-27

Family

ID=57018423

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015125868/28A RU2598623C1 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2598623C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2726274C1 (en) * 2020-02-21 2020-07-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Faraday isolator on permanent magnets with high magnetic field strength

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11183845A (en) * 1997-12-22 1999-07-09 Tokin Corp Optical isolator
RU2342688C2 (en) * 2007-01-29 2008-12-27 ООО "Центр научного и технического развития" (ООО "Ц-НТР"), Войтович Александр Владимирович, Железнов Дмитрий Сергеевич, Мухин Иван Борисович, Палашов Олег Валентинович, Хазанов Ефим Аркадьевич Optical isolator for high power lasers
CN104317073A (en) * 2014-10-28 2015-01-28 中国电子科技集团公司第二十六研究所 Split-type magnetic steel Faraday rotator and polarization independent isolator laser

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11183845A (en) * 1997-12-22 1999-07-09 Tokin Corp Optical isolator
RU2342688C2 (en) * 2007-01-29 2008-12-27 ООО "Центр научного и технического развития" (ООО "Ц-НТР"), Войтович Александр Владимирович, Железнов Дмитрий Сергеевич, Мухин Иван Борисович, Палашов Олег Валентинович, Хазанов Ефим Аркадьевич Optical isolator for high power lasers
CN104317073A (en) * 2014-10-28 2015-01-28 中国电子科技集团公司第二十六研究所 Split-type magnetic steel Faraday rotator and polarization independent isolator laser

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов, "Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ", Квант. электроника, 2013, 43 (8), 740-743;. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2726274C1 (en) * 2020-02-21 2020-07-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Faraday isolator on permanent magnets with high magnetic field strength

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Snetkov et al. Review of Faraday isolators for kilowatt average power lasers
US9304337B2 (en) Faraday rotator for an optical isolator
US5715080A (en) Compact uniform field Faraday isolator
Mukhin et al. 2.1 Tesla permanent-magnet Faraday isolator for subkilowatt average power lasers
RU2598623C1 (en) Faraday isolator with inhomogeneous magnetic field for high-power lasers
CN104733992A (en) High-power inner cavity frequency doubling single-frequency laser device
US20150124318A1 (en) High magnetic field-type multi-pass faraday rotator
Nicklaus et al. Optical isolator for unpolarized laser radiation at multi-kilowatt average power
RU2717394C1 (en) Faraday isolator with compensation of axially symmetrical polarization distortions
US20040027639A1 (en) Magneto-optic optical device
Voitovich et al. Wide-aperture Faraday isolator for kilowatt average radiation powers
RU2589754C2 (en) Faraday isolator for laser beams with square cross section of intensity distribution
US9405127B2 (en) Planar waveguide faraday rotator
RU2726274C1 (en) Faraday isolator on permanent magnets with high magnetic field strength
RU2690037C2 (en) Faraday isolator for lasers with high average radiation power
RU2559863C2 (en) Faraday isolator based on permanent magnets for high-power lasers
RU122498U1 (en) ROTARY FARADAYA BY TRADITIONAL CIRCUIT FOR LASERS WITH HIGH MEDIUM POWER
US12422702B2 (en) Magnetic circuit, faraday rotator, and magneto-optic device
RU2637363C2 (en) Faraday insulator with crystalline magnetooptical rotator for high power lasers
RU2607077C1 (en) Faraday isolator with stabilization of insulation
Mironov et al. Nonorthogonally magnetised permanent-magnet Faraday isolators
JP4560317B2 (en) Faraday rotator
JP2019211753A (en) Magnetic circuit, faraday rotor and magneto-optic element
RU2342688C2 (en) Optical isolator for high power lasers
RU2603229C1 (en) Faraday isolator for non-polarized laser radiation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190630