Формирование заданных магнитных полей в магнитооптических элементах лазерных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

МИРОНОВ Евгений Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

01.04.21 —лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 8МАР 2015

Нижний Новгород - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Палашов Олег Валентинович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Яшин Владимир Евгеньевич, ОАО "Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова"

кандидат технических наук Дергачев Павел Андреевич, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет" Московский энергетический институт

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук

Защита состоится " 20 " апреля 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан"^ "ср^^ав-Л 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет исследования и актуальность темы

Оптические устройства, принцип действия которых основан на эффекте Фарадея - повороте плоскости поляризации лазерного излучения при его прохождении через магнитоакптную среду, помещенную в магнитное поле — в настоящее время являются одними из ключевых элементов лазерных схем. В зависимости от предназначения такого прибора к параметрам поля, создаваемого его магнитной системой, могут быть предъявлены определенные требования. Традиционным условием является обеспечение заданной величины напряженности, но в последнее время в связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к характеристикам этих устройств, становятся актуальными задачи создания магнитного поля определенного профиля.

Самым распространенным примером такого прибора могут служить изоляторы Фарадея (ИФ) [1, 2, 3] позволяющие пропускать линейно поляризованное излучение практически без потерь в одном направлении и с большим ослаблением в обратном. Сейчас подавляющее большинство лазерных схем, оперирующих со сколько-нибудь высокой мощностью, имеют в своем составе изоляторы Фарадея. В связи с постоянным увеличением средней мощности как импульсно-периодических, так и непрерывных лазеров, все более актуальной представляется проблема усовершенствования ИФ, а ключевым требованием становится подавление термонаведенных эффектов, возникающих из-за относительно высокого (~ 10~3 см) поглощения излучения в их магнито-оптическихз элементах (МОЭ).

Вызванное поглощением неоднородное по поперечному сечению МОЭ распределение температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, обусловленному зависимостью постоянной Верде от температуры, к появлению, на ряду с циркулярным, линейного дву-лучепреломления (фотоупругий эффект) [4, 5, 6] и к искажению волнового фронта проходящего через вращатель Фарадея оптического излучения (тепловая линза) [7].

Степень изоляции — важнейшая характеристика изолятора Фарадея — большей частью определяется поляризационными искажениями — величиной деполяризации, вносимой магнитооптическим элементом в проходящее излучение. «Холодная» деполяризация, возникающая в МОЭ из-за неоднородности и неидеальности оптического элемента (свили, неоднородность кристаллической решетки и т. д.), как правило, мала и составляет ~10"5—10"4. Деполяризация излучения, обусловленная поглощением в оптических элементах и называемая «горячей» или термонаведенной, целиком и полностью зависит от мощности оптического излучения. В лазерных системах с высокой средней мощностью излучения именно термонаведенная деполяризация, значительно превышая «холодную», определяет степень изоляции.

Существуют несколько подходов к проблеме уменьшения термонаведен-ной деполяризации излучения в магнитооптических элементах ИФ, обусловленной фотоупругим эффектом. В основе одного го них лежит идея вычитания фазового набега при помощи замены одного фарадеевского элемента, поворачивающего плоскость поляризации проходящего излучения на 45°, двумя 22.5°-ными фарадеевскими элементами, между которыми находится взаимный оптический элемент [8, 5, 9, 10]. При этом искажения, возникшие при проходе через первый элемент, частично компенсируются при прохождении через второй. Кроме того, применяется способ компенсации линейного двулучепреломления в оптических элементах при помощи одноосного кристалла, описанный в [11, 12, 13]. Другой подход к подавлению термонаведен-ных эффектов заключается в разбиении магнитооптического элемента на несколько тонких дисков, охлаждаемых через оптическую поверхность [14, 15, 16, 17]. Еще одним способом значительного сокращения проявления всех негативных тепловых искажений в ИФ является охлаждение МОЭ до криогенных температур [18, 19, 20,21].

Поскольку важной и неотъемлемой частью ИФ является его магнитная система (МС), существует принципиально другой подход к улучшению характеристик ИФ, основанный на улучшен™ свойств их магнитных полей. В первую очередь, это относится к увеличению напряженности поля в области МОЭ, что предоставляет возможность сократить его длину. Данный подход имеет несколько вариантов решения, среди которых применение сверхпроводящих соленоидов [20], использование в МС магнитопроводящих материалов [22], охлаждение магнитов [19], оптимизация распределения вектора намагниченности внутри систем постоянных магнитов [А, 23].

Неоднородность поля также является важной характеристикой МС изоляторов, поскольку она существенным образом может влиять на степень изоляции устройства. В большинстве случаев неоднородность магнитного поля рассматривается как негативный фактор, потому что она служит источником деполяризации проходящего через изолятор излучения [24], однако, она может быть использована в качестве механизма компенсации аксиально-симметричных поляризационных искажений, таких как искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры [Е].

Еще одним примером магнитооптического устройства, применяемого в лазерной технике, может служить аподизирующая диафрагма, принцип действия которой основан на эффекте Фарадея. Использование аподизирующих диафрагм в мощных твердотельных лазерных системах продиктовано необходимостью борьбы с пространственными неоднородностями интенсивности усиливаемого излучения, вызванных дифракцией Френеля. Дифракционные кольца служат затравочными возмущениями, увлекаемыми самофокусиро-вочной неустойчивостью, которые в итоге могут вызвать разрушение лазерной оптики [25, 26, 27]. Кроме того, для эффективного усиления световые пучки должны иметь распределение интенсивности, близкое к прямоуголь-

ному, с большим фактором заполнения апертуры усилителей. Поэтому желаемый профиль пропускания аподизирующей диафрагмы должен быть близок к П-образному, но изменяться на краях таким образом, чтобы снизить проявление дифракции при распространении пучка (одним из таких профилей является супергауссов). Аподизация излучения может быть реализована путем его пропускания через МОЭ, помещенный в поперечно неоднородное магнитное поле [28]. Создание систем постоянных магнитов с сильной неоднородностью поля позволяет реализовать аподизирующие диафрагмы, которые обладают рядом преимуществ по сравнению со своими аналогами [О].

Решение задач по созданию и усовершенствованию магнитооптических устройств, которые ставит динамичное развитие лазерной физики, естественным образом связано с разработкой новых МС и не может ограничиваться модернизацией их оптической части.

Цель работы

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке способов формирования требуемых конфигураций полей систем постоянных магнитов и создании на их базе устройств, работающих на эффекте Фарадея (таких как ИФ и аподизирующие диафрагмы), с улучшенными характеристиками. В результате работы были решены следующие задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование эффекта возникновения деполяризации излучения, проходящего через парамагнитный магнитооптический элемент, вызванной его намагничиванием.

2. Разработка ИФ, в котором обеспечивается компенсации азимутально-симметричных поляризационных искажений излучения (например, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры и намагничиванием магнитооптического элемента) за счет неоднородности поля его магнитной системы.

3. Разработка способа увел1гчения поля в магнитных системах ИФ, представляющих собой набор колец, выполненных из ферромагнитных сплавов, за счет использования колец с неортогональным (т.е. наклонным к оси ИФ) направлением намагниченности.

4. Создание и исследование аподизирующей диафрагмы, работающей на эффекте Фарадея и представляющей собой магнитооптический элемент, помещенный в сильно:" неоднородное аксиально-симметричное постоянное магнитное поле.

5. Разработка ИФ для лазерных пучков с квадратным по перечным, профилем распределения интенсивности. . •

Научная новизна диссертационной работы обусловлена полученными в ней оригинальными результатами, а именно:

1. Впервые исследован эффект возникновения деполяризации излучения, проходящего через парамагнитный магнитооптический элемент, вызван-

ной его намагничиванием. Изучена зависимость величины этого эффекта от магнитной восприимчивости среды и аспектного соотношения (отношение длины Ь к диаметру £>) магнитооптического элемента.

2. Предложен способ создания конфигурации поля магнитной системы ИФ, которая позволяет компенсировать азимутально-симметричные поляризационные искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры и намагничиванием магнитооптического элемента. Разработан и экспериментально исследован прототип нового вида ИФ, в котором такие поляризационные искажения компенсируются неоднородностью поля магнитной системы, спадающего при удалении от оси в поперечном направлении.

3. Предложен способ увеличения поля в магнитных системах ИФ, представляющих собой набор намагниченных колец. Разработан и экспериментально исследован прототип изолятора Фарадея, в магнитной системе которого наряду с использованием традиционных коаксиально и ра-диально намагниченных колец используется пара колец с неортогональными направлениями намагниченности, позволяющим существенно уменьшить массу магнитной системы при сохранении заданной величины напряженности поля в области магнитооптического элемента.

4. Создана аподизирующая диафрагма, работающая на эффекте Фарадея и представляющая собой магнитооптический элемент, помещенный в сильно неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле. Устройство позволяет формировать лазерные пучки с большим заполнением, чем традиционная кварцевая диафрагма, и обладает возможностью перестройки фактора заполнения пучков.

5. Предложен способ увеличения поля в ИФ для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности за счет заполнения центральных областей магнитной системы с круглой световой апертурой, не препятствующих пропусканию пучка, цилиндрическими сегментами магнитов с намагниченностями, ориентированными вдоль и поперек оси изолятора.

Практическая ценность диссертации:

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и создании изоляторов Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью, аподизирующих диафрагм, принцип действия которых основан на эффекте Фарадея, и других, в том числе неоптических, приборов, в которых используются поля систем постоянных магнитов, например, гиротронов.

Результаты работы легли в основу Патента РФ на изобретение №2484509 «Поляризационная аподизирующая диафрагма» и двух заявок на патент: заявка №2013155764 «Изолятор Фарадея для лазеров большой мощности», заявка №2014139995 «Изолятор Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Намагничивание магнитооптических элементов в изоляторах Фарадея, выполненных из парамагнетиков, приводит к неоднородному по сечению увеличению угла поворота плоскости поляризации проходящего через них излучения и, как следствие, к ухудшению степени изоляции. Величина возникающей при этом деполяризации зависит от магнитной восприимчивости среды и аспектного соотношения (отношение длины L к диаметру D) магнитооптического элемента. Эффект значим для криогенных и широкоапертурных (L/D = 0.33) изоляторов, работающих при комнатной температуре, если их степень изоляции должна составлять соответственно >30 дБ и >40 дБ.

2. Неоднородностью поля магнитной системы изолятора Фарадея, в приближении параболического профиля напряженности магнитного поля, можно полностью компенсировать поляризационные искажения, возникающие в лазерном пучке с равномерным (степ-образным) распределением интенсивности, вызванные двумя паразитными эффектами: намагничиванием элемента и зависимостью постоянной Верде от температуры.

3. Наиболее близкая к магнитооптическому элементу часть коаксиально намагниченного кольца магнитной системы изолятора Фарадея вносит значительный вклад в неоднородность поля, которая связана с возрастанием его напряженности при удалении от оси системы в поперечном направлении. Смена направления намагниченности в этой области кольца позволяет создать в центре магнитной системы поле с напряженностью, спадающей при удалении от оси. Величина неоднородности для световых апертур 10-15 мм может достигать 10 %.

4. Использование колец с наклонной к оси намагниченностью позволяет увеличить напряженность поля в магнитной системе изоляторов Фарадея. Величина эффекта зависит от параметров изолятора и количества колец с наклонной намагниченностью и для световых апертур 10-15 мм может достигать 15 %.

5. Напряженность магнитного поля на оси кольца, собранного из однородно намагниченных секторов, отличается от напряженности поля на оси ради-ально намагниченного кольца тех же размеров на коэффициент, который не зависит от геометрических параметров кольца, определяется исключительно числом секторов и стремится к единице с ростом их числа.

Апробация работы. Настоящая диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в Институте прикладной физики РАН в 2009-2014 гг.

Основные результаты работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, на российских и зарубежных конференциях и симпозиумах, в том числе на XV и XVI Нижегородских сессиях молодых ученых (Н. Новгород, Россия, 2010, 2012), XIV и XV международных конференциях "Laser Optics" (Санкт-

Петербург, Россия, 2010, 2012), XIX международной конференции "Conference on Advanced Laser Technologies" (Золотые Пески, Болгария, 2011), международной конференции "Nonlinear Optics: East-West Reunion" (Суздаль, Россия, 2011), международной конференции "Frontiers in Optics" (Орландо, США, 2013), международной конференции "Advanced Solid-State Lasers Congress" (Париж, Франция, 2013), международной конференции "Conference on Superconductivity and Magnetizm" (Анталия, Турция, 2014), международном симпозиуме "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics" (H. Новгород, Россия, 2014).

Проведенные исследования были отмечены стипендией им. академика Г. А. Разуваева в 2013-2014 гг., материалы диссертационной работы легли в основу патента РФ на изобретение и двух заявок на патент.

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 107 страниц, включая 32 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 116 источников, включая 22 авторских работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулирована цель работы, приведены выносимые на защиту основные положения, отражена научная новизна, представлена структура и общее содержание работы.

В работе в качестве подхода к увеличению степени изоляции и максимально допустимой рабочей мощности изоляторов Фарадея рассматривается улучшение характеристик полей их магнитных систем. В качестве варианта решения данной задачи используется метод, основанный на оптимизации распределения вектора намагниченности внутри систем постоянных магнитов. Данный метод может быть использован как для увеличения напряженности поля в области МОЭ, так и для создания полей с необходимым профилем.

В первой главе описано исследование факторов, влияющих на неоднородность магнитного поля в МОЭ. Актуальность исследования этого вопроса связана с тем, что данная характеристика поля влияет на величину деполяризации проходящего через изолятор излучения, следовательно, определяет степень изоляции прибора.

В пункте 1 главы рассматривается влияние намагничивания МОЭ на распределение магнитного поля внутри него. Теоретически и экспериментально показано, что индуцированное вследствие намагничивания поле приводит к изменению угла поворота плоскости поляризации проходящего

сквозь МОЭ излучения. Этот эффект не имеет существенного значения для ИФ, поскольку может быть компенсирован поворотом плоскостей пропускания входного и выходного поляризаторов. Более интересным следствием намагничивания является возникновение дополнительной неоднородности поля внутри МОЭ, которая появляется, даже если поле магнитной системы однородно. Таким образом, можно говорить о появлении деполяризующего фактора ур, возникающего вследствие намагничивания МОЭ.

Показано, что величина этого эффекта зависит от магнитной восприимчивости % и аспектного соотношения (отношения длины Ь к диаметру £>) элемента. Согласно теоретическим оценкам, эффект значим для криогенных и широкоапертурных изоляторов, работающих при комнатной температуре, если их степень изоляции должна составлять соответственно >30 дБ и >40 дБ. Продемонстрировано возникновение вследствие эффекта 3%-ной разницы в углах поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через центр и периферийную область оптической поверхности МОЭ с длинной 3.4 мм и диаметром 10.3 мм, выполненного из кристалла ТГГ, которая приводит к возникновению деполяризации уР ~ 2 -10"4.

В пункте 2 главы рассматривается возможность увеличения степени изоляции ИФ при помощи неоднородности поля магнитной системы. Поглощение излучения в магнитоактивной среде приводит к тому, что температура магнитооптического элемента в центре оказывается выше, чем на его периферии. Постоянная Верде в используемых средах растет с уменьшением температуры [29], следовательно, угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через центр МОЭ меньше, чем при проходе возле края. Намагничивание парамагнитных магнитооптических элементов, также приводит к меньшему углу поворота в центре, чем возле боковой поверхности. Таким образом, для компенсации этих двух эффектов внешним магнитным полем, необходимо, чтобы напряженность поля на оси магнитной системы была выше, чем на периферии.

Для лазерного пучка со степ-образным профилем распределения интенсивности получено выражение для мощности излучения, при которой поляризационные искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры, полностью компенсируются неоднородностью магнитного поля. Значение этой мощности найдено, исходя из распределения температуры по поперечному сечению МОЭ

аР г1 А7гк а

в приближении параболической зависимости средней на длине кристалла напряженности магнитного поля от поперечной координаты г Ш ( 2 Ш

¡Н^г^^г^ 1 + §Н~ ■ |ЯД0,г)с&,

-1/2

V К У

-Цг

здесь а и к - коэффициент поглощения и теплопроводность материала

магнитооптического элемента, Р - мощность излучения, Т0 - температура

среды в центре элемента, а и Л - радиусы пучка и магнитной системы и 8Н — относительная неоднородность магнитного поля на всей апертуре системы.

Полученное выражение имеет вид

а /г

и позволяет проводить оценки мощности, при которой будет осуществляться максимальное ослабление аксиально-симметричных поляризационных искажений, либо формулировать требования на неоднородность поля, необходимую для компенсации этих искажений, характерных для лазерного пучка заданной мощности.

Для проверки этой идеи была изготовлена магнитная система со спадающей напряженностью поля при удалении от ее оси в поперечном направлении. В криогенном ИФ продемонстрирована компенсация аксиально-симметричных поляризационных искажений в экспериментах с гауссовым пучком. Максимальное ослабление деполяризации наблюдалось при 70 Вт мощности лазерного излучения. Полученные результаты были использованы

для оценки мощности Р* для степ-образных пучков, диаметр которых близок к размеру апертуры магнитной системы. Теоретические оценки позволяют сделать вывод о возможности создания криогенного ИФ на основе этой МС, в котором будет обеспечиваться степень изоляции > 40 дБ при мощности лазерного излучения > 1.5 кВт.

Во второй главе обсуждаются возможности увеличения степени изоляции и максимальной рабочей мощности ИФ при помощи улучшения характеристик полей их магнитных систем.

В первом пункте главы описан метод увеличения напряженности поля в магнитных системах при помощи использования в них колец, намагниченность в которых направлена под углом к их оси. Распределение вектора намагниченности в традиционных магнитных системах ИФ, состоящих из коак-сиально и радиально намагниченных колец, неоптимально. Имеется в виду, что можно создать большее магнитное поле в области МОЭ, используя тот же самый объем и количество магнитов с теми же магнитными свойствами. Использование колец, направление намагниченности в которых является промежуточным между коаксиальным и радиальным, позволяет добиться увеличения напряженности поля в области МОЭ за счет лучшей аппроксимации идеального распределения намагниченности (рис. 1). Показана возможность 12%-ного увеличения напряженности поля в МС со стандартными габаритами при использовании одной пары таких колец. Данный подход можно использовать и для сокращения габаритов и массы МС при неизменном значе-

нии напряженности поля. Экспериментально продемонстрировано, что использование одной пары таких колец позволяет сократить длину МС в 1.5 раза.

->

121 132315

Рис. 1. Традиционная (а) и новая (б) магнитная система ИФ, построенные на кольцах с радиальной (1), коаксиальной (2) намагниченностью и намагниченностью, направленной под некоторым углом к оси (3)

Во втором пункте главы описан метод получения неоднородностей полей МС, позволяющих компенсировать в ИФ аксиально-симметричные поляризационные искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры и намагничиванием МОЭ. Исследовано распределение вкладов различных частей традиционной МС в величину средней напряженности поля в области МОЭ и в его неоднородность (рис. 2). Показано, что область коакси-ально намагниченного кольца, наиболее близко расположенная к МОЭ вносит значительный вклад в поперечную неоднородность поля, характеризующуюся возрастанием его напряженности при удалении от оси системы в поперечном направлении.

■

■1 ■ Г

б

Рис. 2. Вклад частей традиционной МС в величину напряженности поля (а) и его неоднородность (б)

Внедрение в эту область кольца с направлением намагниченности противоположным основному позволяет создавать поле со спадающим профилем напряженности поля, который необходим для обеспечения компенсации поляризационных искажений. Меняя геометрические параметры этого кольца, можно варьировать неоднородность магнитного поля в широких пределах при небольших потерях для величины его напряженности.

В третьем пункте второй главы описано решение задачи создания МС для ИФ с квадратной световой апертурой, использование которых при работе с лазерными пучками с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности более эффективно, чем использование ИФ с круглой апертурой. Эта задача была рассмотрена нами с точки зрения нахождения оптимального дополнения к обычной аксиально-симметричной МС (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция дополнительной магнитной системы с квадратной апертурой внутри традиционной магнитной системы с круглой апертурой

Внутренние области МС, примыкающие к МОЭ и не препятствующие прохождению лазерного пучка, могут быть заполнены цилиндрическими сегментами магнитов, намагниченность в которых ориентирована вдоль и поперек оси системы. Оптимизация соотношений длин этих сегментов позволяет заключить о возможности 10 % увеличения поля в области МОЭ без изменения его неоднородности.

В приложении описано создание и экспериментальное исследование аподизирующей диафрагмы, принцип действия которой основан на эффекте Фарадея. Аподизация в данном случае обеспечивается при прохождении излучения через магнитооптический элемент, помещенный в сильно неоднородное поле, расположенный между двумя поляризаторами.

Показано, что созданный экспериментальный образец данного прибора позволяет обеспечить лучшее заполнение лазерных пучков, чем широко используемые кварцевые аподизирующие диафрагмы. Теоретические оценки демонстрируют широкие возможности по улучшению характеристик таких диафрагм при использовании магнитооптических сред с большей величиной постоянной Верде, чем у кристаллов тербий галлиевого граната.

В заключении сформулированы результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, а также приведены оценки развития проводимых исследований в будущем и области их применения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено аналитическое выражение для мощности, при которой происходит полная компенсация неоднородностью магнитного поля поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры и намагничиванием МОЭ, в приближении параболических зависимостей распределения температуры и магнитного поля по поперечному сечению МОЭ, согласно которому можно увеличить ее значение за счет увеличения радиуса лазерного пучка, уменьшения коэффициента поглощения МОЭ и увеличения неоднородности поля магнитной системы.

2. Разработан способ достижения существенной отрицательной (т. е. со спадающей при удалении от оси напряженностью) неоднородности поля в МС ИФ за счет замены части центрального коаксиально намагниченного кольца системы кольцом с противоположным направлением намагниченности. Показано, что для световых апертур 10—15 мм использование способа позволяет создавать неоднородности с величиной достигающей 10%.

3. Теоретически показано, что величина магнитного поля на оси для кольца, собранного из одинаковых однородно намагниченных радиальных секторов и для радиально намагниченного кольца (такого же размера), одинакова с точностью до коэффициента, значение которого определяется исключительно числом секторов. Для кольца, собранного из 8 секторов, отличие напряженности поля составляет —2.5 %.

4. Теоретически и экспериментально исследован паразитный эффект намагничивания магнитооптических элементов в ИФ, выполненных из парамагнетиков. Продемонстрировано возникновение вследствие эффекта 3%-ной разницы в углах поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через центр и периферийную область оптической поверхности МОЭ с длинной 3.4 мм и диаметром 10.3 мм, выполненного из кристалла ТГГ, которая приводит к возникновению деполяризации

ур-г-ю-4.

5. Создан ИФ, в магнитной системе которого наряду с использованием традиционных коаксиально и радиально намагниченных колец используется пара колец с наклонным к оси направлением намагниченности, что позволило существенно (в 1.5 раза) уменьшить массу исходной магнитной системы (внешний диаметр 67 мм, внутренний 15 мм, длина 80 мм) за счет ее укорочения.

6. Разработан криогенный ИФ, в котором при помощи неоднородности поля магнитной системы компенсируются поляризационные искажения в МОЭ с поглощением ~10"3, обусловленные зависимостью постоянной Верде от температуры и намагничиванием МОЭ. Устройство обеспечивает степень изоляции более 40 дБ при мощности лазерного излучения

> 1.5 кВт для лазерных пучков с диаметром близким к диаметру световой апертуры магнитной системы.

7. Разработана магнитная система для изолятора Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности на основе традиционной аксиально-симметричной системы. Заполнение центральных областей системы цилиндрическими сегментами магнитов с ортогональными намагниченностями, не препятствующих прохождению лазерного пучка, позволило увеличить напряженность магнитного поля в области магнитооптического элемента на -10 %.

8. Создана аподизирующая диафрагма, работающая на эффекте Фарадея и представляющая собой магнитооптический элемент, помещенный в сильно неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле, с фактором заполнения F = 0.45 для длины волны излучения 1064 нм. Устройство позволяет формировать пучки с лучшим заполнением (до 0.57), чем традиционная кварцевая диафрагма (F = 0.5) и обладает возможностью перестройки фактора заполнения пучков за счет использования магнитооптических элементов с различными значениями постоянной Верде, изменения их температуры.

Цитируемая литература

1. Robinson С. С. The Faraday rotation of diamagnetic ■ glasses from 0.334 micrometer to 1.9 micrometer//Applied Optics. 1964. V. 3. P. 1163-1166.

2. Aplet L.J., Carson J. W. A Faraday effect optical isolator // Applied Optics 1964. V. 3. P. 544-545.

3. Padula C.F., Young C.G. Optical isolators for high-power 1.06-micron glass laser systems // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1967. V. QE-3 P 493498. ,

Chen X., Gonzalez S. Laser-induced anisotropy in terbium-gallium garnet // Applied Physics B. 1998. V. 67. P. 611-613.

Хазанов E.A. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея // Квантовая электроника. 1999. Т. 26. С. 59-64. Khazanov Е.А., Kulagin О. К, Yoshida S., Tanner D„ Reitze D. Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1999. V. 35. P. 1116-1122. PoteomkinA., Andreev N.. Khazanov E., ShaykinA., Zelenogorsky V., Ivanov I. Use of scanning Hartmann sensor for measurement of thermal lensing in TGG ciystal. // Laser Crystals, Glasses, and Nonlinear Materials Growth and Characterization III, San Jose, California, 2003. P. 10-21.

Хазанов E.A. Особенности работы различных схем изолятора Фарадея при высокой средней мощности лазерного излучения // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. С. 147-151.

9. Khazanov E., Andreev N., Babin A., Kiselev A., Palashov O., Reitze D. Suppression of self-induced depolarization of high-power laser radiation in glass-based Faraday isolators // Journal of the Optical Society of America B. 2000. V. 17. P. 99-102.

10. Андреев Н.Ф., Катин E.B., Палашов О.В., Потемкин А.К., Райтци Д.Х., Сергеев A.M., Хазанов Е.А. Использование кристаллического кварца для компенсации термонаведенной деполяризации в изоляторах Фарадея // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. С. 91-94.

11. Khazanov Е., Poteomkin A., Katin Е. Compensating for birefringence in active elements of solid-state lasers: novel method // Journal of the Optical Society of America B. 2002. V. 19. P. 667-671.

12. Нагибина И.M., Москалев В.А., Полушкина Н.А., Рудин B.JÎ. Прикладная физическая оптика. М.: Высшая школа, 2002. 565 с.

13. ЛандсбергГ.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. 848 с.

14. Мухин КБ., Хазанов Е.А. Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. С. 973-978.

15. Yasuhara R., Kawashima T., Furukawa H., Ikegawa T., Matsumoto О., Sekine T., Kurita T., Kan H., Kawanaka J., Norimatsu T., lzawa Y. Face-cooled and edge-insulated multi-disk Faraday rotator for high peak and power // International Symposium Topical Problem of Nonlinear Wave Physics, 2-9 August. St.Petersburg -N.Novgorod, 2005. P.135-136.

16. Tokita S., Kawanaka J., Fujita M., Kawashima T., lzawa Y. Sapphire-conductive end-cooling of high power cryogenic Yb:YAG lasers // Applied Physics B. 2005. V. 80. P. 635-638.

17. Tsunekane M., Taguchi N., Inaba H. Reduction of thermal effects in a diode-end-pumped, composite Nd:YAG rod with a sapphire end // Applied Optics. 1998. V. 37. P. 3290-3294.

18. Железное Д.С., Войтович A.B., Мухин КБ., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Значительное уменьшение термооптических искажений в изоляторах Фарадея при их охлаждении до 77 К // Квантовая Электроника. 2006. Т. 36. С. 383-388.

19. Zheleznov D.S., Khazanov Е.А., Mukhin LB., Palashov O.V. Drastic reduction of heat release in magneto-optical elements: new ways towards a 100 kW average power Faraday isolator // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6610. P. 66100F.

20. Zheleznov D. S., Khazanov E. A., Mukhin I. В., Palashov О. V., and Voytovich A. V. Faraday rotator with short magneto-optical element for 50 kW laser power// IEEE Journal of Quantum Electronics, 2007, V. 43, P.451-457.

21. Железное Д.С., Зеленогорский В.В., Катин Е.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Криогенный изолятор Фарадея // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. С. 276-281.

22. Mukhin I.B., Voitovich A. V., Palashov О. V., Khazanov E.A. 2.1 tesla permanent -magnet Faraday isolator for subkilowatt average power lasers // Optics Communications. 2009. V. 282. P. 1969-1972.

23. Trenec G., Volondat W., Cugat O., Vigue J. Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere // Applied Optics, 2011 V. 50(24), P. 4788-4796.

24. Zheleznov D. S., Starobor A. V., Palashov О. V., Khazanov E. A Cryogenic Faraday isolator with a disk-shaped magneto-optical element // Journal of Optical Society of America B. 2012. V.29, P. 786-792.

25. Fleck J.A. Jr., Layne C. Study of self-focusing damage in a high-power Nd: glass-rod amplifier // Applied Physics Letters, 1973. V. 22, P. 467.

26. Campillo A.J., Pearson J.E, Shapiro S.L., Terrell N.J. Fresnel diffraction effects in the design of high-power laser systems // Applied Physics Letters 1973. V. 23, P. 85.

27. Баранова Н.Б., Быковский H.E., Зельдович Б.Я., Сенатский Ю.В. Дифракция и самофокусировка излучения в усилителе мощных световых импульсов. I. Развитие дифракции и самофокусировки в усилителе мощных световых импульсов // Квантовая электроника, 1974. V.l, Р. 2435-2449.

28. Simmons IV. W., Leppelmier G. W. Optical beam shaping devices using polarization effects // Applied Optics, 1974. V. 13, P. 1629.

29. Bwiuee У.В., Кринчик Г.С., Кругляшов С.Б., Левитин P.3., Мукимов К.М., Орлов В.Н., Соколов Б.Ю. О природе эффекта Фарадея в парамагнитном редкоземельном гранате Tb3Ga5012 // Физика твердого тела 1982 Т 24 №9. ' '

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

A. Миронов Е. А., Войтович А. В., Палашов О. В. Изоляторы Фарадея на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью // Квантовая электроника. 2011. Т. 41(1) С. 71 -74.

B. Mironov Е.А., Voitovich А. V, Starobor, А. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V. Effect of paramagnetic magnetization in Faraday isolators // Applied Optics 2012. V. 51(21), P. 5073-5079.

C. Миронов E. А., Войтович А. В., Палашов О. В. Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ // Квантовая электроника. 2013. Т. 43(8) С. 740 - 743.

D. Mironov Е.А., Voitovich А. V, Palashov О. V. Apodizing diaphragm based on the Faraday effect // Optics Communications, 2013. V. 295, P.170-175.

E. Mironov E.A., Voitovich A. V, Starobor A. V, Palashov О. V. Compensation of polarization distortions in Faraday isolators by means of magnetic field inhoh-mogeneity // Applied Optics, 2014. V. 53(16), P. 3486-3491.

F. Mironov E.A., Starobor A. V, Voitovich A. V, Palashov О. V. A Faraday isolator with a square optical aperture // Optics Communications, 2015. 338 P. 565568.

G. Войтович A.B., Миронов E.A., Палашов О.В., Потемкин А.К., Хазанов Е.А Поляризационная аподизирующая диафрагма // Патент RU 2484509 С1, (10 июня 2013).

H. Войтович А. В., Миронов Е.А., Палашов О.В. Изолятор Фарадея для лазеров большой мощности // Заявка на патент регистрационный №2013155764.

I. Балабанов С.С., Войтович А.В., Миронов Е.А., Старобор А.В., Палашов О.В. Изолятор Фарадея для лазерных пучков с квадратным поперечным профилем распределения интенсивности // Заявка на патент регистрационный № 2014139995.

J. Миронов Е.А., Войтович А.В., Палашов О.В. Оптимизация магнитных систем для мощных изоляторов Фарадея за счет использования магнитов с неортогональной намагниченностью // IV Всероссийская школа по лазерной физике, Саров, 26-29 апреля 2010.

К. Миронов Е.А. Оптимизация количества секторов и колец магнитных системах изоляторов Фарадея // 15-я Нижегородская сессия молодых ученых, "Красный плес", 2010.

L. Миронов Е.А. Магнитные системы на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью для мощных изоляторов Фарадея // Научная студенческая конференция Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ "ВШОПФ'2010", Нижний Новгород, 2010.

М. Mironov Е.А., Voitovich А. V., Palashov О. V. Optimization of the magnetic system for powerful Faraday isolator by using nonorthogonal magnetized magnets // 14th International Conference on Laser Optics "L0-2010", St.Petersburg, Russia, 28 June - 2 July 2010.

N. Mironov E.A., Voitovich A. V, Zheleznov D.S., Starobor A. V. Palashov О. V. Effect of the magnetooptical element magnetization on the isolation ratio of Faraday isolators // 19th Conference on Advanced Laser Technologies "ALT' 11", Golden Sands, Bulgaria, 2011.

O. Mironov E.A., Voitovich A. V, Palashov О. V. The increase of the isolation ratio of Faraday isolators by nonuniformity of magnetic field // International Conference "Nonlinear Optics: East-West Reunion", Suzdal, Russia, 21-23 September 2011.

P. Миронов Е.А. Новые типы магнитных систем для изоляторов Фарадея // 17-я Нижегородская сессия молодых ученых, 2012.

Q. Mironov Е.А., Voitovich А. V, Palashov О. V. Compensation of polarization distortions in Faraday isolators witn the help of inhomogenity of magnetic field // 15th International Conference on Laser Optics "L0-2012", St. Petersburg, Russia, 25-29 June 2012.

R. Palashov O. V, Mironov E.A., Voitovich A. V. Apodizing diaphragm on the Faraday effect", 15th International Conference on Laser Optics "LO-2012 // St.Petersburg, Russia, 25-29 June 2012.

S. Mironov E.A., Voitovich A. V., Starobor A. V., Palashov O. V. Control of the Isolation Ratio of Faraday Isolators with the Help of Inhomogenity of Magnetic Field // Frontiers in Optics 2013/Laser Science XXIX, Orlando, Florida, USA, October 6-10,2013.

T. Mironov Evgeniy, Starobor Aleksey, Palashov Oleg Faraday Isolator for Square-Shaped Laser Beams // Advanced Solid-State Lasers Congress Technical Digest, Paris, France, October 27- November 1, 2013.

U. Mironov E.A., Voitovich A. V., Palashov O. V. Development of permanent magnet systems for optical isolators for powerful (> 1 kW) laser radiation // 4th International Conference on Superconductivity and Magnetizm ICSM2014, Antalya, Turkye, 27 April - 2 May 2014.

V. Mironov E.A., Voitovich A. V, Palashov O. V. Permanent magnet systems of Faraday isolators for high average power laser radiation // International Symposium Topical Problems of Nonlinear Wave Physics NWP-2014, Nizhny Novgorod-Saratov, Russia 17-23 July, 2014.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение............................................................................. 3

Глава 1. Исследование факторов, влияющих на

неоднородность магнитного поля в магнитооптических элементах. 18

1.1. Эффект парамагнитного намагничивания и обусловленная

им деполяризация................................................................ 19

1.2. Неоднородность поля магнитной системы и обусловленная ей деполяризация как механизм компенсации

аксиально-симметричных поляризационных искажений................ 34

1.3. Заключение.................................................................. 44

Глава 2. Улучшение характеристик изоляторов Фарадея

при помощи оптимизации их магнитных систем..................... 46

2.1. Увеличение напряженности поля магнитной системы

за счет использования колец с неортогональной намагниченностью.. 47

2.2. Увеличение максимальной рабочей мощности

за счет неоднородности поля магнитной системы.......................... 56

2.3. Увеличение напряженности поля и управление

его неоднородностью в устройствах с квадратной световой " апертурой......................................................................... 62

2.4. Заключение.................................................................... 67

Приложение. Аподизирующая диафрагма

на постоянных магнитах........................................................ 69

Заключение.........................!..............................................„.90

Список литературы.................................................................94

МИРОНОВ Евгений Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

Автореферат

Подписано к печати 17.02.2015 г. Формат 60x90 '/1<;. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №10(2015).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46