Исследование вращателей Фарадея с криогенным охлаждением для лазеров высокой средней мощности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ЖЕЛЕЗНОВ Дмитрий Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАТЕЛЕЙ ФАРАДЕЯ С КРИОГЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

01.04.21 — лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005019977

Нижний Новгород — 2012

005019977

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

О.В. Палашов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

В.Е. Яшин

кандидат физико-математических наук, О.Л. Антипов

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт . физики микроструктур РАН (ИФМ РАН)

Защита состоится "_12_" _маета 2012 г. в ШЮ 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 " ^Ь" февраля 2012:

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, л

"рофеаор ЧССгУ Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет исследования и актуальность темы

Поляризационные вентили или изоляторы Фарадея (ИФ) - оптические устройства, впервые описанные в научной литературе в начале 60-х годов прошлого века вскоре после изобретения лазера [1—3], и в настоящее время являются одними из ключевых элементов лазерных схем. При этом интерес к созданию более совершенных изоляторов Фарадея, возникший сразу после их появления [3—9], сохранился и по сей день [10—13]. За это время создан широчайший спектр оптических изоляторов, и сейчас подавляющее большинство лазерных схем, оперирующих со сколько-нибудь высокой мощностью, имеют в своем составе изоляторы Фарадея.

Но в связи с постоянным увеличением средней мощности как импульс-но-периодических, так и непрерывных лазеров все более актуальной представляется проблема усовершенствования изоляторов Фарадея адекватно росту мощности лазерного излучения по причине термонаведенных эффектов, возникающих в них из-за поглощения. Дело в том, что из-за относительно большого поглощения в МОЭ вращателей Фарадея (ВФ) (—10 3 см"1) [14—17] — ключевых элементах изоляторов — излучение в них подвергается сильному тепловому самовоздействию. Вызванное поглощением неоднородное по поперечному сечению распределение температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, обусловленному зависимостью постоянной Верде от температуры, к появлению, на ряду с циркулярным, линейного двулучепреломления (фотоупругий эффект) [18, 19] и к искажению волнового фронта проходящего через вращатель Фарадея оптического излучения (тепловая линза) [20].

Температурная зависимость постоянной Верде и фотоупругий эффект изменяют поляризацию излучения, в результате чего степень изоляции ВФ уменьшается. В [21] было теоретически предсказано, что при больших средних мощностях излучения степень изоляции определяется именно фотоупругим эффектом, впоследствии в работах [19, 22] этот факт получил экспериментальное подтверждение. Аберрации, вызванные тепловой линзой, не приводят к поляризационным искажениям лазерного излучения, но влияют на модовый состав проходящего через ВФ оптического излучения. Существуют задачи (например, детектирование гравитационных волн при помощи лазерных интерферометров [23, 24]), где потери мощности в основной поперечной моде не должны превышать 1—2%. Компенсации термолинзы во ВФ посвящен ряд работ, к которым относятся [12, 14,25].

Как упоминалось, 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.), и деполяризация, связанная с поперечной неоднородностью магнитного поля [5, 6], как правило, малы (-10"—10 ). 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 термонаведенной деполяризации излучения в магнитооптических элементах ВФ. В основе одного из 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 [12, 19, 22, 26]. При этом искажения, возникшие при проходе через первый элемент, частично компенсируются при прохождении через второй. Созданные на основе таких схем ИФ и зеркала Фарадея (ЗФ) обеспечивают надежную развязку при мощности проходящего излучения киловаттного уровня. В последние несколько лет предложен и апробирован еще один способ компенсации [27], при котором компенсирующий оптический элемент находится вне магнитного поля. Преимущества данного подхода заключаются в большей свободе выбора оптической среды для компенсирующего элемента: среда, вообще говоря, может быть и не мапштоактивной. Кроме того, применением такого метода компенсации термонаведенной деполяризации можно увеличить степень изоляции вращателей Фарадея, уже работающих по схеме с «традиционной» [19] компенсацией, либо без компенсации. Другой подход к подавлению термонаведенных эффектов заключается в разбиении магнитооптического элемента на несколько тонких дисков, охлаждаемых через оптическую поверхность [28, 29]. Такая геометрия приводит к существенному уменьшению поперечного градиента температуры в дисках. Теоретические оценки показывают, что переход от стержневой геометрии к дисковой позволит создать вращатели Фарадея, работающие при мощности до 10 кВт [28].

Еще одним способом создания вращателей Фарадея для лазерного излучения с высокой средней мощностью является уменьшение тепловыделения непосредственно в магнитооптических элементах. Уменьшение тепловыделения может быть достигнуто либо за счет укорочения МОЭ, либо за счет уменьшения поглощения в нем. В свою очередь, укорочение магнитооптического элемента может быть обеспечено увеличением постоянной Верде парамагнитного МОЭ при охлаждении [3, 10], или увеличением магнитного поля. Существует целый ряд способов увеличения напряженности магнитного поля, среди них — применение в магнитных систе-

мах магнитопроводов [17] и постоянных магнитов с неортогоналыюй намагниченностью [30], охлаждение постоянных магнитов [4а], использование в качестве МС сверхпроводящих соленоидов [За], создающих в несколько раз более сильные магнитные поля.

Охлаждение изоляторов Фарадея было предложено еще в 1967 г. [3] и было мотивировано отсутствием магнитооптических элементов хорошего оптического качества, обеспечивающих степень изоляции более 20 Дб. Благодаря развитию технологий получения чистых МОЭ и высокоэнергетических ферромагнитных сплавов, имеющих большую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность, этот подход на долгое время был забыт. Сегодня охлаждение жидким азотом широко используется в мощном лазеро-строеиии (для улучшения термооптических свойств [31], увеличения коэффициента усиления активных элементов [29, 32] и т. д.). На этом фоне очень привлекательно выглядит возможность существенного укорочения МОЭ (и следовательно, значительного уменьшения выделения тепла в нем) за счет как увеличения при охлаждении как постоянной Верде парамагнитных магнитооптических элементов [10, 33, 34], так и роста поля постоянных магнитов [35, За]. Отметим, что охлаждение МОЭ также приводит к улучшению термооптических характеристик [1а, 6а, 7а] и к уменьшению «холодной» деполяризации [1а]. Устройство, в котором вращатель Фарадея подвергается охлаждению до азотных температур, получило название криогенный изолятор Фарадея (КИФ) [5а]. В настоящее время ведутся работы по конструированию магнитной системы для КИФ, создающей поле ~ 2,5 Тл [11], что позволит укоротить МОЭ и поднять планку рабочей мощности.

Цель работы.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке вращателей Фарадея с криогенным охлаждением для лазеров со средней мощностью мультикиловаттного уровня. Для изучения преимуществ криогенного охлаждения и достижения цели работы были решены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование температурных зависимостей тер-монаведенной деполяризации, постоянной Верде, оптической силы тепловой линзы, параметра оптической анизотропии термооптических констант Р и <2 для распространенных магнитоактивных сред в диапазоне температур 300—80 К.

2. Экспериментальное исследование температурных зависимостей напряженности магнитного поля самарий-кобальтового (Бт-Со) и неодим-железо-борного (М-Ре-В) ферромагнитных сплавов в диапазоне температур 300—80 К.

3. Разработка вращателей Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитной системы.

4. Разработка вращателя Фарадея, в котором магнитооптический элемент и магнитная система охлаждаются до температуры кипения жидкого азота — криогенного изолятора Фарадея, обеспечивающего надежную степень изоляции лазерного излучения мультикиловаттного уровня.

5. Изучение возможности снижения термонаведенных эффектов, возникающих в магнитооптическом элементе за счет обеспечения теплоот-вода через оптическую поверхность.

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

1. В диапазоне 300—80 К впервые измерены зависимости от температуры термооптических характеристик тербий-галлиевого фаната (TGG), гадолиний-галлиевого граната (GGG), алюмо-иттриевого граната (YAG) и напряженности поля магнитных систем, состоящих из наиболее распространенных в производстве вращателей Фарадея Nd-Fe-B и Sm-Co ферромагнитных сплавов.

2. При температуре 80 К впервые измерены компоненты деполяризации, обусловленные поперечной неоднородностью магнитного поля (ун) и зависимостью постоянной Верде МОЭ от температуры (уи). Экспериментальные результаты подтверждены проведенными аналитическими оценками.

3. Разработаны и созданы вращателя Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитных систем, способные обеспечить стабильную степень изоляции лазерного излучения субкиловаттного уровня мощности.

4. В разработанном и созданном криогенном изоляторе Фарадея на магнитооптическом элементе стержневой геометрии впервые продемонстрирована стабильная степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1500 Вт.

5. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на дисковом магнитооптическом элементе, в котором дополнительное снижение термонаведенных эффектов обеспечивается организацией геплоотвода с оптической поверхности МОЭ. Вращатель обеспечивает стабильную степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1400 Вт и способен обеспечить стабильную степень изоляции излучения мультикиловаттного уровня мощности.

Практическая ценность диссертации:

Результаты диссертационной работы Moiyr быть использованы при разработке и создании вращателей Фарадея, обеспечивающих стабильную степень изоляции лазерного излучения мощностью до 50 кВт. Кроме того, результаты диссертационной работы могут быть использованы при созда-

нии других криогенных элементов лазерных схем: криогенных дисковых лазеров [36], криогенных ячеек Поккельса [37], а также при реализации других способов охлаждения (элементы Пельтье, фреон-Я508).

На основе результатов диссертационной работы было разработано методическое пособие но использованию оптической автоматизированной криогенной системы, вошедшее в отчет по программе «С'ГАРТ-2009» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Результаты работы легли в основу Патента РФ на изобретение № 2342688 «Оптический вентиль для лазеров большой мощности», а также были удостоены двух дипломов победителей конкурса на право получения гранта правительства Нижегородской области в сфере науки и техники в 2007 году. В 2011 году работа получила поощрительную премию на XIII конкурсе молодых ученых, а также получила поддержку в рамках программы «У.М.Н.И.К. -2011».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. При охлаждении до 80 К парамагнитного кристалла ТОО в нем уменьшаются термооптическпе постоянные Р v^Q, параметр оптической анизотропии В результате этого уменьшаются оптическая сила тепловой линзы и термонаведенная деполяризация, что в совокупности с увеличением постоянной Верде дает возможность увеличения максимальной мощности вращателя Фарадея с кристаллом ТСО в 10 раз по сравнению с комнатной температурой.

2. При охлаждении до 80 К парамагнитного кристалла ООО в нем уменьшается параметр оптической анизотропии термооптическая постоянная О и увеличивается коэффициент теплопроводности. В результате этого уменьшается термонаведенная деполяризация, что в совокупности с увеличением постоянной Верде дает возможность увеличения максимальной мощности вращателя Фарадея с кристаллом ООО в 12 раз по сравнению с комнатной температурой.

3. При охлаждении до 80 К напряженность магнитного поля магнитной системы из Ш-Ре-В ферромагнитного сплава увеличивается линейно при охлаждении и достигает максимума при 160 К. При дальнейшем охлаждении напряженность уменьшается и при 80 К сравнивается с напряженностью при комнатной температуре. Напряженность магнитного поля магнитной системы из Бш-Со ферромагнитного сплава при охлаждении до 80 К увеличивается линейно. Таким образом, поскольку при комнатной температуре Бш-Со магниты обладают меньшим запасом магнитной энергии, чем Ш-Ре-В, при 80 К разница между рассмотренными ферромагнитными сплавами практически отсутствует.

4. Увеличение напряженности магнитного поля вращателей Фарадея за счет использования сверхпроводящих электромагнитов позволяет существенно увеличить максимальную мощность. Для поля напряженно-

стью 50 кЭ, с МОЭ из стекла марки МОС-04 с поглощением 5-Ю-4 см~' длиной 9 мм максимальная мощность составляет 620 Вт; из кристалла TGG с поглощением 1(Г' см"1 и длиной 3,5 мм — 6 кВт.

5. Использование в криогенном вращателе Фарадея МОЭ из кристалла TGG в форме диска с длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7-10 4 см"1 позволяет получить стабильную степень изоляции 30 дБ при мощности лазерного излучения 1500 Вт. При этом термонаведенным эффектом, ограничивающим максимальную мощность, является впервые экспериментально обнаруженная и измеренная деполяризация, вызванная температурной зависимостью постоянной Верде.

6. В криогенном вращателе Фарадея с дисковым МОЭ возможно увеличение степени изоляции за счет торцевого теплоотвода. Для МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7-КГ4 см"1 возможно увеличение степени изоляции при помощи сапфирового диска до 33 дБ (при мощности излучения 1400 Вт) и при помощи диска из YAG — до 38 дБ (при мощности излучения 705 Вт). Обеспечение теплоотвода через обе оптические поверхности МОЭ при помощи двух дисков из YAG увеличивает максимальную мощность до 6 кВт.

Апробация работы. Настоящая диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в Институте прикладной физики РАН в 2004—2011 гг. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела 370 и отделения Нелинейной динамики и оптики, а также на следующих областных, всероссийских и международных конференциях и научных школах: X, XI XII, XIII, XV, XVI Нижегородские сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины); Научная студенческая конференция Высшей школы общей и прикладной физики ИНГУ «ВШОПФ 2005»; XIII, XIV Конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» научной школы «Нелинейные волны»; IV, V Всероссийские школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов; VII международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки»; International conference «ICONO/LAT 2005, 2007, 2010»; 12th, 13th, 14th conference on Laser Optics; Fourth Russian French Laser Symposium; International conference «Photonics West 2006»; International conference «High Power Laser Beams 2006»; International conference «CLEO-Europe IQEC 2007»; International conference «Nonlinear Optics: East-West Reunion 2011». Результаты данной работы докладывались на IX и XIII конкурсах молодых ученых ИПФ РАН в 2007 и 20! 1 годах, а также на конкурсе молодых специалистов ИПФ РАН «Техника эксперимента-2007».

По теме диссертации опубликовано 5 статей в реферируемых журналах, 2 статьи в сборниках трудов конференций SPIE-Proceedings и 23 тезиса конференций. Кроме того, материалы диссертационной работы легли в ос-

нову патента РФ на изобретение и методического пособия по использованию оптической автоматизированной криогенной системы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 121 страниц, включая 27 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 160 источников.

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

В работе в качестве подхода к уменьшению тепловыделения во вращателях Фарадея с их последующим использованием в лазерных схемах высокой средней мощности рассматривается криогенное охлаждение устройства или одной из его частей. Реализацией данного подхода является создание криогенного изолятора Фарадея. Увеличение постоянной Верде парамагнитной магнитоактивной среды в таком устройстве позволяет укоротить МОЭ и снизить тепловыделение в нем.

В первой главе приводятся результаты исследования температурных зависимостей термооптических характеристик нескольких магнитооптических сред при охлаждении жидким азотом от комнатной температуры 300 К до 80 К. Перед исследованием, изложенным в рамках данной главы, стояла задача выбрать магнитооптическую среду, использование которой в КИФ в качестве МОЭ было бы наиболее оправдано. Были рассмотрены температурные зависимости термооптических и магнитооптических характеристик трех наиболее распространенных оптических гранатов - тербий-галлиевого граната (TGG), гадолиний-галлиевого граната (GGG), алюмо-иттриевого граната (YAG).

В разделе 1.1 вводятся термооптические характеристики ИФ, характеризующие его работу, и параметры магнитоактивной среды, которые, в конечном счете, выступают критериями выбора наилучшей среды.

Изоляторы Фарадея ориентированные на высокую среднюю мощность, характеризуется двумя параметрами: степенью изоляции / и тепловой линзой FT.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

/[ёВ] = 101ё|-|,

Ы

где а, к — коэффициенты поглощения и теплопроводности среды; Ь — длина МОЭ; X, Р1ш — длина волны, мощность падающего излучения; а —

радиус лазерного пучка по уровню е~'; Р — термооптическая постоянная. Деполяризация излучения у складывается из трех эффектов, первый из которых является прямым следствием неидеальности МОЭ — -¡т1; второй вызван поперечной неоднородностью продольной компоненты МС — у„; третий (термонаведенная деполяризация) обусловлен поглощением излучения и возникновением неоднородного поперечного распределения температуры в МОЭ — укт. Величина ун , как и ут1, не зависит от поглощенной мощности, тогда как уигт имеет квадратичную зависимость от мощности излучения. Для аналитической оценки величины у„ в случае параболической зависимости напряженности магнитного поля от поперечной коорди-

л2 а4

наты, в рамках главы выведена формула: у„ к — ДЯ2-, где АЯ — от-

16 Я4

носительная разница напряженности магнитного поля в центре кристалла и на его боковой поверхности, характеризуемая поперечной неоднородностью среднего по длине МОЭ магнитного поля.

Термонаведенная деполяризация уигт возникает в связи с неоднородным распределением температуры в МОЭ, ведущем как к неоднородности угла поворота плоскости поляризации, обусловленным зависимостью постоянной Верде от температуры (у„ ) [21], так и к возникновению наряду с циркулярным линейного двулучепреломления (фотоупругий эффект) [19, 21] (тг )• Деполяризация уг в кубическом кристалле зависит от ориентации кристаллографических осей относительно поляризации падающего излучения [19]. В ориентации [001] в магнитном поле наибольшее и наименьшее значения уТ могут быть вычислены по формуле [21]:

где Е, — параметр оптической анизотропии [21]; А — коэффициент, зависящий от профиля лазерного пучка и ориентации кристалла (для ориентации [001] и гауссова пучкаЛ = 0,137); () — термооптическая постоянная, характеризующая величину фотоупругого эффекта[21].

г:

,тах

У

Величина у у вычисляется по формуле [21]: у(, - В

, где В —

численный коэффициент (для гауссова пучка В = 0,00104). Именно величина термонаведеиной деполяризации ограничивает степень изоляции вращателя Фарадея при высокой средней мощности излучении.

Влияние магнитоактивной среды на степень изоляции изолятора Фарадея при большой средней мощности характеризуется магнитооптической V к

добротностью: М = — . Магнитоактивные среды представляется разум-

ным сравнивать между собой по величине М, а созданные на их основе вращатели Фарадея — по максимальной мощности лазерного излучения Рт1Х, при которой степень изоляции составляет / = 25 дБ — приемлемое требование к степени изоляции ИФ, работающих при большой мощности.

В разделе 1.2 обсуждаются результаты измерения температурных зависимостей термооптических характеристик кристаллов TGG. Было выявлено, что при охлаждении до 80 К в кристаллах достигается ослабление тепловой линзы в 3,4 раза [1а], термооптические постоянные Р и Q уменьшаются в 6,8 и 5,7 раза соответственно [7а], параметр оптической анизотропии Ь, уменьшается в 1,8 раза [2а]. Таким образом, у"" уменьшается в 8 раз, что в совокупности с увеличением постоянной Верде в 3,6 раза позволяет увеличить максимальную мощность в 10 раз. В рамках раздела описываются первые экспериментальные измерения у у [7а], теоретически описанной в [21] и ограничивающей максимальную мощность ИФ на дисковых МОЭ.

В разделе 1.3 приводятся результаты измерения температурных зависимостей термооптических характеристик кристаллов GGG. Было выявлено, что при охлаждении до 80 К параметр оптической анизотропии 4 уменьшается в 2,4 раза, у™° уменьшается в 24 раза [6а], что в совокупности с увеличением постоянной Верде в 2 раза позволяет увеличить максимальную мощность в 12 раз.

В разделе 1.4 приводятся результаты измерения температурных зависимостей магнитооптических характеристик кристаллов YAG. Было выявлено, что, несмотря на наличие допирования 1%ат парамагнитных ионов Nd, имеющая небольшое значение при комнатной температуре постоянная Верде не изменяется при охлаждении [6а]. Однако сравнение величин постоянных Верде кристаллов Nd:YAG (0,09 град-см-1-кЭ~1) и Yb:YAG (0,055 градсм'кЭ4) с чистым диамагнитным YAG (0,096 град-см"1 кЭ') с учетом одинакового направления вращения плоскости поляризации этими средами подтверждает увеличение парамагнитной составляющей эффекта Фарадея при наличии парамагнитных допантов.

а Q

В разделе 1.5 проводится сравнение исследованных магнитоактивных сред. С точки зрения использования в КИФ со световой апертурой < 30 мм, ТСС является самой лучшей средой, поскольку имеет наибольшее значение магнитооптической добротности. В широкоапертурных вращателях Фарадея, с апертурой >30 мм, ООО значительно превосходит по значению магнитооптической добротности свой единственный аналог — МОС, как во вращателях, работающих при комнатной температуре, так и в криогенных вращателях Фарадея.

В разделе 1.6 подытожены основные результаты первой главы, опубликованные в работах [1а, 2а, 6а, 7а].

Во второй главе приводятся результаты исследования возможности укорочения МОЭ за счет увеличения магнитного поля.

В разделе 2.1 рассмотрены температурные зависимости напряженности магнитного поля наиболее распространенных для создания магнитных систем Ш-Ре-В и Бш-Со ферромагнитных сплавов[1а—5а]. Было выявлено, что напряженность магнитного поля МС из Ш-Бе-В увеличивается линейно при охлаждении и достигает максимума при 160 К. При дальнейшем охлаждении напряженность уменьшается и при 80 К сравнивается с напряженностью при комнатной температуре. Напряженность магнитного поля МС из Бт-Со при охлаждении до 80 К увеличивается линейно. Таким образом, поскольку при комнатной температуре Бш-Со магниты обладают меньшим запасом магнитной энергии, чем №-Ре-В, при 80 К разница между рассмотренными ферромагнитными сплавами практически отсутствует.

В разделе 2.2 описываются вращатели Фарадея, в которых увеличение магнитного поля достигается за счет использования соленоидов, криогенно охлажденных до состояния сверхпроводимости [За, 4а]. Такие МС обеспечивают магнитное поле напряженностью до 50 кЭ. Особенностью описанных ВФ является то, что в процессе работы МОЭ находится при комнатной температуре. Максимальная мощность ВФ на магнитооптическом стекле марки МОС-04 длиной 9 мм составляет 620 Вт. Во ВФ на ТСС} длиной 3,5 мм было впервые экспериментально продемонстрировано подавление термонаведенной деполяризации в 1,6 раз при 96 Вт за счет охлаждения кристалла ТвО через оптическую поверхность. Максимальная мощность такого вращателя при использовании кристалла ТОв с традиционным поглощением 10~3 см"1 составит 6 кВт.

В разделе 2.3 подытожены основные результаты второй главы опубликованные в работах [1а—5а].

В третьей главе описываются экспериментальные реализации новых типов вращателей Фарадея - криогенных изоляторов Фарадея (КИФ) [5а]-качественно новых устройств, создание которых явилось логическим продолжением наших исследований [1а—4а], изложенных в первой и частично во второй главе. Как упоминалось, охлаждение вращателей Фарадей жидким азотом было предложено ранее [3], но необходимость этого была про-

диктована отсутствием магнитооптических элементов приемлемого оптического качества, ни о какой высокой средней мощности излучения и, соответственно, термонаведенных эффектах речь тогда не шла. Сейчас охлаждение жидким азотом широко используется. В то же время очень привлекательно выглядит возможность совокупного использования эффектов увеличения постоянной Верде и магнитного поля при охлаждении для значительного укорочения МОЭ и уменьшения термонаведенных эффектов в нем. Работы по созданию КИФ были возобновлены [5а—7а]. Результаты измерений основных характеристик КИФ при мощности лазерного излучения более 1 кВт приведены в третьей главе.

В разделе 3.1 приводятся измерения основных характеристик КИФ с МОЭ стержневой геометрии, т. е. имеющего теплоотвод через боковую поверхность. Для TGG длиной 3,4 мм и коэффициентом поглощения 710"4 см"1 продемонстрирована стабильная степени изоляции 31 дБ при мощности лазерного излучения 1500 Вт [7а]. Также в разделе 3.1 обсуждаются способы улучшения теплоотвода, а также методы уменьшения уя и у у , ограничивающих степень изоляции такого устройства.

Увеличение постоянной Верде и магнитного поля при охлаждении позволило существенно укоротить МОЭ из кристалла TGG, значительно уменьшив в нем количество выделяемого тепла. Поскольку МОЭ КИФ имеет форму диска, можно получить дополнительное подавление термонаведенных эффектов за счет организации торцевого теплоотвода [28, 29]. В разделе 3.2 приводятся результаты модельных экспериментов по организации торцевого теплоотвода с оптических элементов, демонстрирующих 14-кратное уменьшение термонаведенных искажений [4а]. Этот эффект использован при создании КИФ на основе МОЭ из TGG дисковой геометрии длиной 3,4 мм и коэффициентом поглощения 7■ 10"4 см"1, в котором за счет торцевого теплоотвода с МОЭ получено увеличение степени изоляции с 30 дБ до 33 дБ (при мощности излучения 1400 Вт) при помощи сапфирового диска и с 36 дБ до 38 дБ (при мощности излучения 705 Вт) при помощи диска из YAG [7а]. Обеспечение теплоотвода через обе оптические поверхности магнитооптического элемента при помощи двух дисков из YAG увеличит, по оценкам, степень изоляции до 37 дБ (при мощности излучения 1400 Вт), а максимальную мощность — до 6 кВт.

В разделе 3.3 подытожены основные результаты третьей главы, опубликованные в работах [4а, 5а, 7а].

В приложении к работе описываются принцип работы и основные характеристики неотъемлемой части КИФ, разработанной в процессе создания этого нового типа оптических вентилей — оптической автоматизированной криогенной системы (АКС) —- автономной (не требующей подключения к азотной магистрали) системы с регуляцией температуры, позволяющей реализовать различные (по скорости и по форме зависимости тем-

пературы рабочего тела от времени), наперед заданные режимы охлаждения [5а].

В заключении обсуждаются результаты работы и формулируются планы на ближайшее будущее. Основным результатом работы на данном этапе можно считать создание четырех оригинальных вращателей Фарадея, которых идеологически объединяет одно общее направление — криогенное охлаждение устройства или одной из его частей. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности создания ИФ, работающего при средней мощности вплоть до 50 кВт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате измерения температурных зависимостей термооптических характеристик ряда гранатов выявлено, что при охлаждении до 80 К в кристаллах TGG достигается ослабление тепловой линзы в 3,4 раза, термооптические постоянные Р и Q уменьшаются в 6,8 и 5,7 раза соответственно, параметр оптической анизотропии £ уменьшается в 1,8 раза, у™" — в 8 раз, что в совокупности с увеличением постоянной Верде в 3,6 раза позволяет увеличить максимальную мощность в 10 раз; в кристаллах GGG параметр оптической анизотропии i; уменьшается в 2,4 раза, а у'Г — в 34 раза, что в совокупности с увеличением постоянной Верде в 2 раза позволяет увеличить максимальную мощность в 12 раз; в кристаллах Nd:YAG постоянная Верде не изменяется при охлаждении, однако сравнение величин постоянных Верде кристаллов Nd:YAG и Yb.YAG с чистым диамагнитным YAG подтверждает увеличение парамагнитной составляющей эффекта Фарадея при наличии парамагнитных допантов.

2. В результате измерения температурных зависимостей напряженности поля магнитных систем выявлено, что при охлаждении до 80 К напряженность магнитного поля Nd-Fe-B сплава увеличивается линейно, достигает максимума при 160 К, при дальнейшем охлаждении напряженность уменьшается и при 80 К сравнивается с напряженностью при комнатной температуре; напряженность магнитного поля Sm-Co сплава увеличивается линейно во всем исследованном диапазоне температур. При 80 К разница между рассмотренными ферромагнитными сплавами практически отсутствует.

3. При температуре 80 К измерены компоненты деполяризации, обусловленные поперечной неоднородностью магнитного поля и зависимостью постоянной Верде магнитооптического элемента от температуры. Экспериментальные результаты подтверждаются проведенными аналитическими оценками величины деполяризации, вызванной поперечной

неоднородностью магнитного поля для случая квадратичной зависимости магнитного поля от поперечной координаты.

4. Разработаны и созданы вращатели Фарадея с использованием сверхпроводящих соленоидов в качестве магнитных систем. Экспериментально продемонстрирована возможность уменьшения термонаведен-ных эффектов в дисковом МОЭ при помощи организации теплоотвода через оптическую поверхность. Получено уменьшение термонаведен-ной деполяризации в 1,6 раза при мощности излучения 96 Вт. Для вращателя Фарадея с МОЭ из стекла марки МОС-04 с поглощением 5-1 (И см"1 длиной 9 мм максимальная мощность составляет 620 Вт; из TGG с поглощением 10~3 см"1 и длиной 3,5 мм — 6 кВт.

5. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7-10 4 см-1, в котором продемонстрирована стабильная степень изоляции 30 дБ при мощности лазерного излучения 1500 Вт.

6. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на дисковом МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 710"4 см"1, в котором за счет торцевого теплоотвода осуществляется дополнительное увеличение степени изоляции с 30 дБ до 33 дБ (при мощности излучения 1400 Вт) при помощи сапфирового диска и с 36 дБ до 38 дБ (при мощности излучения 705 Вт) при помощи диска из YAG. Обеспечение теплоотвода через обе оптические поверхности МОЭ при помощи двух дисков из YAG увеличит, по оценкам, степень изоляции до 37 дБ (при мощности излучения 1400 Вт), а максимальную мощность — до 6 кВт.

Цитируемая литература

1. Robimon 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 'nigh-power 1.06-micron glass laser systems // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1967. V. QE-3. P. 493-498.

4. Board IV., Yoh-Han P., Phelps Jr. F., Claspy P. Far-infrared radiation isolator И IEEE Journal of Quantum Electronics. 1974. V. 10. P. 273-279.

5. Gauthier D.J., Narum P., Boyd R.W. Simple, compact, high-performance permanent-magnet Faraday isolator // Optics Letters. 1986. V. 11. P. 623625.

6. Андреев Н.Ф., Гаас В.Г., Жаков C.B., Зарубина Т.В., Кузнецов С.В., Новиков М.А., Палтиов О.В., Пасманик Г А., Розенштейн П.С., Расте-гаев B.C., Савчук А.И., Смирнова Л.А. Оптические вентили Фарадея на

постоянных магнитах для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн / Препринт ИПФ РАН № 251. г. Горький, 1989.

7. Fischer G. The Faraday optical isolator // Journal of Optical Communications. 1987. V. 8. P. 18-21.

8. Sansalone F.J. Compact optical Isolator // Applied Optics. 1971. V. 10. P. 2329-2331.

9. Phipps C.R., Thomas J., Thomas S.J. High-power isolator for the 10-цт region employing interband Faraday rotation in germanium // Journal of Applied Physics. 1976. V. 47. P. 204-213.

10. Yasuhara R., Tokita S., Kawanaka J., Kawashima Т., Kan #., Yagi H., No-zawa H., Yanagitani Т., Fujimoto Y., Yoshida #., Nakatsnka M. Cryogenic temperature characteristics of Verdet constant on terbium gallium garnet ceramics // Optics Express. 2007. V. 15. P. 11255-11261.

11. Palashov О. V., Voitovich A. V., Mukhin I.B., Khazanov Е.Л. Faraday isolator with 2.5 tesla magnet field for high power lasers // CLEO / EUROPE-EQEC 2009, June 14-19. Munich, Germany, 2009. P.CA1.6 MON.

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

13. VIRGO-Collaboration In-vacuum Faraday isolation remote tuning /'/ Applied Optics. 2010. V. 49. P. 4780-4790.

14. Mueller G., Amin R.S., Guagliardo D., Mcferon D., Lundock R., Reitze D.H., Tanner D.B. Method for compensation of thermally induced modal distortions in the input optical components of gravitational wave interferometers // Classical and Quantum Gravity. 2002. V. 19. P. 1793-1801.

15. TGG (Terbium Gallium Garnet) [электронный ресурс] // Northrop GrummanCoфoration.http://www.as.northropgrumman.com/products/synopt ics_tgg/index.html (дата обращения: 24.01.2012).

16. VIRGO-Collaboration In-vacuum optical isolation changes by heating in a Faraday isolator // Applied Optics. 2008. V. 47. P. 5853-5861.

17. Mukhin LB., 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.

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

19. Хазанов E.A. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея // Квантовая Электроника. 1999. Т. 26. С. 59-64.

20. Poteomkin A., Andreev N., Khazanov Е., Shaykin A., Zelenogorsky V., Iva-nov I., Use of scanning Hartmann sensor for measurement of thermal lensing in TGG crystal., in Laser Crystals, Glasses, and Nonlinear Materials Growth and Characterization III, Y.Y. Kalisky, Editor. 2003, Proc. SPIE: San Jose, California. P. 10-21.

21. Khazanov E.A., Kulagin O.V., 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.

22. Khazanov E„ Andreev A'., 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.

23. LIGO-Collaboration T. Status of the LIGO detectors // Classical and Quantum Gravity. 2008. V. 25. P. 114041.

24. VIRGO-Collaboration T. VIRGO status // Classical and Quantum Gravity. 2008. V. 25. P. 184001.

25. Zelenogorsky V. V., Kamenelsky E.E., Shaykin A.A., Palashov О. V., Khazanov E.A. Adaptive compensation of thermally induced aberrations in Faraday isolator by means of a DKDP crystal // Topical Problems of Nonlinear Wave Physics-2005, August, 2-9 St.Petersburg - N.Novgorod, 2006. P.59750I-1-59750I-8.

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

27. Snetkov /., Mukhin I., Palashov О., Khazanov E. Compensation of thermally induced depolarization in Faraday isolators for high average power lasers // Optics Express. 2011. V. 19. P. 6366-6376.

28. Мухин И.Б., Хазанов Е.А. Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью // Квантовая Электроника. 2004. Т. 34. С. 973-978.

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

30. Миронов E.A., Войтович A.B., Hcuiauioe О.В. Изоляторы Фарадея на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью // Квантовая Электроника. 2011. Т. 41. С. 71-74.

31. RipinD.J., OchoaJ.R., Aggarwal R.L., FanT.Y. 165-W cryogenically cooled Yb:YAG laser//Optics Letters. 2004. V. 29. P. 2154-2156.

32. Backus S., Bartels R„ Thompson S., Dollinger R„ Kapteyn H.C., Murnane MM. High-efficiency, single-stage 7-kHz high-average-power ultrafast laser system // Optics Letters. 2001. V. 26. P. 465-467.

33. Жуков В.В., Закуренко О.Е. Эффект Фарадея в силикатных стеклах, содержащих редкоземельные элементы, при низких температурах //' Журнал прикладной спектроскопии. 1967. Т. 6. С. 350-353.

34. Lee H.G., Won Y.H., Lee G.S. Faraday rotation of Hoya FR5 glass at cryogenic temperature // Applied Physics Letters. 1996. V. 68. P. 3072-3074.

35. Альтман А.Б., Берниковский Э.Е., ГербергА.Н., Гладышев П.А., Грациа-нов Ю.А., Зейн Е.Н., Каваперова Л.А., Пятин Ю.М., Сасатупов Ю.С., Сергеев В.Г., Скоков А.Д., Сухорукое Р.Ю., Чернявская A.M. Постоянные магниты: Справочник. М.: Энергия, 1980.488 с.

36. Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А., Вяткин А.Г., Перевезенцев Е.А. Лазерные и тепловые характеристики кристалла Yb;YAG в диапазоне температур 80-300 К // Квантовая электроника 2011. Т. 41. С. 1045-1050.

37. Takeuchi Y., Yoshida A., Tokita S., Fujita M., Kawanaka J. Electro-Optic Characteristics of a Cooled Deuterated Potassium Dihydrogen Phosphate Crystal // Japanese Journal of Applied Physics. 2010. V. 49. P. 042602.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1а. Железное 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. 2006. Т. 36. С. 383-388.

2а. Zheleznov D.S., Mukhin IB., Voitavich A. V., Palashov О. V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator for high average power lasers // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6100. P. 61000N.

3a. Zheleznov D.S., Khazanov E.A., Mukhin LB., Palashov О. V., Voytovich A. V. Faraday rotators with short magneto-optical elements for 50-kW laser power // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2007. V. 43. P. 451-457.

4a. Zheleznov D.S., Khazanov E.A., 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. 661 OOF.

5a. Железное Д.С., Зеленогорский B.B., Катин E.B., Мухин КБ., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Криогенный изолятор Фарадея // Квантовая Электроника. 2010. Т. 40. С. 276-281.

6а. StaroborA. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V., Khazanov Е.А. Novel Magne-tooptica! Media for Cryogenic Faraday Isolators // Journal of Optical Society of America B. 2011. V. 28. P. 1409-1415.

7a. Zheleznov D.S., Starobor A. V., Palashov О. V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator with the disk-shaped magnetooptical element // Journal of Optical Society of America B. 2012. V. 29. P. 331-340.

8a. Железное Д.С., Мухин И.Б., Войтович A.B., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Качественное улучшение характеристик магнитооптических устройств за счет их охлаждения до азотных температур // X Нижегородская сессия молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины, 17-22 апреля. "Голубая Ока", Н.Новгород, 2005. С. 110-111.

9а. Железное Д.С., Мухин И.Б., Войтович А.В., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Качественное улучшение характеристик магнитооптических устройств за счет их охлаждения до азотных температур // Научная студенческая конференция Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ «ВШОПФ 2005», 26-28 мая. Н. Новгород, 2005. 10а. Zheleznov D.S., Mukhin I.B., Voytovich А. У., Palashov О. V., Khazanov Е.А. Qualitative improvement of magneto-optical devices by cooling to nitric temperatures // ICONO/LAT, may 11-15. St. Petersburg, 2005. P. ISuT22. 1 la. Zheleznov D.S., Mukhin I.В., Palashov О. V., Voytovich A. V., Khazanov E.A. Drastic reduction of thermal effect in Faraday isolator by cooling to nitrogen temperatures // Fourth Russiun French Laser Symposium September 21-23. Nice, France, 2005.

12a. Zheleznov D.S., Voitovich A. V., Mukhin I.B., Palashov О. V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator for high average power lasers // Photonic West. Solid state lasers XV: technology and devices, January 21-26. San Jose. USA, 2006. P. 61000N. 13a. Железное Д.С., Мухин И.Б., Палашов O.B., Хазанов Е.А. Подавление термонаведенной деполяризации в дисковых оптических элементах // Труды научной школы «Нелинейные волны-2006», Нижний Новгород, 2006.

14а. Железное Д.С., Мухин И.Б., Сидоров Д.В., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Исследование термонаведенной деполяризации в оптических элементах, охлаждаемых жидким азотом // Труды научной школы «Нелинейные волны-2006», Нижний Новгород, 2006. 15а. Железное Д.С., Войтович А.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Улучшение магнитооптических характеристик элементов изолятора Фарадея, при охлаждении до 77К // Труды научной школы «Нелинейные волны-2006», Нижний Новгород, 2006. 16а. Железное Д.С., Войтович А.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Экспериментальная реализация некоторых моделей криогенных изоляторов Фарадея И XI Нижегородская сессия молодых ученых, 1621 апреля. "Татинец", Нижний Новгород, 2006. 17а. Железное Д.С., Войтович А.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Качественное улучшение характеристик охлаждаемых до азотных температур изоляторов Фарадея // XI Нижегородская сессия молодых ученых, 16-21 апреля. "Татинец", Нижний Новгород, 2006. 18а. Zheleznov D.S., Khazanov Е.А., Mukhin ¡.В., Palashov О. V. Drastic reduction of heat release in magneto-optical elements: new ways towards 100 kW average power Faraday isolator // XII Conference on Laser Optics, June 26-30. St. Petersburg, 2006. P.TuRl-21. 19a. Zheleznov D.S., Khazanov E.A., Mukhin LB., Palashov O.V. A new way toward faraday isolator for 100 kW average laser power: drastic suppression of heat release in magnetooptical element // International Conference on

High Power Laser Beams, July 3-8. Nizhny Novgorod - Yaroslavl - Nizhny Novgorod, 2006. P. 121.

20a. Железное Д.С. Уменьшение тепловыделения в магнито-оптических элементах - путь создания изоляторов Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью // XII Нижегородская сессия молодых ученых «Татинец», 22-27 апреля. «Татинец», Нижний Новгород, 2007.

21а. Zheleznov D.S., Khazanov Е.А., Mukhin I.В., Palashov О. V., Voitovich A. V. Cryogenic Faraday isolator with Sm-Co magnets // ICONO\LAT May 28 -June 1. Minsk, Belarus, 2007. P. L01-18.

22a. Zheleznov D.S., Khazanov E.A., Mukhin I.B., Palashov О. V., Voitovich A. V. Magneto-optical elements shortening - The way towards Faraday isolators for high average laser power // CLEO/Europe - IQEC 2007, June 17-22 munich, Germany, 2007. P. CA-27-MON.

23a. Железное Д.С., Мухин И.Б. Криогенные изоляторы Фарадея на постоянных магнитах из Sm-Co и Nd-Fe-B сплавов // XIII Нижегородская сессия молодых ученых 20-25 апреля. «Татинец», Нижний Новгород 2008.

24а. Zheleznov D.S. Experimental investigation of the cryogenic Faraday isolator // XIII Conference on Laser Optics, June 23-28. St. Petersburg, Russia, 2008.

25a. Железное Д.С., Мухин И.Б. Автоматизированная криогенная система для лазеров высокой средней мощности // VII международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», 20-21 мая. Нижний Новгород, 2008.

26а. Zheleznov D.S., Starobor А. V., Palashov О. V. Cryogenic faraday isolator with disk-shaped magnetooptical element // XIV Conference on Laser Optics, June 28 - July 1. StPetersburg, Russia, 2010. P. WeRl-p58.

27a.Starobor A.V., Zheleznov D.S., Palashov O.V., Khazanov E.A. Novel magnetooptical mediums for cryogenic Faraday isolator // ICONO/LAT

2010, August 23-26. Kazan, Russia, 2010. P. LTuL23.

28a. Железное Д.С., Палашов O.B. Криогенный изолятор Фарадея для лазерной мощности мультикиловаттного уровня // Сборник трудов IV Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, 26-29 апреля. Саров, 2010.

29а.Железное Д.С., Старобор А.В. Криогенный изолятор Фарадея // XVI Нижегородская сессия молодых ученых, 17-22 апреля. «Красный плес», Нижний Новгород, 2011.

30а. Zheleznov D.S., Starobor А. V., Palashov О. V. Features of depolarization in cryogenic Faraday isolator with disk-shaped magnetooptical element // Nonlinear Optics: East-West Reunion, September 21-23. Suzdal, Russia

2011.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Содержание...........................................................................2

Введение...............................................................................4

Глава 1. Измерение температурных зависимостей термоонтических характеристик магнитооптических сред............22

1.1. Магнитооптическая добротность и другие термооптические характеристики...........................................23

1.2. Термооптические характеристики кристалла TGG.................31

1.3. Термооптические характеристики кристалла GGG.................46

1.4. Термооптичсские характеристики кристалла YAG.................51

1.5. Сравнение гранатов: TGG, GGG и YAG..............................53

1.6. Заключение..................................................................54

Глава 2. Исследование возможности укорочения МОЭ

за счет увеличения магнитного поля..........................................57

2.1. Свойства ферромагнитных сплавов при

криогенном охлаждении.......................................................57

2.2. Использование сверхпроводящих соленоидов......................63

2.3. Заключение..................................................................66

Глава 3. Криогенные изоляторы Фарадея...................................68

3.1. Стержневая геометрия МОЭ

3.1.1 Охлаждение через боковую поверхность......................69

3.1.2 Стержневая геометрия МОЭ. Степень изоляции.............73

3.2. Дисковая геометрия МОЭ

3.2.1 Охлаждение через оптическую поверхность.

Аспектное соотношение..................................................78

3.2.2. Дисковая геометрия МОЭ. Степень изоляции...............82

3.3. Заключение..................................................................84

Заключение..........................................................................85

Список сокращений и основных понятии....................................90

Приложение. Оптическая АКС.................................................92

Список литературы...............................................................103

ЖЕЛЕЗНОВ Дмитрий Сергеевич

КРИОГЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЕЙ ФАРАДЕЯ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

Автореферат

Подписано к печати 2.02.2012 г. Формат 60 * 90 '/„,. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ № 17 (2012).

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

61 12-1/584

Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики

На правах рукописи

Железнов Дмитрий Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАТЕЛЕЙ ФАРАДЕЯ С КРИОГЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

Специальность 01.04.21 —лазерная физика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук Палашов Олег Валентинович

Нижний Новгород — 2012

Содержание

Содержание.........................................................................................2

Введение...............................................................................................4

Глава 1. Измерение температурных зависимостей термооптических характеристик магнитооптических сред ...22

1.1. Магнитооптическая добротность и другие термооптические

характеристики..............................................................................................23

1.2. Термооптические характеристики кристалла ТСС........................31

1.3. Термооптические характеристики кристалла .......................46

1.4. Термооптические характеристики кристалла ¥АС........................51

1.5. Сравнение гранатов: ТСС, ССС и УАС............................................53

1.6. Заключение.............................................................................................54

Глава 2. Исследование возможности укорочения МОЭ за счет увеличения магнитного поля........................................................57

2.1. Свойства ферромагнитных сплавов при криогенном охлаждении.... 57

2.2. Использование сверхпроводящих соленоидов........................................63

2.3. Заключение................................................................................................66

Глава 3. Криогенные изоляторы Фарадея.................................68

3.1. Стержневая геометрия МОЭ................................................................69

3.1.1 Охлаждение через боковую поверхность.......................................69

3.1.2 Стержневая геометрия МОЭ. Степень изоляции...........................73

3.2. Дисковая геометрия МОЭ.......................................................................78

3.2.1 Охлаждение через оптическую поверхность. Аспектное

соотношение................................................................................................78

3.2.2. Дисковая геометрия МОЭ. Степень изоляции..............................82

3.3. Заключение................................................................................................84

Заключение.......................................................................................85

Список сокращений и определения основных понятий..........90

Приложение. Оптическая АКС.....................................................92

Список литературы.......................................................................103

Введение

Предмет исследования и актуальность темы

Поляризационные вентили или изоляторы Фарадея (ИФ) -оптические устройства, впервые описанные в научной литературе в начале 60-х годов прошлого века вскоре после изобретения лазера [1-3], и в настоящее время являются одними из ключевых элементов лазерных схем. При этом интерес к созданию более совершенных изоляторов Фарадея, возникший сразу после их появления [1-15], сохранился и по сей день [1627]. За это время создан широчайший спектр оптических изоляторов, и сейчас подавляющее большинство лазерных схем, оперирующих со сколько-нибудь высокой мощностью, имеют в своем составе изоляторы Фарадея. Поскольку постоянная Верде магнитооптических элементов (МОЭ) зависит от длины волны [28], для разных диапазонов длин волн путем выбора подходящей магнитоактивной среды изготавливаются различные ИФ. Так, например, для длин волн видимого диапазона были созданы изоляторы на базе кристаллов №С1, 2п8е, ТАв [10, 12, 14] и магнитооптического стекла МОС-Ю5 [6]; для ближнего и среднего ИК-диапазона, в котором работает большинство твердотельных лазеров, — изоляторы преимущественно на различных типах магнитооптического стекла и кристаллах тербий-галлиевого граната (ТОО) [6, 9, 17, 19, 21]; для дальнего ИК-диапазона, приложений СОг-лазеров, сконструированы изоляторы на базе антимонида индия (1п8Ь) и германия [4, 15]. Существуют изоляторы Фарадея для поляризованного [5, 22] и для неполяризованного излучения [19, 26], имеющие в качестве магнитной системы импульсные соленоиды [3, 10], соленоиды непрерывного действия [21, 24] или постоянные магниты [17, 19].

Но в связи с постоянным увеличением средней мощности как импульсно-периодических, так и непрерывных лазеров, все более актуальной представляется проблема усовершенствования изоляторов Фарадея адекватно росту мощности лазерного излучения по причине термонаведенных эффектов, возникающих в них из-за поглощения. Дело в том, что из-за относительно большого поглощения в МОЭ вращателей Фарадея (ВФ) (~10"3 см"1) [20, 22, 29, 30] — ключевых элементах изоляторов — излучение в них подвергается сильному тепловому самовоздействию. Вызванное поглощением неоднородное по поперечному сечению распределение температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, обусловленному зависимостью постоянной Верде от температуры, к появлению, на ряду с циркулярным, линейного двулучепреломления (фотоупругий эффект) [3133] и к искажению волнового фронта проходящего через вращатель Фарадея оптического излучения (тепловая линза) [34].

Температурная зависимость постоянной Верде и фотоупругий эффект изменяют поляризацию излучения, в результате чего степень изоляции ВФ уменьшается. Ранее считалось [9], что степень изоляции устройства определяется температурной зависимостью постоянной Верде, а фотоупругий эффект еще не рассматривался, однако в [33] было теоретически предсказано, что при больших средних мощностях излучения степень изоляции определяется именно фотоупругим эффектом, впоследствии в работах [32, 35] этот факт получил экспериментальное подтверждение. Аберрации, вызванные тепловой линзой, не приводят к поляризационным искажениям лазерного излучения, но влияют на модовый состав проходящего через ВФ оптического излучения. Существуют задачи (например, детектирование гравитационных волн при помощи лазерных интерферометров [36-40]), где потери мощности в основной поперечной моде не должны превышать 1% — 2%. Компенсации термолинзы во ВФ посвящен ряд работ, к которым относятся [18, 29, 41,

42]. Термолинза, в частности, может быть скомпенсирована с помощью поглощающего стекла [29, 41] или кристалла с отрицательным значением температурного коэффициента показателя преломления, например кристалла дейтерированного дигидрофосфата калия (БК1)Р) [42], что используется во многих современных изоляторах Фарадея.

Как упоминалось, 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.), и деполяризация, связанная с поперечной неоднородностью магнитного поля [5, 6], как правило, малы (~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 термонаведенной деполяризации излучения в магнитооптических элементах ВФ. В основе одного из 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 [18, 32, 35, 43]. При этом искажения, возникшие при проходе через первый элемент, частично компенсируются при прохождении через второй. Созданные на основе таких схем ИФ и зеркала Фарадея (ЗФ) [19, 44-46] обеспечивают надежную изоляцию при мощности проходящего излучения киловаттного уровня. В последние несколько лет предложен и апробирован еще один способ компенсации, при котором компенсирующий

оптический элемент находится вне магнитного поля [23]. Преимущество данного подхода заключается в большей свободе выбора оптической среды для компенсирующего элемента: среда, вообще говоря, может быть и не магнитоактивной. Кроме того, применением такого метода компенсации термонаведенной деполяризации можно увеличить степень изоляции вращателей Фарадея, уже работающих по схеме с «традиционной» [32] компенсацией, либо без компенсации. Кроме того, применяется способ компенсации линейного двулучепреломления в оптических элементах при помощи одноосного кристалла, описанный в [47-49]. Другой подход к подавлению термонаведенных эффектов заключается в разбиении магнитооптического элемента на несколько тонких дисков, охлаждаемых через оптическую поверхность [50-53]. Такая геометрия приводит к существенному уменьшению поперечного градиента температуры в дисках. Теоретические оценки показывают, что переход от стержневой геометрии к дисковой позволит создать вращатели Фарадея, работающие при мощности до 10 кВт [50]. Для дальнейшего продвижения в диапазон больших мощностей нужны новые идеи и технические решения.

В качестве пути к созданию вращателей Фарадея для лазерного излучения с высокой средней мощностью рассматривается уменьшение тепловыделения непосредственно в магнитооптических элементах. Уменьшение тепловыделения может быть достигнуто либо за счет укорочения магнитооптического элемента, либо за счет уменьшения поглощения в нем.

Самым очевидным шагом в таком случае является поиск магнитоактивной среды с оптимальным соотношением магнитооптических и термооптических характеристик. Параметром качества в данном случае может служить магнитооптическая добротность, введенная в [33, 54, 55]. Интенсивные исследования в этом направлении ведутся с самого начала 60-х годов прошлого века [56]. Был рассмотрен широкий спектр оптических сред, в том числе, достаточно

экзотических [7, 13], и в настоящее время оптимальной магнитоактивной средой для вращателей Фарадея признан тербий-галлиевый гранат (TGG) [57, 58]. Эта среда может быть эффективно использована в диапазоне длин волн 600... 1200 нм, в котором работает большинство лазеров с высокой средней мощностью. В более длинноволновом диапазоне может быть использован железо-иттриевый гранат (YIG) [8], а также YIG с замещением части ионов иттрия ионами гадолиния [11], церия [59]. Основным недостатком является тот факт, что в ферримагнитном кристалле YIG насыщение угла поворота плоскости поляризации излучения по магнитному полю наступает уже при 10-20 кЭ, что усложняет конструкцию магнитной системы ВФ и ужесточает требования к юстировке МОЭ. В парамагнитном TGG тоже существует эффект насыщения угла поворота плоскости поляризации излучения по магнитному полю, однако он возникает лишь при 400 кЭ [60].

В качестве альтернативы TGG могут рассматриваться также тербий-алюминиевый гранат (TAG), тербий-скандий-алюминиевый гранат (TSAG). Постоянная Верде TAG [61-63] и TSAG [64-67] на 35% больше, чем у TGG. При этом коэффициент теплопроводности TAG при комнатной температуре также на 30 % больше, чем у TGG [68]. Однако вырастить образцы хорошего оптического качества апертурой больше 3-4 мм пока не удается [61]. В этом случае выходом становится изготовление оптической керамики. Это направление пристально изучается, и уже делаются успешные попытки изготовления TGG-керамики [21, 24, 69] и TAG-керамики [70] оптического качества. Таким образом, TAG- и TSAG-керамика может в скором будущем составить конкуренцию TGG.

В диссертационной работе развивается другой подход к уменьшению тепловыделения во вращателях Фарадея — укорочение магнитооптического элемента. В свою очередь, укорочение магнитооптического элемента может быть обеспечено увеличением постоянной Верде парамагнитного МОЭ при охлаждении [3, 71], или

увеличением магнитного поля. Существует целый ряд способов увеличения напряженности магнитного поля, среди них — применение в магнитных системах магнитопроводов [22] и постоянных магнитов с неортогональной намагниченностью [72], охлаждение постоянных магнитов [4а], использование в качестве МС сверхпроводящих соленоидов [За], создающих в несколько раз более сильные магнитные поля.

Отметим, что охлаждение изоляторов Фарадея было предложено еще в 1967г. [3] и было мотивировано отсутствием магнитооптических элементов хорошего оптического качества, обеспечивающих степень изоляции более 20Д6. Благодаря развитию технологий получения чистых МОЭ и высокоэнергетических ферромагнитных сплавов, имеющих большую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность, этот подход был на долгое время забыт. Сегодня охлаждение жидким азотом широко используется в мощном лазеростроении (для улучшения термооптических свойств [73], увеличения коэффициента усиления активных элементов [52, 74] и т.д.). На этом фоне очень привлекательно выглядит возможность существенного укорочения МОЭ (и, следовательно, значительного уменьшения выделения тепла в нем) за счет как увеличения при охлаждении постоянной Верде парамагнитных магнитооптических элементов [71, 75-79], так и роста поля постоянных магнитов [57, 80, За]. Отметим, что охлаждение МОЭ приводит и к улучшению термооптических характеристик [1а, 6а, 7а], а также к уменьшению «холодной» деполяризации [1а].

Устройство, в котором вращатель Фарадея подвергается охлаждению до азотных температур, получило название «криогенный изолятор Фарадея» [5 а]. В настоящее время ведутся работы по конструированию магнитной системы для КИФ, создающей поле ~ 2,5 Тл [17], что позволит укоротить МОЭ и поднять планку максимальной мощности.

Цели и задачи диссертационной работы

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке вращателей Фарадея с криогенным охлаждением для лазеров со средней мощностью мультикиловаттного уровня. Для изучения преимуществ криогенного охлаждения и достижения цели работы были решены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование температурных зависимостей термонаведенной деполяризации, постоянной Верде, оптической силы тепловой линзы, параметра оптической анизотропии термооптических констант Р я Q для распространенных магнитоактивных сред в диапазоне температур 300-80 К.

2. Экспериментальное исследование температурных зависимостей напряженности магнитного поля самарий-кобальтового (8т-Со) и неодим-железо-борного (Ш-Ре-В) ферромагнитных сплавов в диапазоне температур 300-80 К.

3. Разработка вращателей Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитной системы.

4. Разработка вращателя Фарадея, в котором магнитооптический элемент и магнитная система охлаждаются до температуры кипения жидкого азота - криогенного изолятора Фарадея, обеспечивающего надежную степень изоляции лазерного излучения мультикиловаттного уровня.

5. Изучение возможности снижения термонаведенных эффектов, возникающих в магнитооптическом элементе за счет обеспечения теплоотвода через оптическую поверхность.

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы обусловлена

полученными в ней оригинальными результатами, а именно:

1. В диапазоне 300-80 К впервые измерены зависимости от температуры термооптических характеристик тербий-галлиевого граната (TGG), гадолиний-галлиевого граната (GGG), алюмо-иттриевого граната (YAG) и напряженности поля магнитных систем, состоящих из наиболее распространенных в производстве вращателей Фарадея Nd-Fe-B и Sm-Co ферромагнитных сплавов.

2. При температуре 80 К впервые измерены компоненты деполяризации, обусловленные поперечной неоднородностью магнитного поля (ун) и зависимостью постоянной Верде МОЭ от температуры (уу). Экспериментальные результаты подтверждены проведенными аналитическими оценками.

3. Разработаны и созданы вращателя Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитных систем, способные обеспечить стабильную степень изоляции лазерного излучения субкиловаттного уровня мощности.

4. В разработанном и созданном криогенном изоляторе Фарадея на магнитооптическом элементе стержневой геометрии впервые продемонстрирована стабильная степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1500 Вт.

5. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на дисковом магнитооптическом элементе, в котором дополнительное снижение термонаведенных эффектов обеспечивается организацией теплоотвода с оптической поверхности МОЭ. Вращатель обеспечивает стабильную степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1400 Вт и способен обеспечить стабильную степень изоляции излучения мультикиловаттного уровня мощности.

Научная и практическая значимость работы

В процессе развития лазерной техники постоянно увеличивается средняя мощность импульсно-периодического и непрерывного лазерного излучения. Для решения задачи взаимной оптической изоляции различных частей мощных лазерных схем требуются изоляторы Фа