DE102009016949B4

DE102009016949B4 - Faraday-Rotator und Anordnung

Info

Publication number: DE102009016949B4
Application number: DE102009016949.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Nicklaus Kolja
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: DE102009016949A1; WO2010115393A1

Abstract

Optischer Faraday-Rotator (5) mit einem oder mehreren Faradaymedien (4) und einer Magnetanordnung (1), die das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) aufnimmt und aus mehreren Magneten (2) gebildet ist, welche eine freie Apertur (3) für das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) ausbilden,dadurch gekennzeichnet,dass die Magnetanordnung (1) drei Magnetebenen (8, 8', 8") aufweist, von denen zumindest die beiden äußeren Magnetebenen (8, 8") jeweils aus vier quaderförmigen, außenliegenden Magneten (2) unter Ausbildung der freien Apertur (3) zusammengesetzt sind, unddass die mittlere Magnetebene (8') aus vier quaderförmigen Magneten (2) unter Ausbildung einer freien Apertur (3) für das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) zusammengesetzt oder aus einem quaderförmigen Magneten (2) mit einer der freien Apertur (3) der beiden äußeren Magnetebenen (8, 8") entsprechenden Bohrung gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Faraday-Rotator für optische Strahlung hoher Leistung mit einem oder mehreren Faradaymedien und einer Magnetanordnung, die das eine oder die mehreren Faradaymedien aufnimmt und aus mehreren Magneten gebildet ist, welche eine freie Apertur für das eine oder die mehreren Faradaymedien ausbilden. Ein solcher Faraday-Rotator besteht aus einem Polarisationsrotator auf Basis des Faraday-Effekts.
Ein derartiger Faraday-Rotator ist beispielsweise durch die EP 0 415 444 A2 bekannt geworden.
Faraday-Rotatoren werden häufig in Verbindung mit einer Polarisatoranordnung eingesetzt, um einen optischen Isolator zu bilden. Daher sind im Stand der Technik die Faraday-Rotatoren in der Regel im Zusammenhang mit Anordnungen für optische Isolatoren beschrieben.
Solche optischen Isolatoren sind beispielsweise im Bereich der optischen Telekommunikation sowohl für polarisierte als auch für unpolarisierte Strahlung bekannt. Diese Isolatoren werden bis zu einer Leistung von ca. 1 W eingesetzt und nutzen zur Drehung der Polarisation des optischen elektromagnetischen Feldes ferromagnetische Faraday-aktive Medien (sogenannte Faradaymedien) mit sehr großer Verdetkonstante wie beispielsweise YIG- oder BIG-Kristalle. Durch die große Verdetkonstante reichen vergleichsweise kleine Magnetfelder aus, die beispielsweise durch einen einfachen kleinen Permanentmagneten erzeugt werden können.
Für den Hochleistungsbereich von einigen Watt und mehr mittlerer optischer Leistung sind die bekannten ferromagnetischen Faradaymedien aufgrund ihrer geringen optischen Qualität und hohen Absorption nicht geeignet. Hier kommen typischerweise paramagnetische Kristalle und Gläser zum Einsatz wie beispielsweise Tb:Glas oder TGG-Kristalle, die eine um ein bis zwei Größenordnungen geringere Verdetkonstante aufweisen. Bei einer Verdetkonstante von TGG von 22,7°/(Tcm) bei einer Wellenlänge von 1064 nm beträgt die benötigte Kristalllänge für eine Polarisationsdrehung von 45°, wie sie in Faraday-Isolatoren benötigt wird, bei einer Magnetfeldstärke von 1 T ca. 20 mm.
Zur Erzeugung eines derartigen Magnetfeldes über eine Länge von 20 mm bei einer typischen Apertur von einigen Millimetern reicht ein einzelner Permanentmagnet nicht aus. Vielmehr werden bestimmte Anordnungen von Magneten genutzt, die die Magnetfeldstärke in der freien Apertur erhöhen, und dabei über den Aperturquerschnitt möglichst homogen bleiben.
Der aus der eingangs genannten EP 0 415 444 A2 bekannte optische Faraday-Rotator weist ein Faradaymedium und eine Magnetanordnung auf, die das Faradaymedium aufnimmt und aus mehreren Magneten gebildet ist, welche eine freie Apertur für das Faradaymedium ausbilden. Die Magnetanordnung besteht aus vier Magneten, die jeweils Ecke an Ecke angeordnet sind, um zwischen sich die Apertur für das Faradaymedium auszubilden.
US 2006/0013076 A1 und US 2005/0094 239 A1 beschreiben jeweils einen seitlich zwischen zwei Magneten angeordneten Faraday-Rotator. JP 2007333899 A beschreibt einen Faraday-Rotator, der axial zwischen zwei Magneten angeordnet ist.
Aus US 5 047 743 A ist ein integriertes Magnetelement bekannt, das aus mehreren diskreten Magnetmaterialien unterschiedlicher Permeabilitäten zusammengeschweißt ist.
In der EP 1 660 931 B1 ist eine rotationsymmetrische Anordnung beschrieben, die ein starkes homogenes Magnetfeld in der freien Apertur für ein einzelnes zylinderförmiges Faradaymedium ermöglicht. Im Fall von zwei Faradaymedien oder einem Medium mit hohem Aspektverhältnis wird jedoch eine sehr große kreisförmige freie Apertur benötigt, wodurch die Anordnung einen großen Bauraum einnimmt.
In der US 5 528 415 A ist eine Anordnung von prismenförmigen Magneten mit einem Trapez als Grundfläche mit rechteckigen Außenmaßen beschrieben, welche eine quadratische Apertur aufweist und bei der im Bereich des eingeschlossenen Innenkreises ebenfalls ein homogenes Feld erreicht wird. Im Fall von zwei Faradaymedien oder einem Medium mit hohem Aspektverhältnis wird jedoch eine sehr große quadratische freie Apertur benötigt, wodurch die Anordnung wiederum einen großen Bauraum einnimmt. Wird die Anordnung nur in einer Richtung skaliert, so wird das Magnetfeld in der Apertur inhomogen, wodurch die Rotation der Polarisation bzw. optische Isolation beeinträchtigt wird.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2009 001 105 A1 ist noch ein Faraday-Rotator mit einem Magnetelement bekannt, welches aus einem ersten Magnet, der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magnet, der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magnet gebildet ist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Magnet angeordnet und in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magnet zu dem ersten Magnet magnetisiert ist. Ein durchgehendes Loch, in dem ein Faraday-Element angeordnet ist, ist durch die Mitten dieser Magnete bereitgestellt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Anordnung für einen Faraday-Rotator für Strahlung hoher optischer Leistung zu finden, der bei kompakter Baugröße ein homogenes Magnetfeld innerhalb der Apertur bereitstellt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Faraday-Rotator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Vorteilig bei einer solchen Magnetanordnung mit zumindest den außenliegenden Magneten in Quaderform ist, dass eine Skalierung der freien Apertur der Anordnung entlang einer Richtung unter Beibehaltung der Homogenität des über die Länge integrierten Magnetfeldes von 5% (±2,5%) möglich wird. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine sehr kompakte Anordnung mit einfachen, und damit kostengünstigen, Magnetformen ermöglicht.
Das Aspektverhältnis (Länge/Breite/Tiefe) der Magnetanordnung ist dabei in Abhängigkeit der freien Apertur und benötigten Länge des Faradaymediums so zu optimieren, dass ein homogenes, über die Länge integriertes, Magnetfeld in der freien Apertur entsteht, wobei die Abweichung der Homogenität nicht mehr als 5% beträgt.
Die Magnetanordnung erzeugt vorzugsweise innerhalb der Apertur ein Magnetfeld von 0,7 T. Die Apertur der Magnetanordnung entspricht mindestens dem Durchmesser des Faradaymediums und ist vorzugsweise kleiner als das 2-fache dieses Durchmessers. Die Apertur kann auch einem Vielfachen des Durchmessers des Faradaymediums bzw. einem Vielfachen des maximal 2-fachen Durchmessers des Faradaymediums entsprechen, so dass mehrere Faradaymedien nebeneinander innerhalb der Apertur angeordnet werden können.
Die quaderförmigen Magnete der Magnetanordnung können in einer beispielhaften Ausführung an den äußeren Ecken der Anordnung angefast sein. Die Kantenlänge der Magnetanordnung kann beispielsweise um bis ein Viertel dieser Kantenlänge reduziert sein. Dadurch wird der Bauraum noch kompakter, so dass die Magnetanordnung in quaderförmigen oder zylinderförmigen Gehäusen untergebracht werden kann, und die Möglichkeit besteht, Befestigungsmittel wie beispielsweise Schrauben oder Passstifte an den ausgesparten Ecken anzubringen. Die Reduzierung der Kantenlänge kann an allen vier Ecken gleichmäßig sein, sie kann jedoch auch variieren.
In die freie Apertur können Abstandshalter eingebracht werden, die verhindern, dass einzelne Magnete die freie Apertur verkleinern können. Solche Abstandshalter sind vorteilig, da die einzelnen Magnete der Anordnung durch ihre Magnetisierung große Kräfte aufeinander ausüben können. Die Abstandshalter können Teil des Außengehäuses, Teil der Halterung des Faradaymediums bzw. der Faradaymedien, separate Bauteile oder mit den Magneten verschmolzen sein.
Der Faraday-Rotator kann durch Faltung mit Hilfe von Faltungselementen auch mehrfach durchlaufen werden.
Als Faradaymedien können beispielsweise Tb:Glas oder TGG-Kristalle eingesetzt werden. Die Form der Faradaymedien ist typischerweise stabförmig, kann jedoch auch ein hohes Aspektverhältnis aufweisen (sogenannter „Slab“) oder als Prismakörper ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Ansicht einer ringförmigen Magnetanordnung (Stand der Technik);
1b Skalierung einer ringförmigen Magnetanordnung (Stand der Technik);
2a eine schematische Ansicht einer nichterfindungsgemäßen quaderförmigen Magnetanordnung;
2b Skalierung einer nichterfindungsgemäßen quaderförmigen Magnetanordnung;
3 eine schematische Ansicht eines nichterfindungsgemäßen optischen Faraday-Rotators mit optischem Strahlengang;
4 eine schematische Ansicht eines nichterfindungsgemäßen gefalteten optischen Faraday-Rotators mit optischem Strahlengang;
5 eine schematische Ansicht eines weiteren nichterfindungsgemäßen gefalteten optischen Faraday-Rotators mit optischem Strahlengang;
6 eine schematische Ansicht eines weiteren nichterfindungsgemäßen gefalteten optischen Faraday-Rotators mit optischem Strahlengang;
7 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer kompakten quaderförmigen Magnetanordnung für 2 stabförmige Faradaymedien;
8 eine Schnittzeichnung von Magneten einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
9 Simulation des integrierten Magnetfeldes entlang der optischen Achse gemäß der Magnetanordnung aus 7 unter Verwendung der Magnete in 8;
10a Berechnung der Stärke des entlang der optischen Achse integrierten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Kristalllänge des Faradaymediums gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus 7;
10b Berechnung der Homogenität des entlang der optischen Achse integrierten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Kristalllänge des Faradaymediums gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus 7;
11a eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Magnete mit angefasten äußeren Ecken der Magnetanordnung;
11b eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Magnete mit angefasten äußeren Ecken der Magnetanordnung;
12 eine Schnittzeichnung von Magneten einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
13 Simulation des integrierten Magnetfeldes entlang der optischen Achse gemäß der Magnetanordnung aus 11a unter Verwendung der Magnete in 12;
14 Berechnung der Stärke des entlang der optischen Achse integrierten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Kristalllänge des Faradaymediums gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus 11a;
15 Berechnung der Homogenität des entlang der optischen Achse integrierten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Kristalllänge des Faradaymediums gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus 11a;
16 eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bestehend aus 12 quaderförmigen Magneten;
17 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer kompakten quaderförmigen Magnetanordnung für 2 stabförmige Faradaymedien mit Abstandshaltern in der freien Apertur;

Bei der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen handelt es sich um Anordnungen zum Stand der Technik, wobei die Magnetanordnung (1) aus zylinderförmigen Magneten (2) mit einer Apertur (3) und einem Faradaymedium (4) in der Apertur (3) besteht.
Bei den in den 2-22 gezeigten Ausführungsformen handelt es sich um Ausführungsformen des optischen Faraday-Rotators und dessen Komponenten.
Bei der in 2a gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine schematische Darstellung der Magnetanordnung (1) bestehend aus quaderförmigen Magneten (2), welche eine Apertur (3) erzeugt, die dem Durchmesser des Faradaymediums (4) entspricht.
2b zeigt eine Ausführungsform der Magnetanordnung (1) bestehend aus quaderförmigen Magneten (2), die eine Apertur (3) erzeugen, die in einer Richtung dem doppelten Durchmesser eines Faradaymediums (4) entspricht, so dass zwei Faradaymedien (4) nebeneinander innerhalb der Apertur (3) angeordnet werden können.
Die 3 - 6 zeigen schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen des optischen Faraday-Rotators (5), bestehend aus einer Magnetanordnung (1) und einen Faradaymedium (4) mit dem optischen Strahlengang (6).
Der Faraday-Rotator (5) kann durch Faltung mit Hilfe von Faltungselementen (7) auch zwei- oder mehrfach durchlaufen werden, wie beispielsweise in den Ausführungsformen in den 4, 5 und 6 dargestellt. In der Ausführungsform in den 4 und 5 ist vorteilig, dass die Länge, in welcher in der freien Apertur (3) ein starkes Magnetfeld erzeugt werden muss, gegenüber der linearen Anordnung halbiert werden kann, was die Größe der notwendigen Magnetanordnung (1) reduziert. In der in 6 dargestellten Ausführungsform kann die Länge, in welcher in der freien Apertur (3) ein starkes Magnetfeld erzeugt werden muss, gegenüber der linearen Anordnung gedrittelt werden kann, was die Größe der notwendigen Magnetanordnung (1) weiter reduziert.
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung (1), welche aus 8 quaderförmigen Magneten (2) besteht, sowie einem quaderförmigen Magneten (2) mit einer Bohrung. Hierdurch werden drei Magnetebenen (8, 8', 8") gebildet, wobei die erste und dritte Ebene (8, 8') aus jeweils 4 quaderförmigen Magneten (2) zusammengesetzt ist und die zweite (mittlere) Ebene (8') durch den Magneten (2) mit der Bohrung gebildet wird. Die Größe der Bohrung entspricht der freien Apertur (3) der umschließenden Magnetebenen (8, 8"), welche wiederum in einer Richtung dem doppelten Durchmesser des Faradaymediums (4) entspricht, so dass zwei Faradaymedien (4) nebeneinander angeordnet werden können.
In 8 sind die Abmessungen von Magneten (2) für die in 7 schematisch dargestellte Magnetanordnung (1) mit Magneten (2) der Klasse N4OUH mit einer Remanenzmagnetisierung von Br = 1,28 T dargestellt. Die Kantenlängen A und B bzw. B'' sowie C und D betragen im vorliegenden Beispiel A = 65 mm, B = 18,5 mm, B'' = 63 mm, C = 27,8 mm und D = 25,8 mm. Die Höhe h der Magnete (2), welche in der Schnittzeichnung nicht dargestellt werden kann, beträgt für alle drei Magnete (2) in diesem speziellen Fall h = 20 mm. Die freie Apertur (3) beträgt E × F, wobei hier beispielhaft E = 9,3 mm und F = 26 mm, und die Kristalllänge des Faradaymediums (4) auf ca. 15 mm und für eine Wellenlänge von 1064 mm ausgelegt ist.
Durch diese Anordnung wird ein sehr homogenes, entlang der optischen Achse integriertes, Magnetfeld mit einer Abweichung von unter 4% über die Höhe und Breite von 8 mm, bzw. unter 1% über eine Höhe und Breite von 4 mm erreicht, wie die Simulation in 9 und die Berechnungen in und zeigen.
In den 11a und 11b sind weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen der Magnetanordnung (1) gezeigt. Bei den dargestellten Magneten (2) handelt es sich um Magnete (2) der Klasse N40UH mit einer Remanenzmagnetisierung von Br = 1,28 T. Die freie Apertur (3) der Magnetanordnung beträgt E × F, wobei E = 5 mm und F = 8 mm, und ist für eine Kristalllänge des Faradaymediums von ca. 15 mm und bei einer Wellenlänge von 1064 mm ausgelegt. Die quaderförmigen Magnete (2) der Magnetanordnung (1) sind an den äußeren Ecken der Anordnung (1) angefast, wodurch die Kantenlängen A und B um einen Teil gekürzt werden und somit eine Kantenlänge von A' und B' aufweisen.
Im vorliegenden Beispiel betragen die Kantenlängen A = 34 mm, A' = 24 mm, B = 13 mm, B' = 8 mm, C = 14,5 mm und D = 7,6 mm: Die Höhe h der Magnete (2) beträgt h = 15 mm, und für den Magneten (2) mit Bohrung h' = 14 mm. Mit den in 12 gezeigten Abmessungen der Magnete (2) wird ein sehr homogenes, entlang der optischen Achse integriertes, Magnetfeld mit einer Abweichung von unter 3,5% über die Höhe und Breite von 3 mm, bzw. unter 1% über eine Höhe und Breite von 1,5 mm erreicht. Die 13 - 15 zeigen die zugehörigen Simulationen und Berechnungen analog dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
Die in 16 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform der Magnetanordnung (1) besteht aus 12 quaderförmigen Magneten (2), wobei wiederum drei Magnetebenen (8, 8', 8") gebildet werden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus jeweils 4 quaderförmigen Magneten (2) zusammengesetzt sind. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und damit kostengünstigen Herstellbarkeit der Magnete (2).
Die in 17 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform der Magnetanordnung (1) besteht aus quaderförmigen Magneten (2) mit Abstandshaltern (9) in der freien Apertur (3), in der hier beispielhaft zwei Faradaymedien (4) angeordnet sind.

Claims

Optischer Faraday-Rotator (5) mit einem oder mehreren Faradaymedien (4) und einer Magnetanordnung (1), die das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) aufnimmt und aus mehreren Magneten (2) gebildet ist, welche eine freie Apertur (3) für das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (1) drei Magnetebenen (8, 8', 8") aufweist, von denen zumindest die beiden äußeren Magnetebenen (8, 8") jeweils aus vier quaderförmigen, außenliegenden Magneten (2) unter Ausbildung der freien Apertur (3) zusammengesetzt sind, und dass die mittlere Magnetebene (8') aus vier quaderförmigen Magneten (2) unter Ausbildung einer freien Apertur (3) für das eine oder die mehreren Faradaymedien (4) zusammengesetzt oder aus einem quaderförmigen Magneten (2) mit einer der freien Apertur (3) der beiden äußeren Magnetebenen (8, 8") entsprechenden Bohrung gebildet ist.
Optischer Faraday-Rotator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Ecken der Magnetanordnung (1) angefast sind.
Optischer Faraday-Rotator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (1) innerhalb der freien Apertur (3) ein Magnetfeld von ≥ 0,7 T erzeugt.
Optischer Faraday-Rotator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kantenlänge der freien Apertur (3) mindestens dem Durchmesser des Faradaymediums (4) entspricht.
Optischer Faraday-Rotator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Apertur (3) mindestens dem Durchmesser des Faradaymediums (4) entspricht und vorzugsweise kleiner als das 2-fache dieses Durchmessers ist.
Optischer Faraday-Rotator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Apertur (3) mindestens den aufsummierten Durchmessern der Faradaymedien (4) in der jeweiligen Richtung entspricht und vorzugsweise kleiner als das 2-fache dieser Durchmesser ist.
Optischer Faraday-Rotator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der freien Apertur (3) Abstandshalter (9) für Magnete (2) angeordnet sind.
Anordnung mit zwei oder mehreren hintereinander angeordneten optischen Faraday-Rotatoren (5) nach einem der obigen Ansprüche, wodurch ein 1- oder mehrstufiger Faraday-Rotator (5) bereitgestellt ist.