RU2717394C1

RU2717394C1 - Faraday isolator with compensation of axially symmetrical polarization distortions

Info

Publication number: RU2717394C1
Application number: RU2019121736A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Миронов
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-03-23

Abstract

FIELD: laser engineering.

SUBSTANCE: invention relates to laser equipment and concerns a Faraday isolator. Isolator comprises a polariser arranged in series on the optical axis, a magnetooptical rotator placed in the field created by the magnetic system and an analyzer. Magneto-optical rotator is made of series-arranged magnetooptical element, providing rotation of polarization plane by 45 degrees in one direction, phase plate with travel difference λ/6, a magnetooptical element providing rotation of the polarization plane by 90 degrees in the opposite direction, and one more phase plate with travel difference λ/6. Magnetic system is arranged so that magnetic field directions are opposite in regions where magneto-optical elements are arranged.

EFFECT: technical result consists in providing compensation of axially symmetric polarization distortions in Faraday insulator, increasing degree of insulation of device and its maximum allowable working power.

3 cl, 2 dwg

Description

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

Основной проблемой, препятствующей разработке и созданию изоляторов Фарадея для лазеров с большой средней мощностью, является наличие поляризационных искажений лазерного луча как на прямом, так и на обратном проходе через магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) в изоляторе Фарадея, обусловленных поглощением излучения в материале магнитооптического ротатора при прохождении через него мощного лазерного излучения. Поляризационные искажения лазерного луча приводят к ухудшению важнейшей характеристики изолятора Фарадея - степени изоляции.The main problem that hinders the development and creation of Faraday isolators for lasers with high average power is the presence of polarization distortions of the laser beam both on the direct and on the return pass through the magneto-optical rotator (polarization plane rotator) in the Faraday isolator due to the absorption of radiation in the material of the magneto-optical rotator when powerful laser radiation passes through it. The polarization distortion of the laser beam leads to a deterioration of the most important characteristics of the Faraday isolator - the degree of isolation.

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

Если для борьбы с поляризационными искажениями, вызванными фотоупругим эффектом, разработаны и опробованы эффективные методы компенсации и подавления, то для борьбы с аксиально-симметричными поляризационными искажениями сделано намного меньше. Связано это с тем, что для наиболее популярного кристалла тербий-галлиевого граната (TGG) величина поляризационных искажений, вызванных фотоупругим эффектом, значительно превышает величину искажений, обусловленных зависимостью постоянной Верде от температуры (Е.А. Khazanov, О.V. Kulagin, S. Yoshida, D.В. Tanner, and D.H. Reitze, "Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet", IEEE J. Quantum Electron. 35, 1116-1122 (1999)). Ho, во-первых, стали известны перспективные магнитоактивные кристаллы, в которых такое соотношение не выполняется (R. Yasuhara, I. Snetkov, A. Starobor, Е. Mironov, and О. Palashov, "Faraday rotator based on TSAG crystal with <001> orientation", Optics Express, 24 (14), pp. 15486-15493, (2016)), а во-вторых, развитие технологий компенсации приводит к тому, что зависимость постоянной Верде от температуры начинает играть все более существенную роль.While effective methods of compensation and suppression were developed and tested to combat polarization distortions caused by the photoelastic effect, much less has been done to combat axially symmetric polarization distortions. This is due to the fact that for the most popular terbium-gallium garnet (TGG) crystal, the magnitude of the polarization distortions caused by the photoelastic effect significantly exceeds the magnitude of the distortions due to the temperature dependence of the Verdet constant (E.A. Khazanov, O.V. Kulagin, S Yoshida, D. B. Tanner, and DH Reitze, "Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet", IEEE J. Quantum Electron. 35, 1116-1122 (1999)). Ho, firstly, promising magnetoactive crystals have become known in which this ratio is not satisfied (R. Yasuhara, I. Snetkov, A. Starobor, E. Mironov, and O. Palashov, "Faraday rotator based on TSAG crystal with <001 > orientation ", Optics Express, 24 (14), pp. 15486-15493, (2016)), and secondly, the development of compensation technologies leads to the fact that the dependence of the Verdet constant on temperature begins to play an increasingly significant role.

Одним из методов решения данной проблемы является охлаждение магнитооптического ротатора при помощи оптических элементов с высокой теплопроводностью, находящихся в оптическом контакте с его торцевыми поверхностями (Zheleznov D.S., Starobor A.V., Palashov О.V., Khazanov Е.A Cryogenic Faraday isolator with a disk-shaped magneto-optical element (Journal of Optical Society of America B» 29, 2012, стр. 786-792). Благодаря этому удается не только увеличить теплоотвод от магнитооптического ротатора, но и значительно сократить значения градиентов температуры в поперечном направлении относительно оси ротатора за счет перенаправления потока тепла в продольном направлении. Уменьшение поперечного градиента температуры приводит к меньшей величине ее неоднородности и, соответственно, к меньшей величине поляризационных искажений, вызванных зависимостью постоянной Верде от температуры. Основным недостатком таких изоляторов является сложность конструкции магнитооптического ротатора, которая требует наличия высококачественных оптических контактов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки.One of the methods for solving this problem is the cooling of the magneto-optical rotator using optical elements with high thermal conductivity, which are in optical contact with its end surfaces (Zheleznov DS, Starobor AV, Palashov O.V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator with a disk- shaped magneto-optical element (Journal of Optical Society of America B "29, 2012, pp. 786-792). This allows not only to increase the heat sink from the magneto-optical rotator, but also significantly reduce the temperature gradients in the transverse direction relative to the axis of the rotator beyond account transferred The decrease in the transverse gradient of the temperature leads to a smaller value of its inhomogeneity and, consequently, to a smaller value of polarization distortion caused by the dependence of the Verdet constant on temperature.The main disadvantage of such insulators is the design complexity of the magneto-optical rotator, which requires high-quality optical contacts able to withstand high thermal loads.

Другим методом, эксплуатирующим эту идею, является использование дисковых магнитооптических элементов в составе магнитооптического ротатора, охлаждаемых с торцевых поверхностей ламинарным потоком охлажденного газа (И.Б. Мухин, Е.А. Хазанов, "Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью", Квантовая Электроника, 34, №10, 973-978, 2004). Однако громоздкость, сложность конструкции, дороговизна эксплуатации делает применение таких устройств нецелесообразным в подавляющем большинстве случаев.Another method exploiting this idea is the use of disk magneto-optical elements as part of a magneto-optical rotator, cooled from the end surfaces by a laminar flow of chilled gas (IB Mukhin, EA Khazanov, "The use of thin disks in Faraday isolators for lasers with a high average power ", Quantum Electronics, 34, No. 10, 973-978, 2004). However, the bulkiness, the complexity of the design, the high cost of operation makes the use of such devices impractical in the vast majority of cases.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа (Е.А. Mironov, A.V. Voitovich,, A.V. Starobor, O.V. Palashov, "Compensation of polarization distortions in Faraday isolators by means of magnetic field inhohmogeneity" Applied Optics, 53 (16), pp. 3486-3491, (2014)). Магнитная система изолятора прототипа выполнена таким образом, что в области расположения магнитооптического ротатора создается поперечная неоднородность поля, связанная со спадом напряженности при удалении от оси системы. Таким образом, угол вращения плоскости поляризации излучения в такой системе при отсутствии оптического нагрева на оси изолятора будет больше, чем при удалении от нее (приближении к краю апертуры). При нагреве магнитооптического ротатора лазерным пучком его центральная часть нагревается сильнее, чем периферийные области, за счет теплоотвода через боковую поверхность при помощи теплопроводящего держателя. Величина постоянной Верде падает с ростом температуры, поэтому в однородном магнитном поле угол вращения плоскости поляризации на оси изолятора будет меньше. Таким образом, в изоляторе прототипе два негативных эффекта, приводящих по отдельности к появлению аксиально-симметричных поляризационных искажений компенсируют друг друга, тем самым позволяя повысить максимально допустимую рабочую мощность при сохранении степени изоляции устройства.The closest in technical essence to the claimed design is the well-known design of the Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions, containing a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator installed in the magnetic system, and an analyzer that is selected as a prototype (E.A. Mironov, AV Voitovich ,, AV Starobor, OV Palashov, "Compensation of polarization distortions in Faraday isolators by means of magnetic field inhohmogeneity" Applied Optics, 53 (16), pp. 3486-3491, (2014)). The magnetic system of the prototype insulator is designed in such a way that a transverse field heterogeneity is created in the region of the magneto-optical rotator, which is associated with a decrease in tension with distance from the system axis. Thus, the angle of rotation of the plane of polarization of radiation in such a system in the absence of optical heating on the axis of the insulator will be larger than when moving away from it (approaching the edge of the aperture). When a magneto-optical rotator is heated by a laser beam, its central part is heated more than the peripheral regions due to heat removal through the side surface using a heat-conducting holder. The value of the Verdet constant decreases with increasing temperature; therefore, in a uniform magnetic field, the angle of rotation of the plane of polarization on the axis of the insulator will be smaller. Thus, in the prototype isolator, two negative effects that separately lead to the appearance of axially symmetric polarization distortions cancel each other, thereby allowing to increase the maximum allowable working power while maintaining the degree of isolation of the device.

Недостатком изолятора Фарадея прототипа является сложная конструкция магнитной системы, которая создает необходимый профиль магнитного поля. Кроме того такой подход хорошо работает только при использовании достаточно широких лазерных пучков, радиус которых приближается к размеру апертуры. Узкие лазерные пучки создают локализованную в центральной части магнитооптического ротатора неоднородность температуры, которая приводит к локализованным там же поляризационным искажениям, которые невозможно скомпенсировать таким путем, поскольку невозможно создать соответствующую неоднородность магнитного поля. Использование же широких пучков в мощных лазерах не всегда возможно, поскольку сопряжено с увеличением риска задеть пучком апертуру устройства и повредить его мощным излучением.The disadvantage of the prototype Faraday isolator is the complex design of the magnetic system, which creates the necessary magnetic field profile. In addition, this approach works well only when using sufficiently wide laser beams, the radius of which approaches the size of the aperture. Narrow laser beams create a temperature inhomogeneity localized in the central part of the magneto-optical rotator, which leads to polarization distortions localized there, which cannot be compensated in this way, since it is impossible to create the corresponding magnetic field inhomogeneity. The use of wide beams in high-power lasers is not always possible, since it is associated with an increased risk of hitting the aperture of the device with the beam and damaging it with powerful radiation.

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

Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, помещенный в поле, создаваемое магнитной системой, и анализатор.The technical result in the developed Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions is achieved due to the fact that it, like the prototype, contains a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator placed in the field created by the magnetic system, and an analyzer.

Новым в разработанном изоляторе Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из последовательно расположенных магнитооптического элемента, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 45 градусов в одном направлении, фазовой пластинки с разностью хода λ/6, магнитооптического элемента, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположном направлении, и еще одной фазовой пластинки с разностью хода λ/6, причем магнитная система организована таким образом, что в местах размещения магнитооптических элементов направления магнитного поля противоположны.New in the developed Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions is that its magneto-optical rotator is made of sequentially located magneto-optical element, providing rotation of the plane of polarization by 45 degrees in one direction, a phase plate with a travel difference λ / 6, magneto-optical element, providing rotation of the plane of polarization by 90 degrees in the opposite direction, and another phase plate with a travel difference of λ / 6, and the magnetic topic is organized so that the placements of magneto-optical elements are opposite to the magnetic field direction.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что его магнитная система выполнена с использованием постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов.In the particular case of the implementation of the developed Faraday isolator under item 2, the new is that its magnetic system is made using permanent magnets and magnetically conductive materials.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что его магнитная система представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец.In the particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 3, the new fact is that its magnetic system is a set of coaxially and radially magnetized rings.

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

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

- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы.- in FIG. Figure 2 is a sectional view of the developed Faraday isolator in accordance with paragraph 2 of the formula.

Разработанный изолятор Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 1, содержит магнитооптический ротатор 1, состоящий из последовательно расположенных вдоль оптической оси изолятора магнитооптического элемента 2, обеспечивающего вращение плоскости поляризации излучения на 45 градусов в одном направлении, фазовой пластинки 3 с разностью хода λ/6, магнитооптического элемента 4, обеспечивающего вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположном направлении, и еще одной фазовой пластинки 5 с разностью хода λ/6. Магнитооптический ротатор помещен в такое создаваемое магнитной системой 6 поле, что в областях размещения магнитооптических элементов 2 и 4 направления магнитного поля противоположны. Магнитооптическим элементам 2 и 4 подбирают соответственно такие характеристики, что при помещении в такое создаваемое магнитной системой 6 поле магнитооптический элемент 2 вращает плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на 45 градусов в одну сторону, а магнитооптический элемент 4 на 90 градусов в противоположную сторону. Снаружи магнитной системы 6, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 7 и анализатор 8, расположенные по разные стороны магнитооптического ротатора.The designed Faraday isolator with axial-symmetric polarization distortion compensation, manufactured in accordance with paragraph 1 of the formula and presented in FIG. 1, comprises a magneto-optical rotator 1, consisting of a magneto-optical element 2 sequentially arranged along the optical axis of the insulator, providing rotation of the plane of polarization of radiation by 45 degrees in one direction, a phase plate 3 with a travel difference λ / 6, and a magneto-optical element 4, providing rotation of the plane of polarization on 90 degrees in the opposite direction, and another phase plate 5 with a travel difference of λ / 6. The magneto-optical rotator is placed in such a field created by the magnetic system 6 that in the areas where the magneto-optical elements 2 and 4 are located, the directions of the magnetic field are opposite. Magneto-optical elements 2 and 4 are selected, respectively, such characteristics that when placed in such a field created by the magnetic system 6, the magneto-optical element 2 rotates the plane of polarization of linearly polarized radiation by 45 degrees in one direction, and the magneto-optical element 4 by 90 degrees in the opposite direction. Outside the magnetic system 6, along the optical axis of the Faraday isolator are a polarizer 7 and an analyzer 8 located on opposite sides of the magneto-optical rotator.

Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить его степень изоляции и/или максимально допустимую рабочую мощность. Этот результат достигается за счет того, что при таком построении оптической схемы изолятора аксиально-симметричные поляризационные искажения, вызванные зависимостью постоянной Верде от температуры, приобретенные мощным лазерным излучением при прохождении через магнитооптический элемент 2, компенсируются при прохождении через магнитооптический элемент 4.Such a construction of the Faraday isolator in accordance with paragraph 1 of the formula allows to increase its degree of isolation and / or the maximum allowable working power. This result is achieved due to the fact that with this construction of the optical design of the insulator, axially symmetric polarization distortions caused by the dependence of the Verdet constant on temperature, acquired by powerful laser radiation when passing through magneto-optical element 2, are compensated when passing through magneto-optical element 4.

Разработанный изолятор Фарадея с компенсацией аксиально-симметричных поляризационных искажений работает следующим образом. Лазерный пучок (в общем случае - неполяризованный) на прямом проходе через поляризатор 7 делится на нем на два ортогонально поляризованных пучка. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 7 и далее не рассматривается. Второй линейно поляризованный пучок проходит через магнитооптический элемент 2, помещенный в магнитную систему 6, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на угол 45 градусов, но при прохождении через магнитооптический элемент 2 пучок приобретает поляризационные искажения вследствие неравномерного распределения температуры по поперечному сечению, вызванного поглощением излучения в среде, и зависимости постоянной Верде от температуры. Центральная область магнитооптического элемента 2 нагревается сильнее периферийных областей и, вследствие убывания постоянной Верде с ростом температуры, угол поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через нее, меньше.The developed Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions works as follows. A laser beam (generally unpolarized) in a direct passage through the polarizer 7 is divided into two orthogonally polarized beams. One of the beams is removed from the circuit by the polarizer 7 and is not considered further. The second linearly polarized beam passes through the magneto-optical element 2, placed in the magnetic system 6, as a result of which the plane of its polarization rotates through an angle of 45 degrees, but when passing through the magneto-optical element 2, the beam acquires polarization distortions due to the uneven distribution of temperature over the cross section due to absorption of radiation in the medium, and the dependence of the Verdet constant on temperature. The central region of the magneto-optical element 2 heats up more strongly than the peripheral regions and, due to a decrease in the Verdet constant with increasing temperature, the angle of rotation of the plane of polarization of the radiation passing through it is smaller.

Дальнейшее преобразование поляризации излучения опишем при помощи формализма матриц Джонса. Матрица Джонса магнитооптического элемента 2 с учетом малого возмущения ε, вызванного его неоднородным нагревом, записывается следующим образом:We describe the further transformation of the polarization of radiation using the formalism of the Jones matrices. The Jones matrix of the magneto-optical element 2, taking into account the small perturbation ε caused by its inhomogeneous heating, is written as follows:

Далее излучение проходит через фазовую пластинку 3. Без ограничения общности будем полагать, что оптические оси фазовых пластинок 3 и 5 совпадают с плоскостью пропускания поляризатора 7. В противном случае принцип работы предлагаемого изолятора останется таким же за тем исключением, что плоскость пропускания анализатора должна быть подобрана таким образом, чтобы совпадать с плоскостью поляризации излучения на выходе из пластинки 5. Расчет выходной поляризации в этом случае выполняется аналогично приводимым ниже расчетам. Матрица Джонса фазовой пластинки 3 в случае, если ее оптическая ось совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 7, выглядит следующим образом:Then the radiation passes through the phase plate 3. Without loss of generality, we assume that the optical axes of the phase plates 3 and 5 coincide with the transmission plane of the polarizer 7. Otherwise, the principle of operation of the proposed insulator remains the same except that the transmission plane of the analyzer must be selected so as to coincide with the plane of polarization of the radiation at the exit of the plate 5. The calculation of the output polarization in this case is performed similarly to the calculations below. The Jones matrix of the phase plate 3 in case its optical axis coincides with the transmission plane of the polarizer 7 is as follows:

Затем излучение проходит через магнитооптический элемент 4, обеспечивающий вращение плоскости поляризации на 90 градусов в противоположную сторону по отношению к вращению плоскости поляризации в магнитооптическом элементе 2. В данном случае угол поворота в матрице Джонса будет иметь противоположный знак, чем в матрице R₁. В нем наводятся такая же поперечная неоднородность температуры (т.к. в приближении стержня она не зависит от его длины), следовательно, его матрица Джонса записывается как:Then the radiation passes through the magneto-optical element 4, which ensures the rotation of the plane of polarization by 90 degrees in the opposite direction with respect to the rotation of the plane of polarization in the magneto-optical element 2. In this case, the rotation angle in the Jones matrix will have the opposite sign than in the matrix R ₁ . It induces the same transverse temperature inhomogeneity (since in the approximation of the rod it does not depend on its length), therefore, its Jones matrix is written as:

Наконец, излучение проходит через фазовую пластинку 4, матрица Джонса которой идентична F₃:Finally, the radiation passes through a phase plate 4, the Jones matrix of which is identical to F ₃ :

Поляризация на выходе из фазовой пластинки 4 можно рассчитать как

The polarization at the exit of the phase plate 4 can be calculated as

где

- поляризация на выходе из поляризатора 7. Введем базис, в котором поляризация

представлена в виде вектора

. Тогда, подставляя все матрицы в выражение и проводя необходимые вычисления, можно убедиться, что на выходе из фазовой пластинки 4 поляризация излучения с точностью до членов второго порядка малости по ε совпадает с поляризацией на выходе из поляризатора 7 (

). Таким образом, если ориентировать плоскость пропускания анализатора 8 так же, как и плоскость пропускания поляризатора 7, то излучение пройдет сквозь него без потерь (с точностью до членов второго порядка малости по ε). На обратном проходе через анализатор 8 пройдет поляризация

, котораяWhere

- polarization at the output of the polarizer 7. We introduce a basis in which the polarization

represented as a vector

. Then, substituting all the matrices into the expression and performing the necessary calculations, we can verify that, at the output of the phase plate 4, the polarization of the radiation, up to the terms of the second order of smallness in ε, coincides with the polarization at the output of the polarizer 7 (

) Thus, if we orient the transmission plane of the analyzer 8 in the same way as the transmission plane of the polarizer 7, then the radiation passes through it without loss (up to terms of the second order of smallness in ε). On the return pass through the analyzer 8 will pass the polarization

which

На входе в поляризатор 7 на обратном проходе войдет поляризация

, которую можно рассчитать из

и матриц Джонса оптических элементовAt the entrance to the polarizer 7 on the return pass will enter the polarization

which can be calculated from

and Jones matrices of optical elements

Проводя необходимые вычисления, можно убедиться, что она с точностью до членов второго порядка малости по ε ортогональна

, таким образом, она с этой точностью полностью отразится от поляризатора 7 и будет выведена из схемы, т.е. не пройдет через изолятор на обратном проходе.Carrying out the necessary calculations, we can verify that it is orthogonal to the second order of smallness in ε

Thus, with this accuracy, it will completely be reflected from the polarizer 7 and will be derived from the circuit, i.e. will not go through the isolator on the return passage.

Таким образом, аксиально-симметричные поляризационные искажения, наводимые в магнитооптических элементах вследствие зависимости постоянной Верде от температуры, полностью компенсируются в первом приближении, что позволяет решить поставленную задачу, то есть повысить степень изоляции устройства и/или его максимально допустимую рабочую мощность.Thus, the axially symmetric polarization distortions induced in magneto-optical elements due to the temperature dependence of the Verdet constant are fully compensated in a first approximation, which allows us to solve the problem, that is, to increase the degree of isolation of the device and / or its maximum allowable working power.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 6 из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов без использования электромагнитов. В этом случае требуемая конфигурация магнитного поля со сменой его направления создается сама, в то время как в случае с электромагнитами магнитная система требует дополнительных расчетов. На фиг. 2 показан характерный график напряженности магнитного поля на оси системы постоянных магнитов. Поскольку будут отсутствовать токи проводимости, согласно теореме о циркуляции, интеграл от величины напряженности магнитного поля на оси системы, взятый от минус бесконечности до плюс бесконечности, будет равен нулю. Т.е. интеграл от напряженности поля, взятый по области с положительным значением проекции напряженности будет равен интегралу, взятому по областям с отрицательным значением этой проекции. Если при этом магнитная система обладает центральной симметрией, то интеграл, взятый по области с положительным значением проекции напряженности, будет в два раза превосходить интеграл, взятый по одной области с отрицательным значением проекции. Поскольку величина угла поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через магнитооптический элемент, пропорциональна значению интеграла напряженности поля, взятого по длине магнитооптического элемента, в данном случае можно подобрать так магнитооптические элементы ротатора 2 и 4, что, будучи помещенными в соседние области с различными направлениями магнитного поля, магнитооптический элемент 2 будет поворачивать плоскость поляризации на 45 градусов в одном направлении, а магнитооптический элемент 4 на 90 градусов в обратном. При этом длины магнитооптических элементов 2 и 4 будут близки.In the particular case of the implementation of the developed Faraday isolator according to claim 2, it is advisable to manufacture a magnetic system 6 of permanent magnets and magnetically conductive materials without the use of electromagnets. In this case, the required configuration of the magnetic field with a change in its direction is created by itself, while in the case of electromagnets, the magnetic system requires additional calculations. In FIG. 2 shows a typical graph of the magnetic field on the axis of the permanent magnet system. Since there will be no conduction currents, according to the circulation theorem, the integral of the magnitude of the magnetic field on the axis of the system, taken from minus infinity to plus infinity, will be zero. Those. the integral of the field strength taken over the area with a positive value of the projection of the intensity will be equal to the integral taken over the areas with a negative value of the projection. If in this case the magnetic system has central symmetry, then the integral taken over the region with a positive value of the projection of tension will be twice as large as the integral taken over one region with a negative value of the projection. Since the angle of rotation of the plane of polarization of the radiation transmitted through the magneto-optical element is proportional to the value of the integral of the field strength taken along the length of the magneto-optical element, in this case, it is possible to select the magneto-optical elements of rotator 2 and 4 so that, being placed in adjacent areas with different directions of the magnetic field , the magneto-optical element 2 will rotate the plane of polarization by 45 degrees in one direction, and the magneto-optical element 4 by 90 degrees in the opposite direction. The lengths of the magneto-optical elements 2 and 4 will be close.

Во частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно изготовить магнитную систему 6 из коаксиально и радиально намагниченных колец. Кольца соединены таким образом, чтобы обеспечить высокую напряженность поля в областях расположения магнитооптических элементов. Это обеспечит простоту устройства и удобство сборки магнитной системы.In the particular case of the implementation of the developed Faraday isolator according to claim 3, it is advisable to manufacture the magnetic system 6 from coaxially and radially magnetized rings. The rings are connected in such a way as to provide high field strength in the areas of magneto-optical elements. This will ensure simplicity of the device and ease of assembly of the magnetic system.

Claims

1. The Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions, containing a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical rotator placed in the field created by the magnetic system, and an analyzer, characterized in that the magneto-optical rotator is made of sequentially located magneto-optical element, providing rotation of the plane polarization by 45 degrees in one direction, a phase plate with a path difference of λ / 6, a magneto-optical element that provides increment of the polarization plane by 90 degrees in the opposite direction, and another phase plate with path difference λ / 6, wherein the magnetic system is organized so that in the areas of placement elements magneto direction opposite to the magnetic field.

2. The Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortion according to claim 1, characterized in that its magnetic system is made using permanent magnets and magnetically conductive materials.

3. The Faraday isolator with compensation of axially symmetric polarization distortions according to claim 2, characterized in that its magnetic system is a set of coaxially and radially magnetized rings.