RU2726274C1

RU2726274C1 - Faraday isolator on permanent magnets with high magnetic field strength

Info

Publication number: RU2726274C1
Application number: RU2020107961A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Миронов; Олег Валентинович Палашов
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-07-10

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to optical engineering and can be used as an element of optical decoupling on Faraday effect for lasers with high average radiation power. Essence of the invention is that the Faraday isolator on permanent magnets with high magnetic field strength comprises a polariser arranged on an optical axis, a magneto-optical element installed in a magnetic system, and an analyzer, wherein the magnetic cores are arranged such that between them and the central permanent magnet regions of side permanent magnets are located.

EFFECT: high maximum permissible operating power of a Faraday isolator while maintaining a given degree of insulation.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров с высокой 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 high average radiation power.

Основной проблемой, ограничивающей применение изоляторов Фарадея в лазерах с большой средней мощностью излучения, является неизбежное тепловыделение в магнитооптических элементах, вызванное поглощением лазерного излучения, проходящего через них. Тепловыделение приводит к неоднородному распределению температуры по поперечному сечению элемента, в результате чего возникают искажения волнового фронта проходящего излучения («тепловая линза») и неоднородное распределение угла поворота его плоскости поляризации, вызванное зависимостью постоянной Верде от температуры. Также наряду с циркулярным двулучепреломлением появляется и линейное, связанное с механическими напряжениями, обусловленными градиентом температуры (фотоупругий эффект). Поляризационные искажения лазерного пучка, появляющиеся при проходе через магнитооптический элемент, снижают важнейшую характеристику устройства - степень изоляции.The main problem limiting the use of Faraday isolators in lasers with a large average radiation power is the inevitable heat release in magneto-optical elements caused by the absorption of laser radiation passing through them. Heat release leads to an inhomogeneous temperature distribution over the element’s cross section, resulting in distortion of the wavefront of the transmitted radiation (“thermal lens”) and inhomogeneous distribution of the angle of rotation of its polarization plane, caused by the dependence of the Verdet constant on temperature. Along with circular birefringence, a linear one also appears, associated with mechanical stresses caused by the temperature gradient (photoelastic effect). The polarization distortions of the laser beam that appear when passing through a magneto-optical element reduce the most important characteristic of the device - the degree of isolation.

Одним из способов увеличения максимально допустимой рабочей мощности изоляторов Фарадея является увеличение напряженности поля его магнитной системы. Увеличение напряженности поля позволяет использовать более короткие магнитооптические элементы, сокращая тем самым тепловыделение в них и снижая величину паразитных тепловых эффектов, которые являются основным ограничением для использования изоляторов Фарадея в мощных лазерах. Снижение величины термонаведенных эффектов может быть использовано как для улучшения характеристик изоляторов при заданном уровне мощности проходящего лазерного излучения, так и для увеличения их максимально допустимой рабочей мощности при заданных требованиях на характеристики (степень изоляции).One way to increase the maximum allowable working power of Faraday isolators is to increase the field strength of its magnetic system. An increase in the field strength allows the use of shorter magneto-optical elements, thereby reducing heat generation in them and reducing the magnitude of spurious thermal effects, which are the main limitation for the use of Faraday isolators in high-power lasers. Reducing the magnitude of thermally induced effects can be used both to improve the characteristics of insulators at a given level of power of transmitted laser radiation, and to increase their maximum allowable working power for given requirements for characteristics (degree of isolation).

Магнитные системы с высокой напряженностью поля необходимы и для разработки изоляторов Фарадея, предназначенных для лазеров среднего ИК диапазона, поскольку в этом диапазоне длин волн величина постоянной Верде магнитоактивных сред существенно ниже, чем в ближнем ИК.Magnetic systems with high field strengths are also necessary for the development of Faraday isolators designed for mid-IR lasers, since in this wavelength range the Verdet constant of magnetoactive media is significantly lower than in the near IR.

Создание изолятора Фарадея с высокой напряженностью поля требует определенной организации намагниченности в его магнитной системе. Оптимальному распределению намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея соответствует непрерывное изменение ее направления в объеме, которое определяется расположением конкретной точки относительно магнитооптического элемента (фиг. 1). Малый объем магнита с намагниченностью М и с координатой r создает в центре магнитной системы поле с проекцией на ось Z величиной:The creation of a Faraday insulator with high field strength requires a certain organization of magnetization in its magnetic system. The optimal distribution of magnetization in the magnetic system of the Faraday isolator corresponds to a continuous change in its direction in the volume, which is determined by the location of a particular point relative to the magneto-optical element (Fig. 1). A small volume of a magnet with magnetization M and with coordinate r creates a field in the center of the magnetic system with a projection onto the Z axis of the magnitude:

где θ - полярный угол, a Ψ - угол между радиус-вектором r положения этого объема магнита и вектором его намагниченности. Условие получения максимального поля выполняется при создании распределения, которому соответствует 2tgΨ=tgθ. Для такого распределения намагниченности в бесконечно длинной магнитной системе изолятора Фарадея (

W. Volondat, О. Cugat and

«Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere», Appl. Opt. 50, 4788-4797 (2011)) было получено выражение для величины магнитного поля в ее центре:where θ is the polar angle, a Ψ is the angle between the radius vector r of the position of this volume of the magnet and its magnetization vector. The condition for obtaining the maximum field is satisfied when creating the distribution, which corresponds to 2tgΨ = tgθ. For such a distribution of magnetization in the infinitely long magnetic system of the Faraday isolator (

W. Volondat, O. Cugat and

"Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere", Appl. Opt. 50, 4788-4797 (2011)), an expression was obtained for the magnitude of the magnetic field at its center:

Создание магнитных систем с непрерывным изменением направления намагниченности невозможно с практической точки зрения, однако к нему можно приближаться, используя различные подходы. В работе «Изоляторы Фарадея на постоянных магнитах с неортогональной намагниченностью» авторов Е.А. Миронова, А.В. Войтовича, О.В. Палашова (Квантовая Электроника, 41, 71-74, 2011 г.) была предложена и реализована магнитная система изолятора Фарадея, в которой наряду с коаксиально и радиально намагниченными кольцами использовались кольца с промежуточным направлением намагниченности. В статье «Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere» авторов G. Trenec, W. Volondat, O. Cugat and J. Vigue (Appl. Opt. 50, 4788-4797, 2011 г.) была исследована конструкция из аксиальных и радиальных конусных магнитов.The creation of magnetic systems with a continuous change in the direction of magnetization is impossible from a practical point of view, however, it can be approached using various approaches. In the work “Faraday Permanent Magnet Insulators with Non-Orthogonal Magnetization” by E.A. Mironova, A.V. Voitovich, O.V. Palashova (Quantum Electronics, 41, 71-74, 2011), a magnetic Faraday isolator system was proposed and implemented, in which rings with an intermediate direction of magnetization were used along with coaxially and radially magnetized rings. The article “Permanent magnets for Faraday rotators inspired by the design of the magic sphere” by G. Trenec, W. Volondat, O. Cugat and J. Vigue (Appl. Opt. 50, 4788-4797, 2011) was investigated axial and radial cone magnets construction.

Применение таких подходов позволяет создавать распределение намагниченности внутри магнитной системы изолятора Фарадея приближенное к оптимальному и, соответственно, получать магнитные поля с более высокой напряженностью при сохранении размеров устройства. Увеличение напряженности поля может быть использовано для уменьшения длины магнитооптического элемента и повышения максимально допустимой рабочей мощности. Однако, изготовление магнитов, отличных от коаксиально и радиально намагниченных колец, является технически сложной задачей, поскольку ферромагнитные сплавы Nd-Fe-B являются хрупкими, плохо поддающимися механической обработке. К тому же такое изготовление зачастую подразумевает обработку магнита в намагниченном виде на станке, что также вызывает ряд серьезных технологических проблем, решение которых не всегда оправдано получаемым выигрышем в величине поля.The application of such approaches allows one to create a magnetization distribution inside the magnetic system of the Faraday isolator that is close to optimal and, accordingly, to obtain magnetic fields with a higher intensity while maintaining the dimensions of the device. An increase in field strength can be used to reduce the length of the magneto-optical element and increase the maximum allowable working power. However, the manufacture of magnets other than coaxially and radially magnetized rings is a technically challenging task, since Nd-Fe-B ferromagnetic alloys are brittle, poorly machined. In addition, such manufacture often involves processing the magnet in a magnetized form on the machine, which also causes a number of serious technological problems, the solution of which is not always justified by the gain obtained in the field size.

Наиболее близким по технической сущности является изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля, описанный в патентном документе RU 2559863 «Изолятор Фарадея на постоянных магнитах для лазеров большой мощности» (публ. 27.06.2015 г, МПК G02F 1/09) и выбранный в качестве прототипа. Магнитная система данного устройства выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводов, причем использовались магниты только с коаксиальным и радиальным направлениями намагниченности. Ключевым моментом, позволяющим добиться увеличения напряженности магнитного поля, является использование магнитопроводов. Целесообразность их использования объясняется тем, что намагниченность насыщения ряда магнитопроводящих материалов существенно превышает остаточную индукцию самых сильных постоянных магнитов. При этом в магнитных системах изоляторов Фарадея существуют области, в которых величина поля достаточна для того, чтобы магнитопроводящие материалы достигли насыщения. При использовании магнитопроводов в магнитных системах изоляторов Фарадея можно выбрать области их размещения так, чтобы индуцированная в них намагниченность была направлена оптимальнее, чем в радиально и аксиально намагниченных кольцах. Однако при этом возникают нежелательные эффекты: в центральной области магнитной системы происходит перемагничивание областей постоянных магнитов из-за сильных локальных магнитных полей. В результате чего сильное размагничивающее поле перемещается вглубь центрального магнита и перемагничивает новые области. В конечном итоге перемагничивается важнейшая часть магнитной системы - область магнитов, наиболее близкая к магнитооптическому элементу. Поэтому в конструкции прототипа области магнитной системы, наиболее подверженные перемагничиванию, заполнены неферромагнитной средой. В итоге в магнитной системе прототипа удалось создать поля на оси с напряженностью 2,6 Тл.The closest in technical essence is the Faraday isolator with high magnetic field strength described in patent document RU 2559863 “Faraday permanent magnet isolator for high power lasers” (publ. 06/27/2015, IPC G02F 1/09) and selected as a prototype . The magnetic system of this device is made of permanent magnets and magnetic cores, and magnets with only coaxial and radial directions of magnetization were used. The key point to achieve an increase in the magnetic field is the use of magnetic cores. The expediency of their use is explained by the fact that the saturation magnetization of a number of magnetically conductive materials significantly exceeds the residual induction of the strongest permanent magnets. Moreover, in the magnetic systems of Faraday isolators, there are areas in which the field is sufficient for the magnetic conductive materials to reach saturation. When using magnetic cores in the magnetic systems of Faraday insulators, it is possible to choose the areas of their location so that the magnetization induced in them is directed more optimally than in radially and axially magnetized rings. However, undesirable effects arise in this case: in the central region of the magnetic system, magnetization reversal of the regions of permanent magnets occurs due to strong local magnetic fields. As a result, a strong demagnetizing field moves deep into the central magnet and magnetizes new areas. Ultimately, the most important part of the magnetic system is magnetized - the region of magnets closest to the magneto-optical element. Therefore, in the design of the prototype, the areas of the magnetic system that are most susceptible to magnetization reversal are filled with a non-ferromagnetic medium. As a result, in the magnetic system of the prototype, it was possible to create fields on the axis with a strength of 2.6 T.

Такой принцип построения магнитных систем изоляторов Фарадея приводит к большему выигрышу в величине магнитного поля, а реализация такого устройства проще с технической точки зрения по сравнению с магнитной системой, описанной в статье, приведенной выше.This principle of constructing the magnetic systems of Faraday insulators leads to a greater gain in the magnitude of the magnetic field, and the implementation of such a device is easier from a technical point of view in comparison with the magnetic system described in the article above.

Основным недостатком магнитной системы изолятора Фарадея прототипа является то, что отсутствуют области центрального магнита, граничащие с магнитопроводами, которые могли попасть в область перемагничивающего поля при сборке. Таким образом, отсутствуют области магнитного материала центральной наиболее важной части магнитной системы.The main disadvantage of the magnetic system of the prototype Faraday isolator is that there are no areas of the central magnet adjacent to the magnetic circuits that could get into the magnetizing field during assembly. Thus, there are no magnetic material regions of the central most important part of the magnetic system.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение максимально допустимой рабочей мощности изолятора Фарадея при сохранении заданной степени изоляции (30 дБ) за счет увеличения напряженности поля его магнитной системы.The problem to which the invention is directed is to increase the maximum allowable working power of the Faraday isolator while maintaining a given degree of isolation (30 dB) by increasing the field strength of its magnetic system.

Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея на постоянных магнитах с высокой напряженностью магнитного поля достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический элемент, установленный в магнитной системе, и анализатор. При этом магнитная система состоит из последовательно расположенных на ее оси первого бокового постоянного магнита, центрального постоянного магнита с намагниченностью, ориентированной вдоль оси магнитной системы, и второго бокового постоянного магнита, причем намагниченности боковых постоянных магнитов лежат в плоскости, перпендикулярной оси магнитной системы, и ориентированы в противоположных направлениях к оси системы и от нее, а также магнитопроводов, расположенных вдоль оси магнитной системы на внутренней поверхности боковых постоянных магнитов.The technical result in the developed Faraday permanent magnet insulator with high magnetic field strength is achieved due to the fact that, like the prototype, it contains a polarizer, a magneto-optical element installed in the magnetic system, and an analyzer, which are sequentially located on the optical axis. In this case, the magnetic system consists of a first lateral permanent magnet, a central permanent magnet with a magnetization oriented along the axis of the magnetic system, and a second side permanent magnet sequentially located on its axis, and the magnetization of the side permanent magnets lie in a plane perpendicular to the axis of the magnetic system, and are oriented in opposite directions to and from the axis of the system, as well as magnetic circuits located along the axis of the magnetic system on the inner surface of the side permanent magnets.

Новым в разработанном изоляторе Фарадея является то, что магнитопроводы размещены таким образом, что между ними и центральным постоянным магнитом расположены области боковых постоянных магнитов.New in the developed Faraday isolator is that the magnetic cores are arranged in such a way that the regions of side permanent magnets are located between them and the central permanent magnet.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея магнитная система также содержит дополнительные постоянные магниты, расположенные вдоль оси магнитной системы на внутренней поверхности боковых постоянных магнитов со стороны удаленных от магнитооптического элемента торцов магнитопроводов, и имеющие намагниченность, ориентированную противоположно намагниченности центрального постоянного магнита.In the particular case of the implementation of the developed Faraday isolator, the magnetic system also contains additional permanent magnets located along the axis of the magnetic system on the inner surface of the side permanent magnets from the ends of the magnetic cores remote from the magneto-optical element and having a magnetization oriented opposite to the magnetization of the central permanent magnet.

В другом частном в изоляторе Фарадея на постоянных магнитах с высокой напряженностью магнитного поля магнитопроводы выполнены из низкоуглеродистой нелегированной стали или сплава железа, кобальта и ванадия.In another particular case in permanent Faraday isolators with permanent magnets with a high magnetic field, the magnetic cores are made of low-carbon unalloyed steel or an alloy of iron, cobalt and vanadium.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлено рассчитанное оптимальное распределение намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея.In FIG. Figure 1 shows the calculated optimal distribution of magnetization in the magnetic system of the Faraday isolator.

На фиг. 2 представлена магнитная система с нежелательными областями перемагничивания.In FIG. 2 shows a magnetic system with undesirable magnetization reversal regions.

На фиг. 3 представлена схема разработанного авторами изолятора Фарадея.In FIG. Figure 3 shows a diagram of the Faraday isolator developed by the authors.

Создание изолятора Фарадея с высокой напряженностью поля требует определенной организации намагниченности в его магнитной системе. Оптимальному распределению намагниченности в магнитной системе изолятора Фарадея (фиг. 1) соответствует непрерывное изменение ее направления в объеме, которое определяется расположением конкретной точки относительно магнитооптического элемента.The creation of a Faraday insulator with high field strength requires a certain organization of magnetization in its magnetic system. The optimal distribution of magnetization in the magnetic system of the Faraday isolator (Fig. 1) corresponds to a continuous change in its direction in the volume, which is determined by the location of a particular point relative to the magneto-optical element.

На фиг. 2 показана магнитная система, состоящая из центрального постоянного магнита 1 с коаксиальной намагниченностью, боковых постоянных магнитов 2 с радиальной намагниченностью и магнитопроводов 3, позволяющих добиться увеличения напряженности магнитного поля. Намагниченность насыщения ряда магнитопроводящих материалов существенно превышает остаточную индукцию самых сильных постоянных магнитов. При этом в магнитных системах изоляторов Фарадея существуют области, в которых величина поля достаточна для того, чтобы магнитопроводящие материалы достигли насыщения. Использование магнитопроводов 3 в магнитных системах изоляторов Фарадея выгодно также тем, что можно выбрать области их размещения таким образом, чтобы индуцированная в них намагниченность имела промежуточное направление. Таким образом, намагниченность всей магнитной системы в целом приближается к желаемому оптимальному виду (фиг. 1).In FIG. 2 shows a magnetic system consisting of a central permanent magnet 1 with coaxial magnetization, side permanent magnets 2 with radial magnetization and magnetic cores 3, allowing to increase the magnetic field strength. The saturation magnetization of a number of magnetically conductive materials significantly exceeds the residual induction of the strongest permanent magnets. Moreover, in the magnetic systems of Faraday isolators, there are areas in which the field is sufficient for the magnetic conductive materials to reach saturation. The use of magnetic cores 3 in the magnetic systems of Faraday insulators is also advantageous in that it is possible to choose their location areas so that the magnetization induced in them has an intermediate direction. Thus, the magnetization of the entire magnetic system as a whole approaches the desired optimal form (Fig. 1).

При таком подходе область магнитов, которую выгодно заменить магнитопроводами 3, вплотную приближается к центральному постоянному магниту 1 с коаксиальным направлением намагниченности. Но близость магнитопроводов 3 к центральному постоянному магниту 1 приводит к усилению локальных размагничивающих полей в нем, которые в отсутствии магнитопроводов 3 значительно слабее. Наличие этих локальных размагничивающих полей может привести к смене направления намагниченности в i-ых областях 4 центрального постоянного магнита 1. Кроме того, после перемагничивания каждая i-ая область 4 начинает создавать вблизи себя поле с напряженностью Н, противоположной изначальному направлению намагниченности М. В результате этого сильное размагничивающее поле перемещается вглубь центрального постоянного магнита 1 и перемагничивает новые j-ые области 5 и так далее. В результате система может размагнититься.With this approach, the region of magnets, which is advantageously replaced by magnetic cores 3, closely approaches the central permanent magnet 1 with the coaxial direction of magnetization. But the proximity of the magnetic cores 3 to the central permanent magnet 1 leads to an increase in the local demagnetizing fields in it, which in the absence of the magnetic cores 3 are much weaker. The presence of these local demagnetizing fields can lead to a change in the direction of magnetization in the ith regions of 4 of the central permanent magnet 1. In addition, after magnetization reversal, each ith region of 4 begins to create a field near itself with a strength H opposite to the original direction of magnetization M. As a result of this, a strong demagnetizing field moves deep into the central permanent magnet 1 and magnetizes the new jth regions 5 and so on. As a result, the system may be demagnetized.

Разработанный изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля, представленный на фиг. 3, содержит магнитооптический элемент 6, помещенный в магнитную систему. Снаружи магнитной системы, вдоль оптической оси изолятора Фарадея находятся поляризатор 7 и анализатор 8, расположенные по разные стороны магнитооптического элемента 6. Магнитная система изолятора содержит центральный постоянный магнит 1 с коаксиальной намагниченностью, два боковых постоянных магнита 2 с радиальной намагниченностью и магнитопроводы 3.The designed Faraday isolator with high magnetic field strength, shown in FIG. 3 contains a magneto-optical element 6 placed in a magnetic system. Outside the magnetic system, along the optical axis of the Faraday isolator, there are a polarizer 7 and an analyzer 8 located on opposite sides of the magneto-optical element 6. The magnetic system of the insulator contains a central permanent magnet 1 with coaxial magnetization, two side permanent magnets 2 with radial magnetization and magnetic circuits 3.

Центральный постоянный магнит 1 и магнитопроводы 3 располагают таким образом, чтобы между ними находились области 9 боковых постоянных магнитов 2 с радиальным направлением намагниченности. Такое отдаление магнитопроводов 3 от центрального постоянного магнита 1 снижает размагничивающее поле в нем, позволяя минимизировать объем магнитов, попадающих в области перемагничивания. В результате, в отличие от магнитной системы изолятора Фарадея прототипа, удается избежать удаления из центральной части системы магнитов, которые расположены в непосредственной близости от магнитооптического элемента 6 и оказывают существенное влияние на величину магнитного поля в нем. Таким образом, предложенная конструкция позволяет оптимизировать расположение и форму магнитопроводов 3 для максимизации величины магнитного поля в области магнитооптического элемента 6 с учетом эффекта размагничивания, который становится принципиально важным в системах постоянных магнитов с высокой напряженностью поля.The central permanent magnet 1 and the magnetic cores 3 are arranged so that between them are regions 9 of the side permanent magnets 2 with a radial direction of magnetization. Such a distance of the magnetic cores 3 from the central permanent magnet 1 reduces the demagnetizing field in it, thereby minimizing the volume of magnets falling in the magnetization reversal region. As a result, unlike the magnetic system of the Faraday isolator of the prototype, it is possible to avoid removing from the central part of the system of magnets that are located in the immediate vicinity of the magneto-optical element 6 and have a significant effect on the magnitude of the magnetic field in it. Thus, the proposed design allows optimizing the location and shape of the magnetic cores 3 to maximize the magnetic field in the region of the magneto-optical element 6, taking into account the demagnetization effect, which becomes fundamentally important in permanent magnet systems with high field strengths.

В частном случае реализации предложенного изолятора Фарадея магнитная система содержит расположенные на удалении от магнитооптического элемента 6 дополнительные постоянные магниты 10 с намагниченностью, ориентированной противоположно намагниченности центрального постоянного магнита 1. Это позволяет добиться дополнительного увеличения магнитного поля, поскольку, как видно из фиг. 1, направление намагниченности в дополнительных магнитах 10 близко к оптимальному направлению намагниченности в области их расположения.In the particular case of the implementation of the proposed Faraday isolator, the magnetic system contains additional permanent magnets 10 located away from the magneto-optical element 6 with a magnetization oriented opposite to the magnetization of the central permanent magnet 1. This allows an additional increase in the magnetic field, since, as can be seen from FIG. 1, the direction of magnetization in the additional magnets 10 is close to the optimal direction of magnetization in the region of their location.

В свою очередь, увеличение напряженности магнитного поля позволяет укоротить магнитооптический элемент 6 и снизить тепловыделение в нем.In turn, an increase in the magnetic field allows you to shorten the magneto-optical element 6 and reduce heat in it.

В другом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно использовать в качестве материала магнитопроводов 3 низкоуглеродистую нелегированную сталь или сплав железа, кобальта и ванадия. Эти материалы обладают высоким значением намагниченности насыщения, то есть их использование позволяет достичь высокого значения магнитного поля в магнитной системе изолятора Фарадея.In another particular case of the implementation of the developed Faraday insulator according to claim 3, it is advisable to use low-carbon unalloyed steel or an alloy of iron, cobalt and vanadium as the material of the magnetic cores 3. These materials have a high saturation magnetization, that is, their use allows you to achieve a high magnetic field in the magnetic system of the Faraday isolator.

Разработанный изолятор Фарадея с высокой напряженностью магнитного поля работает следующим образом. Пучок лазерного излучения (в общем случае -неполяризованного) на прямом проходе через поляризатор 7 делится на нем на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Один из этих пучков выводится из схемы поляризатором 7 и далее не рассматривается. Оставшийся пучок проходит через магнитооптический элемент 6, в результате чего плоскость его поляризации поворачивается на 45 градусов вокруг оси изолятора и проходит через анализатор 8. На обратном проходе через изолятор Фарадея пучок линейно поляризованного излучения в магнитооптическом элементе 6 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего начального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 7 отражается от него. Таким образом, будет обеспечена оптическая развязка излучения на прямом и обратном проходах. Однако поглощение части проходящего излучения в магнитооптическом элементе 6 приводит к появлению линейного двулучепреломления, связанного с механическими напряжениями, обусловленными градиентом температуры и фотоупругим эффектом. В результате появляются поляризационные искажения лазерного пучка, приводящие к потерям излучения на прямом проходе на анализаторе 8 и к прохождению части излучения на обратном проходе через поляризатор 7, то есть снижающие важнейшую характеристику устройства - степень изоляции. Отдаление магнитопроводов 3 от центрального постоянного магнита 1 магнитной системы изолятора позволяет снизить размагничивающие поля в нем и максимизировать величину магнитного поля в магнитооптическом элементе 6.The developed Faraday insulator with high magnetic field strength works as follows. A beam of laser radiation (generally unpolarized) in a direct passage through the polarizer 7 is divided into two beams with orthogonal linear polarizations. One of these beams is removed from the circuit by the polarizer 7 and is not considered further. The remaining beam passes through the magneto-optical element 6, as a result of which the plane of its polarization rotates 45 degrees around the axis of the insulator and passes through the analyzer 8. On the return pass through the Faraday isolator, the beam of linearly polarized radiation in the magneto-optical element 6 receives an additional change in the plane of polarization by 45 ° in the same direction (in the sum of 90 ° relative to its initial direction of polarization) and when passing through the polarizer 7 is reflected from it. Thus, optical isolation of radiation in the forward and backward passages will be provided. However, the absorption of part of the transmitted radiation in the magneto-optical element 6 leads to the appearance of linear birefringence, associated with mechanical stresses due to the temperature gradient and the photoelastic effect. As a result, polarization distortions of the laser beam appear, leading to radiation losses in the forward pass on the analyzer 8 and to the passage of part of the radiation in the return pass through the polarizer 7, that is, to reduce the most important characteristic of the device — the degree of isolation. The separation of the magnetic cores 3 from the central permanent magnet 1 of the magnetic system of the insulator allows to reduce the demagnetizing fields in it and maximize the magnitude of the magnetic field in the magneto-optical element 6.

Таким образом, построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет повысить напряженность магнитного поля в области расположения магнитооптического элемента 6. При этом достигается минимизация длины магнитооптического элемента 6 и тепловыделения в нем, что позволяет решить поставленную задачу, то есть увеличить максимально допустимую рабочую мощность изолятора при заданной степени изоляции.Thus, the construction of the Faraday isolator in accordance with paragraph 1 of the formula allows to increase the magnetic field strength in the region of the magneto-optical element 6. This minimizes the length of the magneto-optical element 6 and heat dissipation in it, which allows us to solve the problem, that is, increase the maximum allowable working insulator power for a given degree of isolation.

В конкретной реализации разработанного изолятора Фарадея в магнитной системе удалось создать поле с напряженностью более 3 Тл, что на ~ 20% больше, чем в магнитной системе изолятора Фарадея прототипа при одинаковых внешних габаритах и диаметре «чистой» апертуры. На такую же величину в процентном отношении должна возрасти и максимально допустимая рабочая мощность изолятора при использовании таких же магнитоактивных сред для магнитооптических элементов.In a specific implementation of the developed Faraday isolator in the magnetic system, it was possible to create a field with a strength of more than 3 T, which is ~ 20% more than in the magnetic system of the Faraday isolator of the prototype with the same external dimensions and the diameter of the “clean” aperture. The maximum permissible working power of the insulator should also increase by the same percentage percentage when using the same magnetoactive media for magneto-optical elements.

Claims

1. The Faraday isolator with permanent magnets with a high magnetic field strength, comprising a polarizer sequentially located on the optical axis, a magneto-optical element installed in the magnetic system, and an analyzer, the magnetic system consisting of a first lateral permanent magnet, central permanent, located on its axis a magnet with a magnetization oriented along the axis of the magnetic system and a second side permanent magnet, the magnetizations of the side permanent magnets lying in a plane perpendicular to the axis of the magnetic system and oriented in opposite directions to and from the axis of the system, as well as magnetic circuits along the axis of the magnetic system on the inner surface of the side permanent magnets, characterized in that the magnetic circuits are arranged so that between them and the central permanent magnet are located the area of the side permanent magnets.

2. The Faraday isolator with permanent magnets with a high magnetic field strength according to claim 1, characterized in that the magnetic system also contains additional permanent magnets located along the axis of the magnetic system on the inner surface of the side permanent magnets from the side of the ends of the magnetic cores, and having a magnetization oriented opposite to the magnetization of a central permanent magnet.

3. A Faraday permanent magnet insulator with a high magnetic field strength according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic cores are made of low-carbon unalloyed steel or an alloy of iron, cobalt and vanadium.