Изоляторы и вращатели Фарадея EOT: устройство и принцип работы

Введение

Вредное воздействие оптической обратной связи на лазерные диоды и осцилляторы известно достаточно давно, оно вызывает частотную нестабильность, релаксацию колебаний, усиление стимулированного излучения, в некоторых случаях повреждает оптические приборы.

С развитием лазерных технологий необходимость в защите устройства лазеров от влияния эффектов обратной связи возросла. Изоляторы Фарадея полностью пропускают свет, распространяющийся в одном направлении, и подавляют любое излучение, распространяющееся в противоположном. Таким образом устраняются эффекты оптической обратной связи. Рис. 1 и 2 демонстрируют этот факт.

Рисунок 1. График шума

На рис. 1 показан график шума, смещенный на 60 кГц от фактической частоты лазера с синхронизацией мод из-за отражений от поверхности стекла без покрытия. Излучение шума соответствует релаксационным колебаниям в лазере, возникающим из-за остаточной обратной связи. Рис. 2 иллюстрирует эффективность изоляторов Фарадея в устранении этой проблемы.

Рисунок 2. Сигнал, полученный после установки изолятора Фарадея

По сути, изолятор - это вращатель поляризации Фарадея. Вращатель поляризации представляет собой оптически неактивное вещество (в основном вращатели изготавливают из редкоземельных материалов), к которому прикладывают магнитное поле. Эффект, проявляющийся в виде вращения плоскости поляризации проходящего излучения с сохранением состояния самой поляризации, называется эффектом Фарадея. Угол поворота рассчитывается по формуле:

        (1) 

где θ - угол поворота плоскости поляризации, V - константа Верде магнитооптического материала, Hz - продольная компонента магнитного поля, z - длина магнитооптического материала.

Принцип работы изолятора Фарадея

Изолятор Фарадея состоит из трех частей: входного поляризатора, вращателя Фарадея, полуволновой пластинки и выходного поляризатора (анализатора). Оси поляризаторов повернуты относительно друг друга на 45^о. Пояснение к схеме на рис. 3: пусть ось первого поляризатора принята за 0^о, ось второго - за 45^о. Свет распространяется в прямом направлении, после прохождения через входной поляризатор будет линейно поляризован вдоль оси 0^о. Затем пучок попадает во вращатель Фарадея, плоскость поляризации поворачивается на 45^о, и свет беспрепятственно проходит через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении (см. рис. 4), то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернёт плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадет поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощен.

Рисунок 3. Схема оптического изолятора: свет распространяется в прямом направлении

Рисунок 4. Схема оптического изолятора: свет распространяется в обратном направлении

Широкополосные оптические изоляторы для титан-сапфировых и прочих перестраиваемых лазеров

Широкополосные оптические изоляторы разработаны специально для таких приложений оптических технологий, как, например, создание отдельных изолирующих усилителей в цепях с титан-сапфировыми усилителями. Благодаря широкополосному диапазону, такие изоляторы позволяют мгновенно перестроить диапазон лазерного излучения. Стандартные изоляторы способны обеспечить высокую изоляцию и передачу только в узком диапазоне длин волн, шириной от 30 нм до 40 нм.

Общий диапазон пропускания широкополосных изоляторов составляет порядка 250 нм. Для расширения диапазона можно использовать дополнительные инструменты, но в таком случае потребуются некоторые ручные манипуляции: перемещение вращателя Фарадея в магнитном поле или настройка поляризаторов для компенсации изменения угла поворота.

Использование дополнительных инструментов, безусловно, расширит диапазон длин волн изолятора, однако эффективность всей системы практически не изменится. На рис. 5 показана передача и изоляция, достигнутая с помощью широкополосных изоляторов с центральной длиной волны 800 нм. Анализируя эти кривые и производя оценку, можно сформулировать следующее: в определенной конфигурации данный изолятор Фарадея может обеспечить изоляцию > 30 дБ и передачу свыше 70% одновременно в очень большом диапазоне длин волн.

Рисунок 5. Кривые эффективности изолятора Фарадея: пропускание и изоляция в зависимости от длины волны

Принцип работы широкополосных изоляторов

Широкий диапазон оптических изоляторов обусловлен компенсацией дисперсии во вращателе Фарадея. Дисперсия компенсируется с помощью кварцевого вращателя, установленного после вращателя Фарадея.

Направление вращения плоскости поляризации в ротаторе Фарадея зависит от направления магнитного поля, а направление вращения в кварцевом вращателе зависит от направления света, распространяющегося через него. При использовании кварцевого оптического вращателя с дисперсией, аналогичной дисперсии во ​​вращателе Фарадея, и выравнивании вращателя Фарадея и вращателя поляризации на основе кварца таким образом, что вращение поляризации обратно отраженного света происходит в противоположных направлениях, изолятор Фарадея становится независимым от длины волны. Если вращатель Фарадея и кварцевый вращатель развернуты на 45° относительно друг друга (см. рис. 6) и имеют одинаковую дисперсию, то в прямом направлении плоскость поляризации развернется на 90°, в обратном поворот составит 0°. На рис. 7 показан обратный ход света, проходящего через широкополосный изолятор.

Рисунок 6. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в прямом направлении

Рисунок 7. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в обратном направлении

Дисперсия в ультрабыстрых титан-сапфировых лазерах, уравнение Селмейера для генерации третьей гармоники

В фемтосекундных титан-сапфировых лазерах уширение импульса, вызванное дисперсией во вращателе Фарадея, является серьезной проблемой. Ниже приведено уравнение Селмейера для тербий-галлиевого граната:

         (2)

где E₀ = 9.223 эВ и E_d = 25.208 эВ.

Основные оптические компоненты изолятора Фарадея

Оптика вращателя Фарадея: главным элементом изолятора, очевидно, считается магнитооптическое вещество во вращателе. Основной характеристикой магнитооптического вещества является достаточно высокая постоянная Верде: данная константа проявляется в виде низких коэффициентов поглощения и нелинейного показателя преломления, а также высокого порога повреждения. Кроме того, для предотвращения самофокусировки и других нежелательных эффектов (в том числе термических), оптический элемент должен быть как можно более компактным. Наиболее часто используемый магнитооптический материал для диапазона 650 - 1100 нм - это тербий-галлиевый гранат (TGG). Иногда применяется боросиликатное стекло, легированное тербием.

На производительность изолятора Фарадея серьезно влияют поляризаторы. Они должны иметь высокий порог повреждения, коэффициент затухания и иметь сниженные потери при передаче. В изоляторах диапазона от 1010 нм до 1080 нм используются оптически сопряженные кубические поляризаторы из плавленого кварца.

Коэффициент изоляции

В основном коэффициент изоляции определяется двумя факторами: коэффициентом затухания поляризационных пластин и вращающей оптики, а также радиальной однородностью ротатора Фарадея. Радиальная однородность - угол поворота поперечного сечения вращающей оптики. Следующее уравнение определяет коэффициент изоляции I.R. через коэффициент радиальной однородности вращателя Фарадея. Вращатель помещен между поляризаторами, коэффициент затухания которых ≥ 10-5 для гауссова пучка:

           (3)

здесь I.R. - коэффициент изоляции в зависимости от радиальной однородности.

               (4)

где a - радиус чистой апертуры, w - энергия гауссова пучка (по уровню интенсивности 1/e², радиус пучка r составляет 2/3 радиуса чистой апертуры), β(r) - радиальное изменение вращения (угол поворота вдоль оси θ(r) - θ).

Порог импульсного повреждения

Порог импульсного повреждения вращателей поляризации рассчитывается для каждой длительности импульса отдельно. Часто применяется так называемый метод Т-масштабирования.

Порог импульсного повреждения ротаторов диапазона 1010 - 1080 нм и широкополосных вращателей: 10 Дж/см² (τ/10 нс)^1/2, где τ - требуемая ширина импульса.

© Electro-Optics Technology, Inc. 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции EOT на территории РФ