Главная / Библиотека / Изоляторы и вращатели Фарадея EOT: устройство и принцип работы

Изоляторы и вращатели Фарадея EOT: устройство и принцип работы

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.

шум

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.

сигнал

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:

f1_6.png         (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 45о. Пояснение к схеме на рис. 3: пусть ось первого поляризатора принята за 0о, ось второго - за 45о. Свет распространяется в прямом направлении, после прохождения через входной поляризатор будет линейно поляризован вдоль оси 0о. Затем пучок попадает во вращатель Фарадея, плоскость поляризации поворачивается на 45о, 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.

узкополосный изолятор-прямой ход

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

узкополосный изолятор-обратный ход

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.

эффективность

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.

рис6
Рисунок 6. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в прямом направлении

рис7

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:

ф2          (2)

 

 

где E0 = 9.223 эВ и Ed = 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:

f3_3.png           (3)

 

 

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

ф4               (4)

 

 

 

 

где a - радиус чистой апертуры, w - энергия гауссова пучка (по уровню интенсивности 1/e2радиус 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

 

 

Новые статьи
Измерение спектров флуоресценции Avantes

Флуоресцентная спектроскопия (т.н. флуорометрия или спектрофлуориметрия), представляет собой тип электромагнитной спектроскопии, при которой анализируется флуоресценция образца.

Применение дифракционных оптических элементов в преобразовании распределения интенсивности лазерного пучка

В статье изложены принципы работы и примеры использования современной дифракционной оптики: гомогенизаторов, светоделителей, формирователей профиля интенсивности.

Бриллюэновская спектроскопия

Высокая контрастность и подавление волн накачки в спектрометре LightMachinery HF-8999-532 позволили наблюдать отчетливый спектр Бриллюэна.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2