Формирование заданных магнитных полей в магнитооптических элементах лазерных устройств

• Автор: Миронов, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Содержание:
Введение
Глава 1. Исследование факторов, влияющих на неоднородность магнитного поля в магнитооптических элементах
1.1. Эффект парамагнитного намагничивания и обусловленная им деполяризация
1.2. Неоднородность поля магнитной системы и обусловленная ей деполяризация как механизм компенсации аксиально-симметричных поляризационных искажений
1.3. Заключение
Глава 2. Улучшение характеристик изоляторов Фарадея при помощи оптимизации их магнитных систем
2.1. Увеличение напряженности поля магнитной системы за счет использования колец с неортогональной намагниченностью
2.2. Увеличение максимальной рабочей мощности за счет неоднородности поля магнитной системы
2.3. Увеличение напряженности поля и управление его неоднородностью в устройствах с квадратной световой апертурой
2.4. Заключение
Приложение. Аподизирующая диафрагма на постоянных магнитах
Заключение
Список литературы
Введение

Предмет исследования и актуальность темы
Принцип действия некоторых устройств, применяемых в лазерной технике, основан на эффекте Фарадея - повороте плоскости поляризации лазерного излучения при его прохождении через магнитоактивную среду, пометенную в магнитное ноле. Вращение плоскости поляризации излучения проявляется вследствие разницы показателей преломления для право- и левоциркулярно поляризованных волн, причина возникновения которой заключена в расщеплении энергетических уровней атомов среды при приложении магнитного поля. В зависимости от предназначения такого прибора, к параметрам поля, создаваемым его магнитной системой, могут быть предъявлены определенные требования. Традиционным условием является обеспечение заданной величины напряженности, но в последнее время в связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к характеристикам этих устройств, становятся актуальными задачи создания магнитного ноля определенного профиля.
Самым распространенным примером такого прибора могут служить изоляторы Фарадея (ИФ), позволяющие пропускать линейно поляризованное излучение практически без потерь в одном направлении и с большим ослаблением в обратном. За прошедшее время создан широчайший спектр оптических изоляторов, и сейчас подавляющее большинство лазерных схем, оперирующих со сколько-нибудь высокой мощностью, имеют в своем составе изоляторы Фарадея. Впервые они были описаны в научной литературе в начале 60-х годов прошлого века вскоре после изобретения лазера [1,2,3] и в настоящее время являются одними из ключевых элементов лазерных схем. Поскольку постоянная Верде магнитооптических элементов (МОЭ) зависит от длины волны [4], для разных диапазонов длин волн путем выбора подходящей магнитоактивной среды изготавливаются различные ИФ. Так,
например, для длин волн видимого диапазона были созданы изоляторы на базе кристаллов NaCl, ZnSe, тербий алюминиевого граната TAG [5,6,7] и магнитооптического стекла МОС-Ю5 [8]. Для ближнего ИК-диапазона, в котором работает большинство мощных твердотельных лазеров, изоляторы реализованы преимущественно на кристаллах тербий-галлиевого граната (TGG) и различных типах магнитооптического стекла на основе тербия [8,9,10,11,12]. Широкое использование магнитоактивных сред на основе иона ТЬ3+ для излучения этого диапазона длин волн обусловлено их хорошими магнитооптическими свойствами, однако в этом диапазоне могут быть использованы среды и на основе других ионов редкоземельных металлов, таких как Pr3+, Nd3+ [13,14], Dy3+[15,16], Eu3+ [17]. Также в последнее время активно исследуются среды на основе ТЬ3+ в сочетании с ионами Се3+ [18,19], Sc3+ , Lu3+ [20,21], поскольку в ряде случаев эти среды обладают лучшими свойствами. В среднем ИК-диапазоне широкое распространение получили изоляторы на основе кристалла железо-иттриевого граната YIG [22,23], для дальнего ИК-диапазона, приложений СОг-лазеров, сконструированы изоляторы на базе антимонида индия (InSb) и германия [24,25]. Существуют изоляторы Фарадея для поляризованного [26,27] и для неполяризованного излучения [11,28], имеющие в качестве магнитной системы импульсные соленоиды [3,5], соленоиды непрерывного действия [12,29] или постоянные магниты [10,11].
В последние годы наблюдался значительный прогресс в создании импульсно-периодических и непрерывных лазеров с длиной волны ~ 1 мкм. Современные дисковые и волоконные лазеры способны создавать непрерывное излучение мощностью в десятки кВт. Мощные импульсно-периодические лазеры сегодня широко востребованы в технологической, медицинской и военной сферах, а также в фундаментальных научных задачах (лазерный термоядерный синтез, получение сверхсильных полей, компактные ускорители частиц и т.д.). В связи с постоянным увеличением средней мощности как импульсно-периодических, так и непрерывных лазеров, все

|зіп2(А ср(г))і (г)гсіг

У- » (25)
11 (г)гсіг

Найдем неоднородность угла поворота плоскости поляризации Д<р(г), вызываемой зависимостью постоянной Верде от температуры, и условия ее компенсации неоднородностью магнитного поля. В случае степ-образного профиля интенсивности лазерного пучка радиусом а
Р0,г<а

І0,г>а
распределение температуры в области пучка по поперечному сечению МОЭ, найденное из уравнения термодиффузии, выглядит следующим образом [32]:
ссР г
г(г,'г°-^7 (2Д
где а и к — коэффициенты поглощения и теплопроводности среды, Р = ка21й - полная мощность излучения пучка, Т0 - температура среды в центре элемента.
Запишем выражение, описывающее эффект Фарадея,

ф(г) = V(г) ІН:(г,г)с/г (28)

Постоянная Верде парамагнитных магнитоактивных сред, наиболее часто применяющихся в ИФ (таких как ТОО, МОС), обратно пропорциональна температуре [49]:
V = Р/Т (29)
Неоднородность интеграла от осевой компоненты напряженности магнитного поля по длине кристалла будем считать параболической:
А/2 Ґ 2 Ф
н:{г,2)с1г= + нр0,2)еЬ (30)