Исследование вращателей Фарадея с криогенным охлаждением для лазеров высокой средней мощности

Предмет исследования и актуальность темы.

Поляризационные вентили или изоляторы Фарадея (ИФ) -оптические устройства, впервые описанные в научной литературе в начале 60-х годов прошлого века вскоре после изобретения лазера [1−3], и в настоящее время являются одними из ключевых элементов лазерных схем. При этом интерес к созданию более совершенных изоляторов Фарадея, возникший сразу после их появления [1−15], сохранился и по сей день [1627]. За это время создан широчайший спектр оптических изоляторов, и сейчас подавляющее большинство лазерных схем, оперирующих со сколько-нибудь высокой мощностью, имеют в своем составе изоляторы Фарадея. Поскольку постоянная Верде магнитооптических элементов (МОЭ) зависит от длины волны [28], 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 №С1, 2п8е, ТАв [10, 12, 14] и магнитооптического стекла МОС-Ю5 [6]- для ближнего и среднего ИК-диапазона, в котором работает большинство твердотельных лазеров, — изоляторы преимущественно на различных типах магнитооптического стекла и кристаллах тербий-галлиевого граната (ТОО) [6, 9, 17, 19, 21]- для дальнего ИК-диапазона, приложений СОг-лазеров, сконструированы изоляторы на базе антимонида индия (1п8Ь) и германия [4, 15]. Существуют изоляторы Фарадея для поляризованного [5, 22] и для неполяризованного излучения [19, 26], имеющие в качестве магнитной системы импульсные соленоиды [3, 10], соленоиды непрерывного действия [21, 24] или постоянные магниты [17, 19].

Но в связи с постоянным увеличением средней мощности как импульсно-периодических, так и непрерывных лазеров, все более актуальной представляется проблема усовершенствования изоляторов Фарадея адекватно росту мощности лазерного излучения по причине термонаведенных эффектов, возникающих в них из-за поглощения. Дело в том, что из-за относительно большого поглощения в МОЭ вращателей Фарадея (ВФ) (~10″ 3 см" 1) [20, 22, 29, 30] — ключевых элементах изоляторов — излучение в них подвергается сильному тепловому самовоздействию. Вызванное поглощением неоднородное по поперечному сечению распределение температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, обусловленному зависимостью постоянной Верде от температуры, к появлению, на ряду с циркулярным, линейного двулучепреломления (фотоупругий эффект) [3133] и к искажению волнового фронта проходящего через вращатель Фарадея оптического излучения (тепловая линза) [34].

Температурная зависимость постоянной Верде и фотоупругий эффект изменяют поляризацию излучения, в результате чего степень изоляции ВФ уменьшается. Ранее считалось [9], что степень изоляции устройства определяется температурной зависимостью постоянной Верде, а фотоупругий эффект еще не рассматривался, однако в [33] было теоретически предсказано, что при больших средних мощностях излучения степень изоляции определяется именно фотоупругим эффектом, впоследствии в работах [32, 35] этот факт получил экспериментальное подтверждение. Аберрации, вызванные тепловой линзой, не приводят к поляризационным искажениям лазерного излучения, но влияют на модовый состав проходящего через ВФ оптического излучения. Существуют задачи (например, детектирование гравитационных волн при помощи лазерных интерферометров [36−40]), где потери мощности в основной поперечной моде не должны превышать 1% — 2%. Компенсации термолинзы во ВФ посвящен ряд работ, к которым относятся [18, 29, 41,.

42]. Термолинза, в частности, может быть скомпенсирована с помощью поглощающего стекла [29, 41] или кристалла с отрицательным значением температурного коэффициента показателя преломления, например кристалла дейтерированного дигидрофосфата калия (БК1)Р) [42], что используется во многих современных изоляторах Фарадея.

Как упоминалось, степень изоляции — важнейшая характеристика изолятора Фарадея — большей частью определяется поляризационными искажениями — величиной деполяризации, вносимой магнитооптическим элементом в проходящее излучение. «Холодная» деполяризация, возникающая в МОЭ из-за неоднородности и неидеальности оптического элемента (свили, неоднородность кристаллической решетки и т. д.), и деполяризация, связанная с поперечной неоднородностью магнитного поля [5, 6], как правило, малы (~10″ 5−10~4). Деполяризация излучения, обусловленная поглощением в оптических элементах и называемая «горячей» или термонаведенной, целиком и полностью зависит от мощности оптического излучения. В лазерных системах с высокой средней мощностью излучения именно термонаведенная деполяризация, значительно превышая «холодную», определяет степень изоляции.

Существуют несколько подходов к проблеме уменьшения термонаведенной деполяризации излучения в магнитооптических элементах ВФ. В основе одного из них лежит идея вычитания фазового набега при помощи замены одного фарадеевского элемента, поворачивающего плоскость поляризации проходящего излучения на 45°, двумя 22.5°-ными фарадеевскими элементами, между которыми находится взаимный оптический элемент [18, 32, 35, 43]. При этом искажения, возникшие при проходе через первый элемент, частично компенсируются при прохождении через второй. Созданные на основе таких схем ИФ и зеркала Фарадея (ЗФ) [19, 44−46] обеспечивают надежную изоляцию при мощности проходящего излучения киловаттного уровня. В последние несколько лет предложен и апробирован еще один способ компенсации, при котором компенсирующий оптический элемент находится вне магнитного поля [23]. Преимущество данного подхода заключается в большей свободе выбора оптической среды для компенсирующего элемента: среда, вообще говоря, может быть и не магнитоактивной. Кроме того, применением такого метода компенсации термонаведенной деполяризации можно увеличить степень изоляции вращателей Фарадея, уже работающих по схеме с «традиционной» [32] компенсацией, либо без компенсации. Кроме того, применяется способ компенсации линейного двулучепреломления в оптических элементах при помощи одноосного кристалла, описанный в [47−49]. Другой подход к подавлению термонаведенных эффектов заключается в разбиении магнитооптического элемента на несколько тонких дисков, охлаждаемых через оптическую поверхность [50−53]. Такая геометрия приводит к существенному уменьшению поперечного градиента температуры в дисках. Теоретические оценки показывают, что переход от стержневой геометрии к дисковой позволит создать вращатели Фарадея, работающие при мощности до 10 кВт [50]. Для дальнейшего продвижения в диапазон больших мощностей нужны новые идеи и технические решения.

В качестве пути к созданию вращателей Фарадея для лазерного излучения с высокой средней мощностью рассматривается уменьшение тепловыделения непосредственно в магнитооптических элементах. Уменьшение тепловыделения может быть достигнуто либо за счет укорочения магнитооптического элемента, либо за счет уменьшения поглощения в нем.

Самым очевидным шагом в таком случае является поиск магнитоактивной среды с оптимальным соотношением магнитооптических и термооптических характеристик. Параметром качества в данном случае может служить магнитооптическая добротность, введенная в [33, 54, 55]. Интенсивные исследования в этом направлении ведутся с самого начала 60-х годов прошлого века [56]. Был рассмотрен широкий спектр оптических сред, в том числе, достаточно экзотических [7, 13], и в настоящее время оптимальной магнитоактивной средой для вращателей Фарадея признан тербий-галлиевый гранат (TGG) [57, 58]. Эта среда может быть эффективно использована в диапазоне длин волн 600. 1200 нм, в котором работает большинство лазеров с высокой средней мощностью. В более длинноволновом диапазоне может быть использован железо-иттриевый гранат (YIG) [8], а также YIG с замещением части ионов иттрия ионами гадолиния [11], церия [59]. Основным недостатком является тот факт, что в ферримагнитном кристалле YIG насыщение угла поворота плоскости поляризации излучения по магнитному полю наступает уже при 10−20 кЭ, что усложняет конструкцию магнитной системы ВФ и ужесточает требования к юстировке МОЭ. В парамагнитном TGG тоже существует эффект насыщения угла поворота плоскости поляризации излучения по магнитному полю, однако он возникает лишь при 400 кЭ [60].

В качестве альтернативы TGG могут рассматриваться также тербий-алюминиевый гранат (TAG), тербий-скандий-алюминиевый гранат (TSAG). Постоянная Верде TAG [61−63] и TSAG [64−67] на 35% больше, чем у TGG. При этом коэффициент теплопроводности TAG при комнатной температуре также на 30% больше, чем у TGG [68]. Однако вырастить образцы хорошего оптического качества апертурой больше 3−4 мм пока не удается [61]. В этом случае выходом становится изготовление оптической керамики. Это направление пристально изучается, и уже делаются успешные попытки изготовления TGG-керамики [21, 24, 69] и TAG-керамики [70] оптического качества. Таким образом, TAGи TSAG-керамика может в скором будущем составить конкуренцию TGG.

В диссертационной работе развивается другой подход к уменьшению тепловыделения во вращателях Фарадея — укорочение магнитооптического элемента. В свою очередь, укорочение магнитооптического элемента может быть обеспечено увеличением постоянной Верде парамагнитного МОЭ при охлаждении [3, 71], или увеличением магнитного поля. Существует целый ряд способов увеличения напряженности магнитного поля, среди них — применение в магнитных системах магнитопроводов [22] и постоянных магнитов с неортогональной намагниченностью [72], охлаждение постоянных магнитов [4а], использование в качестве МС сверхпроводящих соленоидов [За], создающих в несколько раз более сильные магнитные поля.

Отметим, что охлаждение изоляторов Фарадея было предложено еще в 1967 г. [3] и было мотивировано отсутствием магнитооптических элементов хорошего оптического качества, обеспечивающих степень изоляции более 20Д6. Благодаря развитию технологий получения чистых МОЭ и высокоэнергетических ферромагнитных сплавов, имеющих большую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность, этот подход был на долгое время забыт. Сегодня охлаждение жидким азотом широко используется в мощном лазеростроении (для улучшения термооптических свойств [73], увеличения коэффициента усиления активных элементов [52, 74] и т. д.). На этом фоне очень привлекательно выглядит возможность существенного укорочения МОЭ (и, следовательно, значительного уменьшения выделения тепла в нем) за счет как увеличения при охлаждении постоянной Верде парамагнитных магнитооптических элементов [71, 75−79], так и роста поля постоянных магнитов [57, 80, За]. Отметим, что охлаждение МОЭ приводит и к улучшению термооптических характеристик [1а, 6а, 7а], а также к уменьшению «холодной» деполяризации [1а].

Устройство, в котором вращатель Фарадея подвергается охлаждению до азотных температур, получило название «криогенный изолятор Фарадея» [5 а]. В настоящее время ведутся работы по конструированию магнитной системы для КИФ, создающей поле ~ 2,5 Тл [17], что позволит укоротить МОЭ и поднять планку максимальной мощности.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке вращателей Фарадея с криогенным охлаждением для лазеров со средней мощностью мультикиловаттного уровня. Для изучения преимуществ криогенного охлаждения и достижения цели работы были решены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование температурных зависимостей термонаведенной деполяризации, постоянной Верде, оптической силы тепловой линзы, параметра оптической анизотропии термооптических констант Р я Q для распространенных магнитоактивных сред в диапазоне температур 300−80 К.

2. Экспериментальное исследование температурных зависимостей напряженности магнитного поля самарий-кобальтового (8т-Со) и неодим-железо-борного (Ш-Ре-В) ферромагнитных сплавов в диапазоне температур 300−80 К.

3. Разработка вращателей Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитной системы.

4. Разработка вращателя Фарадея, в котором магнитооптический элемент и магнитная система охлаждаются до температуры кипения жидкого азота — криогенного изолятора Фарадея, обеспечивающего надежную степень изоляции лазерного излучения мультикиловаттного уровня.

5. Изучение возможности снижения термонаведенных эффектов, возникающих в магнитооптическом элементе за счет обеспечения теплоотвода через оптическую поверхность.

Научная новизна работы.

Научная новизна диссертационной работы обусловлена полученными в ней оригинальными результатами, а именно:

1. В диапазоне 300−80 К впервые измерены зависимости от температуры термооптических характеристик тербий-галлиевого граната (TGG), гадолиний-галлиевого граната (GGG), алюмо-иттриевого граната (YAG) и напряженности поля магнитных систем, состоящих из наиболее распространенных в производстве вращателей Фарадея Nd-Fe-B и Sm-Co ферромагнитных сплавов.

2. При температуре 80 К впервые измерены компоненты деполяризации, обусловленные поперечной неоднородностью магнитного поля (ун) и зависимостью постоянной Верде МОЭ от температуры (уу). Экспериментальные результаты подтверждены проведенными аналитическими оценками.

3. Разработаны и созданы вращателя Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитных систем, способные обеспечить стабильную степень изоляции лазерного излучения субкиловаттного уровня мощности.

4. В разработанном и созданном криогенном изоляторе Фарадея на магнитооптическом элементе стержневой геометрии впервые продемонстрирована стабильная степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1500 Вт.

5. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на дисковом магнитооптическом элементе, в котором дополнительное снижение термонаведенных эффектов обеспечивается организацией теплоотвода с оптической поверхности МОЭ. Вращатель обеспечивает стабильную степень изоляции лазерного излучения мощностью до 1400 Вт и способен обеспечить стабильную степень изоляции излучения мультикиловаттного уровня мощности.

Научная и практическая значимость работы.

В процессе развития лазерной техники постоянно увеличивается средняя мощность импульсно-периодического и непрерывного лазерного излучения. Для решения задачи взаимной оптической изоляции различных частей мощных лазерных схем требуются изоляторы Фарадея с криогенным охлаждением с уменьшенным тепловыделением в МОЭ. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и создании вращателей Фарадея, обеспечивающих стабильную степень изоляции лазерного излучения мощностью до 50 кВт. Кроме того, результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании других криогенных элементов лазеров: криогенных дисковых лазеров [81, 82], криогенных ячеек Поккельса [83], а также при реализации других способов охлаждения (элементы Пельтье, фреон-Я508).

На основе результатов диссертационной работы было разработано методическое пособие по использованию оптической автоматизированной криогенной системы, вошедшее в отчет по программе «СТАРТ-2009» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Результаты работы легли в основу Патента РФ на изобретение № 2 342 688 «Оптический вентиль для лазеров большой мощности», а также были удостоены двух дипломов победителей конкурса на право получения гранта правительства Нижегородской области в сфере науки и техники в 2007 году.

В 2011 году работа получила поощрительную премию на XIII конкурсе молодых ученых, а также получила поддержку в рамках программы «У.М.Н.И.К. — 2011».

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 121 страницу, включая 27 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 160 источников.

Краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе приводятся результаты исследования изменения термооптических характеристик нескольких магнитооптических сред при охлаждении жидким азотом от комнатной температуры 300 К до 80 К. Перед исследованием, изложенным в рамках данной главы, стояла задача выбрать магнитооптическую среду, использование которой в КИФ в качестве МОЭ было бы наиболее оправдано. Были рассмотрены температурные зависимости термооптических и магнитооптических характеристик трех широко распространенных гранатов — тербий-галлиевого граната (TGG), гадолиний-галлиевого граната (GGG), алюмоиттриевого граната (YAG). Поскольку постоянная Верде парамагнитных магнитооптических сред увеличивается при охлаждении [75−79], то можно рассчитывать на уменьшение длины МОЭ элемента, а, следовательно, и всех тепловых эффектов. В главе проводится сравнение рассмотренных магнитооптических сред, обсуждаются возможности и преимущества перехода от традиционных кристаллов TGG к другим гранатам. Кроме того, благодаря значительному укорочению магнитооптического элемента из кристалла TGG в рамках диссертационной работы оказалось возможно экспериментально измерить компоненту деполяризации излучения связанную с зависимостью постоянной Верде от температуры, теоретически описанную в [33], что, в частности, позволило измерить уменьшение термооптических постоянных Р и () при охлаждении от 300 К до 80 К. В первой главе приводятся результаты измерений, опубликованные в работах [1а, 2а, 6а, 7а].

Во второй главе приводятся результаты исследования возможностей укорочения МОЭ за счет увеличения магнитного поля [1а-5а]. Были рассмотрены температурные зависимости напряженности магнитного поля наиболее распространенных для создания магнитных систем (МС) ферромагнитных сплавов — неодим-железо борных (Ш-Ре-В) и самарий-кобальтовых (8ш-Со) магнитов. Было выявлено, что величина магнитного поля также изменяется при охлаждении магнитной системы [1а, 59, 82, 86], и при определенных условиях, в совокупности с эффектом увеличения постоянной Верде это позволит дополнительно укоротить магнитооптический элемент. Также в главе описываются вращатели Фарадея, в которых увеличение магнитного поля достигается за счет использования соленоидов, криогенно охлажденных до состояния сверхпроводимости [За, 4а]. Такие МС обеспечивают магнитное поле напряженностью до 50 кЭ. Особенностью описанных ВФ является то, что в процессе работы МОЭ находится при комнатной температуре.

В третьей главе описываются экспериментальные реализации новых типов вращателей Фарадея — криогенных изоляторов Фарадея (КИФ) [5а], качественно новых устройств, создание которых явилось логическим продолжением наших исследований [1а-4а], изложенных в первой и частично во второй главе. Как упоминалось, охлаждение вращателей Фарадей жидким азотом было предложено ранее [3], но необходимость этого была продиктована отсутствием магнитооптических элементов приемлемого оптического качества, ни о какой высокой средней мощности излучения и, соответственно, термонаведенных эффектах речь тогда не шла. Сейчас охлаждение жидким азотом широко используется и не выглядит громоздким. В то же время очень привлекательно выглядит возможность совокупного использования эффектов увеличения постоянной Верде и магнитного поля при охлаждении для значительного укорочения магнитооптического элемента и уменьшения термонаведенных эффектов в нем. Таким образом, работы по созданию КИФ были возобновлены [5а-7а]. Результаты измерений основных характеристик КИФ при мощности лазерного излучения более 1 кВт приведены в третьей главе.

Увеличение постоянной Верде и магнитного поля при охлаждении позволило существенно укоротить магнитооптический элемент из традиционной среды — кристалла TGG, значительно уменьшив в нем количество выделяемого тепла. А поскольку МОЭ КИФ, значительно укороченный по сравнению с традиционными ИФ, имеет форму диска, можно получить дополнительное подавление термонаведенных эффектов за счет организации торцевого теплоотвода [50, 52]. В третьей главе приводятся результаты модельных экспериментов по организации торцевого теплоотвода с оптических элементов, демонстрирующих уменьшение термонаведенных искажений [4а]. Этот эффект использован при создании КИФ на основе МОЭ из TGG дисковой геометрии с торцевым теплоотводом при помощи YAG и сапфира. Экспериментально продемонстрирована стабильная работа устройства при мощности греющего лазерного излучения 1400 Вт [7а].

В приложении к работе описывается принцип работы и основные характеристики неотъемлемой части КИФ, разработанной в процессе создания этого нового типа оптических вентилей — оптической автоматизированной криогенной системы (АКС) — автономной (не требующей подключения к азотной магистрали) системы с регуляцией температуры, позволяющей реализовать различные (по скорости и по форме зависимости температуры рабочего тела от времени), наперед заданные режимы охлаждения [5 а].

В заключении обсуждаются результаты работы и формулируются планы на ближайшее будущее. Основным результатом работы на данном этапе можно считать создание четырех оригинальных вращателей Фарадея, которых идеологически объединяет одно общее направление — криогенное охлаждение устройства или одной из его частей. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности создания ИФ, работающего при средней мощности вплоть до 50 кВт.

Положения, выносимые на защиту.

1. При охлаждении до 80 К парамагнитного кристалла ТОв в нем уменьшаются термооптические постоянные Р к Q, параметр оптической анизотропии В результате этого уменьшаются оптическая сила тепловой линзы и термонаведенная деполяризация, что в совокупности с увеличением постоянной Верде дает возможность увеличения максимальной мощности вращателя Фарадея с кристаллом ТОв в 10 раз по сравнению с комнатной температурой.

2. При охлаждении до 80 К парамагнитного кристалла ООв в нем уменьшаются параметр оптической анизотропии термооптическая постоянная <2 и увеличивается коэффициент теплопроводности. В результате этого уменьшается термонаведенная деполяризация, что в совокупности с увеличением постоянной Верде дает возможность увеличения максимальной мощности вращателя Фарадея с кристаллом ОвО в 12 раз по сравнению с комнатной температурой.

3. При охлаждении до 80 К напряженность магнитного поля магнитной системы из 1Чс1-Ре-В ферромагнитного сплава увеличивается линейно при охлаждении и достигает максимума при 160 К. При дальнейшем охлаждении напряженность уменьшается и при 80 К сравнивается с напряженностью при комнатной температуре. Напряженность магнитного поля магнитной системы из Sm-Co ферромагнитного сплава при охлаждении до 80 К увеличивается линейно. Таким образом, поскольку при комнатной температуре Sm-Co магниты обладают меньшим запасом магнитной энергии, чем Nd-Fe-B, при 80 К разница между рассмотренными ферромагнитными сплавами практически отсутствует.

4. Увеличение напряженности магнитного поля вращателей Фарадея за счет использования сверхпроводящих электромагнитов позволяет существенно увеличить максимальную мощность. Для поля напряженностью 50 кЭ, с МОЭ из стекла марки МОС-04 с поглощением 5−10″ 4 см" 1 длиной 9 мм максимальная мощность составляет 620 Втиз кристалла TGG с поглощением 10~3 см" 1 и длиной 3.5 мм — 6 кВт.

5. Использование в криогенном вращателе Фарад ея МОЭ из кристалла TGG в форме диска с длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7−10″ 4 см" 1 позволяет получить стабильную степень изоляции 30 дБ при мощности лазерного излучения 1500 Вт. При этом термонаведенным эффектом, ограничивающим максимальную мощность, является впервые экспериментально обнаруженная и измеренная деполяризация, вызванная температурной зависимостью постоянной Верде.

6. В криогенном вращателе Фарад ея с дисковым МОЭ возможно увеличение степени изоляции за счет торцевого теплоотвода. Для МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением.

7−10−4 см-1 возможно увеличение степени изоляции при помощи сапфирового диска до 33 дБ (при мощности излучения 1400 Вт) и при помощи диска из YAG — до 38 дБ (при мощности излучения 705 Вт). Обеспечение теплоотвода через обе оптические поверхности МОЭ при помощи двух дисков из YAG увеличивает максимальную мощность до 6 кВт.

Достоверность.

Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается их соответствием предварительным теоретическим оценкам, теоретическим зависимостям, построенным в более ранних работах, а также сторонним источникам данных, приведенным в списке цитируемой литературы.

Апробация результатов и публикации.

Настоящая диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в Институте прикладной физики РАН в 2004;2011 гг. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела 370 и отделения Нелинейной динамики и оптики, а также на следующих областных, всероссийских и международных конференциях и научных школах:

1) X Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2005.

2) Научная студенческая конференция Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ «ВШОПФ 2005», Нижний Новгород, 2005.

3) Конференция молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» XIII научной школы «Нелинейные волны — 2006», Нижний Новгород, 2006.

4) XI Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2006.

5) XII Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2007.

6) XIII Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2008.

7) VII международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2008.

8) XV Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2010.

9) IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Саров, 2010.

10) V Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Саров, 2011.

11) XVI Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2011.

12) International conference «ICONO/LAT 2005», St. Petersburg, Russia,.

2005.

13) Fourth Russian French Laser Symposium. Nice, France, 2005.

14) International conference «Photonics West», San Jose, California, USA,.

2006.

15) 12th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2006.

16) International conference «High Power Laser Beams 2006», N. Novgorod — Yaroslavl, Russia, 2006.

17) International conference «CLEO-Europe IQEC», Munich, Germany, 2007.

18) International conference «ICONO/LAT 2007», Minsk, Belarus, 2007.

19) 13th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2008.

20) 14th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2010.

21) International conference «ICONO/LAT 2010», Kazan, Russia, 2010.

22) International conference «Nonlinear Optics: East-West Reunion», Suzdal, Russia, 2011.

Результаты, обсуждающиеся в данной работе, докладывались на IX и XIII конкурсах молодых ученых ИПФ РАН в 2007 и 2011 годах, а также на конкурсе молодых специалистов ИПФ РАН «Техника эксперимента-2007».

По теме диссертации опубликовано 5 статей в реферируемых журналах, 2 статьи в сборниках трудов конференций SPIE-Proceedings и 23 тезиса конференций. Кроме того, материалы диссертационной работы легли в основу патента РФ на изобретение и методического пособия по использованию оптической автоматизированной криогенной системы.

Личный вклад автора.

Научным руководителем были поставлены задачи и определены основные направления исследования. Основные результаты диссертационной работы были получены либо автором лично, либо при его непосредственном участии совместно с И. Б. Мухиным и A.B. Старобором. Автор участвовал в разработке и создании измерительных оптических схем, используемых в [1а, 2а, 4а] для исследования термонаведенной деполяризации, тепловой линзы, постоянной Верде в различных магнитооптических элементах, напряженности поля постоянных магнитов в процессе их охлаждения до температуры кипения жидкого азота, а также для экспериментального исследования возможности уменьшения термонаведенных эффектов при помощи торцевого теплоотвода с оптического элемента. Созданные измерительные схемы впоследствии были использованы в [6а] для исследования температурных зависимостей термооптических характеристик нетрадиционных магнитоактивных сред. В рамках работ [За, 4а] автор участвовал в разработке схемы и измерениях характеристик вращателей Фарадея со сверхпроводящими соленоидами в качестве магнитных систем. В [5 а] была разработана, апробирована и испытана схема криогенного изолятора Фарадея с автоматизированной подачей жидкого азота. При непосредственном участии автора в [7а] была разработана и реализована схема криогенного изолятора Фарадея с автоматизированной подачей жидкого азота, обеспечивающая надежную степень изоляции при мощности лазерного излучения 1500 Вт, а также осуществлена частичная компенсация термонаведенных эффектов в дисковом магнитооптическом элементе за счет торцевого теплоотвода. Автор также принимал деятельное участие в разработке теоретических моделей [1а, 2а, 6а, 7а], в обработке и интерпретации экспериментальных результатов [1а-7а].

Автор считает своим приятным долгом выразить огромную благодарность своему научному руководителю О. В. Палашову за плодотворные идеи, критические замечания, постоянное внимание, поддержку и стимулирующую роль на всем процессе выполнения диссертационной работы. Большая часть результатов работы получена в тесном сотрудничестве с И. Б. Мухиным и A.B. Старобором, которым автор выражает глубокую признательность. Также хотелось бы с благодарностью отметить вклад в работу A.B. Войтовича (предоставленные сведения о ферромагнитных сплавах, расчет и сборка магнитных систем), В. В. Зеленогорского (разработка программного управления автоматизированной криогенной системой), Е. В. Катина и Д. В. Илларионова (электротехническое оснащение установки криогенного изолятора Фарадея). Автор выражает отдельную благодарность Е. А. Хазанову за внимание к работе и плодотворные обсуждения результатов.

Заключение

.

Резюмируя изложенное, подытожим основные результаты диссертационной работы, проведем оценку максимальной мощности при совокупном применении улучшений ВФ, описанных в работе и сформулируем некоторые планы дальнейших исследований в этом направлении.

В рамках диссертационной работы:

1. В результате измерения температурных зависимостей термооптических характеристик ряда гранатов выявлено, что при охлаждении до 80 К: a. в кристаллах тербий-галлиевого граната (TGG) термооптические постоянные Р и Q уменьшаются в 6,8 и 5,7 раза соответственно, параметр оптической анизотропии уменьшается в 1.8 раза. Кроме того, постоянная Верде увеличивается в 3,6 раза, у&trade-" уменьшается в 8 раз, что в совокупности позволяет увеличить Ртах в 10 раз. Также достигается ослабление оптической силы тепловой линзы в 3,4 раза. Впервые экспериментально обнаружена yF, ограничивающая максимальную мощность ИФ на дисковых МОЭb. в кристаллах гадолиний-галлиевого граната (GGG) параметр оптической анизотропии? уменьшается в 2,4 раза, Кроме того, постоянная Верде увеличивается в 2 раза, у&trade-11 уменьшается в 34 раза, что в совокупности позволяет увеличить Ртах в 12 разc. в кристаллах алюмоиттриевого граната (YAG), несмотря на наличие допирования 1%ат парамагнитных ионов Nd, имеющая небольшое значение при комнатной температуре постоянная Верде не изменяется при охлаждении. Однако, сравнение величин постоянных Верде кристаллов Nd: YAG (0,09 град-см" 1-кЗ" 1) и Yb: YAG (0,055 град-см" '-кЗ" 1) с чистым диамагнитным YAG (0,096 град-см" 1-кЗ" 1), с учетом одинакового направления вращения поляризации этими средами, подтверждает увеличение парамагнитной составляющей эффекта Фарадея при наличии парамагнитных допантов.

2. В результате измерения температурных зависимостей напряженности поля магнитных систем, состоящих из наиболее распространенных в производстве вращателей Фарадея ферромагнитных сплавов, выявлено, что при охлаждении до 80 К: напряженность магнитного поля неодим-железо-борного (Nd-Fe-B) сплава увеличивается линейно и достигает максимума при 160 К, при дальнейшем охлаждении напряженность уменьшается и при 80 К сравнивается с напряженностью при комнатной температуренапряженность магнитного поля самарий-кобальтового (Sm-Co) сплава увеличивается линейно во всем исследованном диапазоне температур. Таким образом, поскольку при комнатной температуре величина поля Sm-Co магнитов меньше поля Nd-Fe-B магнитов при одинаковой массе, при 80 К разница между рассмотренными ферромагнитными сплавами практически отсутствует.

3. При температуре 80 К измерены компоненты деполяризации, обусловленные поперечной неоднородностью магнитного поля и зависимостью постоянной Верде магнитооптического элемента от температуры. Экспериментальные результаты подтверждаются проведенными аналитическими оценками величины деполяризации, вызванной поперечной неоднородностью магнитного поля для случая квадратичной зависимости магнитного поля от поперечной координаты.

4. Разработаны и созданы вращатели Фарадея с использованием сверхпроводящих соленоидов в качестве магнитных систем. Экспериментально продемонстрирована возможность уменьшения термонаведенных эффектов в дисковом МОЭ при помощи организации теплоотвода через оптическую поверхность. Получено уменьшение термонаведенной деполяризации в 1,6 раза при мощности излучения 96 Вт. Для вращателя Фарадея с МОЭ из стекла марки МОС-04 с поглощением 5−10~4 см~1 длиной 9 мм максимальная мощность составляет 620 Втиз TGG с поглощением 10~3 см~1 и длиной 3.5 мм — 6 кВт.

5. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7−10~4 см~1, в котором продемонстрирована стабильная степень изоляции 30 дБ при мощности лазерного излучения 1500 Вт.

6. Разработан и создан криогенный изолятор Фарадея на дисковом МОЭ из кристалла TGG длиной 3,4 мм и сниженным поглощением 7−10″ 4 см" 1, в котором за счет торцевого теплоотвода осуществляется дополнительное увеличение степени изоляции с 30 дБ до 33 дБ (при мощности излучения 1400 Вт) при помощи сапфирового диска и с 36 дБ до 38 дБ (при мощности излучения 705 Вт) при помощи диска из YAG. Обеспечение теплоотвода через обе оптические поверхности МОЭ при помощи двух дисков из YAG увеличит, по оценкам, степень изоляции до 37 дБ (при мощности излучения 1400 Вт), а максимальную мощность — до 6 кВт.

Проведем оценки максимальной мощности криогенного изолятора Фарадея при совокупном использовании всех улучшений ВФ, описанных в рамках диссертационной работы.

Как было получено, наилучшей средой для КИФ является TGG, при этом магнитооптический элемент будет иметь дисковую геометрию, а доминирующим термонаведенным эффектом, ограничивающим степень изоляции при большой мощности излучения, является уу. Возникновение уу обусловлено неоднородным распределением угла поворота плоскости поляризации (угол поворота увеличивается от центра к краю МОЭ).

Поэтому, при определенном значении Р1аз эта компонента деполяризации может быть полностью скомпенсирована при помощи специально рассчитанных «линзового» фазового вращателя (поворачивающего поляризацию в центре пучка больше, чем на краю) или магнитной системы с «обратной» неоднородностью [72] (в центре МОЭ значение магнитного поля выше, чем на краю). После такой процедуры, степень изоляции КИФ при большое мощности будет ограничиваться компонентой деполяризации ут, обусловленной фотоупругим эффектом, для которой справедливы оценки, проведенные в работах [За, 4а].

Согласно (14), при заданной величине ут мощность излучения Ртах пропорциональна величине к. Как показали эксперименты, параметр аб.

О— при 77 К уменьшается в 3 раза, а рост постоянной Верде и магнитного к поля позволяет уменьшить длину кристалла Ь в 5 раз, т. е. Рь увеличивается в 15 раз.

Как отмечалось в первой главе, кристаллы ТОО выращиваются двумя способами — из флюса либо из расплава. Используемый нами в эксперименте кристалл ТОО был выращен из расплава. Теплопроводность таких кристаллов в диапазоне температур 300−80 К практически постоянна [68], поэтому измеренное уменьшение деполяризации уТ связано с уменьшением Qa. В то же время кристаллы ТОО, выращенные из флюса, при 77 К имеют вдвое большую теплопроводность [68], т. е. при этой тем.

Оа пературе параметр будет в 6 раз больше, чем при 300 К. Таким образом, к для криогенного ИФ средняя мощность может быть увеличена в 30 раз, что позволяет использовать его при проходящей мощности в несколько киловатт. Поскольку отношение Р/(2 мало зависит от температуры, все сказанное выше справедливо с точки зрения не только изоляции, но и оптической силы тепловой линзы.

В ИФ с компенсацией деполяризации к 30-кратному выигрышу добавляется еще эффект уменьшения поскольку в таких изоляторах.

Фарадея у&trade-" зависит от Е, причем, чем меньше тем меньше у&trade-" 1 [32]. Уменьшение^ при 77 К составит примерно в 1.9 раза (т.е. с 2.25 до 1.2). При этом максимальная мощность дополнительно увеличивается в 1.6 раза [32]. Поскольку подобные ИФ при комнатной температуре могут работать при мощности излучения 1−2 кВт, при Т = 77К максимальная мощность составит порядка 50 кВт.

Конечно, создание подобных вращателей Фарадея сопряжено с целым рядом сложностей. К ним относятся необходимость конструирования магнитных систем особых конфигураций, новых способов обеспечения теплоотвода, наличие криогенной камеры, автоматизированной криогенной системы и т. д. Но это технические трудности, которые могут быть решены. Принципиальные физические причины, препятствующие продвижению в стокиловаттный диапазон мощностей, отсутствуют.

Список сокращений и определения основных понятий.

В диссертационной работе используются следующие сокращения:

ИФ — изолятор Фарадея.

ВФ — вращатель Фарадея.

МОЭ — магнитооптический элемент.

MC — магнитная система.

АКС — автоматизированная криогенная система.

TGG — тербий-галлиевый гранат.

GGG — гадолиний-галлиевый гранат.

YAG — алюмо-иттриевый гранат.

YIG — железо-иттриевый гранат.

МОС — магнитооптическое стекло.

Nd-Fe-B — ферромагнитный неодим-железо-борный сплав Sm-Co — ферромагнитный самарий-кобальтовый сплав.

В диссертационной работе используются следующие понятия: Изучение высокой средней мощности — лазерное излучение со средней мощностью более 1 кВт.

Криогенное охлаждение — значительное уменьшение температуры рабочего тела по сравнению с комнатной температурой при помощи жидкого азота или жидкого гелия.

Термооптические характеристики среды — под термооптическими характеристиками среды мы понимаем коэффициенты поглощения (а) и теплопроводности (к) среды, термооптические постоянные Р, () [88] и параметр оптической анизотропии.

Термооптические характеристики вращателя Фарадея — под термооптическими характеристиками ВФ мы понимаем степень изоляции I и фокусное расстояние тепловой линзы ¥-т, возникающей в устройстве. Максимальная мощность (^тах) — величина средней мощности лазерного излучения, при которой ВФ обеспечивается стабильная, т. е неизменная во времени, степень изоляции /=25 дБ.