Изоляторы Фарадея для лазеров высокой мощности

В лаборатории диагностики оптических материалов для перспективных лазеров ИПФ РАН разработаны оптические изоляторы с высоким уровнем допустимой рабочей мощности.

На сегодняшний день лазеры с одновременно высокой пиковой и средней по времени мощностью являются незаменимыми инструментами в проведении множества исследований, находящихся на передних рубежах современной науки. Они являются основой уникальных экспериментальных установок, таких как сверхъяркие источники излучения и установки для инерциального термоядерного синтеза. Без использования мощных лазеров на данный момент немыслимо развитие наиболее технологичных отраслей промышленности, медицины, космических программ.

Одним из ключевых элементов лазерных систем является поляризационный оптический изолятор или изолятор Фарадея. Его принцип действия основан на вращении плоскости поляризации излучения в магнитоактивном кристалле, помещённом в магнитное поле (эффект Фарадея). Направление вращения зависит от направления распространения излучения (по направлению магнитного поля или против), за счёт чего можно организовать его однонаправленное прохождение через устройство и предотвратить нежелательную обратную связь между различными частями оптической схемы лазера.

Использование изоляторов Фарадея в лазерах с высокой мощностью ограничено из-за поглощения излучения магнитоактивной средой. Тепловые упругие напряжения вызывают появление оптической анизотропии кристалла (пьезооптический эффект), в результате чего поляризация проходящего через него излучения искажается, снижая тем самым степень изоляции устройства. Связь изменения показателя преломления кристалла с возникающими в нём упругими напряжениями задаётся его пьезооптическим тензором.

Свобода в выборе ориентации кристаллографических осей магнитоактивного кристалла используется для минимизации термонаведённых поляризационных искажений в изоляторе Фарадея. С конца прошлого века известно, что если компоненты пьезооптического тензора кристалла удовлетворяют определенному условию, то существует выделенная ориентация кристаллографических осей в оптическом элементе, использование которой не приводит к возникновению поляризационных искажений излучения, несмотря на пьезооптический эффект. Работы, проведённые в ИПФ РАН, позволили выявить ряд магнитоактивных кристаллов, обладающих таким свойством, и продемонстрировать снижение на порядок уровня термонаведённых поляризационных искажений в изоляторах Фарадея на их основе.

Управление величиной поляризационных искажений также может осуществляться выбором геометрии оптического элемента и схемы организации теплоотвода от него, поскольку ими определяются тепловые упругие напряжения. Присоединение к оптической торцевой поверхности магнитоактивного кристалла среды с высоким значением теплопроводности меняет поток тепла в кристалле и обеспечивает более выгодное распределение напряжений. Экспериментальное исследование изоляторов Фарадея на базе таких композитных магнитоактивных структур продемонстрировало кратное увеличение их допустимой рабочей мощности.

Правильный выбор магнитоактивных кристаллов, ориентации кристаллографических осей в оптических элементах и организации теплоотвода от них позволили создать изоляторы Фарадея, работающие при комнатной температуре, с мультикиловаттным уровнем допустимой рабочей мощности.

Исследования поддержаны НЦМУ «Центр фотоники», при финансировании Министерством науки и высшего образования РФ, соглашение № 075-15-2022-316.

E.A. Mironov, I.L. Snetkov, A.V. Starobor, and Palashov, O.V. A perspective on Faraday isolators for advanced lasers // Applied Physics Letters 122(10), 100502 (2023).

Авторский коллектив: Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Старобор, О.В. Палашов.