Фазовращатели Фарадея

В силовой оптике часто используются вращатели поляризации на основе эффекта Фарадея, состоящем в повороте поляризации излучения под действием внешнего магнитного поля в магнитооптическом веществе. В качестве магнитооптических материалов чаще всего используются магнитооптические стекла с большой постоянной Верде V _В, к тому же они имеют большую лучевую стойкость, что является важным, т.к. вращатели поляризации обычно используются в усилительных каскадах именно для решения задачи увеличения мощности излучения.

В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряженности магнитного поля Н. В отличие от случая естественной оптической активности знак угла поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея

Рис.2.3. Оптические схемы моноблоков на основе четырех (а) уголковых отражателей и двух (б) ретроотражателей ПВО, являющихся эквивалентами полуволновой пластинки

нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и радиомикроволновых устройств.

Для фазовращателей на основе эффекта Фарадея угол поворота φ (обычно в угловых минутах) поляризации излучения (вокруг направления распространения) определяется величиной и направлением магнитного поля Н:

φ = V _B H_zL, (3.1)

где H_z – проекция вектора напряженности магнитного поля на ось распространения излучения, A/м; L – длина магнитооптического вещества, м. Постоянная Верде V _B [мин/А] квадратично падает при росте длины волны излучения.

Большую величину постоянной Верде V _B имеют тяжелые сорта стекол, легированные тяжелыми элементами, например, свинцом. Так из стандартного ряда оптических стекол наибольшую V _B имеют тяжелые флинты (стекло марки ТФ1 имеет V _B = 0.011 мин/А для длины волны 1.06 мкм). В настоящее время существуют специальные магнитооптические стекла с повышенной V _B. В широкоапертурных системах выгодно использовать относительно недорогие сорта магнитооптического стекла с невысокой постоянной Верде (отечественные марки МОС-101 и МОС-31 V _B = 0.045 мин/А для длины волны 1.06 мкм). Существуют также коммерческие магнитооптические стекла, легированные редкоземельными элементами, с повышенной постоянной Верде V _B = 0.1 мин/А для длины волны 1.06 мкм (зарубежные марки FR-4 и FR-5).

Оценим величину напряженности Н и В индукции магнитного поля при которой осуществляется поворот поляризации на угол φ = 45° в лучшем случае продольного магнитного поля (Н_z = Н):

Н = φ/(V _B L), (3.2)

B = μ₀ H, (3.3)

где μ₀ = 4π^.10 ^{– 7} Гн/м – магнитная постоянная, тогда для длины волны 1.06 мкм при L = 0.1 м в случае стекла ТФ1 получим значения Н = 2.5^.10 ⁶ A/м, В = 3.1 Тл; в случае стекла МОС-101 – значения Н = 6.0^.10 ⁵ A/м, В = 0.75 Тл; в случае стекла FR-5 – Н = 2.5^.10 ⁵ A/м, В = 0.31 Тл. Значения магнитной индукции В ~ 0.5 Тл осуществляются в относительно недорогих редкоземельных постоянных магнитах, при условии небольшой апертуры магнитооптической среды (0.5–2 см). В широкоапертурных импульсных системах используются электромагниты на основе катушек индуктивности, в которые помещаются магнитооптические элементы.

Рассчитаем систему электропитания катушки индуктивности для широкоапертурного (апертурой 5 см) 45°-ного фазовращателя Фарадея на стекле МОС-101 (V _B = 0.045 мин/А, L = 4 см). Согласно выражению (3.2) требуемая напряженность магнитного поля в центре катушки составляет Н = 1.5^.10 ⁶ A/м. Сила тока I в витке катушки пропорциональна напряженности поля Н и обратно пропорциональна плотности намотки n = N / l, где N – число витков намотки, l – длина катушки. При учете конструктивно-геометрических параметров катушки (рис.3.1, а) можно записать

I = H (α – 1)/(k ^. n ^. F), (3.4)

где k = 5, N = 50 – число слоев и витков в слое намотки; α = a ₂/ a ₁ = 1.29 – отношение внешнего радиуса катушки (a ₂ = a ₁ + k (a + h) = 3.875 см) к внутреннему (а ₁ = 3 см – c учетом толщины корпуса катушки 0.5 см); a = 1.25 мм, b = 4 мм – размеры прямоугольного сечения медного провода; h = 0.5 мм – конструктивный зазор между витками; β = l /2a₁ = 3.88 – отношение длины (l = (b + h) N = 22.5 см) катушки к ее внутреннему диаметру; F = = 0.269 – функция конструктивно-геометрических параметров. Получим силу тока I = 1.46 кА.

Рис.3.1. Оптическая схема фазовращателя Фарадея (а) и электрическая схема его питания (б)

Требуемую силу тока в импульсном режиме можно реализовать в электрической схеме набора (8–10) LC -ячеек (рис.3.1, б), где С = 500 мкФ, L = 1.5 мГн, R = 1.73 Ом, при этом время разряда конденсаторов составит τ = 1.2 мс. Можно рассчитать прирост температуры Δ Т в катушке под действием такого импульса тока:

Δ Т = Q /(c ^. m), (3.5)

где Q = R _пр I ² τ = 4.3 кДж – выделенное тепло; R _пр = ρ L _пр/ s = 0.167 Ом – сопротивление провода обмотки (ρ = 1.55.10 ^{– 8} Ом^.м – удельное сопротивление меди, L _пр и s – длина и площадь сечения провода); с = 390 Дж^. кг ^{– 1}К ^{– 1} – удельная теплоемкость меди; m = 2.4 кг – масса провода, тогда получим Δ Т = 4.6 К, следовательно при работе с частотой 1 импульс в минуту катушка нагреется на 100 К примерно через 20 мин (без учета охлаждения).