Магнитооптические модуляторы.

Как и электрическое поле, магнитное поле может сильно изменять оптические характеристики материалов. Различают линейные магнитооптические эффекты [1,8] — Фарадея для проходящего сквозь кристалл пучка излучения и Керра для отраженного пучка, и квадратичный (эффект Коттон-Мутона для жидкостей и ряда кристаллов). Последний можно рассматривать как аналог электрооптического эффекта Керра для магнитного поля. Он практически не используется в ПВМЛИ, поэтому останавливаться на нем не будем.

Магнитооптические эффекты Фарадея и Керра основываются на явлении искусственной анизотропии не для линейно, а циркулярно поляризованного излучения и ведут к повороту плоскости поляризации оптического излучения под действием магнитного поля. Их происхождение обусловлено изменением тензора диэлектрической проницаемости среды в магнитном поле. Если поле направлено вдоль оси z, то в результате прецессии магнитных моментов атомов вокруг этого направления появляются составляющие поля по осям x и y, так что тензор диэлектрической проницаемости приобретает асимметрию. Компонента тензора, определяющая интенсивность поляризации, возникающей в направлении x под действием составляющей поля, колеблющегося в направлении y, может быть определена через проекцию на ось z вектора гирации, которую можно обозначить как g. Поскольку линейно поляризованную волну, падающую на пластинку магнитооптического материала, можно разложить на две поляризованные по кругу с противоположными направлениями вращения и различными скоростями распространения, определяемыми показателями преломления

(13.12)

(здесь знаки + и — соответственно относятся к левому и правому вращению плоскости поляризации, а n₀ — показатель преломления среды в отсутствие магнитного поля), на пути l возникает фазовая задержка

(13.13)

между двумя составляющими поляризации, вращающимися в разные стороны.

Результирующий поворот плоскости поляризации на выходе из кристаллической пластинки, можно определить традиционным образом — с помощью анализатора, скрещенного в исходном положении по отношению к входному поляризатору. Он, очевидно, равен

(13.14)

и, поскольку компонента вектора гирации g пропорциональна напряженности магнитного поля Н, запишем окончательно

(13.15)

Здесь С — вращательная постоянная Верде (Verdet M.E., 1824-1896), измеряемая в мин/Э•см и являющаяся функцией длины волны оптического излучения, температуры и характеризующая магнитооптические свойства данного кристалла. Н — напряженность магнитного поля, l — длина вращателя. Важно, что поворот плоскости поляризации при эффекте Фарадея происходит относительно направления напряженности магнитного поля, а не направления распространения излучения. Такой поворот называют невзаимным.

Таблица 13.1 Значения постоянной Верде для некоторых материалов

Из таблицы видно, что при нормальной температуре получение угла вращения плоскости поляризации в несколько десятков градусов требует очень больших напряженностей магнитного поля.

Если расположить последовательно взаимный и невзаимный вращатели плоскости поляризации с одинаковой величиной вращения, то для одного направления распространения поляризованного излучения углы вращения будут суммироваться, тогда как для другого – вычитаться, т.е. плоскость поляризации излучения на выходе устройства будет совпадать с плоскостью поляризации на входе. Подобные устройства тоже находят применение в лазерной технике. На рисунке 13.4. приведена одна их схем кольцевого лазера, в котором решается задача возбуждения однонаправленной генерации (напомним, что в линейном лазере генерируется стоячая волна, представляющая собой суперпозицию двух волн, распространяющихся в противоположные стороны).

В таком лазере, излучение в резонаторе которого распространяется по замкнутому контуру, используется активный элемент с брюстеровскими окнами, обеспечивающий высокую степень поляризации излучения (см. Л8). Параметры взаимного и невзаимного (ячейка Фарадея) вращателей выбираются так, чтобы они обеспечивали одинаковый угол поворота плоскости поляризации. Для волны, распространяющейся против часовой стрелки, поворот плоскости поляризации вращателями имеет место в разных направлениях, а для волны противоположного распространения — в одном и том же. В итоге прохождение через вращатели волны по часовой стрелке приводит к появлению поляризации, ортогональной исходной, и эта волна подавляется при прохождении через брюстеровские окна. Остается только излучение, распространяющееся против часовой стрелки. Такой режим работы лазера называют режимом однонаправленной генерации (если в резонаторе присутствует только одна мода — то одноволновой генерации), а в несколько жаргонном выражении кольцевой лазер, работающий в таком режиме, именуют лазером бегущей волны.

Повышение эффективности модуляции связано с выбором материалов с большой постоянной Верде и увеличением толщины пластинки, причем легко видеть, что эти требования противоречат друг другу. Постоянная Верде обычно максимальна как раз там, где поглощение излучения возрастает (в области коротких волн). Чаще всего оптимум достигается в ближнем ИК диапазоне, что дополнительно стимулирует использование полупроводниковых лазеров. Рабочие частоты модуляции могут достигать сотен мегагерц. Магнитное поле создается обычно протеканием электрического тока по соленоиду или по электродному витку на поверхности магнитооптического материала (рисунок 13.5)

В качестве наиболее освоенных в практике магнитооптических материалов (применяются еще с 70-х годов минувшего века) можно указать ортоферриты иттрия и феррит-гранаты, содержащие висмут [9]. Оба типа указанных материалов имеют сравнительно небольшие потери на поглощение в оптическом диапазоне (α = 200 см^-1 на длине волны 630 нм) и высокие значения постоянной Верде, благодаря чему их магнитооптическая добротность достигает в видимом диапазоне 14 град/дБ, что во много раз больше, чем для других известных магнитных материалов [10].

Удобно перейти от угла поворота плоскости поляризации к величине пропускания (при условии, что в отсутствие магнитного поля поляризаторы скрещены):

, (13.16)

где Ψ — угол фарадеевского вращения, Δ — коэффициент максимального затухания в системе поляризатор-магнитооптическая пластинка-анализатор. Пропускание для просветленных образцов обычно составляет 22…24%, а максимальное затухание не превышает 10^-3.

Эффективность магнитооптической модуляции сильно зависит от угловой апертуры пучка, проходящего через магнитооптический элемент. Это требует применения телескопической системы (см. рисунок 13.4) и достаточно тщательной юстировки модулятора относительно оптической оси.

Основным недостатком магнитооптических модуляторов является относительно малая прозрачность магнитооптических материалов. Поэтому идет постоянный поиск новых магнитооптических сред, прозрачных в рабочем диапазоне длин волн и обладающих высокой постоянной Верде. Добавки определенных ионов (галлия, алюминия, висмута) в ортоферритах и феррит-гранатах увеличивают прозрачность материала, однако концентрация соответствующих ионов должна быть строго оптимизирована ввиду возможности уменьшения постоянной Верде. Как указывалось выше, магнитооптическая добротность достигает максимума в ближней ИК области, что главным образом связано с уменьшением поглощения ортоферритов и феррит-гранатов в этой области спектра. Феррит-гранатовые пленки более прозрачны и более технологичны, но вращение плоскости поляризации выше у ортоферритов. Например, на длине волны 850 нм поглощение некоторых феррит-гранатов может достигать 10 см^-1, что в комбинации с инжекционными и волоконно-диодными лазерами позволяет создавать компактные и весьма помехозащищенные ПВМЛИ, удобно сочетающиеся с фотоприемными устройствами.