Изолятор магнитного поля: Магнитный изолятор и экранирование магнитного поля

Тематические статьи по фотонике

Рубрика: Технологии

Оптические изоляторы от Thorlabs

Компания Thorlabs предлагает широкий выбор узкополосных и широкополосных оптических изоляторов (изоляторы Фарадея) для работы в спектральном диапазоне от 365 до 4550 нм, включая модели для работы с излучением высокой интенсивности. В каталоге Thorlabs представлен широкий ассортимент волоконно-оптических изоляторов: поляризационно-независимые изоляторы (диапазон рабочих длин волн: 650-2010 нм) и поляризационно-зависимые изоляторы (770 – 2010 нм).

Оптические изоляторы. Принцип работы

Оптический изолятор – это устройство, которое пропускают свет в одном направлении. В основе работы оптического изолятора лежит магнитооптический эффект Фарадея. Изоляторы используются для защиты источников излучения от бликов, обратных отражений и сигналов. Обратные отражения могут повредить лазер или привести к скачку моды, амплитудной модуляции или частотному сдвигу.

При работе с излучением высокой интенсивности обратные отражения могут привести к нестабильности и перепадам напряжения.

В 1842 году Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации света вращается при распространении сквозь стекло (или другие материалы), которое находится в магнитном поле. Направление вращения зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления распространения света. Угол поворота плоскости поляризации Ɵ пропорционален длине пути света в веществе L [см] и напряженности внешнего магнитного поля H [эрстед], в качестве коэффициента пропорциональности выступает постоянная Верде V [минуты/эрстед*см].

 

Оптический изолятор состоит из входного поляризатора, ячейки Фарадея с магнитом и выходного поляризатора. Входной поляризатор выступает в качестве фильтра, который пропускает только линейно поляризованный свет на вход ячейки Фарадея. Ячейка Фарадея поворачивает поляризацию света на 45°, после чего свет проходит через другой линейный поляризатор.

На выходе из изолятора получаем свет, плоскость поляризации которого повернута на 45° относительно плоскости поляризации света на входе. При распространении света в обратном направлении ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации в том же направлении, таким образом плоскость поляризации света, распространяющегося в обратном направлении будет повернута на 90° относительно плоскости поляризации входного излучения. Теперь плоскость поляризации света перпендикулярна плоскости поляризации, которую пропускает входной поляризатор, и в результате энергия света, распространяющегося в обратном направлении отражается или поглощается в зависимости от типа поляризатора.

Рис.1 Эффект Фарадея

Поляризационно-зависимые изоляторы

Распространение света в прямом направлении

Предположим, что поляризатор на входе пропускает излучение с вертикальной плоскостью поляризации (0° см. рис. 2). Излучение лазера, поляризованное или неполяризованное, проходит через поляризатор и становится вертикально-поляризованным.

Ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации на 45° по часовой стрелке, и свет выйдет из изолятора через поляризатор, который пропускает свет, плоскость поляризации которого повернута на 45°.

Распространение света в обратном направлении

При распространении света в обратном направлении через изолятор, свет пройдет через выходной поляризатор, который пропускает свет с поляризацией, повернутой на 45°, относительно плоскости входного поляризатора. затем свет проходит через ячейку Фарадея и плоскость поляризации повернется еще на 45° по часовой стрелке. Таким образом плоскость поляризации окажется повернутой на 90° относительно плоскости пропускания входного поляризатора. В результате свет отразится или поглотиться.

Рис.2 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-зависимом изоляторе  (ЯФ-ячейка Фарадея, П1-входной поляризатор, П2-выходной поляризатор)

Поляризационно-независимые изоляторы

Распространение света в прямом направлении

В поляризационно-независимом волоконно-оптическом изоляторе свет на входе разбивается на два пучка с помощью двулучепреломляющего кристалла (см. рис.3). Ячейка Фарадея и полуволновая пластинка поворачивают поляризацию света в каждом пучке прежде чем они попадут во второй двулучепреломляющий кристалл, который соединит их.

Распространение света в обратном направлении

Свет, распространяющийся в обратном направлении, попадет на второй двулучепреломляющий кристалл и будет разбит на два пучка, поляризация которых будет соответствовать состояниям поляризации в пучках, распространявшихся в прямом направлении. Ячейка Фарадея – невзаимный оптический элемент, таким образом она устранит поворот поляризации, который внесет полуволновая пластинка. Когда свет пройдет через входной двулучепреломляющий кристалл, пучки разойдутся таким образом, что не пройдут через коллимирующую линзу и не попадут в оптоволокно.

Рис.3 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-независимом изоляторе

Общие характеристики

Лучевая стойкость

Изоляторы от компании Thorlabs обладают более высоким коэффициентом пропускания в прямом и высоким уровнем изоляции в обратном направлении по сравнению с другими производимыми оптическими изоляторами.

Также изоляторы Thorlabs компактнее других изоляторов с эквивалентной апертурой. В качестве ячейки Фарадея в оптических изоляторах Thorlabs используется кристалл Тербий Галлиевый Гранат (ТГГ), который обладает превосходными оптическими свойствами и устойчив к оптическому излучению высокой интенсивности. Лучевая стойкость ТГГ кристаллов достигает 22.5 Дж/см², тестирование проходило при интенсивности 1.5 ГВт/см² (длительность импульса: 15 нс) на длине волны 1064 нм и интенсивности 20 кВт/см² в непрерывном режиме. Тем не менее, Thorlabs не несет ответственности за повреждения, обусловленные “горячими точками” лазерного пучка.

Магнит

Магнит является ключевым фактором, определяющим размер и характеристики оптического изолятора. Оптимальный размер магнита определятся не только напряженностью магнитного поля, но и конструкцией изолятора. Большинство магнитов, используемых компанией Thorlabs обладают сложной конструкцией.

Устройство изолятора смоделировано таким образом, чтобы оптимизировать параметры, влияющие на размер, оптический путь, угол поворота плоскости поляризации и однородность магнитного поля. Так как вокруг изолятора существует сильное магнитное поле, компания Thorlabs рекомендует располагать стальные или магнитные элементы не ближе 5 см от изолятора.

Температура

Магнит и материал ячейки Фарадея меняют свои свойства при изменении температуры. Напряженность магнитного поля и постоянная Верде уменьшаются с ростом температуры.

Дисперсия импульса

Уширение импульса всегда наблюдается при распространении импульса сквозь среду с показателем преломления больше 1. Дисперсия импульса растет обратно пропорционально ширине импульса, и таким образом, может быть значительной при работе со сверхбыстрыми лазерами.

Рис.4 Дисперсия импульса в изоляторе

τ: ширина импульса до изолятора

τ_(z): ширина импульса после изолятора

Пример:

τ=197 фс превращается в τ_(z)=306 фс (представлено на графике)

τ=120 фс превращается в τ(z)=186 фс

Типы изоляторов от компании Thorlabs

Неперестраиваемые узкополосные изоляторы

Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Положение поляризатора не регулируется, оно подобрано таким образом, чтобы обеспечить максимальное подавление обратного потока излучения на рабочей длине волны. При изменении длины волны излучения изоляция (потери при распространении обратного сигнала) начнет уменьшаться. На графике представлено изменение изоляции в зависимости от длины волны излучения. 

Особенности: – ячейка Фарадея и поляризаторы фиксированы; – поляризационно-зависимые изоляторы; – компактный размер; – неперестраиваемые.

Перестраиваемые узкополосные изоляторы

Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. При изменении длины волны излучения изоляция (потери при распространении обратного сигнала) начнет уменьшаться. Чтобы восстановить максимальный уровень изоляции, необходимо повернуть выходной поляризатор. Вращение выходного поляризатора приведет к росту потерь сигнала в прямом направлении, причем эти потери будут тем больше, чем больше разница между длиной волны излучения и рабочей длиной волны.

Особенности: – ячейка Фарадея фиксирована; – возможность вращения выходного поляризатора; – поляризационно-зависимые.

Перестраиваемые широкополосные изоляторы

Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Изолятор оснащен регулировочным кольцом, которое позволяет менять количество материала ячейки Фарадея, помещаемого в магнитное поле. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, и тем самым уровень изоляции начнет падать. Чтобы восстановить максимальный уровень потерь излучения в обратном направлении, необходимо повернуть регулировочное кольцо таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе из ячейки Фарадея был равен 45ᴼ относительно ориентации плоскости поляризации излучения на входе в ячейку.

Особенности: – регулирование положения ячейки Фарадея относительно магнита; – поляризаторы фиксированы; – поляризационно-зависимые; – легкая регулировка; – широкий диапазон перестройки.

Неперестраиваемые широкополосные изоляторы

В изолятор вместе с ячейкой Фарадея помещен кристалл кварца, который поворачивает плоскость поляризации излучения на 45°, таким образом, на выходе из изолятора поворот плоскости поляризации равен 90°. Уровень потерь при распространении обратного сигнала незначительно меняется при изменении длины волны излучения. Изолятор не требуется регулировать или перестраивать при работе в установленном рабочем диапазоне.

Особенности: – ячейка Фарадея и поляризаторы фиксированы; – поляризационно-зависимые изоляторы; – широкий диапазон с высоким уровнем изоляции; – не требует перестройки.

Изоляторы с двумя ячейками Фарадея

Изолятор оснащен двумя ячейками Фарадея, между которыми расположен поляризатор. Комбинация ячеек действует таким образом, что поворот плоскости поляризации излучения на выходе изолятора равен 0°. Изоляторы с двумя ячейками Фарадея представляют собой узкополосные изоляторы, которые могут быть перестраиваемыми или неперестраиваемыми.

Особенности: – изоляция до 60 дБ; – поляризационно-зависимые изоляторы.

В каталоге Thorlabs вы можете подобрать оптический изолятор для работы в любом спектральном диапазоне:

Волоконно-оптические изоляторы

В ассортименте компании Thorlabs представлены изоляторы, сопряженные с одномодовыми (SM fiber) или поляризационно-стабилизированными волокнами (PM fiber). Широкополосные изоляторы с одномодовыми волокнами могут использоваться с суперлюминесцентными диодами.

Настройка перестраиваемых узкополосных изоляторов

Как было отмечено ранее, чтобы восстановить максимальный уровень изоляции при изменении длины волны излучения, необходимо повернуть выходной поляризатор. Вращение выходного поляризатора приведет к росту потерь сигнала в прямом направлении, причем эти потери будет тем больше, чем больше разница между длиной волны излучения и рабочей длиной волны.

Принцип работы перестраиваемых узкополосных изоляторов

Перестраиваемые узкополосные изоляторы способны обеспечивать одинаковой уровень изоляции в пределах спектрального диапазона 20 – 40 нм около рабочей длины волны изолятора. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, что приведет к уменьшению уровня изоляции. Например, если плоскость поляризации излучения на длине волны 670 нм ячейка Фарадея поворачивает на 45° (670 нм – рабочая длина волны), то плоскость поляризации излучения на длине волны 660 нм повернется на 46.5°. Если излучение на длине волны 660 нм пройдет через изолятор (с рабочей длиной волны 670 нм) в обратном направлении без настройки изолятора, угол поворота плоскости поляризации составит 45° + 46.5°= 91.5° относительно плоскости поляризации излучения на входе изолятора в прямом направлении. При этом проекция поляризации на плоскость пропускания поляризатора пройдет в обратном направлении через изолятор без подавления, таким образом уровень изоляции значительно упадет. Так как для полного подавления обратного излучения необходимо, чтобы плоскость поляризации была перпендикулярна плоскости пропускания входного поляризатора, необходимо повернуть выходной поляризатор, чтобы компенсировать увеличение угла поворота поляризации излучения при прохождении через ячейку Фарадея. В нашем примере поляризатор необходимо повернуть на 90° – 46.5° = 43.5°. Такая настройка позволит повысить уровень изоляции до прежнего максимального уровня.

При распространении в обратном направлении излучение на рабочей длине волны блокируется

При распространении в обратном направлении излучение на длине волны отличной от рабочей частично пропускается изолятором

Последствия настройки

Вследствие поворота выходного поляризатора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится. Излучение с длиной волны 660 нм распространяется в прямом направлении с плоскостью поляризации повернутой на 0° после прохождения через входной поляризатор и поворачивается на 46.5° ячейкой Фарадея. Но выходной поляризатор теперь повернут на 43.5°. Уменьшение коэффициента пропускания можно вычислить с помощью закона Малюса:

,

где Ɵ – угол между плоскостью поляризации излучении после ячейки Фарадея и плоскости пропускания поляризатора, I₀– интенсивность до поляризатора, I – после него. Для малых отклонений от рабочей длины волны, уменьшение коэффициента пропускания мало, но при больших отклонениях становится значительным. В нашем примере (разница между рабочей длиной волны и длиной волны излучения 10 нм), θ = 46.5° – 43.5° = 3.0°, значит I = 0.997 I_0.

Перестраиваемый узкополосный изолятор обеспечивает максимальный уровень изоляции на любой длине волны в пределах узкого спектрального диапазона

Вследствие поворота выходного поляризатора при настройке изолятора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится.

Конструкция изолятора от компании Thorlabs позволяет легко повернуть выходной поляризатор не сбивая настройку остальных частей изолятора.

Вернуться в рубрику

 

Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы. Патент № RU 2646551 МПК G02F1/09 | Биржа патентов

Реферат

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров ближнего и среднего ИК-диапазона. Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, установленный в выполненной с использованием постоянных магнитов магнитной системе магнитооптический ротатор, состоящий из нескольких магнитооптических элементов, разделенных полуволновыми пластинками, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора, и анализатор. Магнитная система организована таким образом, что соседние магнитооптические элементы помещены в противоположно направленные магнитные поля и при этом сумма модулей углов поворота плоскости поляризации во всех магнитооптических элементах равна 45 градусам. Конструкция позволяет использовать в качестве активных элементов магнитоактивные среды с невысоким значением постоянной Верде, что повышает компактность и снижает цену в производстве. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула изобретения

1. Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор, отличающийся тем, что его магнитооптический ротатор выполнен из нескольких магнитооптических элементов, разделенных полуволновыми пластинками, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора, причем магнитная система организована таким образом, что соседние магнитооптические элементы помещены в противоположно направленные магнитные поля и при этом сумма модулей углов поворота плоскости поляризации во всех магнитооптических элементах равна 45 градусам.

2. Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы по п. 1, отличающийся тем, что его магнитная система представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец.

3. Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы по п. 1, отличающийся тем, что его магнитооптический ротатор выполнен из двух магнитооптических элементов, в каждом из которых плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 22,5 градуса.

4. Изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы по п. 1, отличающийся тем, что его магнитооптический ротатор выполнен из трех магнитооптических элементов, причем угол поворота плоскости поляризации излучения в центральном магнитооптическом элементе составляет 22,5 градуса, а в боковых по 11,25 градуса.

Описание

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров ближнего и среднего ИК-диапазонов.

Принцип действия изоляторов Фарадея основан на эффекте поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитоактивную среду, помещенную в магнитное поле. Особенностью этого эффекта является его невзаимность, т.е. независимость направления вращения плоскости поляризации излучения от направления его распространения. Если обеспечить величину угла поворота плоскости поляризации в магнитооптическом элементе на 45 градусов на прямом проходе, то на обратном она довернется еще на 45 градусов в ту же сторону и, таким образом, станет ортогональной к исходной плоскости поляризации. Благодаря этому можно обеспечить поляризационную развязку и изолировать одну часть оптической схемы от другой.

Угол поворота плоскости поляризации ϕ излучения, проходящего через магнитооптический элемент, помещенный в магнитное поле, согласно закону Фарадея может быть рассчитан по формуле:

oasis-open.org/tables/exchange/1.0″ xmlns:ns3=”http://www.w3.org/1998/Math/MathML3″ com:pnumber=”4″>

где V – постоянная Верде используемой магнитоактивной среды, L – длина магнитооптического элемента, H_z – проекция напряженности поля магнитной системы изолятора Фарадея на ее ось, z – координата, откладываемая на оси изолятора. Таким образом, для обеспечения заданного угла поворота необходимо создание магнитного поля требуемой напряженности в области магнитооптического элемента, величина которой определяется значением постоянной Верде среды и длиной элемента.

На практике обеспечить необходимый угол поворота плоскости поляризации в 45 градусов так, чтобы при этом удовлетворить требованиям к основным характеристикам изолятора, иногда бывает непросто из-за ограниченного значения величины постоянной Верде используемых магнитоактивных сред.

Существует ряд способов решить данную задачу. Одним из них является использование магнитных систем, в которых может быть обеспечена необходимая величина магнитного поля в достаточно протяженной области. Это довольно легко осуществить, используя в качестве магнитной системы соленоид (D.S. Zheleznov, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, E.A. Khazanov, A.V. Voitovich, Faraday rotators with short magneto-optical elements for 50 kW laser power, IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 43, 451-457, 2007). Согласно теореме о циркуляции удлинение обмотки соленоида при сохранении силы тока, протекающего через него, приведет к увеличению циркуляции напряженности магнитного поля. Для наглядности изменение профиля напряженности магнитного поля соленоида на его оси при удлинении его обмотки показано в верхнем ряду на фиг. 1. Как видно, за счет удлинения обмотки можно обеспечить удлинение области пространства с необходимой величиной поля. Таким образом, в этом случае, если постоянная Верде используемой магнитоактивной среды невелика, для обеспечения необходимого угла поворота достаточно просто использовать более длинные магнитооптические элементы и более длинные обмотки соленоидов.

Однако изоляторы Фарадея, использующие соленоиды в качестве магнитных систем практически не используются на данный момент в реальных лазерных системах вследствие их очевидных недостатков. Существенным недостатком такого устройства является импульсный режим его работы, что затрудняет его применение в лазерных установках, поскольку требует дополнительной синхронизации при работе с ним. Кроме того, пропускание мощных импульсов тока через соленоид может приводить к резким механическим смещениям различных элементов оптической схемы, что неприемлемо. Постоянная же работа данного устройства потребует организации отвода значительного количества выделяющегося тепла, т. к. требуется создание магнитных полей значительной напряженности. Также недостатком является и необходимость использования громоздких зарядных электрических батарей, благодаря которым возможно создание требуемых импульсов тока. Это влечет за собой дороговизну и громоздкость устройства и дополнительные трудности его эксплуатации.

В случае использования в магнитной системе изолятора Фарадея постоянных магнитов также существует несколько способов решения указанной проблемы. Они основаны на другом подходе вследствие ряда принципиальных отличий от случая использования соленоидов. Во-первых, согласно теореме о циркуляции циркуляция напряженности поля системы постоянных магнитов по любому замкнутому контуру, в том числе по контуру, проходящему по оси системы через бесконечность, равна нулю. Следствием этого является неизбежная смена направления поля в таких системах. Во-вторых, одномерное удлинение магнитной системы не обеспечивает удлинения области пространства с необходимой величиной поля. Для наглядности изменение профиля напряженности магнитного поля коаксиально намагниченного кольца на его оси при увеличении его толщины показано в нижнем ряду на фиг. 1. Для удлинения области пространства с необходимой величиной поля в случае системы постоянных магнитов требуется увеличение всех трех линейных размеров магнитной системы. Такой подход используется при разработке широкоапертурных изоляторов Фарадея (Е.А. Mironov, D.S. Zheleznov, A.V. Starobor, A.V. Voitovich, O.V. Palashov, A.M. Bulkanov, A.G. Demidenko, Large-aperture Faraday isolator based on a terbium gallium garnet crystal, Optics Letters, 40(12), pp. 2794-2797, 2015).

Недостатком этого метода в случае, если постоянная Верде используемой магнитоактивной среды невелика, является значительное увеличение массы и стоимости магнитной системы, которое зачастую неприемлемо, если не требуется увеличения световой апертуры изолятора.

Другим путем обеспечения необходимого угла поворота плоскости поляризации в изоляторе Фарадея является создание в магнитной системе поля высокой напряженности.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является известная конструкция изолятора Фарадея с переменным направлением магнитного поля, содержащая последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, и анализатор, которая выбрана в качестве прототипа (Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов «Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ», Квант, электрон., 43:8 (2013), 740-743). Магнитная система изолятора Фарадея выполнена из постоянных магнитов и магнитопроводящих материалов, в ней создается поле напряженностью 2,5 Тесла. Постоянные магниты в конструкции магнитной системы изолятора прототипа представляют собой коаксиально и радиально намагниченные кольца, размеры и расположение которых тщательно подобраны с целью создания сильного магнитного поля в области магнитооптического ротатора. Магнитопроводы, расположенные внутри магнитной системы, позволяют концентрировать силовые линии магнитного поля, тем самым создавая локально в центре поле с еще более высокой напряженностью. Это позволило изготовить изолятор Фарадея с одним магнитооптическим ротатором, выполненным из кристалла ТГГ, длиной всего 9 мм.

Основным недостатком данной конструкции является труднопреодолимое ограничение по величине поля, которую можно получить в такой магнитной системе. На данный момент превзойти величину поля в 2,5-3 Тесла в системе такой конструкции чрезвычайно сложно в силу нескольких причин. Во-первых, это вызвано логарифмической зависимостью величины напряженности поля от отношения внешнего и внутреннего диаметров магнитной системы, т. е. дальнейшее увеличение напряженности поля требует неприемлемого увеличения массы и габаритов системы. Во-вторых, увеличение напряженности поля также затруднено вследствие эффекта размагничивания центральной части системы.

Таким образом, возникает ограничение снизу на величину постоянной Верде возможных для использования в изоляторах Фарадея сред. Это ограничение очень серьезное и его необходимо преодолеть, поскольку в последнее время имеется острая необходимость использования сред с относительно невысоким значением постоянной Верде в изоляторах Фарадея. Это связано с появлением сред с очень хорошими термооптическими характеристиками, но невысокими магнитооптическими свойствами (например, кристалл Tb:CaF2), которые можно использовать в создании изоляторов для мощных лазеров. Также бурное развитие лазеров с длиной волны ~2 мкм и более требует создания изоляторов Фарадея для них, способных работать при относительно больших мощностях. Проблема здесь состоит в том, что в этом диапазоне длин волн все известные магнитоактивные среды, которые могут быть использованы для создания изолятора (например, ZnSe, ZnS), обладают постоянной Верде в ~5-10 раз меньшей, чем у традиционно используемого кристалла ТГГ в случае длины волны 1 мкм. Т.е. описанный подход в данном случае неприемлем.

Недостатком подхода, применяемого при разработке изолятора прототипа, является неэффективное использование потенциала магнитов. Создавая магнитное поле высокой напряженности в некоторой области пространства системой постоянных магнитов, мы неизбежно создаем поле высокой напряженности с противоположным направлением в другой или других областях пространства в соответствии с теоремой о циркуляции. При использовании этих других областей пространства также по назначению можно создать компактные изоляторы Фарадея на базе постоянных магнитов, задействовав при этом магнитоактивные среды с невысокими значениями постоянной Верде (порядка 0,5 значения постоянной Верде для традиционного кристалла ТГГ и ниже). Особенность здесь состоит в том, что плоскость поляризации излучения в магнитооптических элементах, помещенных в магнитные поля с противоположными направлениями, будет вращаться в разные стороны. Однако поместив полуволновую пластинку между магнитооптическими элементами, расположенными в областях пространства с противоположными направлениями магнитного поля, можно обеспечить суммарный невзаимный угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе такой же, как если бы эти элементы были расположены в полях с такой же напряженностью, но одного направления.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, – реализовать возможность использования магнитоактивных сред с невысоким значением постоянной Верде для создания компактных недорогих изоляторов Фарадея с использованием магнитных систем на базе постоянных магнитов.

org/tables/exchange/1.0″ xmlns:ns3=”http://www.w3.org/1998/Math/MathML3″ com:pnumber=”17″>Технический результат в разработанном изоляторе Фарадея с переменным направлением магнитного поля достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор, установленный в магнитной системе, выполненной с использованием постоянных магнитов, и анализатор.

Новым в разработанном изоляторе Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из нескольких магнитооптических элементов, разделенных полуволновыми пластинками, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора, причем магнитная система организована таким образом, что соседние магнитооптические элементы помещены в противоположно направленные магнитные поля и при этом сумма модулей углов поворота плоскости поляризации во всех магнитооптических элементах равна 45 градусам.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 новым является то, что его магнитная система представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 новым является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из двух магнитооптических элементов, в каждом из которых плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 22,5 градуса.

В частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 новым является то, что его магнитооптический ротатор выполнен из трех магнитооптических элементов, причем угол поворота плоскости поляризации излучения в центральном магнитооптическом элементе составляет 22,5 градуса, а в боковых по 11,25 градуса.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

– на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы.

– на фиг. 3 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 2 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.

– на фиг. 4 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 3 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.

– на фиг. 5 представлена в разрезе схема разработанного изолятора Фарадея в соответствии с п. 4 формулы и профиль осевой компоненты напряженности поля его магнитной системы.

Разработанный изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы, изготовленный в соответствии с п. 1 формулы и представленный на фиг. 2, содержит магнитооптические элементы 1, помещенные в магнитную систему 2, магнитное поле которой меняет свое направление при движении вдоль ее оси. Соседние магнитооптические элементы 1 помещены в области вдоль оси магнитной системы 2 с магнитными полями противоположных направлений. Между каждой парой соседних магнитооптических элементов 1 расположена одна из полуволновых пластинок 3, оптические оси которых ориентированы под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора 4. Сумма модулей углов поворота плоскости поляризации в магнитооптических элементах 1 равна 45 градусам. Магнитооптические элементы 1, разделенные полуволновыми пластинками 3, образуют магнитооптический ротатор предлагаемого изолятора Фарадея. С противоположной стороны от поляризатора 4 на оси изолятора Фарадея расположен анализатор 5, плоскость пропускания которого повернута на 45 градусов относительно плоскости пропускания поляризатора 4.

Такое построение изолятора Фарадея в соответствии с п. 1 формулы позволяет компактно создать последовательность областей вдоль оси магнитной системы 2 с противоположными направлениями магнитного поля с необходимой величиной напряженности. При этом магнитооптический ротатор позволяет обеспечивать невзаимный угол поворота плоскости поляризации изучения такой же, как если бы магнитное поле не меняло своего направления и в конструкции магнитооптического ротатора отсутствовали полуволновые пластинки. Увеличение числа областей с необходимой величиной напряженности поля достигается за счет одномерного удлинения системы, т.е. является недорогим решением, позволяющим создавать компактные устройства.

Разработанный изолятор Фарадея с переменным направлением поля магнитной системы работает следующим образом. Пучок лазерного излучения (в общем случае – неполяризованного) на прямом проходе через поляризатор 4 делится на нем на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Один из пучков выводится из схемы поляризатором 4 и далее не рассматривается. Оставшийся пучок проходит через первый по ходу распространения излучения из магнитооптических элементов 1, помещенных в магнитную систему 2, в результате чего плоскость поляризации его излучения поворачивается на некоторый угол. Далее пучок проходит через ближайшую по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3, оптические оси которых составляют 45 градусов с плоскостью пропускания поляризатора 4 (с исходной плоскостью поляризации излучения). На выходе из ближайшей по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3 плоскость поляризации излучения переходит в положение, которое является симметричным отражением плоскости поляризации на входе в нее относительно оптической оси ближайшей по ходу распространения излучения из полуволновых пластинок 3. Далее пучок проходит через следующий из магнитооптических элементов 1, помещенный в поле с противоположным направлением относительно предыдущего. Соответственно, в нем плоскость поляризации излучения вращается на некоторый угол в направлении, противоположном направлению вращения в первом по ходу распространения из магнитооптических элементов 1, приближаясь к плоскости пропускания анализатора 5, которая составляет 45 градусов с плоскостью пропускания поляризатора 4. Подобные преобразования поляризации излучения повторяются такое же число раз, сколько магнитооптических элементов 1 находится в магнитной системе 2. После прохождения излучением последнего из магнитооптических элементов 1 плоскость его поляризации совпадет с плоскостью пропускания анализатора 5, вследствие чего излучение беспрепятственно выходит из изолятора. На обратном проходе через изолятор Фарадея пучок линейно поляризованного излучения в магнитооптических элементах 1 получает дополнительное изменение плоскости поляризации на 45° в том же направлении (в сумме 90° относительно своего изначального направления поляризации) и при прохождении поляризатора 4 отразится от него. Таким образом, будет обеспечена оптическая развязка излучения на прямом и обратном проходах.

За счет одномерного удлинения магнитной системы можно создать необходимое количество областей с требуемой величиной напряженности магнитного поля, а магнитооптический ротатор позволяет обеспечить требуемый угол невзаимного вращения плоскости поляризации в 45 градусов, что позволяет решить поставленную задачу, то есть создать компактный изолятор Фарадея на базе постоянных магнитов с использованием магнитоактивных сред с невысоким значением постоянной Верде.

В первом частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 2 целесообразно изготовить магнитную систему 2 из коаксиально и радиально намагниченных колец (см. фиг. 3). Это обеспечит простоту устройства и удобство сборки магнитной системы. Кольца соединены таким образом, чтобы обеспечить высокую напряженность поля в областях расположения магнитооптических элементов. При этом магниты, расположенные вокруг областей вдоль оси магнитной системы 2, где магнитооптические элементы 1 отсутствуют, обеспечивают вклад в магнитные поля в обеих соседних областях расположения магнитооптических элементов 1 за счет смены направления поля, т.е. такая конструкция позволяет эффективно использовать поле намагниченных колец.

Во втором частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 3 целесообразно использовать в магнитооптическом ротаторе два магнитооптических элемента 1, в каждом из которых плоскость поляризации излучения поворачивается на угол 22,5 градуса (см. фиг. 4). При этом центральная часть магнитной системы 2 будет давать одинаковые вклады в противоположно направленные магнитные поля, в которых расположены магнитооптические элементы 1, тем самым будет обеспечено эффективное использование поля, создаваемого магнитами. Таким образом, предложенная конструкция изолятора Фарадея более эффективна с точки зрения использования магнитов, чем конструкция с одним магнитооптическим элементом. При этом магнитную систему можно организовать как на базе коаксиально и радиально намагниченных колец, так и используя более сложные конфигурации.

В третьем частном случае реализации разработанного изолятора Фарадея по п. 4 целесообразно использовать в магнитооптическом ротаторе три магнитооптических элемента 1, причем конфигурацию магнитного поля создать таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации излучения в центральном магнитооптическом элементе составлял 22,5 градуса, а в боковых по 11,25 градуса (см. фиг. 5). В этом случае в качестве магнитной системы 2 можно использовать любую систему на базе постоянных магнитов, применяемую для создания традиционных изоляторов Фарадея, например, такую как в прототипе. Использование двух дополнительных магнитооптических элементов плюс к тому, что расположен в центре системы, позволит эффективнее использовать поле такой системы. При этом магнитную систему можно организовать как на базе коаксиально и радиально намагниченных колец, так и используя более сложные схемы, например, используя магнитопроводящие материалы и намагниченные кольца с неортогональными направлениями намагниченности.

электромагнетизм. Изоляторы магнитного поля

спросил 9 лет, 9 месяцев назад

Изменено 4 года, 5 месяцев назад

Просмотрено 8к раз

$\begingroup$

Мне интересно, есть ли способ остановить магнитное поле, не превращая изолятор в магнит. Позвольте мне представить это как простой случай, есть магнит слева и кусок железа справа, могу ли я поместить что-нибудь между ними, чтобы магнит не притягивал кусок железа, при условии, что изолятор не выдержит? тоже не превратиться в магнит?

Я открыт для всех возможностей, приветствуются любые материалы, электрические поля или что-либо, что может остановить магнитное поле, не повреждая магнит или кусок железа.

• электромагнетизм
• магнитные поля
• изоляторы

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Лучше всего подходят мю-металлы, хотя в некоторых ситуациях могут пригодиться и сверхпроводники.

Можно думать, что мю-металлы перенаправляют магнитное поле, а не нейтрализуют его. Так что, если у вас просто есть плоский кусок мю-металла между магнитом и вашим куском железа, вы все равно получите разумную величину магнитного поля — ему просто нужно «пройти дальше», чтобы добраться до железа, поэтому он будет быть слабее. Обычный дизайн для экранирования представляет собой коробку, в которой заключено все, что вы хотите экранировать.

С другой стороны, приближение сверхпроводника к магниту просто компенсирует изменения магнитного поля внутри самого сверхпроводника. Обычно это менее полезно для вашей проблемы, но может быть применимо для других приложений, которые могут вам понадобиться. В частности, если вам нужно устранить поля из полости внутри материала, это может работать лучше, чем мю-металл.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Не существует материалов, которые могут полностью блокировать магнитное поле, однако есть материалы, которые могут перенаправлять магнитные поля и действовать как «магнитный экран». Эти материалы обычно представляют собой материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как воздух. Для получения дополнительной информации см. здесь.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

электромагнетизм – Может ли изолятор иметь магнитные полюса?

спросил 12 лет, 1 месяц назад

Изменено 7 лет назад

Просмотрено 4к раз

$\begingroup$

Можно ли сделать изолятор двухполюсным, как магнит?

Если да, то как это сделать?

• электромагнетизм
• магнитные поля

$\endgroup$

$\begingroup$

В принципе я не вижу причин, почему изолятор не может быть магнитным, но на практике все чистые материалы, являющиеся ферромагнетиками, кажутся проводниками. Это включает железо, никель, кобальт и гадолиний. Даже известные пластиковые магниты являются проводниками или полупроводниками (см. http://en.wikipedia.org/wiki/Plastic_magnet)

Магнетизм можно получить, циркулируя электрический ток по катушке. В этом случае материал явно должен быть проводником. В железных магнитах магнитное поле создается за счет выравнивания спинов атомов, поэтому ток, создающий магнитное поле, на самом деле представляет собой просто электроны, вращающиеся вокруг ядра. Он будет электрическим проводником только в том случае, если электроны могут свободно перемещаться между атомами. Свойства материалов, которые позволяют выровнять атомы, совпадают со свойствами, делающими возможной электрическую проводимость, но я не думаю, что существует какой-то общий закон физики, который говорит, что это должно быть так.

Одним из решений может быть приготовление смеси мелких железных опилок в пластиковом изоляторе. Железные опилки могут быть намагничены, но пластик сделает материал изолятором.

Нейтроны обладают небольшим магнитным моментом, поэтому, в принципе, вы можете выстроить их в линию в магнитном поле и выключить поле, чтобы оставить остаточный магнетизм. Поскольку они нейтральны, они не могут проводить ток. Это может не считаться изоляционным материалом в обычном смысле.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

тебе бы объяснить что ты имеешь в виду под полюсами. Изоляторы по своей сути не создают вокруг себя какого-либо внутреннего «поля изолятора», поэтому это несуществующее поле также не может иметь никаких полюсов. Изолятор — это материал, который не проводит ни тепло, ни электричество.

Другое дело, могут ли изоляторы вести себя как дипольные источники известных полей, таких как электрические и магнитные поля.

Во-первых, известные мне постоянные магниты всегда должны проявлять ферромагнетизм или сверхпроводимость. Ферромагнетики похожи на железо; сверхпроводящие материалы… также являются проводящими. Я считаю, что постоянные магниты должны быть проводниками. Ведь если удается изменить намагниченность, значит, изменяется и угловой момент электронов или их спин. Если это возможно в атоме, то, я думаю, электроны могут эффективно перепрыгнуть и на соседний атом. Но даже если это доказательство не является полным, я думаю, что постоянные магниты должны быть проводниками точно так же, как железо. Насколько я знаю, нет известного контрпримера.

Еще одна вещь, которую могут иметь изоляторы, это электрические диполи. Да, изоляторы могут действовать как электрические диполи, но только во внешнем электрическом поле: относительное положение электронов в каждом атоме немного смещается относительно ядер. Этот эффект известен как поляризация.

Однако они не остаются электрическими диполями. Они не являются постоянными диполями. Если материал не является проводником (электричества), это означает, что его электроны не могут много двигаться, поэтому они сидят в своих молекулах, и в каждой молекуле есть энергетически оптимальное положение, в котором они хотят сидеть.