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一种高通量永磁体大口径法拉第旋光器 1 永磁体法拉第旋光器 大口径法拉迪光学隔离器是激光系统中抗光性强、口径高的必要设备之一，用于研究高、大能量的光学。它是目前激光加热实验系统中连续扩展中连续扩大激光系列的关键装置。过去，国内外有关激光系统中使用的大口径法拉迪光分离器均采用螺旋管，通过强脉冲电流放电产生的强轴向磁强线法获得法拉迪光器所需的强磁场。该装置应配备高性能电源供电和相应的冷却系统。法拉迪光器体积大、重、慢。强脉冲放电噪音大、机械振动大。它干扰了环境，对不利的高动态矩阵噪声很大，大大提高了多路光系列的同步调节难度。近年来，随着新一代高磁能材料铁硼的快速发展，新的高速磁光晶体和磁光玻璃的研制成本得到了开发，这是一种可靠性的物质条件。现在，从2mm到40mm，适用于从500nm到1100nm的各种永磁体法拉迪光器和光驱动器。 2 空心腔内径向磁场分布 在“八六三”项目资助下,我们选用国产新材料初步研制出通光孔径40mm的大口径法拉第旋光器样机,其尺寸为154mm×154mm×240mm,重量约30kg.经初步测试,对于1064nm波长,通光面内光的偏振面旋转角均匀性优于±3°.图1为40mm通光孔法拉第旋光器对于1064nm及633nm波长光的偏振面旋转角测量曲线,从图中可以看出,对称中心处旋转角最小,两边渐渐增大. 众所周知,磁偶极子对空间任一点的磁场贡献与其距离的三次方成反比.对于使用空心圆柱体永磁材料磁体的法拉第旋光器,只考虑其轴向磁场分量.计算结果表明,不管磁体是轴向充磁,还是径向充磁情况,在放置磁光材料的空间部位,任一个垂直于圆柱体的截面轴向磁场分量沿径向的分布皆为旋转抛物面,即在截面的圆中心处磁场强度最小,其周边磁场则随半径增加而变强,且紧靠磁体处达到最大值.对于不同的截面,其磁场强度分布曲面的斜率有所改变.图2为对特殊设计的通光孔54mm大口径法拉第器件磁体所计算的空心腔内径向磁场分布曲线.z=0为轴向对称中心处,其余z值为该截面与对称中心的距离.从截面磁场相对值分布曲线可知,圆中心附近磁场变化较为平坦,而靠近磁体处则迅速增加.由于光线通过置于磁场中的磁光介质,光传播方向与磁场方向重合时,光的偏振面将转动,偏振面旋转角度Ψ与磁光介质的韦尔代常数ρ、光在磁光介质中的路程L以及磁场强度H成正比,即:Ψ=ρ·L·H.对于具有一定长度的磁光晶体或磁光玻璃,放置于空心圆柱永磁腔内,当光线通过磁光材料后,光的偏振面旋转角为磁光材料所居的所有空间截面相应点的积分,由所计算的截面磁场强度相对值分布曲线可知,积分后通光面对称中心处旋转角偏小,边沿处旋转角偏大,而且中心附近变化较为平坦.为了获得较为均匀的通光截面,通常采用比光束直径大的较大口径法拉第器件. 3 旋转角均匀性偏差的调整 由于磁场分布的旋转抛物面特点,法拉第旋光器通光截面光偏振面旋转角存在难于克服的不均匀性,为提高光隔离器有效通光面内的积分透过率及积分隔离度,可采用法拉第旋光器通光面中心偏离45°放置的方法获得改进.图3为40mm通光孔法拉第旋光器,当光束直径取32mm时,对于不同的偏振面旋转角均匀性偏差,所计算的不同偏置中心旋转角时光隔离器的透过率曲线.由图中可知,对于5°均匀性偏差,只要将通光中心旋转角调节至42°时,积分透过率可达99.96%.图4为40mm直径通光孔法拉第旋光器,取光束直径为32mm时,对于不同的偏振面旋转角均匀性所计算的光隔离器的光隔离度与中心偏离放置角的关系曲线,从图中可知,对应于不同的旋转角均匀性,获得最大隔离度的预置中心旋转角不同,当旋转角均匀性相差5°时,中心旋 转角预调节至38°时光隔离度可达到28dB.而实际应用时必须将透过率曲线与隔离度曲线综合考虑. 综上所述,我们选用国产材料研制的40mm通光孔法拉第旋转器样机,在其有效使用光束截面内,光偏振面旋转角均匀性优于±3°.而对于特定的旋转角均匀性偏差,可通过调节法拉第旋光器通光截面中心旋转角偏离45°放置,从而获得较理想的法拉第光隔离器的积分透过率及积分隔离度.