Поляризационный магнитооптический модулятор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Меркулов Владимир Сергеевич Бычков Георгий Леонидович Пригодская Татьяна Федоровна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) 1. Поляризационный магнитооптический модулятор, содержащий рабочую среду, обладающую эффектом Фарадея, помещенную в переменное магнитное поле, создаваемое соленоидом, ось которого совпадает с осью пучка света, отличающийся тем, что рабочая среда выполнена в виде эпитаксиальной пленки висмутсодержащего редкоземельного феррита-граната на подложке из гадолиний-галлиевого граната, соленоид закреплен в корпусе, изготовленном из магнитомягкого феррита, причем напряженность магнитного поля по всему центральному сечению соленоида задана не менее напряженности поля насыщения для пленки, ось легкого намагничивания которой перпендикулярна плоскости пленки. 2. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что соленоид выполнен с возможностью получения переменного магнитного поля трапециевидной формы. 10971 1 2008.08.30 Изобретение относится к устройствам для управления поляризацией света, использующим рабочую среду, обладающую магнитооптическом эффектом Фарадея. Область применения - поляризационно-оптические измерения с помощью поляриметров и эллипсометров. Известны устройства, использующие магнитооптический эффект Фарадея, заключающийся в повороте плоскости поляризации света при прохождении через рабочую среду,помещенную во внешнее магнитное поле. Принцип действия магнитооптического модулятора заключается в следующем 1. Свет от источника излучения через поляризатор направляется на рабочую магнитоактивную среду, помещенную в намагничивающий соленоид или катушку. Переменный ток, протекающий через соленоид, перемагничивает рабочую среду, что приводит к периодическому изменению угла поворота поляризации света при выходе из среды. С помощью анализатора полученная фазовая модуляция преобразуется в амплитудную и регистрируется фотоприемником. Основными характеристиками магнитооптического модулятора являются глубина модуляции, частотный диапазон и потребляемая мощность. В устройствах, измеряющих азимут поляризации света (поляриметры и эллипсометры), находят применение поляризационные модуляторы 2, включающие рабочую среду,обладающую эффектом Фарадея, помещенную в переменное магнитное поле, создаваемое соленоидом, ось которого совпадает с осью пучка света. Принцип действия поляризационного модулятора заключается в периодическом изменении на небольшой уголазимута плоскости поляризации света. Сигнал фотоприемника следующим образом зависит от рассогласования азимута анализатораи интенсивности света 2(2222),где- коэффициент преобразования,- постоянная, связанная с темновым током фотоприемника и несовершенством анализатора. При положении анализатора, скрещенном с направлением поляризации исследуемого излучения, т.е.0, сигнал фотоприемника на частоте модуляцииобращается в нуль,причем линейно зависит от рассогласования азимута анализатора . Использование систем синхронного детектирования позволяет определять азимут плоскости поляризации света с точностью менее 1 угловой секунды, причем указанная линейность позволяет заменить угловые измерения интенсивностными при малых изменениях сигнала. В качестве рабочей среды обычно используют парамагнитные оптические стекла. Эффект Фарадея стекла характеризуется постоянной Верде , которая для магнитооптического стекла -101 составляет 0, угл. мин/Эсм. Расчеты показывают, что для обеспечения угла поворота плоскости поляризации на угол 2 для элемента из магнитооптического стекла -101 длинойсм необходимо наложение магнитного поля Н/1200 Э. Для создания такого магнитного поля медный соленоид с оптимальными размерами - длиной 1 см и внешним диаметром 1,5 см - должен потреблять мощность(/)2 /624 Вт,где- геометрический коэффициент, максимальное значение которого составляет 0,18,1,710-6 Омсм - удельное сопротивление медного провода,0,8 - коэффициент заполнения соленоида проводом круглого сечения. Учитывая, что максимальная рассеиваемая мощность при пассивном воздушном охлаждении не должна превышать 1 Вт/см 2, для данного соленоида максимальная допустимая мощность составляет 8,2 Вт. В связи с этим фактом обязательно использование принудительного (как правило, водяного) охлаждения. Поляризационный магнитооптический модулятор, описанный в 2, является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобрете 2 10971 1 2008.08.30 нию, то есть наиболее близким аналогом - прототипом. Недостатком прототипа является большое энергопотребление, что приводит к необходимости принудительного охлаждения модулятора, а также увеличению габаритов устройства. Особенностью модуляторов на стеклах является неоднородность амплитуды модуляции по апертуре, связанная со слабой неоднородностью распределения магнитного поля по сечению и оси соленоида. Кроме этого, в положении гашения сигнала на частоте модуляции присутствует паразитный сигнал на удвоенной частоте модуляции. Задачей настоящего изобретения является снижение энергопотребления модулятора,снижение габаритов устройства, а также достижение оптимальной формы модуляции и однородности сигнала по апертуре. Поставленная задача достигается тем, что поляризационный магнитооптический модулятор содержит рабочую среду, обладающую эффектом Фарадея, помещенную в переменное магнитное поле, создаваемое соленоидом, ось которого совпадает с осью пучка света, рабочая среда выполнена в виде эпитаксиальной пленки висмутсодержащего редкоземельного феррита-граната на подложке гадолиний-галлиевого граната, соленоид закреплен в корпусе, изготовленном из магнитомягкого феррита, причем напряженность магнитного поля по всему центральному сечению соленоида не менее напряженности поля насыщения для пленки, ось легкого намагничивания которой перпендикулярна плоскости пленки, соленоид выполнен с возможностью получения магнитного поля трапециевидной формы. Магнитооптическая добротность пленок ВРФГ составляет 15 на длине волны 0,63 мкм при комнатной температуре. Корпус из феррита увеличивает магнитное поле в центре соленоида приблизительно на 50 , а также служит эффективным магнитным экраном, уменьшающим поля рассеяния соленоида. Пленка изготовлена так, что ось легкого намагничивания перпендикулярна плоскости пленки, коэрцитивная сила не превышает 1 Э,поле насыщения 200 Э. Толщина пленки подбирается такой, чтобы амплитуда модуляции плоскости поляризации света составляла 2. Зависимость эффекта Фарадея ВРФГ от внешнего поля приведена на фиг. 1 (кривая 1). Для сравнения приведена кривая 2, соответствующая магнитооптическому стеклу -101. Схема поляризационного магнитооптического модулятора приведена на фиг. 2. Обозначения следующие 1 - рабочая среда, 2 - соленоид, 3 - корпус. Векторуказывает направление распространения света. Форма модулированного сигнала близка к прямоугольной (фиг. 3), в отличие от синусоидальной в модуляторах на парамагнитных стеклах. В связи с этим в положении гашения сигнала на основной частоте модуляции паразитный сигнал на удвоенной частоте модуляции значительно меньше и в принципе стремится к нулю при возрастании крутизны фронта сигнала. В предлагаемом решении при использовании пленки ВРФГ амплитуда модуляции по всей апертуре одинаковая, если амплитуда магнитного поля по всему центральному сечению соленоида не менее поля насыщения . Дальнейшего снижения энергопотребления соленоида можно достичь, обеспечивая форму переменного магнитного поля не синусоидальную, а трапециевидную форму, как показано на фиг. 4,а. Такая форма получается за счет наложения напряжения питания ,отличного от синусоидального, как показано на фиг. 4,б. Основные параметры реализованного модулятора амплитуда модуляции плоскости поляризации света - 2 форма модуляции - близкая к прямоугольной апертура -3 мм частота модулированного сигнала - до 100 кГц потребляемая мощность - 0,5 Вт вес - 1,5 г габариты -95 мм. 3 10971 1 2008.08.30 Сравнительные характеристики заявленного поляризационного магнитооптического модулятора и прототипа по цели изобретения заключаются в следующем. Энергопотребление составляет 0,5 Вт вместо 24 Вт в прототипе. Общие габариты уменьшены в связи с отсутствием системы принудительного охлаждения. Достигнуты форма модуляции, близкая к оптимальной, и однородность амплитуды модуляции по апертуре. Использование настоящего изобретения расширяет возможности использования поляризационных магнитооптических модуляторов для поляриметров и эллипсометров за счет снижения энергопотребления и габаритов, а также достижения оптимальной формы модуляции и однородности сигнала по апертуре. Модулятор может быть использован для автоматизации эллипсометрических и поляриметрических измерений, в оптических схемах для измерений показателей преломления, двупреломления, дихроизма, оптической активности, термооптических, упругооптических, электроооптических и магнитооптических свойств материалов. Источники информации 1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. - М. Наука,1970. 2.Н,,- ., 1974. - .45. - . 798. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4