Оптический вентиль

 

Сущность: в оптическом вентиле, включающем дихроичный поляризатор, две собирающие линзы, между которыми расположена диафрагма и магнитооптический ротатор , диафрагма выполняется в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй линзы, с выбором угла между образующей конуса и оптической осью таким образом, чтобы выполнялись условия полного внутреннего отражения. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК Ы 1800435 А1 (51)5 G 02 F 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) =ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ",;,"" - ""

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4912179/25 (22) 19.02.91 (46) 07,03,93. Бюл. М 9 (72) В.Г.Янов и И.Н.Легомина (56) Авторское свидетельство СССР

М 1345866, кл. G 02 F 3/00, 1987.

О

О (л) (Л (54) ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ (57) Сущность; в оптическом вентиле, включающем дихроичный поляризатор, две соИзобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки, Цель изобретения — повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

Поставленная цель достигается выполнением диафрагмы в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы, причем угол р между оптической осью и образующей конуса выбирают по формуле: р < 99 — arcs in — —. arcsin(sin(arcing(—— о . по по R пп пп f 9 a))) (1) где по-показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину, пл — показатель преломления прозрачной пластины, R — радиус апертуры обратного луча, f— фокусное расстояние второй линзы, а-угол отклонения обратного луча в акустооптическом дефлекторе, а прозрачная пластина забирающие линзы, между которыми расположена диафрагма и магнитооптический ротатор, диафрагма выполняется в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй линзы, с выбором угла между образующей конуса и оптической осью таким образом, чтобы выполнялись условия полного внутреннего отражения, 3 ил, креплена с возможностью поворота вокруг оптической оси. Это позволяет создать для обратного луча выполнение условий полного внутреннего отражения на поверхности конусного отверстия, в результате чего обратный луч не поглощается диафрагмой, а уходит в сторону от оптической оси, чем достигается повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического вентиля, который содержит систему управления и последовательно расположенные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую. линзу 4, акустооптический дефлектор 5, светоделительное зеркало 6, магнитную систему 7, магнитооптический ротатор 8 и дихроичный анализатор 9. Система управления оптического вентиля содержит фотоприемник 10, электронный компаратор 11, источник напряжения 12, электронный ключ 13 и генератор 14, причем фотоприемник 10 расположен на пути отраженного от светоделительного зеркала

1800435

25

35

45

6 обратного луча, выход фотоприемника 10 соединен с первым входом электронного компаратора11, выход источника напряжения 12 соединен с вторым входом электронного компаратора 11, выход электронного компаратора 11 — с первым входом электронного ключа 13, выход генератора 14 — с вторым входом электронного ключа 12, а выход электронного ключа 13 — с входом возбудителя акустооптического дефлектора

5. Диафрагма 3 выполнена в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в виде усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы 4, причем угол рмежду оптической осью и образующей конуса определяют по формуле (1), а прозрачная пластина закреплена с возможностью поворота вокруг оптической оси оптического вентиля.

Оптический вентиль работает следующим образом. Прямой луч после прохождения через дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, акустооптический дефлектор 5 и светоделительное зеркало 6 попадает в магнитооптический ротатор

8, где его плоскость поляризации вследствие магнитооптического эффекта Фарадея поворачивается на 45 относительно исходной плоскости поляризации. Дихроичный анализатор 9 настроен на пропускание излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через магнитооптический ротатор 8, поэтому прямой луч проходит через дихроичный анализатор 9 без ослабления, Обратный луч, пройдя через дихроичный анализатор 9 и магнитооптический ротатор 8, имеет плоскость поляризации, повернутую на 90 относительно плоскости поляризации прошедшего через дихроичный поляризатор прямого луча.

Светоделительное зеркало 6 часть обратного луча направляет на фотоприемник 10, Электронный компаратор 11 сравнивает сигналы с выхода фотоприемника 10 и источника напряжения 12. Если сигнал с выхода фотоприемника 10 меньше сигнала с выхода источника напряжения 12, сигнал, подаваемый с выхода электронного компаратора 11 на первый вход электронного ключа 13, равен нулю, вследствие чего электронный ключ 13 закрывается и не пропускает сигнал с выхода генератора 14 на возбудитель акустооптического дефлектора

5. Обратный луч после светоделительного зеркала 6 проходит через акустооптический дефлектор 5 без изменения направления распространения, далее он проходит через вторую собирающую линзу 4, диафрагму 3, первую собирающую линзу 2 и гасится дихроичным поляризатором 1. Если сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источника напряжения 12, то электронный компаратор 11 подает на первый вход электронного ключа 13 сигнал, достаточный для открывания электронного ключа 13, в результате чего сигнал с выхода генератора 14 попадает через электронный ключ 13 на возбудитель акустооптического дефлектора 5. При этом обратный луч при прохождении через акустооптический дефлектор 5 отклоняется на некоторый угол. Вследствие этого обратный луч после прохождения через вторую собирающую линзу 4 фокусируется на диафрагме 3 за пределами отверстия диафрагмы 3, На фиг.

2 приведен ход обратного луча в диафрагме

3, причем сплошными линиями показан случай, когда сигнал с выхода фотоприемника 10 меньше сигнала с выхода источника напряжения 12 (т,е. когда в оптическом вентиле реализуется первый режим работы, при этом акустооптический дефлектор 5 выключен), а прерывистыми линиями показан случай, когда сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источника напряжения 12 (т.е, когда в оптическом вентиле реализуется второй режим работы, при этом акустооптический дефлектор 5 включен и отклоняет обратный луч), Обратный луч проникает в диафрагму 3, изготовленную в виде пластины из прозрачного материала и падает на границу, разделяющую прозрачный материал и окружающую среду в конусном отверстии (линия О О" на фиг,2).

Угол между образующей конуса и оптической осью выбран таким, чтобы на этой границе для обратного луча выполнялись условия полного внутреннего отражения (формула (1)), поэтому обратный луч отражается от поверхности конусного отверстия в сторону от оптической оси. Таким образом, если мощность обратного луча превышает некоторое заданное значение, определяемое величиной сигнала на выходе источника напряжения 12, то обратный луч не гасится на дихроичном поляризаторе 1 или на диафрагме 3, а отводится в сторону от оптической оси. Если все таки какая-то часть обратного луча проходит через отверстие в диафрагме 3 или через поверхность конусного отверстия, то она погасится на дихроичном поляризаторе 1. Следовательно, дихроичный поляризатор 1 оказывается защищенным от воздействия обратного луча высокой мощности, Порог срабатывания системы управления определяется величиной сигнала на выходе источника напряжения 12, 1800435

10

LDE = LeDtg а, (2) 15

LAD = LAE -ОЕ (3) оси). -20

Если в процессе эксплуатации будет нарушена целостность поверхности конусноLAD= R — ftg а. (4) 25

= arctg(— — tg а).

f (5) 35

$!ЙЯ пп

sin y n> (6) sin y= sin P пп (7) Таким образом, данный оптический вентиль имеет два режима работы в зависимости от мощности обратного луча (помехи).

При малой мощности обратного луча (меньше порогового значения, оптический вентиль работает в первом режиме и выполняет две функции, пропускает луч от источника оптического излучения в прямом направлении по оптической оси и защищает источник оптического излучения от воздействия на него обратного луча. При высокой мощности обратного луча (больше порогового значения) оптический вентиль работает во втором режиме и выполняет при этом только функцию защиты источника оптического излучения от воздействия на него обратного луча (т.е, в этом режиме прямой луч проходит через работающий акустооптический дефлектор 3, он отклоняется от оптической го отверстия (например, вследствие выкрашивания прозрачного материала в конусном отверстии при воздействии обратного луча очень высокой мощности, то достаточно повернуть диафрагму 3 вокруг оптической оси и ввести тем самым в зону отражения неповрежденный участок поверхности конусного отверстия.

Определим, каким условиям должен удовлетворять угол р между оптической осью и образующей конуса, чтобы на поверхности конусного отверстия для обратного луча выполнялись условия полного внутреннего отражения. Очевидно, что если для луча АВС (фиг.2 и 3) выполняются условия полного внутреннего отражения, то эти условия будут заведомо выполняться для всех других лучей, входящих в состав обратного луча, т.к, луч АВС имеет максимальный угол падения на поверхность О О".

Вначале определим, под каким углом луч АВ падает на поверхность прозрачной пластины. Для этого обратимся к фиг.3, где приняты следующие обозначения: R-радиус апертуры обратного луча, f — фокусное расстояние второй линзы 4, а-угол отклонения обратного луча в акустооптическом дефлекторе 5, Р-угол падения луча АВ на поверхность прозрачной пластины, BD-нормаль к поверхности прозрачной пластины, Пусть точки А и D находятся в фокальной плоскости второй линзы 4. Обозначим буквой Е точку пересечения оптической оси оптического вентиля с фокальной плоскостью второй линзы 4. Кроме того, пусть поверхность прозрачной пластины, на которую падает луч АВ, перпендикулярна оптической оси, 40

55 тогда отрезок BD будет параллелен оптической оси, поэтому угол EBD будет равен а, Так как отрезок АЕ перпендикулярен оптической оси, а отрезок BD параллелен оптической оси, то ED В = Z ADB = 90

Очевидно, что длину LDE отрезка DE можно определить по формуле где LgD — длина отрезка BD причем LBD = f, Тогда длину Едр отрезка AD можно определить следующим образом: где LAE — длина отрезка АЕ. Т.к. LAE = R, то формулу (3) можно преобразовать, подставив (2) в (3):

Так как треугольник ABD является прямоугольным, то угол Р можно определить следующим образом:

P = arctg = arctg

LAD R — ftga

LaD f

Продолжим линию BD влево и обозначим точку ее пересечения с линией Π— О", буквой Н, Обозначим через у угол преломления луча АВС в прозрачной пластине (фиг.3). Тогда где пп — показатель преломления прозрачной пластины, no —. показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину.

Из (6) следует, что

Подставив (5) в (7), получим

g = arcsin(sin(arctg(— — tga))). (8) пп f

Обратимся теперь к треугольнику ВСО (фиг.4), Обозначим через (угол В СО" . Проведем через точку О" пунктирную линию F

F", параллельную оптической оси. Так как угол F 0" В прямой, то

1800435 (9) СО"В =90 — ф.

Так как угол НВО" прямой, то

Z. СВО" = 90 — y, (10) Так как сумма углов любого треугольника равна 180, то, рассмотрев треугольник

ВСО", можно сделать вывод, что = 180 — ЕСО"  — СВО" =

=180 — (90 — р) — (90 — у) = р+ у. (11) Тогда угол падения луча ВС на отрезок

О О" определяется следующим соотношением: = 90 — = 90 — ф — ) . (12) по

sin (,пред = пп (13) откуда следует, что

Ао (пред = агс$1п пг (14) Подставив (12) в (14), получим выражение для минимального угла между оптической осью и образующего конуса, при котором выполняются условия полного внутреннего отражения:

Рп Р д= 90 — (oPeq — )

Подставив (12) и (14) в (15), получим (15) р р д = 90 — arcsln — — пп — arcsin(sin(arctg(— — tg а))). (1 6) пп f

Таким образом, угол р должен удовлетворять условию:

p„pe < 90 — arcsln —"—

nn — arcsin(sin(arctg(— tg а))). (17)

An f

Конструктивная реализация описанного оптического вентиля не вызывает заУсловия полного внутреннего отражения будут выполнены, если синус угла преломления равен единице. Отсюда можно получить выражение для минимального угла (opep, при котором существует полное внутреннее отражение: труднений, т.к. все его элементы являются стандартными и широко применяются в оптике и электронике.

Технико-экономическая эффективность

5 описанного оптического вентиля по сравнению с прототипом заключается в повышении лучевой стойкости вследствие того, что обратный луч высокой мощности не гасится на диафрагме 3 за счет поглощения диаф10 рагмой энергии обратного луча., а отводится в сторону от оптической оси за счет полного внутреннего отражения на поверхности конусного отверстия в прозрачной пластине, Формула изобретения

15 Оптический вентиль, содержащий последовательно установленные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор, первую собирающую линзу, диафрагму, вторую собирающую линзу, акустооптический

20 рефлектор, светоделитель, магнитооптический ротатор, расположенный в магнитной системе, и дихроичный анализатор, а также систему управления, включающую фотоприемник, выход которого соединен с входом

25 компаратора, к которому подключен источник напряжения, выход компаратора соединен с первым входом электронного ключа, второй вход электронного ключа связан с генератором, при этом выход электронного

30 ключа соединен с возбудителем акустооптического дефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения лучевой стойкости, диафрагма выполнена в виде пластины из про35 зрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы, причем угол между оптической осью и образующей конуса р р д определя40 ют по формуле о ° no фпред < 90 — arcsin ——

nn

45 — arcsin(sin(arctg(—. — tg а))), по R пп где п — показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину;

n> — показатель преломления прозрачной пластины;

R — радиус апертуры обратного луча;

F — фокусное расстояние второй линзы; а — угол отклонения обратного луча в акустооптическом дефлекторе;

55 а прозрачная пластина закреплена с возможностью поворота вокруг оптической оси, 1800435

Фиг.2

1800435

Фиг.=.

Составитель В. Янов

Техред М. Моргентал

Г

Корректор И. Муска

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1165 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5