Оптический вентиль

 

Сущность изобретения: исходное излучение пропускают через магнитооптический ротатор, а обратный луч перемещают по спиральной траектории по диафрагме, что позволяет, увеличить Площадь, на которой осуществляется преобразование энергии обратного луча в тепловую энергию. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 02 F 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCPi

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,Ql

1д ! (21) 4829276/25 (22) 29.05.90 (46) 30.03.93. Бюл. ¹ 12 (72) В,Г.Янов и И.Н.Легомина (56) Birh К,P. А compact optical isolator.—

Optics Communications. 1982, v.43, ¹2,,р.79 — 84.

Авторское свидетельство СССР

N 1345866, кл. G 02 F 3/00, опубл. 1987.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки и оптической схемотехники, Цель изобретения — повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

На фиг.1 показана функциональная схема оптического вентиля, который содержит последовательно расположенные дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, первое сканирующее устройство 5, второе сканирующее устройство 6, светоделительное зеркало 7, магнитооптический . ротатор 8, помещенный в магнитное поле магнитной системы 9 и дихроичный анализатор 10, Плоскости сканирования первого сканирующего устройства 5 перпендикулярна плоскости сканирования второго сканирующего устройства 6; Система управления содержит фазовращатель 11. фотоприемник

12, сумматор 13, перемножитель 14, электронный компаратор 15, первый источник на-. пряжения 16, второй источник напряжения

17, генератор пилообразного напряжения

18, электронный ключ 19 и генератор 20, Фотоприемник 12 расположен на пути отраженного от светоделительного зеркала

7 обратного луча, выход фотоприемника 12

„„5U „„1805441А1 (54) ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ (57) Сущность изобретения: исходное излучение пропускают через магнитооптический ротатор, а обратный луч перемещают по спиральной траектории по диафрагме, что позволяет. увеличить площадь, на которой осуществляется преобразование энергии обратного луча в тепловую энергию. 3 ил. соединен с первым входом электронного компаратора 15, выход первого источника напряжения 16 соединен со вторым входом электронного компаратора 15, выход электронного компаратора 15 соединен с первым входом электронного ключа 19, выход генератора 20 соединен с вторым входом электронного ключа 19, выход второго источника напряжения 17 соединен с первым входом сумматора 13, выход генератора пилообразного напряжения 18 соединен со вторым входом сумматора 13, выход сумматора 13 соединен с первым входом перемножителя

14, выход электронного ключа 19 соединен с вторым входом перемножителя 14, выход перемножителя 14 соединен с входом возбудителя первого сканирующего устройства

5 и входом фазовращателя 11, а выход фазовращателя 11 соединен со входом возбудителя второго сканирующего устройства 6.

Устройство работает следующим образом.

Прямой луч после прохождения через дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, первое сканирующее устройство 5, второе сканирующее устройство 6 и светоделительное зеркало 7 попадает в магнитооптический poTBTo!) 8, где егo

1805441 плоскость поляризации вследствие магнитооптического эффекта Фарадея поворачивается на 45 относительно исходной плоскастй поляризации. Дихроичный анализатор 10 настроен на пропускание излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через магнитооптический ротор 8, поэтому прямой луч проходит через дихроичный анализатор 10 10 без ослабления. Обратный луч, пройдя через дихроичный анализатор 10 и магнитооптический ротатор 8, имеет плоскость поляризации, повернутую на 90" относи-тельно плоскости поляризации прошедшегО через дихроичный поляризатор .1 прямого луча. Светоделительное зеркало 7 часть обратного луча направляет на фотоприемник

12. Электронный компаратор 15 сравнивает сигналы с выхода фотоприемника 12 и пер- 20 ваго источника напряжения 16, Если сигнал с выхода фотоприемника 12 меньше сигнала с выхода первого источника напряжения

16, то сигнал, подаваемый с выхода электронного компаратора 15 на первый вход 25 электронного ключа 19, равен нулю, вследствие чего электронный ключ 19 закрывается и не пропускает сигнал с выхода генератора 20 на второй вход перемножителя 14; т.е, сигнал на втором входе перемно- 30 жителя 14 равен нулю, поэтому сигнал на. выходе перемно>кителя 14(равный произведению сигналов íà его первом и втором входах) равен нулю, вследствие чего сигнал, подаваемый на возбудители первого скани- 35 рующего устройства 5 и второго сканирующего устройства 6 равны нулю. При этом обратный луч проходит через второе сканирующее устройство 6 и первое сканирующее устройство 5. без изменения 40 направления своего распространения, далее обратный луч проходит через вторую собирающую линзу 4, диафрагму 3, первую собирающую линзу 2 и гасится дихроичным поляризатором 1, т.к. плоскость поляриза- 45 ции обратного луча составляет 90 к оси максимального дихроичного поляризатора

1.

Если сигнал с выхода фотоприемника 12

50 больше сигнала с выхода первого источника напряжения 16, то электронный компаратор

15 подает на первый вход электронного ключа 19 сигнал, достаточный для открывания электронного ключа 19, в результате чего сигнал с выхода генератора 20 попада- 55 . ет на второй вход перемножителя 14. После включения оптического вентиля генератор пилообразного напряжения 18 вырабатывает пилообразное напряжение, причем величина сигнала на его выходе изменяется от нуля до 0 (фиг.2,а), где U s обозначает сигнал на выходе генератора пилообразного напряжения 18, t — время), Сигнал 01з с выхода генератора пилообразного напряжения 18 поступает на второй вход сумматора 13, На первый вход сумматора 13 поступает сигнал 017 с выхода второго источника напряжения 17. Величина сигнала

0л выбрана таким образом, что при подаче на выход возбудителей первого и второго сканирующих устройств 5 и 6 гармонического сигнала с амплитудой 0л сфокусированное пятно обратного луча отклонялось бы на величину, достаточную для нахождения сфокусированного пятна обратного луча вне отверстия диафрагмы 3, На выходе сумматора 13 формируется сигнал, равный .сумме сигналов с выхода второго источника напряжения 17 и генератора пилообразного нэпржения 18, т.е. на выходе сумматора 13 . сигнал периодически линейно изменяется от 0п до 0 +017. затем быстро падает до . величины 017 (фиг.2,б). Этот сигнал попадает на первый вход перемножителя 14.

На фиг,2,в приведен график зависимости сигнала Utg на выходе электронного ключа 19, причем за время от нуля до to электронный ключ был закрыт (сигнал на выходе фотоприемника 12 был меньше сигнала на выходе первого источника напряжения 16). B момент to сигнал с выхода фотоприемника 15 превысил сигнал с выхода первого источника напряжения 16, при этом сигнал с выхода электронного компаратора 15 поступил на первый вход элект. ронного ключа 19 и открыл его и сигнал с выхода генератора 20 поступил на второй вход перемножителя 14. Сигнал 014 на выходе перемножителя 14 равен произведению сигналов 01з и 019..

График зависимости 01 от времени приведен на фиг.2,г. В интервале времени. от нуля до т> сигнал 0>4 равен нулю, т.к. 019

= О. При t>to сигнал 0<4 представляет собой гармонический сигнал, амплитуда которого меняется по пилообразному закону. Сигнал

Ut4 с выхода перемножителя 14 поступает на возбудитель первого сканирующего устройства 5. Через фазовращатель 11, осуществляющий сдвиг фазы на л /2, сигнал поступает на вход возбудителя второго сканирующего устройства 6. Обратный луч после прохождения через светоделительное зеркало 7 проходит через второе сканирующее устройство 6, которое при > о осуществляет периодическое изменение направления распространения обратного луча по гармоническому закону с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 20 и с амплитудой, меняющейся по пило1805441 сигнала на выходе генератора 20 и с амплитудой, меняющейся по пилообразному зако- 10

15 обратного луча в пространстве по раскручи- 20 вающейся спирали. Во время обратного хо25 образному закону.,После прохождения через первое сканирующее устройство 5 обратный луч и ри t> t< осуществляет периодическое изменение направления распространения по гармоническому закону в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования второго сканирующего устройства 6, с частотой, равной частоте ну. Фазы колебаний направления распространения обратного луча в плоскостях сканирования отличаются на и /2.

Совокупность двух пространственных колебательных движений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с фазовым сдвигом между собой, равным гс/2 и с линейно возрастающей амплитудой (прямой ход "пилы"), представляет собой движение да "пилы" обратный луч возвращается в точку, соответствующую началу спирали, затем обратный луч вновь начинает двигаться по раскручивающейся спирали. После прохождения через вторую собирающую линзу и сфокусированное пятно обратного луча будет двигаться по диафрагме 3 по раскру. чивающейся спиральной траектории (прямой ход "пилы"), затем быстро возвращаться в начало спирали (обратный ход "пилы"), после чего повторяется движение по раскручивающейся спирали и т.д.

Величина сигнала Од с выхода второго источника напря>кения 17 выбрана такой, чтобы сфокусированное пятно обратного луча на диафрагме 3 в момент начала дви>кения по спирали находилось вне отверстия диафрагмы 3.

На фиг.3 приведена траектория дви>кения сфокусированного пятна обратного луча по диафрагме 3 при t>t<.

Таким образом, если мощность обратного луча превышает некоторое наперед заданное значение, определяемое величиной сигнала на выходе первого источника напряжения 16, то обратный луч гасится на дихроичном поляризаторе 1, а на диафрагме 3, которая обладает значительно более высокой лучевой стойкостью, чем дихроичный поляризатор 1. Если Все-таки какая-то часть обратного луча пройдет через отверстие в диафрагме 3, то. она погасится на дихроичном поляризаторе 1.

Следовательно, дихроичный поляризатор 1 в описанном оптическом вентиле оказывается защищенным от воздействия на него обратного луча высокой мощности. Порог срабатывания системы управления on30

55 ределяется величиной сигнала на выходе первого источника напря>кения 16.

Таким образом, предлагаемый оптический вентиль имет 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.к. в этом режиме прямой луч проходит последовательно через работающие первое и второе сканирующее устройства 5 и 6, то прямой луч отклоняется от оптической оси и при этом его центр движется в пространстве по спиральной траектории).

Конструктивная реализация описанного оптического вентиля не вызывает затруднений, т.к, все его элементы являются стандартными и широко используются в оптике и электронике, Вместо двух последовательно расположенных сканирующих устройств может быть использовано моноблочное двухкоординатное сканирующее устройство. Вместо совокупности фазовращателя и двух сканирующих устройств может быть применено круговое сканирующее устройство, в котором угол сканирования зависит от амплитуды подаваемого на его управляющий вход сигнала, Технико-экономическая эффективность предлагаемого оптического вентиля по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности за счет увеличения лучевой стойкости вследствие того, что обратный луч высокой мощности гасится на участке диафрагмы 3, площадь которого значительно больше, чем у прототипа. В прототипе энергия сфокусированного обратного луча преобразуется в тепловую энергию s пределах круга с радиусом, равным радиусу сфокусированного пятна обратного луча, В. этом оптическом вентиле параметры входящих в его состав элементов могут быть подобраны таким образом, что сфокусированное пятно обратного луча при движении по спирали за время прямого хода "пилы" покроет всю поверхность диафрагмы 3 без пропусков. Тогда отношение К площадей, на которых происходит преобразование энергии обратного луча в тепловую

1805441 энергию в предлагемом оптическом вентиле и прототипе, будет иметь вид

К— я а-

5 где Вд — радиус диафрагмы 3; гд — радиус отверстия в диафрагме 3.

Если радиус отверстия в диафрагме 3 равен радиусу сфокусированного пятна обратного луча, то формула для К примет вид

К=(— ) -1

2 гд

Так как Вд» гд, то К»1, т.е. площадь участка диафрагмы 3, на котором происходит преобразование энергии обратного луча в тепло- 15 вую энергию в предлагаемом вентиле значительно больше, чем в прототипе.

Таким образом, оптический вентиль обладает более высокой надежностью за счет увеличения лучевой стойкости, чем прото- 20 тип, Формула изобретения

Оптический вентиль; содержащий магнитную систему и последовательно распо- 25 ложенные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор, первую собирающую линзу, диафрагму, вторую собирающую линзу, светоделительный элемент, магнитооптический элемент, помещенный в 3Q поле магнитной системы, и дихроичный анализатор, а также блок управления; включающий в себя фотоприемник, электронный компаратор, первый источник напряжения, электронный ключ и генератор, при этом вход фотоприемника оптически связан с одним из выходов светоделительного элемента, выход фотоприемника — с первым входом электронного компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого источника напряжения, а выход электронного компаратора соединен с первым входом электронного ключа, второй вход которого соединен с выходом генератора, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения лучевой стойкости, дополнительно введены фазов,ращатель, сумматор, перемножитель, второй источник напряжения, генератор пилообразного напряжения, а также первый и второй сканирующие элементы с взаимно ортогональными плоскостями сканирования, которые последовательно расположены между второй собирающей линзой и светоделительным элементом, при этом выход второго источника напряжения соединен с первым входом сумматора, выход генератора пилообразного напряжения — с вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход электронного ключа соединен с вторым входом перемножителя, выход которого соединен с управляющим входом первого сканирующего элемента и входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго сканирующего элемента.

1805441

Ф

Корректор С,Лисина

Редактор

Заказ 941. Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Ы и

От+И!

Составитель В.Янов

Техред М.Моргентал