Оптический вентиль
Изобретение относится к оптической технике. Сущность изобретения заключается в делении пучка на N лучей и использовании в магнитооптическом ротаторе N вращателей плоскости поляризации, где N - натуральное число, причем 3≤N<∞. Технический результат - улучшение потребительских свойств путем повышения лучевой стойкости и уменьшения снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности. 3 ил.
Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки.
Известны различные варианты оптических вентилей, например устройства против ослепления водителей светом фар встречных машин [1], содержащие поляроидные пленки, однако они имеют большие потери световой энергии, что ограничивает возможности их применения.
Акустооптический вентиль, описанный в [2, 3], содержит последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо, настроенный на пропускание излучения с частотой, равной частоте излучения источника света, и акустооптический брэгговский модулятор. Оптическое излучение с частотой ν проходит через интерферометр Фабри-Перо и попадает в акустооптический брэгговский модулятор. На его выходе частота оптического излучения становится равной ν+f, где f - частота акустической волны. Излучение, отраженное от какого-либо элемента оптического тракта или от какого-либо объекта и распространяющееся в обратном направлении, после прохода через акустооптический брэгговский модулятор будет иметь частоту, равную ν+2f. Параметры интерферометра Фабри-Перо подобраны таким образом, что излучение с частотой ν+2f не пройдет через него (при частоте ν кривая зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо от частоты имеет максимум, а при частоте ν+2f имеет минимум). Недостаток акустооптического вентиля заключается в том, что он требует затрат энергии, расходуемой на возбуждение акустической волны в акустооптическом брэгговском модуляторе. Кроме того, частота оптического излучения на выходе акустооптического вентиля не равна частоте оптического излучения на его входе, что сужает область применения такого вентиля.
Известен также оптический вентиль, описанный в [4, 5]. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси собирающую линзу с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, причем поглощающая маска расположена в пределах области продольной хроматической аберрации собирающей линзы. Поглощающая маска может быть закреплена с помощью радиальных растяжек. Оптическое излучение, вошедшее в оптический вентиль в направлении слева направо (в обратном направлении), вследствие продольной хроматической аберрации собирающей линзы разделится на ряд спектральных составляющих. Из них поглотится только та спектральная составляющая, которая сфокусирована в точке расположения поглощающей маски. Все остальные спектральные составляющие пройдут через оптический вентиль в направлении слева направо. В прямом направлении (справа налево) оптическое излучение пройдет практически без ослабления, так как площадь поглощающей маски ничтожно мала по сравнению с площадью поперечного сечения оптического пучка. Недостаток известного оптического вентиля заключается в том, что оптическое излучение, проходящее через этот оптический вентиль как в прямом, так и в обратном направлении, преобразуется в вентиле из плоско-параллельного пучка в сходящийся пучок, который после прохождения через фокальную плоскость собирающей линзы превращается, естественно, в расходящийся пучок, что существенно сужает область применения описанного оптического вентиля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанный в [6] оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и анализатор. Магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на угол 45° относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, после прохождения через анализатор и магнитооптический ротатор будет иметь плоскость поляризации, повернутую на угол 90° относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе.
Недостаток известного оптического вентиля заключается в низких потребительских свойствах, что обусловлено низкой лучевой стойкостью и низкой добротностью при воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности. При воздействии на магнитооптический ротатор оптического излучения большой мощности он нагревается, в результате чего снижается величина постоянной Верде (удельной вращательной способности) материала магнитооптического ротатора. При этом угол поворота плоскости поляризации в магнитооптическом ротаторе становится меньше 45°, что приводит к снижению пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению пропускания оптического вентиля в обратном направлении. Далее, нагревание магнитооптического ротатора приводит к появлению в нем температурных градиентов, что вызывает появление механических напряжений, в результате чего возникает паразитное двулучепреломление. Наличие паразитного двулучепреломления снижает пропускание оптического вентиля в прямом направлении и повышает пропускание оптического вентиля в обратном направлении. При этом снижается добротность оптического вентиля, равная отношению пропускания оптического вентиля в прямом направлении к пропусканию оптического вентиля в обратном направлении.
Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем повышения лучевой стойкости и уменьшения снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит расщепитель оптического пучка и соединитель оптического пучка, расщепитель оптического пучка расположен между поляризатором и магнитооптическим ротатором, соединитель оптического пучка расположен между магнитооптическим ротатором и анализатором, магнитооптический ротатор содержит N вращателей плоскости поляризации, магнитная система содержит N магнитов трубчатой формы с осевой намагниченностью, расщепитель оптического пучка содержит последовательно расположенные выполненный в форме пирамиды первый отражатель и выполненный в форме усеченной пирамиды второй отражатель, соединитель оптического пучка содержит последовательно расположенные выполненный в форме усеченной пирамиды третий отражатель и выполненный в форме пирамиды четвертый отражатель, первый отражатель содержит N отражающих граней, второй отражатель содержит N отражающих граней, третий отражатель содержит N отражающих граней, четвертый отражатель содержит N отражающих граней, первый отражатель расположен на пути прошедшего через поляризатор луча, i-ая отражающая грань второго отражателя расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани первого отражателя луча, i-ый вращатель плоскости поляризации расположен на пути отраженного от i-ой отражающей грани второго отражателя луча, i-ая отражающая грань третьего отражателя расположена на пути прошедшего через i-ый вращатель плоскости поляризации луча, i-ая отражающая грань четвертого отражателя расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани третьего отражателя луча, анализатор расположен на пути сформированного четвертым отражателем луча, i-ый вращатель плоскости поляризации помещен в магнитное поле i-го магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, i - натуральное число, N - натуральное число, причем 3≤i≤N<∞. Минимальное число отражающих граней выполненного в форме пирамиды первого отражателя равно трем.
Покажем, что в заявленном техническом решении созданы условия для более эффективного охлаждения по сравнению с прототипом. Пусть радиус магнитооптического ротатора цилиндрической формы составляет R, а его длина вдоль оптической оси составляет R. Тогда в прототипе площадь Sпр поверхности магнитооптического ротатора, через которую происходит охлаждение, составляет
Sпр=2πR2+2πRR=2πR2+2πR2=4πR2.
Пусть в заявленном техническом решении используется деление апертуры пучка на четыре сектора, апертура каждого вращателя плоскости поляризации имеет форму сектора радиуса R и центральным углом 90°, длина каждого вращателя плоскости поляризации вдоль оптической оси составляет R. Площадь S0, через которую происходит охлаждение магнитооптического ротатора в заявленном устройстве, составляет
S0=2πR2+2πR2+8R2=4πR2+8R2.
Величина ξ, равная отношению S0 к Sпр, имеет вид
ξ=(4πR2+8R2)/(4πR2)=1+2/π≈1,64....
Если используется деление апертуры пучка на шесть секторов, то
ξ≈1,96.
Таким образом, заявленное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более эффективное охлаждение за счет увеличения площади, через которую осуществляется охлаждение магнитооптического ротатора. Это приводит к повышению лучевой стойкости оптического вентиля.
Повышение эффективности охлаждения также приводит к снижению тепловых градиентов в магнитооптическом ротаторе. В результате этого снижается паразитное двулучепреломление, что приводит к повышению пропускания оптического вентиля в прямом направлении и снижению пропускания оптического вентиля в обратном направлении, то есть к повышению добротности оптического вентиля по сравнению с прототипом при воздействии оптического излучения большой мощности.
Повышение лучевой стойкости и уменьшение снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности приводит к повышению потребительских свойств оптического вентиля.
Сущность изобретения поясняется описанием варианта конкретного выполнения оптического вентиля и прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг.1 приведена схема заявленного оптического вентиля,
на фиг.2 приведены схемы расщепителя оптического пучка и соединителя оптического пучка,
на фиг.3 приведено сечение магнитооптического ротатора и магнитной системы в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Оптический вентиль содержит (фиг.1 - 3) магнитную систему (на фиг.1 не показана) и последовательно расположенные поляризатор 1, магнитооптический ротатор 2, анализатор 3, расщепитель 4 оптического пучка и соединитель 5 оптического пучка, расщепитель 4 оптического пучка расположен между поляризатором 1 и магнитооптическим ротатором 2, соединитель 5 оптического пучка расположен между магнитооптическим ротатором 2 и анализатором 3, магнитооптический ротатор 2 содержит N вращателей 6 плоскости поляризации, магнитная система содержит N магнитов 7 трубчатой формы с осевой намагниченностью, расщепитель 4 оптического пучка содержит последовательно расположенные выполненный в форме пирамиды первый отражатель 8 и выполненный в форме усеченной пирамиды второй отражатель 9, соединитель оптического пучка 5 содержит последовательно расположенные выполненный в форме усеченной пирамиды третий отражатель 10 и выполненный в форме пирамиды четвертый отражатель 11, первый отражатель 8 содержит N отражающих граней, второй отражатель 9 содержит N отражающих граней, третий отражатель 10 содержит N отражающих граней, четвертый отражатель 11 содержит N отражающих граней, первый отражатель 8 расположен на пути прошедшего через поляризатор луча, i-ая отражающая грань второго отражателя 9 расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани первого отражателя 8 луча, i-ый вращатель 6 плоскости поляризации расположен на пути отраженного от i-ой отражающей грани второго отражателя 9 луча, i-ая отражающая грань третьего отражателя 10 расположена на пути прошедшего через i-ый вращатель 6 плоскости поляризации луча, i-ая отражающая грань четвертого отражателя 11 расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани третьего отражателя 10 луча, анализатор 3 расположен на пути сформированного четвертым отражателем 11 луча, i-ый вращатель 6 плоскости поляризации помещен в магнитное поле i-го магнита 7 трубчатой формы с осевой намагниченностью, i - натуральное число, N - натуральное число, 3≤i≤N<∞.
Оптический вентиль работает следующим образом. Проходящее через оптический вентиль в прямом направлении оптическое излучение (прямой луч) проходит через поляризатор 1 и становится линейно поляризованным. В расщепителе 4 оптического пучка апертура прямого луча разделяется на N субапертур, каждая из которых имеет форму сектора. Каждый из этих лучей проходит через соответствующий вращатель 6 плоскости поляризации, в котором вследствие магнитооптического эффекта Фарадея его плоскость поляризации поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации. Соединитель 5 оптического пучка объединяет N лучей в единый пучок с апертурой в форме круга. Этот пучок проходит через анализатор 3 без ослабления. Распространяющееся в обратном направлении оптическое излучение (обратный луч) после прохождения через анализатор 3 становится линейно поляризованным. Соединитель 5 оптического пучка разделяет обратный луч на N пучков, которые после прохождения через соответствующие вращатели 6 плоскости поляризации будут иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации. Расщепитель 4 оптического пучка объединяет эти лучи в единый пучок, который либо поглотится в поляризаторе 1 (если в качестве поляризатора 1 применен дихроичный или плеохроичный поляризатор), либо будет отведен в сторону от оптической оси (если в качестве поляризатора 1 применена поляризующая или двулучепреломляющая призма). Таким образом, оптический вентиль пропускает через себя прямой луч и не пропускает через себя обратный луч.
Поскольку субапертуры лучей имеют секторную форму, вращатели 6 плоскости поляризации целесообразно выполнить треугольного (как показано на фиг.3) или секторного сечения.
Источники информации
1. Галкин Ю.Н. Электрооборудование автомобилей. М.: 1947. С.12-14.
2. Патент Великобритании №2109122, опубл. 25.03.83, МПК G02F 1/11, НКИ G2F.
3. Янов В.Г., Бессонов Е.И., Бессонов П.Е. Оптические вентили. МО РФ, СПб., 2004. С.106-108.
4. Авторское свидетельство СССР на изобретение №881650, опубл. 15.11.81, МПК G02F 3/00.
5. Рудой А.Е., Сирота С.В., Янов В.Г. и др. Оптический вентиль с продольной хроматической аберрацией. Доклад на НТК КВ. СПб., ВКА им. А.Ф.Можайского, 2005.
6. Birh K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, №2, p.79-84.
Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расщепитель оптического пучка и соединитель оптического пучка, расщепитель оптического пучка расположен между поляризатором и магнитооптическим ротатором, соединитель оптического пучка расположен между магнитооптическим ротатором и анализатором, магнитооптический ротатор содержит N вращателей плоскости поляризации, магнитная система содержит N магнитов трубчатой формы с осевой намагниченностью, расщепитель оптического пучка содержит последовательно расположенные выполненный в форме пирамиды первый отражатель и выполненный в форме усеченной пирамиды второй отражатель, соединитель оптического пучка содержит последовательно расположенные выполненный в форме усеченной пирамиды третий отражатель и выполненный в форме пирамиды четвертый отражатель, первый отражатель содержит N отражающих граней, второй отражатель содержит N отражающих граней, третий отражатель содержит N отражающих граней, четвертый отражатель содержит N отражающих граней, первый отражатель расположен на пути прошедшего через поляризатор луча, i-ая отражающая грань второго отражателя расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани первого отражателя луча, i-ый вращатель плоскости поляризации расположен на пути отраженного от i-ой отражающей грани второго отражателя луча, i-ая отражающая грань третьего отражателя расположена на пути прошедшего через i-ый вращатель плоскости поляризации луча, i-ая отражающая грань четвертого отражателя расположена на пути отраженного от i-ой отражающей грани третьего отражателя луча, анализатор расположен на пути сформированного четвертым отражателем луча, i-ый вращатель плоскости поляризации помещен в магнитное поле i-го магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, i - натуральное число, N - натуральное число, причем 3≤i≤N<∞.
