Магнитооптический вентиль

Изобретение относится к оптической технике. Сущность изобретения заключается в том, что магнитооптический ротатор содержит ряд ротационных элементов, первый из которых выполнен цилиндрической формы, а остальные ротационные элементы выполнены трубчатой формы. Технический результат - повышение потребительских свойств путем повышения добротности оптического вентиля и повышения его лучевой стойкости. 5 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 расположен внутри магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью. Таким образом, магнитооптический ротатор помещен в постоянное продольное магнитное поле. Конструкция магнитной системы, величина создаваемого магнитного поля магнитной системы и материал магнитооптического ротатора выбирается таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составляла 45°. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно-поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно-поляризованного света поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации, и, следовательно, поглотится в поляризаторе.

Недостаток известного технического решения заключается в следующем. Величина магнитного поля в описанной постоянной магнитной системе не является постоянной в ее отверстии. В полярных координатах r и z (z совпадает с оптической осью оптического вентиля) величина магнитного поля является минимальной на оптической оси симметрии магнитной системы трубчатой формы (то есть, где r=0), при увеличении радиальной координаты r магнитное поле возрастает. В ряде случаев зависимость величины магнитного поля Н от величины радиальной координаты r можно описать линейной функцией (фиг.1): Н=Ar+В, где А - коэффициент зависимости магнитного поля осевой намагниченности от первой степени радиальной координаты r (tgα=А, где α - угол между графиком зависимости магнитного поля Н от радиальной координаты r и горизонтальной линией), В - величина магнитного поля на оптической оси (фиг.1). Вследствие того что магнитное поле не является постоянным по апертуре пучка, величина угла поворота плоскости поляризации равна 45° не на всей апертуре пучка, а только на ее части, что приводит к снижению коэффициента пропускания оптического вентиля в прямом направлении α_пр и увеличении коэффициента пропускания оптического вентиля в обратном направлении α_обр. Зависимость величины магнитного поля Н от величины радиальной координаты r приводит, в конечном итоге, к снижению добротности Q оптического вентиля, определяемой следующим образом: Q=α_пр/α_обр. Кроме того, известное техническое решение имеет низкую лучевую стойкость: при прохождении через оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор нагревается, в результате чего его α_пр снижается, а α_обр увеличивается, в результате чего падает добротность Q оптического вентиля.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение потребительских свойств путем повышения добротности оптического вентиля и повышения его лучевой стойкости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный магнитооптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, внесены следующие усовершенствования: магнитная система содержит N магнитов, магнитооптический ротатор содержит N ротационных элементов, первый из которых выполнен цилиндрической формы, а остальные ротационные элементы выполнены трубчатой формы, продольные оси симметрии ротационных элементов совмещены с оптической осью оптического вентиля, радиус ротационного элемента цилиндрической формы, радиусы ротационных элементов трубчатой формы и радиусы отверстий ротационных элементов трубчатой формы определяют из соотношений

i=1, 2, 3, ..., N,

где R₁ - радиус первого ротационного элемента и радиус отверстия второго ротационного элемента, R₂ - радиус второго ротационного элемента и радиус отверстия третьего ротационного элемента, R₃ - радиус третьего ротационного элемента и радиус отверстия четвертого ротационного элемента, R_i-1 - радиус i-1-го ротационного элемента и радиус отверстия i-го ротационного элемента, R_i - радиус i-го ротационного элемента и и радиус отверстия i+1-го ротационного элемента, R_N-1 - радиус N-1 ротационного элемента и радиус отверстия N-го ротационного элемента, R_N - радиус N-го ротационного отверстия, R₀ - радиус пучка оптического излучения, а i-й ротационный элемент помещен в продольное магнитное поле i-го магнита.

Такое построение магнитооптического вентиля позволяет уменьшить разницу между максимальным и минимальным углами поворота плоскости поляризации в каждой субапертуре (фиг.2 и 3), причем первая субапертура имеет форму круга, остальные - форму кольца. В результате у такого варианта конструктивного выполнения магнитооптического вентиля повышается его коэффициент пропускания в прямом направлении α_пр и снижается его коэффициент пропускания в обратном направлении α_обр, что приводит к повышению добротности Q. Использование вместо одного магнитооптического ротатора (как в прототипе) N ротационных элементов позволяет значительно увеличить поверхность, через которую осуществляется охлаждение магнитооптического ротатора, что повышает лучевую стойкость. Увеличение добротности и лучевой стойкости приводит к повышению потребительских свойств заявленного магнитооптического вентиля по сравнению с прототипом.

Рассмотрим конкретный пример. Предположим, что количество ротационных элементов составляет три (ш=3), а их размеры примем следующими: R - радиус первого ротационного элемента цилиндрической формы и радиус внутренней боковой поверхности второго ротационного элемента трубчатой формы, 3R/2 - радиус внешней боковой поверхности второго ротационного элемента трубчатой формы и радиус внутренней боковой поверхности третьего ротационного элемента трубчатой формы, 2R - радиус внешней боковой поверхности ротационного элемента трубчатой формы, L - длина ротационного элемента как цилиндрической, так и трубчатой формы.

В первом ротационном элементе цилиндрической формы площадь одной торцовой поверхности равна πR², площадь боковой поверхности составляет 2πRL, а суммарная площадь, через которую осуществляется охлаждение, равна 2πR²+2πRL=2πR(R+L).

Во втором ротационном элементе трубчатой формы площадь одной торцовой поверхности равна π(3R/2)²-πR²=π[9R²/4-R²]=5πR²/4, площадь внутренней боковой поверхности составляет 2πRL площадь внешней боковой поверхности составляет 2πL(3R/2), а суммарная площадь, через которую осуществляется охлаждение, равна 5πR²/2+2πRL+3πRL=5πR²/2+5πRL=5πR(L+R/2).

В третьем ротационном элементе трубчатой формы площадь одной торцовой поверхности равна π(2R)²-π(3R/2)²=7πR²/4, площадь внутренней боковой поверхности составляет 2πLR3/2=3πRL, площадь внешней боковой поверхности составляет 2π2RL=4πRL, а суммарная площадь, через которую осуществляется охлаждение, равна 7πR²/2+3πRL+4πRL=7πR(L+R/2).

Суммарная поверхность ротатора S_из в заявленном устройстве, через которую происходит его охлаждение, составляет

S_из=2πR(R+L)+5πR(L+R/2)+7πR(L+R/2)=2πR(R+L)+12πR(L+R/2).

Суммарная поверхность ротатора S_пр в прототипе, через которую происходит его охлаждение, составляет (радиус ротатора равен 2R, длина ротатора равна L)

S_пр=2π(2R)²+2π2RL=8πR²+4πRL=4πR(2R+L).

При сделанных предположениях о соотношениях размеров ротационных элементов отношение S_из к S_пр составляет

S_из/S_пр={2πR(R+L)+12πR(L+R/2)}/{4πR(2R+L)}.

Примем, что L=2R. Тогда

S_из/S_пр={2πR(R+2R)+12πR(2R+R/2)}/{4πR(2R+2R)}=3/2.

Таким образом, в заявленном устройстве при сделанных выше предположениях о соотношениях размеров ротационных элементов заявленное устройство имеет поверхность, через которую происходит охлаждение, на 50% больше, чем в прототипе, в результате чего при воздействии одной и той же мощности оптического излучения температура ротатора заявленного устройства будет существенно ниже, чем температура ротатора в прототипе, поэтому заявленное техническое решение будет иметь более высокую лучевую стойкость, чем прототип.

Сущность изобретения поясняется описанием варианта конкретного выполнения заявленного вентиля и вариантами конкретного выполнения его составных частей и прилагаемыми чертежами, на которых:

- на фиг.1 приведен график зависимости магнитного поля от радиальной координаты в прототипе;

- на фиг.2 приведен график зависимости угла поворота плоскости поляризации оптического излучения от радиальной координаты в прототипе;

- на фиг.3 приведен график зависимости угла поворота плоскости поляризации оптического излучения в заявленном устройстве;

- на фиг.4 приведена схема заявленного магнитооптического вентиля;

- на фиг.5 приведен в аксонометрии вид трех ротационных элементов.

Магнитооптический вентиль содержит (фиг.4) магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 1, магнитооптический ротатор и анализатор 2. Магнитная система содержит три магнита 3, 4 и 5, магнитооптический ротатор содержит три ротационных элемента, 6, 7 и 8, первый ротационный элемент 6 выполнен цилиндрической формы, а второй 7 и третий 8 ротационные элементы выполнены трубчатой формы, продольные оси симметрии ротационных элементов совмещены с оптической осью оптического вентиля, радиус первого ротационного элемента 6 цилиндрической формы, радиусы ротационных элементов 7 и 8 трубчатой формы и радиусы отверстий ротационных элементов 7 и 8 трубчатой формы определяют из соотношений (1) и (2) при i=3.

Магнитооптический вентиль работает следующим образом. Оптическое излучение (на фиг.4 изображено сплошными линиями) проходит через поляризатор 1 и становится линейно-поляризованным. В магнитооптическом ротаторе, содержащем ротационные элементы 6, 7 и 8, вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно-поляризованного света поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор 2, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении (на фиг.4 изображено прерывистыми линиями), пройдя через анализатор 2 и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе 1.

Источники информации

1. Галкин Ю.Н. Электрооборудование автомобилей. М.: 1947. С.12-14.

2. Патент Великобритании №2109122, публ. 25.03.83, МПК G02F 1/11, HKH G2F.

3. Янов В.Г., Бессонов Е.П., Бессонов П.Е. Оптические вентили. МО РФ. СПб. 2004. С.106-108.

4. Авторское свидетельство СССР на изобретение №881650, публ. 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 KB. СПб. ВКА им. А.Ф.Можайского, 2005.

6. Birh K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, №2, p.79-84.

Магнитооптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, отличающийся тем, что магнитная система содержит N магнитов, магнитооптический ротатор содержит N ротационных элементов, первый из которых выполнен цилиндрической формы, а остальные ротационные элементы выполнены трубчатой формы, продольные оси симметрии ротационных элементов совмещены с оптической осью оптического вентиля, радиус ротационного элемента цилиндрической формы, радиусы ротационных элементов трубчатой формы и радиусы отверстий ротационных элементов трубчатой формы определяют из соотношений:

R₁<R₂<R₃<,...,<R_i-1<R_i<R_i+1<,...,<R_N-1<R_N,

R_N-1<R₀≤R_N,

I=1, 2, 3, ..., N,

где R₁ - радиус первого ротационного элемента и радиус отверстия второго ротационного элемента, R₂ - радиус второго ротационного элемента и радиус отверстия третьего ротационного элемента, R₃ - радиус третьего ротационного элемента и радиус отверстия четвертого ротационного элемента, R_i-1 - радиус i-1-го ротационного элемента и радиус отверстия i-го ротационного элемента, R_i - радиус i-го ротационного элемента и радиус отверстия i+1-го ротационного элемента, R_N-1 - радиус N-1 ротационного элемента и радиус отверстия N-го ротационного элемента, R_N - радиус N-го ротационного отверстия, R₀ - радиус пучка оптического излучения, а i-й ротационный элемент помещен в продольное магнитное поле i-го магнита.