МОДУЛЯТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B26/00 C02F1/00 

Изобретение относится к технике модуляции оптического излучения и может быть использовано как для модуляции света, так и для визуальной индикации информации, а также для индикации магнитного поля.

Известны многочисленные устройства для модуляции излучения, некоторые из которых описаны в [1]
Акустический датчик на микроизгибах волокна [1] с. 101, представляет собой волоконный световод, заключенный между подвижным и неподвижным деформерами, создающими при взаимном сближении его периодическое искривление, в результате чего энергия передается от мод сердцевины к модам оболочки.

Микроизгибный датчик деформаций, [1] с. 108, по оптической схеме не отличающийся от вышеописанного акустического датчика, однако деформер выполнен в виде растягивающей цепи. По мере увеличения измеряемой деформации возрастает амплитуда микроизгибов волоконного световода, свободно размещенного внутри звеньев цепи. При этом при возникновении микроизгибов не только происходит переход части излучения в оболочку, но и наблюдается обратное отражение от участков световода, подверженного микроизгибам.

Интероферометрический датчик магнитного поля [1] с. 160, чувствительный элемент которого представляет собой волоконный световод с приклеенным к нему или нанесенным на него магнитострикционным материалом. При этом деформации магнитострикционного материала преобразуются в деформации волоконного световода, которые изменяют длину оптического пути света, а также вызывают эффект фотоупругости в волокне.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому изобретению является модулятор оптического излучения [5] прототип. Он представляет собой две оптические призмы, плоскости которых расположены параллельно с фиксированным зазором между ними. Плоскость первой призмы облучается со стороны, противоположной зазору, светом, который в исходном состоянии устройства полностью отражается от нее, а на плоскости второй призмы находится слой эластичного материала. Также устройство включает в себя надавливающий элемент, способный механически воздействовать на слой эластичного материала таким образом деформируя его. При приложении посредством надавливающего элемента давления к эластичному материалу последний прожимается внутрь зазора, уменьшая его. При этом часть света проникает за плоскость первой призмы и либо распространяется внутрь второй, если эластичный элемент прозрачен, либо поглощается им.

Действие прототипа основано на нарушении полного внутреннего отражения при приближении к отражающей плоскости из области, в которой не происходит распространение света, материала с оптическими свойствами, отличными от свойств данной области.

Общим признаком этих устройств является то, что они оба содержат два участка прозрачных сред, на границе раздела которых выполняется условие полного внутреннего отражения.

Работа прототипа, как и заявляемого устройства, основана на совместном использовании эффектов полного внутреннего отражения и его нарушении путем механического воздействия на оптическую среду вблизи границы отражения.

Аналоги и прототип изобретения не обеспечивают возможности управления оптическим излучением за счет нарушения полного внутреннего отражения на границе раздела в оптической среде под влиянием магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в прозрачную среду, имеющую границу раздела, на которой выполняется условие полного внутреннего отражения, например, волоконный световод, введены частицы 3 ферромагнитного или магнитострикционного материала, которые под действием магнитного поля создают механические напряжения. Известно ([1] [2]), что границы L в среде между участками 1 и 2 с оптическими плотностями n₁ и n₂ соответственно, где n₁ меньше n₂, способна полностью отражать оптическое излучение, приходящее из участка 2 обратно в этот участок, если угол между нормально к границе раздела и направлением излучения лежит в пределах от Q до 90^o включительно, где Q критический угол падения, равный arcsin(n₂/n₁), [1] с. 19. Если в непосредственной близости от этой границы или даже на ней самой расположены частицы материала, взаимодействующего с магнитным полем, при приложении этого поля такие частицы создают механические напряжения в оптической среде, обеспечивающие эффект фотоупругости и деформацию границы [2]
В случае, если эти частицы вызывают рассеяние или поглощение излучения, они размещены вне области распространения излучения при полном внутреннем отражении. Сущность этого предложения иллюстрируется на фиг. 1, где показано, что магниточувствительные частицы находятся по одну сторону от границы раздела.

Пусть L граница, на которой происходит полное внутреннее отражение света длиной волны λ, падающего под углом a к нормали к границе раздела L. Для определенности примем, что граница резкая, хотя в общем случае она может представлять плавный, градиентный переход от области с оптической плотностью п₁ к области с оптической плотностью n₂.

Известно ([5] с. 109.113, ф-лы 4.6, 4.7), что при полном внутреннем отражении световая волна проникает в оптически менее плотную среду явление, называемое нарушенным полным внутренним отражением. Интенсивность проникающей за границу раздела световой волны экспоненциально убывает по мере удаления от границы. Эффективная глубина проникновения H_е расстояние, на котором интенсивность света убывает в е раз количественная характеристика полного внутреннего отражения:

где ω угловая частота падающего излучения,
с скорость света в вакууме.

Толщина слоя материала с оптической плотностью n прилежащего непосредственно к границе L, может быть определена следующим способом: методом расчета или моделирования частного случая с конкретными материалами и габаритами частиц, находится то максимальное расстояние от частицы до границы L, на котором напряжения и деформации, вызываемые ею при заданном магнитном поле, достаточны для нарушения полного внутреннего отражения. Это расстояние H_max максимальная возможная толщина Н.

Минимально возможная толщина Н_min зависит от уровня потерь на рассеяние. Толщина слоя с магнитными частицами не должна значительно превышать габариты самих частиц в силу того, что больший эффект производят частицы, наиболее близкие к границе L, а большая толщина слоя n₂ приведет к большим потерям на поглощение и рассеяние света, прошедшего сквозь границу L. Механическая прочность волокна может быть повышена добавлением внешнего, четвертого слоя из прозрачного материала, возможно с добавлением светонакапливающего вещества люминофора или заключением волокна в прозрачный или полупрозрачный материал. В случае, если будет применен люминофор, одна из его функций состоит в том, чтобы изменить направление излучения и сделать диаграмму направленности излучения из каждой точки более равномерной.

Выбор наибольшей концентрации частиц можно осуществить исходя из различных соображений. Можно исходить из соображения перекрытия полей деформаций оптической среды между соседними частицами порядка 10 мкм, при этом наибольшая концентрация примерно 10¹² см^-3. Другую оценку можно осуществить из тех соображений, чтобы излучение могло проходить между частицами, а это достигается если расстояние между ними не менее l, то есть для видимого излучения наибольшая концентрация примерно 10⁹ см^-3.

Минимальную концентрацию оценивать не имеет смысла, так как может оказаться достаточно одной частицы на большой объем, 1 м³.

Минимальный размер частицы это размер магнитного иона, которые могут быть применены в качестве частиц, не более удвоенного расстояния между ближайшими атомами основного вещества, примерно , а максимальный габарит определяется величиной светящейся точки, которую необходимо получить, и этот размер для больших табло может достигать порядка 10^-1 м.

Источники магнитного поля, вызывающие используемый в заявленном устройстве эффект, могут быть расположены вне, нанесены на поверхность или внедрены в объем оптической среды, например, в виде токовых проводников.

Произведем анализ достижимости вышеописанного эффекта. Возьмем прозрачную среду, содержащую границу L полного внутреннего отражения между участками 1 и 2. Ниже приведены характеристики областей [3] и [4] Участок 1. Материал 1 стекло; оптическая плотность n₁ 1,6109; коэффициент фотоупругости p₁ 0,2; модуль упругости E₁= 7•10⁸ Па. Участок 2. Материал 2 полистирол; оптическая плотность n₂ 1,60805; коэффициент фотоупругости p₂ 0,3; модуль упругости E₂ 0,32•10⁸ Па.

На границу L из участка 1 падает излучение длиной волны λ, равной 0,568 мкм под углом a, равным 86^o к нормали к границе L.

Критический угол полного внутреннего отражения Q 86,59^o. Излучение частично покинет область 1, если a меньше Q. Найдем величину механического напряжения s, при котором излучение полностью проникнет в участок 2. При этом должно выполняться условие
n₁+Δn₁ = n₂+Δn₂,
где Δn₁ и Δn₂ изменения оптических плотностей участков 1 и 2 соответственно, при приложении к среде механического напряжения σ.

В простом случае

Для того, чтобы лишь нарушить полное внутреннее отражение, достаточно меньшего напряжения.

Данный эффект может быть осуществлен с помощью частиц магнитотвердого материала с коэрцитивной силой Нс не менее 10³ А/м, или магнитомягкого материала с относительной магнитной проницаемостью μ не менее 10², или магнитострикционного материала с коэффициентом магнитомеханической связи К не менее 0,2.

Возможные применения изобретения могут быть следующими. Описываемая оптическая среда представляет собой световод, в котором участок 1 является сердцевиной, а участок 2 оболочкой, а частицы 3 расположены внутри участка 2. Такое волокно, совмещенное с электрическими проводниками, на которые подаются токовые импульсы, создающие в нужных точках магнитные поля, может являться экраном для вывода изображения или матрицей для его считывания в зависимости от того, источники или приемники излучения расположены у торцов волокна.

В другом варианте оптическая среда может представлять собой плоскопараллельную пластину, граница L параллельная поверхности пластины, на участок 2 наложена система проводников. Такая конструкция может выполнять аналогичные функции, источники или приемники излучения расположены у торцов пластины.

При этом и первый и второй варианты реализации устройства, лишенные токовых проводников, могут играть роль датчика магнитного поля, измеряемой величиной при этом может быть интенсивность света, прошедшего сквозь границу, или наоборот, отразившегося от нее.

Технологически описываемое устройство может быть реализовано известными методами [1]
Например, CVD процессом, при котором осуществляется химическое осаждение основного стеклообразующего окисла и легирующих окислов из парогазовой смеси, или методом изготовления волокна из многокомпонентных стекол по методу двойного тигля.

На фиг. 1 изображена оптическая среда с участками 1 и 2, границей L между ними и ферромагнитными частицами 3, создающими механические напряжения в среде в результате собственной деформации или перемещениях под действием магнитного поля В. На границу L под углом a к нормали из участка 1 падает излучение с длиной волны l, при этом критический угол полного внутреннего отражения Q меньше a.

На фиг. 2 изображена оптическая среда в виде волоконного световода, где участок 1 составляет сердцевину, а участок 2 оболочку.

ЛИТЕРАТУРА
1. Волоконная оптика и приборостроение, под редакцией Бутусова М.М. Л. Машиностроение, Ленингр. отделение.

2. Основы оптики, М.Борн, Э.Вольф. М. Наука, 1973.

3. Справочник по физике, Х.Кухлинг. М. Мир, 1985.

4. Физические Величины Справочник. М. Энергоатомиздат, 1991.

5. Патент США N 4714326, кл. G 02 D 26/00, 1987.

Использование: устройства индикации информации, датчики магнитного поля. Сущность изобретения: модулятор оптического излучения содержит два участка прозрачной среды, на границе раздела которых выполняется условие полного внутреннего отражения, и источник магнитного поля. На границе раздела участков сред или в непосредственной близости от нее введены частицы или волокна из магнитотвердого, или магнитомягкого, или магнитострикционного материала для создания механических напряжений под действием магнитного поля. Два участка прозрачных сред могут быть выполнены в виде волоконного световода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Модулятор оптического излучения, содержащий два участка прозрачной среды, на границе раздела которых выполняется условие полного внутреннего отражения, отличающийся тем, что снабжен источником магнитного поля, при этом на границе раздела участков сред или в непосредственной близости от нее введены частицы величиной 10^- 1 м или волокна из магнитотвердого или магнитомягкого материала с относительной магнитной проницаемостью не менее 10² или магнитострикционного материала с концентрацией, выбранной из условия перекрытия полей деформаций оптической среды между соседними частицами, для создания механических напряжений под действием магнитного поля. 2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что два участка прозрачных сред выполнены в виде волоконного световода.