ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 1999 года по МПК G02F1/09 

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], 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 на 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.

Оптический вентиль, описанный в [3], содержит собирающую линзу с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси вентиля в пределах области продольной хроматической аберрации линзы. В прямом направлении (от маски к линзе и далее) световой поток проходит без ослабления, т.к. площадь поглощающей маски мала. В обратном направлении световой поток вследствие продольной хроматической аберрации разделяется на ряд спектральных составляющих. Та спектральная составляющая, которая фокусируется на поглощающую маску, поглотится ею, остальные спектральные составляющие пройдут через оптический вентиль. Недостатком известного оптического вентиля является то, что световой пучок, распространяющийся в прямом направлении, после прохождения через оптический вентиль становится сходящимся, а на расстояниях, превышающих фокусное расстояние линзы, оптический пучок превращается, естественно, в расходящийся. Если после вентиля установить какую-либо фокусирующую оптическую систему и превратить световой пучок, распространяющийся в прямом направлении, в плоско-параллельной, то такой оптический вентиль перестанет поглощать требуемую спектральную составляющую светового излучения, распространяющуюся в обратном направлении, т.к. ни одна из его спектральных составляющих после прохождения через фокусирующую оптическую систему и собирающую линзу не будет фокусироваться на поглощающую маску, т.е. оптический вентиль не будет функционировать.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оптическому вентилю является оптический вентиль, описанный в [4]. Он содержит магнитную систему и последовательно расположенные дихроичный поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и дихроичный анализатор. Магнитная система расположена в пространстве таким образом, что магнитное поле, действующее на магнитооптический ротатор, параллельно оптической оси оптического вентиля. Вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации прямого луча после прохождения через магнитооптический ротатор повернется на 45^o относительно исходной плоскости поляризации. Дихроичный анализатор настроен на пропускание излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через магнитооптический ротатор, поэтому прямой луч проходит через дихроичный анализатор без ослабления. Обратный луч, пройдя через дихроичный анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно плоскости поляризации прошедшего через дихроичный поляризатор прямого луча, вследствие чего дихроичный поляризатор не пропустит обратный луч.

Недостаток известного оптического вентиля заключается в низкой надежности при высокой мощности обратного луча вследствие того что дихроичный поляризатор не пропускает обратный луч за счет его поглощения (энергия электромагнитного поля переходит в дихроичном поляризаторе в тепловую энергию), поэтому обратный луч высокой мощности может вывести дихроичный поляризатор из строя, в результате чего оптический вентиль перестанет выполнять свои функции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси дихроичный поляризатор, магнитооптический ротатор и дихроичный анализатор, при этом магнитоптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит расположенную на оптической оси между дихроичным поляризатором и магнитооптическим ротатором первую четвертьволновую пластину, расположенную на оптической оси между магнитооптическим ротатором и дихроичным анализатором вторую четвертьволновую пластину, входной торец магнитооптического ротатора выполнен скошенным, причем угол ϕ между плоскостью скошенного торца магнитооптического ротатора и его оптической осью определяют по следующему соотношению:
(1)
где λ - длина волны оптического излучения в вакууме,
V - постоянная Верде материала магнитооптического ротатора,
H - величина проекции напряженности магнитного поля на оптическую ось магнитооптического ротатора,
n - показатель преломления материала магнитооптического ротатора.

Такое построение оптического вентиля позволяет создать для обратного луча выполнение условия полного внутреннего отражения на границе "входной терец магнитооптического ротатора - воздух" в результате чего осуществляется пространственное разделение прямого и обратного лучей за счет ухода обратного луча в сторону от оптической оси.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение, варианта выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг. 1 приведена функциональная схема оптического вентиля,
- на фиг. 2 приведен рисунок, поясняющий принцип действия оптического вентиля.

Оптический вентиль содержит (фиг. 1) дихроичный поляризатор 1, первую четвертьволновую пластину 2, магнитную систему 3, магнитооптический ротатор 4, вторую четвертьволновую пластину 5 и дихроичный анализатор 6. Дихроичный поляризатор 1, первая четвертьволновая пластина 2, магнитооптический ротатор 4, вторая четвертьволновая пластина 5 и дихроичный анализатор 6 расположены последовательно друг за другом на оптической оси. Магнитооптический ротатор 4 помещен в магнитное поле магнитной системы 3. Входной торец магнитооптического ротатора выполнен скошенным, причем угол ϕ между плоскостью скошенного торца магнитооптического ротатора и его оптической осью определяют в соответствии с формулой (1).

Оптический вентиль работает следующим образом. Прямой луч, пройдя через дихроичный поляризатор 1, становится линейно поляризованным. После прохождения через первую четвертьволновую пластину 2 прямой луч становится циркулярно поляризованным, например, правоциркулярным, затем он проходит через магнитооптический ротатор 4 и вторую четвертьволновую пластину 5. После прохождения через вторую четвертьволновую пластину 5 прямой луч становится линейно поляризованным. Дихроичный анализатор 6 настроен на пропускание излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через вторую четвертьволновую пластину 5, поэтому прямой луч проходит через дихроичный анализатор 6 без ослабления. Обратный луч, пройдя через дихроичный анализатор 6, становится линейно поляризованным. После прохождения через вторую четвертьволновую пластину 5 обратный луч становится левоциркулярным относительно ориентации магнитного поля и проходит через магнитооптический ротатор 4. Вследствие магнитооптического эффекта Фарадея показатель преломления n_е материала магнитооптического ротатора 4 для правоциркулярного оптического излучения не равен показателю преломления n₀ материала магнитооптического ротатора 4 для левоциркулярного оптического излучения. Пусть материал магнитооптического ротатора 4 и ориентация магнитного поля, в которое помещен магнитооптический ротатор 4, выбраны таким образом, что n_o < n_e. В этом случае для обратного луча на границе "входной торец магнитооптического ротатора - воздух" выполняется условие полного внутреннего отражения, в результате чего обратный луч отражается от этой границы и уходит в сторону от оптической оси. Таким образом, осуществляется пространственное разделение прямого и обратного лучей и обратный луч не попадает на выход устройства, формирующего прямой луч.

Определим, в каком случае выполняется для обратного луча условие полного внутреннего отражения на границе "входной торец магнитооптического ротатора - воздух". В соответствии с теорией Френеля [5] поворот плоскости поляризации линейно поляризованного оптического излучения в оптически активных средах обусловлен неравенством показателей преломления для правоциркулярного и левоциркулярного света, совокупность которых и составляет линейно поляризованное оптическое излучение. В [5] приведена формула, описывающая зависимость угла поворота ϑ плоскости поляризации линейно поляризованного оптического излучения от показателей преломления n_o правоциркулярного и n_e левоциркулярного света:
(2)
где l - длина магнитооптического ротатора.

С другой стороны, угол поворота ϑ плоскости поляризации линейно поляризованного света при магнитооптическом эффекте Фарадея определяется соотношением:
ϑ = VHl. (3)
Приравняв правые части формул (2) и (3), получим
(4)
Из (4) несложно получить следующее соотношение:
(5)
Для определения минимального угла падения α_кр прямого луча на границе "воздух - входной торец магнитооптического ротатора", при котором выполняется условие полного внутреннего отражения для обратного луча, обратимся к рисунку, приведенному на фиг. 2, где приняты следующие обозначения; BCD - граница "воздух - входной торец магнитооптического ротатора", ACE - прямой луч, ECF -обратный луч при α < α_кр, ECD - обратный луч при α = α_кр, β - угол преломления прямого луча, а также угол падения обратного луча. Обозначим через β_кр минимальный угол β, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения для обратного луча на границе "входной торец магнитооптического ротатора - воздух".

В соответствии с законом преломления для прямого луча имеем
(6)
а для обратного луча справедливо
(7)
Из (6) и (7) получаем
(8)
откуда
(9)
Подставив (5) в (9), получим
(10)
Таким образом, угол падения α прямого луча на входной торец магнитооптического ротатора должен удовлетворять условию:
(11)
Так как углы α и β связаны между собой соотношением
(12)
то угол β должен удовлетворять следующему условию:
(13)
Тогда угол ϕ между плоскостью скошенного торца магнитооптического ротатора и его оптической осью можно определить по формуле:
(14)
Так как n_o и n_e достаточно близки, то можно в формулах (11) и (14) принять, что n_o = n_e = n, где n - показатель преломления материала, из которого сделан магнитооптический ротатор. Таким образом, формулу (11) можно переписать в виде:
(15)
а формулу (14) можно переписать в виде:
(16)
Проведем в качестве примера расчет угла α для кристалла CrBr₃. Примем следующие исходные данные: λ = 0,5 • 10^-4 см, H = 2•10³ Э, V = 1600 угл. мин•Э^-1 • см^-1= 0,466 рад • Э^-1•см^-1 [6]. Примем с запасом, что n = 2. Подставив эти величины в формулу (15), получим, что α ≥ 83^°.
Таким образом, создание описанного выше оптического вентиля является вполне реальным и его юстировка не вызовет трудностей.

Источники информации
1. Галкин Ю.И. Электрооборудование автомобилей. М., 1947, С. 12-14.

2. Патент Великобритании N 21009122, МКИ G 02 F 1/11.

3. Авт. свид. СССР N 881650, МКИ G 02 F 3/00.

4. Birh K.P. A compact optical isolator. - Opt. Communs, 1982, v. 43, N 2, p.79-84.

5. Яворский B.M., Детлаф А.А. Справочник по физике- М.: Наука, 1971, С. 672.

6. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978, С. 323.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки. Технический результат изобретения - повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости. Сущность: вентиль содержит магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси дихроичный поляризатор, магнитооптический ротатор, помещенный в магнитное поле магнитной системы, а также первую четвертьволновую пластину между дихроичным поляризатором и магнитооптическим ротатором и вторую четвертьволновую пластину между магнитооптическим ротатором и дихроичным анализатором, входной торец магнитооптического ротатора выполнен скошенным, причем угол скоса выбран таким, чтобы для обратного луча на этом торце выполнялось условие полного внутреннего отражения, в результате чего обратный луч уходит в сторону от оптической оси. 2 ил.

Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси дихроичный поляризатор, магнитооптический ротатор и дихроичный анализатор, при этом магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расположенную на оптической оси между дихроичным поляризатором и магнитооптическим ротатором первую четвертьволновую пластину и расположенную на оптической оси между магнитооптическим ротатором и дихроичным анализатором вторую четвертьволновую пластину, входной торец магнитооптического ротатора выполнен скошенным, причем угол ϕ между плоскостью скошенного торца магнитооптического ротатора и его оптической осью определяют по следующему соотношению

где λ - длина волны оптического излучения в вакууме;
V - постоянная Верде материала магнитооптического ротатора;
Н - величина проекции напряженности магнитного поля на оптическую ось магнитооптического ротатора;
n - показатель преломления материала магнитооптического ротора.