ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2000 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки в оптических системах с умножением частоты, в частности удвоением частоты.

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.

Оптический вентиль, описанный в [2], 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, что ограничивает возможности его применения.

Магнитооптический вентиль, описанный, например, в [3], содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор. На магнитооптический ротатор воздействует магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на 45^o относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45^o относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно исходной плоскости поляризации, и следовательно, поглотится в поляризаторе (если в качестве поляризатора использована дихроичная пленка) либо уйдет в сторону от луча, распространяющегося а прямом направлении (если в качестве поляризатора использована двулучепреломляющая призма). Недостатком такого вентиля является то, что он может работать с высокой эффективностью только с излучением, имеющим линейную поляризацию, в противном случае возрастают потери излучения, распространяющегося в прямом направлении.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оптическому вентилю является акустооптический вентиль, описанный в [4] и содержащий 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 известного акустооптического вентиля заключается в том, что интерферометр Фабри-Перо является очень чувствительным к изменениям температуры окружающей среды, при этом изменяется положение максимумов зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо по оси частот, в результате чего падает пропускание акустооптического вентиля в прямом направлении и увеличивается его пропускание в обратном направлении, что ухудшает качество работы акустооптического вентиля.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности за счет снижения чувствительности к температурным изменениям.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные частотный фильтр и частотный преобразователь, внесены следующие усовершенствования (п. 1 формулы изобретения): он дополнительно содержит расположенный за частотным преобразователем второй частотный фильтр, в качестве частотного фильтра использовано дисперсионное устройство, а в качестве частотного преобразователя использован умножитель частоты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В ряде случаев в оптических системах для получения требуемой длины волны в качестве источника оптического излучения применяется совокупность оптического квантового генератора и умножителя (чаще всего удвоителя) частоты. Это позволяет использовать умножитель частоты также в качестве элемента, входящего в состав заявляемого оптического вентиля. В прототипе для изменения частоты используется акустооптический брэгговский модулятор, который изменяет частоту на величину, очень малую по сравнению с частотой оптического излучения, поэтому для разделения прямого и обратного лучей по частоте необходимо использовать устройство с высоким разрешением - интерферометр Фабри-Перо, параметры которого сильно зависят от температуры окружающей среды. В заявляемом устройстве происходит изменение частоты на значительную величину (чаще всего, в два раза), поэтому для частотного разделения прямого и обратного лучей достаточно применить устройство с невысоким разрешением - какое-либо дисперсионное устройство, параметры которого слабо зависят от изменения температуры окружающей среды.

В частном случае (п. 2 формулы изобретения) в качестве умножителя частоты использован удвоитель частоты.

В частном случае (п. 3 формулы изобретения) в качестве дисперсионного устройства использована дисперсионная призма.

В частном случае (п. 4 формулы изобретения) в качестве дисперсионного устройства использована дифракционная решетка.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое устройство варианта исполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг. 1 приведена функциональная схема оптического вентиля;
- на фиг. 2 приведен рисунок, поясняющий вариант использования дисперсионной призмы в качестве дисперсионного устройства;
- на фиг. 3 приведен рисунок, поясняющий вариант использования дифракционной решетки в качестве дисперсионного устройства.

Оптический вентиль содержит (фиг. 1) последовательно расположенные дисперсионное устройство 1, умножитель частоты 2 и второй частотный фильтр 3. На фиг. 1, 2 и 3 прямой луч изображен сплошными линиями, обратный луч - прерывистыми линиями.

Оптический вентиль работает следующим образом. Пусть на вход оптического вентиля поступает оптическое излучение с частотой ν (прямой луч). Через дисперсионное устройство 1 свет проходит без изменения своих частотных характеристик. На выходе умножителя частоты 2 будет присутствовать излучение с частотой nν (основная компонента) и с частотой ν, где n - коэффициент умножения (на практике обычно n = 2). Излучение с частотой nν проходит через второй частотный фильтр 3 без потерь, а излучение с частотой ν будет значительно ослаблено вторым частотным фильтром 3, так как он настроен на пропускание света с частотой nν.
Отраженное от элементов оптического тракта и распространяющееся в обратном направлении излучение (обратный луч) тоже будет иметь составляющие с частотами ν и nν. Излучение с частотой nν пройдет через второй частотный фильтр и умножитель частоты 2 без ослабления (излучение с частотой n²ν не будет формироваться в умножителе частоты 2, так как его частота находится вне полосы пропускания умножителя частоты 2). Далее это излучение при прохождении через дисперсионный элемент 1 отклонится от оптической оси и не попадет в источник оптического излучения. Излучение с частотой ν при прохождении через второй частотный фильтр 3 будет еще раз ослаблено, после чего при прохождении через умножитель частоты оно разделится на две составляющие: одна из них будет иметь частоту ν, а другая - частоту nν. Излучение с частотой nν, как было сказано ранее, в дисперсионном элементе 1 отклонится в сторону от оптической оси и не попадет в источник оптического излучения. Таким образом, в источник оптического излучения сможет попасть только составляющая с частотой ν, мощность которой ничтожно мала по сравнению с мощностью генерируемого излучения (за счет двукратного прохождения через умножитель 2 частоты и второй частотный фильтр 3).

В качестве дисперсионного устройства 1 может быть использована дисперсионная призма 4 (фиг. 2) или дифракционная решетка 5 (фиг. 3).

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

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

3. Белостоцкий Б. Р. , Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. М.: Сов. радио, 1972. С. 138-141.

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

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки в оптических системах с умножением частоты, в частности удвоением частоты. Сущность изобретения заключается в использовании последовательно расположенных дисперсионного устройства, умножителя частоты и второго частотного фильтра. Технический результат - повышение надежности за счет снижения чувствительности к температурным изменениям. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные частотный фильтр и частотный преобразователь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расположенный за частотным преобразователем второй частотный фильтр, причем в качестве частотного фильтра использовано дисперсионное устройство, а в качестве частотного преобразователя использован умножитель частоты. 2. Оптический вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве умножителя частоты использован удвоитель частоты. 3. Оптический вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве дисперсионного устройства использована дисперсионная призма. 4. Оптический вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве дисперсионного устройства использована дифракционная решетка.