ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/09 G02B27/28 

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.

Известен также оптический вентиль, описанный в [3]. 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 плоскопараллельного 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 [4] оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси дихроичный поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и дихроичный анализатор. Магнитооптический ротатор расположен внутри постоянного 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^o. Оптическое излучение проходит через дихроичный 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 дихроичный анализатор, главная плоскость которого повернута на 45^o относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через дихроичный анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в дихроичном 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 продольной осью симметрии постоянной магнитной системы трубчатой формы) величина магнитного поля является минимальной на продольной оси симметрии постоянной 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 носит линейный характер: Н = Аr + В, где А - коэффициент пропорциональности при первой степени радиальной координаты r, В - постоянная величина (фиг.1). Вследствие того, что магнитное поле не является постоянным по апертуре пучка, величина угла поворота плоскости поляризации равна 45^o не на всей апертуре пучка, а только на ее части, что приводит к снижению коэффициента пропускания в прямом направлении α_пр и увеличении коэффициента пропускания в обратном направлении α_обр . Зависимость величины магнитного поля Н от величины радиальной координаты r приводит, в конечном итоге, к снижению добротности Q, определяемой следующим образом: Q = α_пр/α_обр. Следующий недостаток известного технического решения заключается в следующем. Для увеличения лучевой стойкости оптического вентиля самым простым путем является увеличение апертуры магнитооптического ротатора, однако при этом падает добротность за счет того, что увеличивается разница между минимальным и максимальным значениями магнитного поля по апертуре оптического пучка.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль (п.1 формулы изобретения) внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка и преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, причем преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, а преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между магнитооптическим ротатором и анализатором.

Такое построение оптического вентиля позволяет обеспечить повышение лучевой стойкости путем увеличения площади кольцевой апертуры оптического пучка по сравнению с площадью круглой апертуры оптического пучка. Одновременно при этом уменьшается разница между максимальным и минимальном значениями магнитного поля в кольцевой апертуре оптического пучка.

Пусть радиус оптического пучка в прототипе составляет r (фиг.2), а толщина стенки трубки кольцевой апертуры заявляемого оптического вентиля составляет r/2 (фиг. 3). Рассмотрим наиболее неблагоприятный для предлагаемого устройства случай (то есть случай, когда выигрыш заявляемого оптического вентиля по сравнению с прототипом минимален), когда внутренний радиус трубки кольцевой апертуры составляет r (фиг.4). В этом случае площадь поперечного сечения S_пр оптического пучка прототипа (фиг.2) составляет S_пр = πr², а площадь поперечного сечения S_из оптического пучка кольцевой апертуры в заявляемом устройстве составляет S_из = π(r+r/2)²-πr² = π(3r/2)²-πr² = 1,25πr². Таким образом, в рассмотренном случае площадь апертуры, на которую воздействует оптическое излучение, в заявляемом оптическом вентиле оказывается, как минимум, в 1,25 раз больше, чем в прототипе, поэтому лучевая стойкость описываемого устройства будет больше, чем в прототипе.

Далее, приняв, что зависимость магнитного поля H от радиальной координаты r близка к линейной, то, поскольку радиус оптического пучка прототипа равен r, а толщина стенки трубки кольцевой апертуры заявляемого оптического вентиля составляет r/2, разница между максимальным и минимальным значениями магнитного поля Н в описываемом устройстве оказывается приблизительно в два раза меньше, чем в прототипе. Это приводит к повышению добротности Q заявляемого оптического вентиля по сравнению с прототипом.

Таким образом, лучевая стойкость и добротность заявляемого оптического вентиля оказываются более высокими, чем у прототипа.

В частном случае (п.2 формулы изобретения) магнитооптический ротатор выполнен трубчатой формы. Такой вариант выполнения магнитооптического ротатора снижает массу оптического вентиля и расход магнитооптического материала, необходимого для изготовления ротатора.

В частном случае (п.3 формулы изобретения) преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка содержит первое выполненное в форме конуса зеркало и первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало, отражающая поверхность первого выполненного в форме конуса зеркала выполнена наружной, отражающая поверхность первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала выполнена внутренней, первое выполненное в форме конуса зеркало своим острием обращено в сторону поляризатора, первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало своим малым отверстием обращено в сторону поляризатора, а преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круговую апертуру оптического пучка содержит второе выполненное в форме конуса зеркало и второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало, отражающая поверхность выполненного в форме конуса второго зеркала выполнена наружной, отражающая поверхность второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала выполнена внутренней, второе выполненное в форме конуса зеркало своим острием обращено в сторону поляризатора, второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало своим малым отверстием обращено в сторону поляризатора.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение варианта выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг.1 приведен вариант функциональной зависимости магнитного поля Н от радиальной полярной координаты r;
- на фиг.2, 3 и 4 приведены рисунки, поясняющие сущность изобретения:
- на фиг.5 приведена функциональная схема оптического вентиля;
- на фиг.6 приведена принципиальная схема оптического вентиля.

Оптический вентиль содержит (фиг.5) последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 1, преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка 2, магнитооптический ротатор трубчатой формы 3, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка 4 и анализатор 5. Магнитная система 6 выполнена в виде постоянного магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, а магнитооптический ротатор 3 размещен в отверстии постоянного магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью 6.

Оптический вентиль работает следующим образом. Оптическое излучение прямого пучка (то есть распространяющееся через оптический вентиль в прямом направлении оптическое излучение) проходит через поляризатор 1 и становится линейно-поляризованным. В преобразователе круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка 2 осуществляется преобразование круглой апертуры прямого пучка в кольцевую апертуру прямого пучка, после чего прямой пучок попадает в магнитооптический ротатор 3, в котором вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно-поляризованного прямого пучка поворачивается на 45^o относительно исходной плоскости поляризации. Затем прямой пучок проходит через преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка 4, в результате чего апертура прямого пучка снова приобретает круглую форму, после чего прямой пучок проходит через анализатор 5, главная плоскость которого повернута на 45^o относительно главной плоскости поляризатора 1, поэтому прямой пучок проходит через анализатор 5 без ослабления. Оптическое излучение обратного пучка (то есть распространяющееся через оптический вентиль в обратном направлении оптическое излучение), пройдя через анализатор, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, магнитооптический ротатор и преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе 1 (если в качестве поляризатора использована дихроичная пленка), либо уйдет в сторону от луча, распространяющегося в прямом направлении (если в качестве поляризатора использована двулучепреломляющая призма).

На фиг.6 приведена принципиальная схема оптического вентиля, где приняты следующие обозначения: 7 - первое выполненное в форме конуса зеркало, 8 - первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало, 9 - второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало, 10 - второе выполненное в форме конуса зеркало. Преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка 2 содержит первое выполненное в форме конуса зеркало 7 и первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало 8, отражающая поверхность первого выполненного в форме конуса зеркала 7 выполнена наружной, отражающая поверхность первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 8 выполнена внутренней, первое выполненное в форме конуса зеркало 7 своим острием обращено в сторону поляризатора 1, первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало 8 своим малым отверстием обращено в сторону поляризатора 1, а преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круговую апертуру оптического пучка 4 содержит второе выполненное в форме конуса зеркало 9 и второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало 10, отражающая поверхность выполненного в форме конуса второго зеркала 9 выполнена наружной, отражающая поверхность второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 10 выполнена внутренней, второе выполненное в форме конуса зеркало 9 своим острием обращено в сторону анализатора 5, второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало 10 своим малым отверстием обращено в сторону анализатора. Продольные оси симметрии первого выполненного в форме конуса зеркала 7, первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 6, второго выполненного в форме конуса зеркала 9 и второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 10 совпадают с оптической осью оптического вентиля.

Преобразователи круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка 2 и кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка работают следующим образом. Оптическое излучение прямого плоскопараллельного пучка отражается от первого выполненного в форме конуса зеркала 7 и превращается в расходящийся пучок кольцевой апертуры, который после отражения от первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 8 превращается в плоскопараллельный пучок кольцевой апертуры. После прохождения через магнитооптический ротатор 3 оптическое излучение прямого пучка отражается от второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 10 и превращается в сходящийся пучок кольцевой апертуры. Этот пучок после отражения от второго выполненного в форме конуса зеркала 9 превращается в плоскопараллельный пучок круглой апертуры.

Оптическое излучение обратного плоскопараллельного пучка отражается от второго выполненного в форме конуса зеркала 9 и превращается в расходящийся пучок кольцевой апертуры, который после отражения от второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 10 превращается в плоскопараллельный пучок кольцевой апертуры. После прохождения через магнитооптический ротатор 3 оптическое излучение обратного пучка отражается от первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 8 и превращается в сходящийся пучок кольцевой апертуры. Этот пучок после отражения от первого выполненного в форме конуса зеркала 7 превращается в плоскопараллельный пучок круглой апертуры. Таким образом для обратного пучка преобразователь оптического пучка кольцевой апертуры в оптический пучок круглой апертуры 4 фактически является преобразователем оптического пучка круглой апертуры в оптический пучок кольцевой апертуры, а преобразователь оптического пучка круглой апертуры в оптический пучок кольцевой апертуры 2 фактически является преобразователем оптического пучка кольцевой апертуры в оптический пучок круглой апертуры.

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

2. Патент 2109122 (Великобритания), МПК G 02 F 1/11, НКИ G 2 F, публ. 25.03.83.

3. Авт. свид. 881650 (СССР). МПК G 02 F 3/00, публ. 15.11.81, Бюл. 42.

4. Birh K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, 2, p.79-84.

Оптический вентиль содержит магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор. Магнитная система выполнена в виде постоянного магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, в отверстии которого расположен магнитооптический ротатор. Вентиль дополнительно содержит преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру, расположенный на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, и преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру, расположенный на оптической оси между магнитооптическим ротатором и анализатором. Магнитооптический ротатор может быть выполнен трубчатой формы. Преобразователи круглой апертуры в кольцевую и кольцевой апертуры в круглую могут содержать выполненные в форме конуса и усеченного конуса зеркала, имеющие соответственно наружную и внутреннюю отражающие поверхности. Обеспечивается повышение потребительских свойств путем повышения добротности и повышения лучевой стойкости. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, при этом магнитная система выполнена в виде постоянного магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, а магнитооптический ротатор размещен в отверстии постоянного магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью, отличающийся тем, что он дополнительно содержит преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка и преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, причем преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, а преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между магнитооптическим ротатором и анализатором. 2. Оптический вентиль по п.1, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор выполнен трубчатой формы. 3. Оптический вентиль по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка содержит первое выполненное в форме конуса зеркало и первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало, отражающая поверхность первого выполненного в форме конуса зеркала выполнена наружной, отражающая поверхность первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала выполнена внутренней, первое выполненное в форме конуса зеркало своим острием обращено в сторону поляризатора, первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало своим малым отверстием обращено в сторону поляризатора, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круговую апертуру оптического пучка содержит второе выполненное в форме конуса зеркало и второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало, отражающая поверхность выполненного в форме конуса второго зеркала выполнена наружной, отражающая поверхность второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала выполнена внутренней, второе выполненное в форме конуса зеркало своим острием обращено в сторону анализатора, второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало своим малым отверстием обращено в сторону анализатора, а продольные оси симметрии первого выполненного в форме конуса зеркала, первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала, второго выполненного в форме конуса зеркала и второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала совпадают с оптической осью оптического вентиля.