ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2004 года по МПК G02F1/09 G02F3/00 

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 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 выбираются таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составлял 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 продольной осью симметрии постоянной магнитной системы трубчатой формы и с оптической осью оптического вентиля) 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 (в частности, при изготовлении магнитной системы в виде совокупности ряда расположенных вдоль оптической оси постоянных кольцевых магнитов с осевой намагниченностью) зависимость величины магнитного поля Н от величины радиальной координаты r носит линейный характер: Н=Аr+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 вентиля, определяемой следующим образом:

Q=α_пр/α_обр.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий кольцевую магнитную систему с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический магнитооптический ротатор и анализатор, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит компенсатор, при этом торец магнитооптического ротатора выполнен в виде конусного выступа, а образующую конусного выступа магнитооптического ротатора в пределах 0≤r≤r_max, где r_mах - радиус магнитооптического ротатора, r - радиальная координата, ортогональная оптической оси, определяют из соотношения

где L - длина магнитооптического ротатора вдоль линии, параллельной оптической оси и имеющей радиальную координату r, λ - длина волны оптического излучения, V - постоянная Верде (удельная вращательная способность) материала магнитооптического ротатора, n - показатель преломления материала магнитооптического ротатора, торец компенсатора выполнен в виде конусного углубления, внешняя поверхность которого вплотную прилегает к внешней поверхности конусного выступа торца магнитооптического ротатора, причем n=n’, где n’ - показатель преломления материала компенсатора.

Такое построение оптического вентиля позволяет повысить потребительские свойства путем повышения добротности за счет выравнивания угла поворота плоскости поляризации оптического излучения по апертуре пучка до величины 45°.

В соответствии с магнитооптическим эффектом Фарадея угол поворота ϕ плоскости поляризации оптического излучения в магнитооптическом ротаторе описывается формулой

где λ - длина волны оптического излучения, z - осевая полярная координата (она совпадает с осью симметрии кольцевой магнитной системы с осевой намагниченностью и параллельна оптической оси оптического вентиля).

Как было показано выше, оптимальным является поворот плоскости поляризации оптического излучения в магнитооптическом ротаторе оптического вентиля на 45°. Поэтому при заданном магнитном поле осевой намагниченности требуемая величина длины прохода L оптического излучения по магнитооптическому ротатору составит

Приняв, что Н=Аr+В и подставив это выражение в предыдущую формулу, можно получить зависимость длины прохода оптического излучения в магнитооптическом вентиле от величины радиальной координаты r при условии, что поворот плоскости поляризации по линии, проходящей через точку с радиальной координатой r и параллельной оптической оси, составляет 45°.

Таким образом, выполнение торца магнитооптического ротатора в виде конусного углубления, образующая которого определяют из соотношения (1), позволяет обеспечить равенство угла поворота плоскости поляризации (45°) по всей апертуре пучка оптического излучения. При этом по сравнению с прототипом α_пр будет иметь более высокое значение за счет того, что угол поворота оптического излучения по всей апертуре пучка равна 45°, а α_обр будет иметь более низкое значение по той же самой причине, в результате чего возрастет добротность Q оптического вентиля, что приведет к повышению потребительских свойств заявляемого оптического вентиля.

Однако следует отметить следующий факт. Падающий на снабженный конусным выступом торец магнитооптического ротатора плоскопараллельный пучок оптического излучения превращается в расходящийся пучок, что в ряде случаев снижает область применения описанного оптического вентиля. Поэтому заявляемый оптический вентиль снабжен компенсатором с конусным углублением, внешняя поверхность которого вплотную прилегает к внешней поверхности конусного выступа торца магнитооптического ротатора. Такое построение компенсатора позволяет выходящий из торца магнитооптического ротатора расходящийся пучок оптического излучения преобразовать снова в плоскопараллельный пучок, в результате чего расширяется область применения заявляемого оптического вентиля. Конусный выступ магнитооптического ротатора может быть склеен с конусным углублением компенсатора с помощью прозрачного клея, коэффициент преломления которого близок к показателю преломления n магнитооптического ротатора.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение варианта выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

- на фиг.1 приведен график зависимости магнитного поля Н от радиальной полярной координаты r;

- на фиг.2 приведена функциональная схема оптического вентиля.

Оптический вентиль содержит (фиг.2) последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 1, магнитооптический ротатор 2, компенсатор 3 и анализатор 4. Магнитооптический ротатор 2 помещен в продольное магнитное поле кольцевой магнитной системы 5 с осевой намагниченностью. Внешняя поверхность торца конусного углубления компенсатора вплотную прилегает к внешней поверхности конусного выступа торца магнитооптического ротатора, причем n=n’.

Оптический вентиль работает следующим образом (Фиг.2). Прямое оптическое излучение (то есть излучение, распространяющееся через оптический вентиль в прямом направлении) проходит через поляризатор 1 и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе 2 вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации по всей апертуре пучка и проходит через компенсатор 3, который расходящееся оптическое излучение превращает в плоскопараллельный пучок. Затем оптическое излучение проходит через анализатор 4, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора 1, поэтому прямое излучение проходит через анализатор 4 без потерь. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через анализатор 4, компенсатор 3 и магнитооптический ротатор 2, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации (то есть плоскости поляризации прямого луча) и, следовательно, поглотится в поляризаторе 1.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

2. Патент N2109122 (Великобритания), МПК G 02 F 1/11, НКИ G 2 F, публ. 25.03.83.

3. Авт. свид. N881650 (СССР), МПК G 02 F 3/00, публ. 15.11.81, Бюл. N42.

4. Birh К.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, №2, р.79-84.

Оптический вентиль содержит кольцевую магнитную систему с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор. Кроме того, содержит компенсатор, при этом торец магнитооптического ротатора выполнен в виде конусного выступа, а образующую конусного выступа магнитооптического ротатора определяют из известного соотношения L=45°/(λVn(Ar+В)) и r лежит в пределах 0≤r≤r_max, где r_max - радиус магнитооптического ротатора, r - радиальная координата, торец компенсатора выполнен в виде конусного углубления, внешняя поверхность которого вплотную прилегает к внешней поверхности конусного выступа торца магнитооптического ротатора, причем n = n’, где n’ - показатель преломления материала компенсатора. Технический результат - повышение потребительских свойств путем повышения добротности оптического вентиля. 2 ил.

Оптический вентиль, содержащий кольцевую магнитную систему с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит компенсатор, при этом торец магнитооптического ротатора выполнен в виде конусного выступа, а образующую конусного выступа магнитооптического ротатора в пределах 0≤r≤r_mах, где r_mах - радиус магнитооптического ротатора, r - радиальная координата, ортогональную оптической оси, определяют из соотношения

где L - длина магнитооптического ротатора вдоль линии, параллельной оптической оси и имеющей радиальную координату r;

λ - длина волны оптического излучения;

V - постоянная Верде материала магнитооптического ротатора;

n - показатель преломления материала магнитооптического ротатора,

А - коэффициент зависимости магнитного поля осевой намагниченности от первой степени радиальной координаты r;

B - величина магнитного поля на оптической оси,

торец компаратора выполнен в виде конусного углубления, внешняя поверхность которого вплотную прилегает к внешней поверхности конусного выступа торца магнитооптического ротатора, причем n=n’, где n’ - показатель преломления материала компенсатора.