МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ 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 v 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] магнитооптический 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 (обратный луч), 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 низких потребительских свойствах, обусловленных низкой лучевой стойкостью, то есть неспособностью известного вентиля выдерживать воздействие оптического излучения большой мощности без снижения своих вентильных свойств.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный магнитооптический вентиль, содержащий магнитную систему с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, при этом магнитооптический ротатор помещен в продольное магнитное поле магнитной системы с осевой намагниченностью, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит N оптических фазовращателей, магнитооптический ротатор содержит N магнитооптических вращателей плоскости поляризации, магнитная система содержит N трубчатых магнитов с осевой намагниченностью, между поляризатором и магнитооптическим ротатором на пути прямого луча расположен амплитудный светоделитель с одним входом для прямого луча и N выходами для прямого луча, на пути каждого вышедшего из светоделителя прямого луча расположен соответствующий магнитооптический вращатель плоскости поляризации, каждый магнитооптический вращатель плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита с осевой намагниченностью, между магнитооптическим ротатором и анализатором на пути каждого вышедшего из N магнитооптических вращателей плоскости поляризации прямого луча расположен оптический фазовращатель, на пути вышедших из оптических фазовращателей прямых лучей последовательно расположена система из N зеркал и амплитудный оптический смеситель с N входами для прямых лучей и одним выходом для прямого луча, анализатор расположен на пути вышедшего из амплитудного оптического смесителя прямого луча, амплитудный светоделитель содержит N последовательно расположенных светоделительных зеркал, где N - целое положительное число.

Такое построение магнитооптического вентиля позволяет снизить в N раз удельное тепловыделение в материале магнитооптического ротатора, что снижает нагрев магнитооптического ротатора, вызванный прохождением излучения оптического диапазона, что приводит к увеличению лучевой стойкости, в результате чего повышаются потребительские свойства.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение варианта выполнения и прилагаемым чертежом, на котором приведена функциональная схема заявляемого магнитооптического вентиля.

Магнитооптический вентиль содержит (на чертеже приведен пример конструктивного выполнения магнитооптического вентиля для случая N=5) магнитную систему, содержащую 5 трубчатых магнитов 1, 2, 3, 4 и 5 с осевой намагниченностью, и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 6, магнитооптический ротатор, содержащий 5 магнитооптических вращателей 7, 8, 9, 10 и 11 плоскости поляризации, и анализатор 12. Магнитооптический вращатель 7 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита 1 с осевой намагниченностью, магнитооптический вращатель 8 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита 2 с осевой намагниченностью, магнитооптический вращатель 9 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита 3 с осевой намагниченностью, магнитооптический вращатель 10 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита 4 с осевой намагниченностью, а магнитооптический вращатель 11 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита 5 с осевой намагниченностью. Между поляризатором 6 и магнитооптическим ротатором на пути прямого луча расположен амплитудный светоделитель 13с одним входом для прямого луча и пятью выходами для прямого луча, на пути каждого вышедшего из светоделителя прямого луча расположен соответствующий магнитооптический вращатель 7, 8, 9, 10 или 11 плоскости поляризации, между магнитооптическим ротатором и анализатором 12 на пути каждого вышедшего из пяти магнитооптических вращателей 7, 8, 9, 10 или 11 плоскости поляризации прямого луча расположены оптические фазовращатели 14, 15, 16, 17 или 18 соответственно, на пути вышедших из оптических фазовращателей 14, 15, 16, 17 и 18 прямых лучей последовательно расположены система из пяти зеркал 19 и амплитудный оптический смеситель 20. Амплитудный оптический смеситель 20 содержит пять входов для прямых лучей и один выход для прямого луча, анализатор 12 расположен на пути вышедшего из амплитудного оптического смесителя 20 прямого луча, амплитудный светоделитель 13 содержит пять последовательно расположенных светоделительных зеркал 21, 22, 23, 24 и 25. Система из пяти зеркал 19 содержит пять зеркал 26, 27, 28, 29 и 30.

В качестве амплитудного оптического смесителя 20 может быть использована какая-либо оптическая система, сводящая пять лучей в единый луч, например, телескопическая система Кассегрена или Грегори.

Оптические фазовращатели 14, 15, 16, 17 и 18 необходимы для выравнивания оптических длин путей во всех пяти каналах.

Коэффициенты отражения светоделительных зеркал 21, 22, 23, 24 и 25 удовлетворяют следующим соотношениям: K₂₁=1/5; K₂₂=1/4; К₂₃=1/3; К₂₄=1/2 и K₂₅=1 соответственно. В этом случае мощности прямых лучей, проходящих соответственно через магнитооптические вращатели 7, 8, 9, 10 и 11 плоскости поляризации, будут равны между собой.

Магнитооптический вентиль работает следующим образом. Оптическое излучение прямого луча (то есть распространяющееся через магнитооптический вентиль в прямом направлении) проходит через поляризатор 6 и становится линейно поляризованным. Затем прямой луч проходит через амплитудный светоделитель 13, где он разделяется на пять прямых лучей, после чего эти лучи проходят через магнитооптические вращатели 7, 8, 9, 10 и 11 плоскости поляризации. При этом плоскости поляризации прямых лучей поворачиваются на 45° относительно плоскости поляризации прямого луча, прошедшего через поляризатор 6. После выхода из магнитооптических вращателей 7, 8, 9, 10 и 11 плоскости поляризации каждый прямой луч проходит через соответствующий данному каналу оптический фазовращатель 14, 15, 16, 17 или 18. После выхода из оптических фазовращателей 14, 15, 16, 17 и 18 прямые лучи с помощью зеркал 26, 27, 28, 29 и 30 направляются в амплитудный оптический смеситель 20, который сводит пять прямых лучей в единый прямой луч, который проходит через анализатор 12, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора 6. Прямой луч проходит через анализатор 12 почти без ослабления, так как электрический вектор прямого луча параллелен главной плоскости анализатора 12. Излучение, распространяющееся в обратном направлении (обратный луч), пройдя через анализатор 12, амплитудный оптический смеситель 20, систему из пяти зеркал 19, магнитооптические вращатели 7, 8, 9, 10 и 11 плоскости поляризации и амплитудный светоделитель 13, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации прямого луча, и, следовательно, поглотится в поляризаторе 6.

Источники информации

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

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

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

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

Магнитооптический вентиль содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, амплитудный светоделитель, содержащий N последовательно расположенных светоделительных зеркал, на пути каждого вышедшего из светоделителя прямого луча расположен соответствующий магнитооптический вращатель плоскости поляризации, помещенный в продольное магнитное поле магнитной системы с осевой намагниченностью, на пути каждого вышедшего из N магнитооптических вращателей плоскости поляризации прямого луча расположен соответствующий оптический фазовращатель, на пути вышедших из оптических фазовращателей прямых лучей последовательно расположены система из N зеркал и амплитудный оптический смеситель с N входами для прямых лучей и одним выходом для прямого луча, попадающего на анализатор. Технический результат - повышение потребительских свойств путем увеличения лучевой стойкости. 1 ил.

Магнитооптический вентиль, содержащий магнитную систему с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, при этом магнитооптический ротатор помещен в продольное магнитное поле магнитной системы с осевой намагниченностью, отличающийся тем, что он дополнительно содержит N оптических фазовращателей, магнитооптический ротатор содержит N магнитооптических вращателей плоскости поляризации, магнитная система содержит N трубчатых магнитов с осевой намагниченностью, между поляризатором и магнитооптическим ротатором на пути прямого луча расположен амплитудный светоделитель с одним входом для прямого луча и N выходами для прямого луча, на пути каждого вышедшего из светоделителя прямого луча расположен соответствующий магнитооптический вращатель плоскости поляризации, каждый магнитооптический вращатель плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле трубчатого магнита с осевой намагниченностью, между магнитооптическим ротатором и анализатором на пути каждого вышедшего из N магнитооптических вращателей плоскости поляризации прямого луча расположен оптический фазовращатель, на пути вышедших из оптических фазовращателей прямых лучей последовательно расположены система из N зеркал и амплитудный оптический смеситель с N входами для прямых лучей и одним выходом для прямого луча, анализатор расположен на пути вышедшего из амплитудного оптического смесителя прямого луча, амплитудный светоделитель содержит N последовательно расположенных светоделительных зеркал, где N - целое положительное число.