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

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 плоско-параллельного 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 выбирается таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составляла 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 оптической осью оптического вентиля) величина магнитного поля является минимальной на оптической оси симметрии 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 можно описать линейной функцией: 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 оптического вентиля, определяемой следующим образом: Q=α_пр/α_обр. Кроме того, известное техническое решение имеет низкую лучевую стойкость: при прохождении через оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор нагревается, в результате чего его α_пр снижается, а α_обр увеличивается, в результате чего падает добротность Q оптического вентиля.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий магнитную систему трубчатой формы с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, при этом магнитооптический ротатор размещен внутри магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка и магнитную систему цилиндрической формы с осевой намагниченностью, причем преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между магнитооптическим ротатором и анализатором, магнитооптический ротатор выполнен трубчатой формы, а магнитная система цилиндрической формы с осевой намагниченностью расположена внутри магнитооптического ротатора, причем продольная ось симметрии магнитной системы цилиндрической формы совпадает с оптической осью оптического вентиля, продольная ось симметрии магнитооптического ротатора совпадает с оптической осью оптического вентиля, а продольная ось магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью совпадает с оптической осью оптического вентиля.

Такое построение оптического вентиля позволяет повысить его потребительские свойства за счет увеличения Q и увеличения его лучевой стойкости за счет следующих факторов.

Обозначим через r₁ внутренний радиус магнитооптического ротатора трубчатой формы, а через r₂ - внешний радиус магнитооптического ротатора трубчатой формы. На фиг.2 приведена зависимость проекции магнитного поля магнитооптического ротатора трубчатой формы на линию, параллельную оптической оси, при этом радиальная координата находится между радиальными координатами r₁ и r₂ (эта зависимость возрастает при увеличении r), на фиг. 3 приведена зависимость проекции магнитного поля на линию, параллельную оптической оси, при этом радиальная координата находится между радиальными координатами r₁ и r₂ (эта зависимость уменьшается при увеличении r) магнитной системы цилиндрической формы с осевой намагниченностью. Суммарная проекция магнитного поля от магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью и магнитного поля от магнитной системы цилиндрической формы с осевой намагниченностью в пределах от r₁ до r₂ имеет почти горизонтальную зависимость проекции магнитного поля на оптическую ось от радиальной координаты r, то есть на всей кольцевой апертуре оптического пучка угол поворота составляет одну и ту величину, равную 45°.

Следует иметь в виду, что при фиксированном r при движении вдоль оси, параллельной оси z (вдоль оптической оси на расстоянии r от нее), величина магнитного поля Н изменяется, поэтому на фиг.2, 3 и 4 на графиках приведены усредненные величины магнитного поля Н при фиксированных значениях r, то есть под величиной Н на фиг.2, 3 и 4 подразумевается усредненное значение магнитного поля Н вдоль оси z при заданном фиксированном значении радиальной оси r, то есть

где Z₁ - осевая координата начала магнитооптического ротатора трубчатой формы, Z₂ - осевая координата конца магнитооптического ротатора трубчатой формы.

Увеличение лучевой стойкости обусловлено тем, что площадь кольцевой апертуры (в магнитооптическом ротаторе) больше площади круглой апертуры (на входе и выходе оптического вентиля). За счет этого при прочих равных условиях в заявляемом оптическом вентиле удельное тепловыделение (выделение тепла в единице объема) в магнитооптическом ротаторе будет меньше, чем в прототипе, поэтому в заявляемом оптическом вентиле нагрев магнитооптического ротатора будет меньше, чем в прототипе, в результате чего добротность Q оптического вентиля в прототипе будет меньше, чем в заявляемом оптическом вентиле.

В частном случае (п.2 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, 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.

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.2-4 приведены чертежи, поясняющие принцип выравнивания магнитного поля по апертуре пучка в пределах апертуры магнитооптического ротатора;

на фиг.5 приведена функциональная схема оптического вентиля;

на фиг.6 приведена принципиальная схема оптического вентиля.

Оптический вентиль содержит (фиг.5) содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 1, преобразователь 2 круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка, магнитооптический ротатор 3 трубчатой формы, преобразователь 4 кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, анализатор 5, магнитную систему 6 трубчатой формы с осевой намагниченностью 6 и магнитную систему 7 цилиндрической формы с осевой намагниченностью, при этом магнитооптический ротатор 3 размещен внутри магнитной системы 6 трубчатой формы с осевой намагниченностью, а магнитная система 7 цилиндрической формы с осевой намагниченностью размещена внутри магнитооптического ротатора 3, причем продольная ось симметрии магнитной системы 6 трубчатой формы с осевой намагниченностью совпадает с оптической осью оптического вентиля, продольная ось симметрии магнитной системы 7 цилиндрической формы с осевой намагниченностью совпадает с оптической осью оптического вентиля, а продольная ось симметрии магнитооптического ротатора трубчатой формы совпадает с оптической осью оптического вентиля.

В частном случае (п.2 формулы изобретения) преобразователь 2 круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка содержит (фиг.6) первое выполненное в форме конуса зеркало 8 и первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало 9, отражающая поверхность первого выполненного в форме конуса зеркала 8 выполнена наружной, отражающая поверхность первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 9 выполнена внутренней, первое выполненное в форме конуса зеркало 8 своим острием обращено в сторону поляризатора, первое выполненное в форме усеченного конуса зеркало 9 своим малым отверстием обращено в сторону поляризатора, преобразователь 4 кольцевой апертуры оптического пучка в круговую апертуру оптического пучка содержит второе выполненное в форме конуса зеркало 10 и второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало 11, отражающая поверхность выполненного в форме конуса второго зеркала 10 выполнена наружной, отражающая поверхность второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 11 выполнена внутренней, второе выполненное в форме конуса зеркало 10 своим острием обращено в сторону анализатора 5, второе выполненное в форме усеченного конуса зеркало 11 своим малым отверстием обращено в сторону анализатора 5, а продольные оси симметрии первого выполненного в форме конуса зеркала 8, первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 9, второго выполненного в форме конуса зеркала 10 и второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 11 совпадают с оптической осью оптического вентиля.

Оптический вентиль работает следующим образом (фиг.5). 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 2 круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка 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° относительно исходной плоскости поляризации по всей площади кольцевой апертуры оптического пучка за счет того. что сумма магнитного поля магнитной системы 6 трубчатой формы с осевой намагниченностью (фиг.2) и магнитного поля магнитной системы 7 цилиндрической формы (фиг.3) представляет собой магнитного поле почти постоянной величины (фиг.4), в результате чего угол поворота плоскости поляризации оптического излучения близок к 45° по всей кольцевой апертуре пучка (в пределах от r₁ до r₂). Затем прямой пучок проходит через преобразователь 4 кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, в результате чего апертура прямого пучка снова приобретает круглую форму, после чего прямой пучок проходит через анализатор 5, главная плоскость которого повернута на 45° 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 5, преобразователь 4 кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка, магнитооптический ротатор 3 трубчатой формы и преобразователь 2 круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации, и, следовательно, поглотится в поляризаторе 1 (если в качестве поляризатора 1 использована дихроичная пленка) либо уйдет в сторону от луча, распространяющегося в прямом направлении (если в качестве поляризатора 1 использована двулучепреломляющая призма).

Преобразователи 2 и 4 круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка и кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка работают следующим образом (фиг.6). Оптическое излучение прямого плоско-параллельного пучка отражается от первого выполненного в форме конуса зеркала 8 и превращается в расходящийся пучок кольцевой апертуры, который после отражения от первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 9 превращается в плоско-параллельный пучок кольцевой апертуры. После прохождения через магнитооптический ротатор 3 трубчатой формы оптическое излучение прямого пучка отражается от второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 11 и превращается в сходящийся пучок кольцевой апертуры. Этот пучок после отражения от второго выполненного в форме конуса зеркала 10 превращается в плоско-параллельный пучок круглой апертуры.

Оптическое излучение обратного плоско-параллельного пучка отражается от второго выполненного в форме конуса зеркала 10 и превращается в расходящийся пучок кольцевой апертуры, который после отражения от второго выполненного в форме усеченного конуса зеркала 11 превращается в плоско-параллельный пучок кольцевой апертуры. После прохождения через магнитооптический ротатор 3 трубчатой формы оптическое излучение обратного пучка отражается от первого выполненного в форме усеченного конуса зеркала 9 и превращается в сходящийся пучок кольцевой апертуры. Этот пучок после отражения от первого выполненного в форме конуса зеркала 8 превращается в плоско-параллельный пучок круглой апертуры. Таким образом, для обратного пучка преобразователь 4 оптического пучка кольцевой апертуры в оптический пучок круглой апертуры фактически является преобразователем оптического пучка круглой апертуры в оптический пучок кольцевой апертуры, а преобразователь 2 оптического пучка круглой апертуры в оптический пучок кольцевой апертуры 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 02 F, публ. 25.03.83.

3. Авт. свид. № 881650 (СССР), МПК G 02 F 3/00, публ. 15.11.81, Бюл. N42.

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

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки. Оптический вентиль дополнительно содержит преобразователь оптического пучка круглой апертуры в оптический пучок кольцевой апертуры, расположенный между поляризатором и магнитооптическим ротатором, преобразователь оптического пучка кольцевой апертуры в оптический пучок круглой апертуры, расположенный между магнитооптическим ротатором и анализатором и второй магнит цилиндрической формы, магнитооптический ротатор выполнен трубчатой формы, внутрь которого установлен второй магнит цилиндрической формы. Технический результат - повышение потребительских свойств путем повышения добротности оптического вентиля и повышения его лучевой стойкости. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптический вентиль, содержащий магнитную систему трубчатой формы с осевой намагниченностью и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, при этом магнитооптический ротатор размещен внутри магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью, отличающийся тем, что он дополнительно содержит преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка и магнитную систему цилиндрической формы с осевой намагниченностью, причем преобразователь круглой апертуры оптического пучка в кольцевую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, преобразователь кольцевой апертуры оптического пучка в круглую апертуру оптического пучка расположен на оптической оси между магнитооптическим ротатором и анализатором, магнитооптический ротатор выполнен трубчатой формы, а магнитная система цилиндрической формы с осевой намагниченностью расположена внутри магнитооптического ротатора, причем продольная ось симметрии магнитной системы цилиндрической формы совпадает с оптической осью оптического вентиля, продольная ось симметрии магнитооптического ротатора трубчатой формы совпадает с оптической осью оптического вентиля, а продольная ось магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью совпадает с оптической осью оптического вентиля.2. 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.