ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2005 года по МПК G02F1/09 G02B26/02 

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 в 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 через оптический вентиль 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. Величина магнитного поля и материал магнитооптического ротатора выбирается таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составлял 45°. Оптическое излучение, распространяющееся в прямом направлении (прямой луч), проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного прямого луча 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. При воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор нагревается, при этом уменьшается постоянная Верде (удельная вращательная способность), что приводит к снижению коэффициента пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению коэффициента пропускания в обратном направлении. При нагревании магнитооптического ротатора в нем появляются градиенты температуры, что приводит к появлению в магнитооптическом ротаторе механических напряжений, в результате чего возникает паразитное двулучепреломление, которое тоже приводит к снижению коэффициента пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению коэффициента пропускания в обратном направлении. Кроме того, если температура магнитооптического ротатора превысит определенное значение (температура Кюри для ферромагнетиков, температура Нееля для антиферромагнетиков), в нем происходит фазовый переход второго рода, в результате чего магнитооптический ротатор теряет свои магнитные свойства.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий магнитную систему и помещенный в магнитное поле магнитооптический ротатор, внесены следующие усовершенствования: магнитооптический ротатор содержит выполненные из магнитооптического материала последовательно расположенные на оптической оси пластины, угол между оптической осью и нормалью к поверхности каждой пластины равен углу Брюстера, причем каждая последующая пластина повернута вокруг оптической оси относительно предыдущей пластины на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине в направлении, совпадающем с направлением поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине.

Такое построение оптического вентиля позволяет повысить потребительские свойства за счет повышения лучевой стойкости: вследствие того, что магнитооптический ротатор содержит последовательно расположенные на оптической оси пластины, их охлаждение легко осуществить с высокой эффективностью, при этом температура каждой пластины будет постоянной в пределах апертуры оптического пучка, если же толщина каждой пластины является малой, то в каждой пластине температура вдоль оптической оси тоже будет постоянной. Постоянство температуры в каждой пластине приводит к постоянству параметров оптического вентиля при воздействии на него оптического излучения большой мощности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

- на фиг.1 приведена схема оптического вентиля;

- на фиг.2 приведен вид в аксонометрии магнитооптического ротатора.

На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения: 1 - пластина, Н - магнитное поле, O₁O₂ - оптическая ось, прямой луч обозначен сплошными линиями, обратный луч - прерывистыми линиями.

Оптический вентиль содержит магнитную систему (на фиг.1 и фиг.2 не показана), помещенный в магнитное поле магнитооптический ротатор содержит выполненные из магнитооптического материала последовательно расположенные на оптической оси O₁O₂ пластины 1, угол между оптической осью О₁О₂ и нормалью к поверхности каждой пластины 1 равен углу Брюстера, причем каждая последующая пластина повернута вокруг оптической оси O₁О₂ относительно предыдущей пластины на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине в направлении, совпадающем с направлением поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине.

Если все пластины 1 выполнены из одного магнитооптического материала и имеют равную толщину, а угол поворота плоскости поляризации в каждой пластине 1 составляет угол α, то общее число пластин N выбирают из следующего соотношения:

N=45°/α.

Оптический вентиль работает следующим образом. Пусть прямой луч имеет линейную поляризацию, причем электрический вектор находится в плоскости падения, то свет пройдет в первую пластину без ослабления, так как на границе "воздух - первая пластина" отражение света будет отсутствовать. После прохождения через первую пластину электрический вектор повернется на угол α. Вторая пластина установлена таким образом, что плоскость падения света на нее совпадает с электрическим вектором, поэтому прямой луч пройдет через границу "воздух - вторая пластина" тоже без ослабления, так как отраженный луч будет отсутствовать. Во второй пластине электрический вектор тоже повернется на угол α, затем в третьей и последующих пластинах ситуация повторится. Суммарный угол поворота плоскости поляризации после выхода из последней пластины будет равен 45°. При этом прямой луч, имеющий линейную поляризацию, пройдет через оптический вентиль без ослабления. Если прямой луч до входа в оптический вентиль имеет произвольную поляризацию или не поляризован, то после выхода из последней пластины он будет иметь линейную поляризацию (если количество пластин 1 превышает 10-15 штук), при этом часть энергии прямого луча будет потеряна при последовательном прохождении оптического пучка через пластины 1 за счет осуществления частичной поляризации света в каждой пластине 1.

В наиболее неблагоприятном случае обратный луч имеет произвольную поляризацию или не поляризован. При падении на границу "воздух - последняя пластина" часть излучения отразится в сторону, а часть пройдет через последнюю пластину, причем прошедший обратный луч будет частично поляризован. После прохождения через последнюю пластину направление преимущественной поляризации обратного луча повернется на угол α. При падении на предпоследнюю пластину направление преимущественной поляризации и плоскость падения будут составлять угол 2α, поэтому уменьшится доля вышедшего из предпоследней пластины света и увеличится доля отраженного от предпоследней пластины света света. При этом степень поляризации вышедшего из предпоследнего диска света увеличится по сравнению со степенью поляризации вышедшего из последней пластины света. По мере последовательного прохождения через пластины 1 мощность обратного луча будет уменьшаться, а степень поляризации увеличиваться. При большом числе пластин (более 10-15 штук) падающий на первую пластину обратный луч будет линейно поляризованным, а его электрический вектор будет перпендикулярен плоскости падения, поэтому обратный луч полностью отразится от первой пластины.

По сравнению с прототипом в заявляемом оптическом вентиле отсутствуют как поляризатор, так и анализатор. Магнитооптический ротатор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси пластины из магнитооптического материала, одновременно выполняет роль и поляризатора, и магнитооптического ротатора, и анализатора.

Источники информации

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

2. Патент Великобритании №2109122, МПК G 02 F 1/11, НКИ G 2 F, опубл. 25.03.83.

3. Авт. свид. СССР №881650 (СССР), МПК G 02 F 3/00, опубл. 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 помещенный в магнитное поле магнитооптический ротатор, содержащий выполненные из магнитооптического материала последовательно расположенные на оптической оси пластины. Угол между оптической осью и нормалью к поверхности каждой пластины равен углу Брюстера. Каждая последующая пластина повернута вокруг оптической оси относительно предыдущей пластины на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине в направлении, совпадающем с направлением поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине. Обеспечивается повышение лучевой стойкости. 2 ил.

Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и помещенный в магнитное поле магнитооптический ротатор, отличающийся тем, что магнитооптический ротатор содержит выполненные из магнитооптического материала последовательно расположенные на оптической оси пластины, угол между оптической осью и нормалью к поверхности каждой пластины равен углу Брюстера, причем каждая последующая пластина повернута вокруг оптической оси относительно предыдущей пластины на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине в направлении, совпадающем с направлением поворота плоскости поляризации света в предыдущей пластине.