ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2008 года по МПК 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 v 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.

Известны многочисленные варианты оптических вентилей, например, [3, 4], работа которых основана на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся в невзаимном повороте плоскости поляризации оптического излучения в продольном магнитном поле. Недостаток таких вентилей заключается в низких потребительских свойствах, обусловленных низкой лучевой стойкостью. При воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является оптический вентиль, описанный в [5]. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией, в качестве которой применена собирающая линза с продольной хроматической аберрацией, и пространственный селектор, в качестве которого применена поглощающая маска, причем поглощающая маска расположена в пределах области продольной хроматической аберрации собирающей линзы. Поглощающая маска может быть закреплена с помощью радиальных растяжек. 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. Оптическое излучение, вошедшее в оптический вентиль в обратном направлении (слева направо), 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. Изменяя положение поглощающей маски на оптической оси, можно изменять частоту удаляемой из оптического излучения спектральной составляющей.

Недостаток известного оптического вентиля заключается в низкой лучевой стойкости: воздействие оптического излучения большой мощности на поглощающую маску может вывести ее из строя, так как поглощающая маска подавляет требуемую спектральную составляющую оптического излучения за счет преобразования энергии оптического излучения в тепловую энергию.

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

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией и пространственный оптический селектор, при этом пространственный оптический селектор выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пределах области продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы, внесено следующее усовершенствование: в качестве пространственного оптического селектора использована снабженная отверстием отражающая оптическая система, причем отверстие отражающей оптической системы расположено на оптической оси вентиля с возможностью прохождения через него только той спектральной составляющей, которая сфокусирована в отверстии.

Такое построение оптического вентиля позволяет повысить лучевую стойкость за счет того, что подавление требуемой спектральной составляющей осуществляется не за счет поглощения, как в прототипе, а за счет увода излучения требуемой спектральной составляющей в направлении, не совпадающем с направлением распространения остального оптического излучения.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного варианта конструктивного выполнения оптического вентиля и чертежами, на которых:

- на фиг.1 приведена функциональная схема оптического вентиля,

- на фиг.2 приведен ход лучей в оптическом вентиле при перемещении отражающей оптической системы вдоль оптической оси.

Оптический вентиль содержит фокусирующую оптическую систему 1 с продольной хроматической аберрацией и отражающую оптическую систему 2. Область продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы 1 обозначена отрезком F₁F₂. Фокусирующая оптическая система 1 с продольной хроматической аберрацией и отражающая оптическая система 2 расположены последовательно на оптической оси. Отражающая оптическая система 2 выполнена с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пределах области продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы 1. Отверстие 3 отражающей оптической системы 2 расположено на оптической оси вентиля с возможностью прохождения через него только той спектральной составляющей, которая сфокусирована в отверстии 3, что достигается подбором размеров отверстия 3, соответствующих параметрам фокусирующей оптической системы 1.

Оптический вентиль работает следующим образом. Распространяющееся в прямом направлении (сверху вниз) оптическое излучение (прерывистые линии) отражается от отражающей оптической системы 3 практически без потерь, так как площадь отверстия 3 отражающей оптической системы 2 ничтожно мала по сравнению с площадью поперечного сечения падающего на отражающую оптическую систему 3 оптического пучка. Далее этот пучок проходит через фокусирующую оптическую систему 1 с продольной хроматической аберрацией, после чего выходит из оптического вентиля. Распространяющееся в обратном направлении (слева направо) оптическое излучение (сплошные линии) после прохождения через фокусирующую оптическую систему 1 с продольной хроматической аберрацией разделяется на ряд спектральных составляющих, из которых через отверстие 3 проходит только та спектральная составляющая, которая сфокусирована в отверстии 3. Остальные спектральные составляющие отражаются вверх от отражающей оптической системы 2 и выходят из оптического вентиля. Изменяя положение отражающей оптической системы 2 вдоль оптической оси, можно изменять частоту удаляемой из оптического излучения спектральной составляющей.

Следует отметить, что при перемещении отражающей оптической системы 2 вдоль оптической оси осуществляется параллельное перемещение волнового вектора оптического излучения (фиг.2). Для устранения этого перемещения можно на пути отраженного от отражающей оптической системы 2 луча установить зеркало 4, отражающая поверхность которого перпендикулярна отражающей поверхности отражающей оптической системы 2. Зеркало 3 должно перемещаться вместе с отражающей оптической системой 2 (фиг.2).

Если фокусирующую оптическую систему 1 выполнить в виде собирающей линзы из стекла ТФ-5, ТФ-7, ТФ-10 (ГОСТ 13917-68 и ГОСТ 13659-78) с фокусным расстоянием 100 мм, то продольная хроматическая аберрация составит 3,6 мм [5], что вполне достаточно для раздельного воздействия на спектральные составляющие и перестройки в этом диапазоне волн. Специально спроектированная фокусирующая оптическая система 1 позволит значительно увеличить протяженность области продольной хроматической аберрации.

Источники информации

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

2. Патент Великобритании №2109122, публ. 25.03.83, МПК G02F 1/11, НКИ G2F.

3. Birh К.Р. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, №2, p.79-84.

4. Патент РФ на изобретение №2227927. приор 14.11.2002, публ. 27.04.2004, МПК 7 G02F 1/09, 3/00.

5. Авторское свидетельство СССР на изобретение №881650, публ. 15.11.81, МПК G02F 3/00.

Изобретение относится к оптической технике. Сущность изобретения заключается в осуществлении увода излучения требуемой спектральной составляющей в направлении, не совпадающем с направлением распространения остального оптического излучения. Технический результат - повышение лучевой стойкости. 2 ил.

Оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией и пространственный оптический селектор, при этом пространственный оптический селектор выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пределах области продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы, отличающийся тем, что в качестве пространственного оптического селектора использована снабженная отверстием отражающая оптическая система, причем отверстие отражающей оптической системы расположено на оптической оси вентиля с возможностью прохождения через него только той спектральной составляющей, которая сфокусирована в отверстии.