ОПТИЧЕСКОЕ НЕВЗАИМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2009 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, 3], 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 v+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 v+2f. Параметры интерферометра Фабри-Перо подобраны таким образом, что излучение с частотой v+2f не пройдет через него (при частоте v кривая зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо от частоты имеет максимум, а при частоте v+2f имеет минимум). Недостаток акустооптического вентиля заключается в том, что 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 [4, 5]. 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 [6] оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и анализатор. Магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно-поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно-поляризованного света поворачивается на угол 45° относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, после прохождения через анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на угол 90° относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе.

Недостаток известного оптического вентиля заключается в низких потребительских свойствах, что обусловлено увеличением его коэффициента пропускания в обратном направлении при воздействии оптического излучения большой мощности. При этом магнитооптический ротатор нагревается, в результате чего снижается величина постоянной Верде (удельной вращательной способности) материала магнитооптического ротатора. При этом угол поворота плоскости поляризации в магнитооптическом ротаторе становится меньше 45°, что приводит к повышению пропускания оптического вентиля в обратном направлении. Далее нагревание магнитооптического ротатора приводит к появлению в нем температурных градиентов, это вызывает появление механических напряжений, в результате чего возникает паразитное двулучепреломление. Наличие паразитного двулучепреломления тоже повышает пропускание известного оптического вентиля в обратном направлении.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем уменьшения роста коэффициента пропускания в обратном направлении при воздействии оптического излучения большой мощности.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит светоделитель, насыщающийся фильтр, второй анализатор, фокусирующую оптическую систему, фотоприемник, генератор, управляемый блок питания магнитной системы, сумматор, резонансный фильтр, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель, светоделитель расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, насыщающийся фильтр расположен на пути прямого луча после анализатора, второй анализатор расположен на пути отраженного от светоделителя обратного луча, фокусирующая оптическая система расположена на пути прошедшего через второй анализатор обратного луча, фотоприемник расположен на пути прошедшего через фокусирующую оптическую систему обратного луча, выход фотоприемника соединен с входом резонансного фильтра, выход генератора соединен с первым входом синхронного детектора и первым входом сумматора, выход резонансного фильтра соединен с вторым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с входом управляемого блока питания магнитной системы, выход управляемого блока питания соединен с входом магнитной системы, а ось максимального пропускания второго анализатора перпендикулярна плоскости, проведенной через ось максимального пропускания поляризатора и оптическую ось.

Такое построение оптического невзаимного устройства обеспечивает поддержание величины угла поворота плоскости поляризации, обеспечивающей минимальное значение мощности прошедшего через поляризатор обратного луча при воздействии на оптическое невзаимное устройство излучения большой мощности, то есть уменьшает рост коэффициента пропускания оптического вентиля в обратном направлении, что повышает потребительские свойства заявленного устройства по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения поясняется описанием варианта конкретного выполнения оптического невзаимного устройства и прилагаемыми чертежами, на которых:

- на фиг.1 приведена схема оптического невзаимного устройства,

- на фиг.2-4 приведены рисунки, поясняющие работу оптического невзаимного устройства.

Оптическое невзаимное устройство содержит магнитную систему 1 и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 2, магнитооптический ротатор 3 и анализатор 4, магнитооптический ротатор 3 помещен в магнитное поле магнитной системы 1. Он также содержит светоделитель 5, насыщающийся фильтр 6, второй анализатор 7, фокусирующую оптическую систему 8, фотоприемник 9, генератор 10, управляемый блок питания 11 магнитной системы 1, сумматор 12, резонансный фильтр 13, синхронный детектор 14, фильтр нижних частот 15 и усилитель 16. Светоделитель 5 расположен на оптической оси между поляризатором 2 и магнитооптическим ротатором 3, насыщающийся фильтр 6 расположен на пути прямого луча после анализатора 4, второй анализатор 7 расположен на пути отраженного от светоделителя 5 обратного луча, фокусирующая оптическая система 8 расположена на пути прошедшего через второй анализатор 7 обратного луча, фотоприемник 9 расположен на пути прошедшего через фокусирующую оптическую систему 8 обратного луча, выход фотоприемника 9 соединен с входом резонансного фильтра 13, выход генератора 10 соединен с первым входом синхронного детектора 14 и первым входом сумматора 12, выход резонансного фильтра 13 соединен с вторым входом синхронного детектора 14, выход синхронного детектора 14 соединен с входом фильтра нижних частот 15, выход фильтра нижних частот 15 соединен с входом усилителя 16, выход усилителя 16 соединен с вторым входом сумматора 12, выход сумматора 12 соединен с входом управляемого блока питания 11 магнитной системы 1, выход управляемого блока питания 11 магнитной системы 1 соединен с входом магнитной системы 1, а ось максимального пропускания второго анализатора 7 перпендикулярна плоскости, проведенной через ось максимального пропускания поляризатора 2 и оптическую ось.

Оптическое невзаимное устройство работает следующим образом. Входящее в оптическое невзаимное устройство в прямом направлении оптическое излучение (прямой луч) проходит через поляризатор 2 и становится линейно-поляризованным. На фиг.1 прямой луч изображен сплошными линиями. Затем прямой луч проходит через светоделитель 5 и магнитооптический ротатор 3, в магнитооптическом ротаторе 3 его плоскость поляризации поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации, то есть плоскости поляризации прошедшего через поляризатор 2 прямого луча. После этого прямой луч проходит через анализатор 4 без ослабления. Насыщающийся фильтр 6 поддерживает постоянной амплитуду прошедшего через него луча (если его амплитуда не будет существенно уменьшаться). Распространяющееся в обратном направлении оптическое излучение (обратный луч) вначале проходит через насыщающийся фильтр 6, затем через анализатор 4, где он становится линейно-поляризованным (в качестве обратного луча может выступать, например, излучение, отраженное от элементов оптического тракта или от лоцируемого объекта, либо внешняя оптическая помеха). Этот луч после прохождения через магнитооптический ротатор 3 будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации. На фиг.1 обратный луч изображен прерывистыми линиями. Затем обратный луч падает на светоделитель 5. Прошедшая через светоделитель 5 часть обратного луча либо поглотится в поляризаторе 2 (если в качестве поляризатора 2 применен дихроичный или плеохроичный поляризатор), либо будет отведена в сторону от оптической оси (если в качестве поляризатора 2 применена поляризующая или двулучепреломляющая призма). Генератор 10 формирует на своем выходе гармонический электрический сигнал, который подается на первый вход синхронного детектора 14 и первый вход сумматора 12. В сумматоре 12 гармонический сигнал смешивается с управляющим сигналом, поступающим на второй вход сумматора 12. Сигнал, представляющий собой совокупность медленно (по сравнению с сигналом с выхода генератора 10) изменяющегося управляющего сигнала и сигнала с выхода генератора 10, с выхода сумматора 12 поступает на управляемый блок питания 11 магнитной системы 1. Напряженность магнитного поля магнитной системы 1 тоже имеет две составляющие: гармоническую и медленно меняющуюся. Под воздействием этого магнитного поля угол поворота плоскости поляризации прямого луча в магнитооптическом ротаторе 3 тоже будет иметь две составляющие: гармоническую и медленно меняющуюся. После прохождения прямого луча через анализатор 4 периодическое изменение угла поворота плоскости поляризации прямого луча превращается в периодическое изменение его амплитуды. Это периодическое изменение амплитуды прямого луча устраняется насыщающимся фильтром 6. После прохождения через магнитооптический ротатор 3 угол поворота плоскости поляризации обратного луча будет иметь две составляющие: периодическую (ее частота равна частоте гармонического сигнала на выходе генератора 10) и медленно меняющуюся (эта величина близка к 90° относительно исходной плоскости поляризации). Светоделитель 5 часть обратного луча направляет на второй анализатор 7, который преобразует периодическое изменение угла поворота плоскости поляризации прошедшего через него луча в периодическое изменение его амплитуды. Этот луч фокусируется фокусирующей оптической системой 8 на светочувствительную поверхность фотоприемника 9. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 9 проходит через резонансный фильтр 13, который пропускает только сигнал с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 10. Синхронный детектор 14 сравнивает сигналы, поступающие на его первый и второй входы. Если величина угла поворота плоскости поляризации обратного луча в магнитооптическом ротаторе 3 меньше величины угла, обеспечивающего максимальное значение мощности падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9 луча, как показано на фиг.2, то есть если φ<φ₀ (на фиг.2-4 приняты следующие обозначения: J - мощность падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9 луча, φ - угол поворота плоскости поляризации света в магнитооптическом ротаторе 3, φ₀ - угол поворота плоскости поляризации света в магнитооптическом ротаторе 3, обеспечивающий максимальное значение величины J), то сигнал с выхода фотоприемника 9 и сигнал с выхода генератора 10 синфазны, и синхронный детектор 14 формирует на своем выходе управляющий сигнал положительной полярности. Если величина угла поворота плоскости поляризации обратного луча в магнитооптическом ротаторе 3 больше величины угла, обеспечивающего максимальное значение мощности падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9 луча, как показано на фиг.3, то есть если φ>φ₀, то сигнал с выхода фотоприемника 9 и сигнал с выхода генератора 10 противофазны, и синхронный детектор 14 формирует на своем выходе управляющий сигнал отрицательной полярности. Если величина угла поворота плоскости поляризации обратного луча в магнитооптическом ротаторе 3 равна величине угла, обеспечивающего максимальное значение мощности падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9 луча, как показано на фиг.4, то есть если φ=φ₀ , то сигнал с выхода фотоприемника 9 имеет первую гармонику, частота которой равна удвоенной частоте сигнала на выходе генератора 10, поэтому сигнал на выходе синхронного детектора 14 равен нулю. Сигнал с выхода синхронного детектора 14 проходит через фильтр нижних частот 15, который пропускает только управляющий сигнал, после чего этот сигнал усиливается до необходимой величины усилителем 16 и поступает на второй вход сумматора 12. Сигнал на выходе сумматора 12 представляет собой совокупность сигнала с выхода усилителя 16 (управляющего сигнала) и гармонического сигнала с выхода генератора 10. Сигнал с выхода сумматора 12 поступает на вход управляемого блока питания 11 магнитной системы 1. Управляемый блок питания 11 магнитной системы 1 пропускает через магнитную систему 1 ток, величина которого прямо пропорциональна величине сигнала на его входе, то есть в нем присутствует управляющий сигнал и составляющая с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 10. Под воздействием этого магнитного поля угол поворота плоскости поляризации обратного луча содержит составляющую, соответствующую управляющему сигналу, и составляющую с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 10. Таким образом, в заявленном устройстве обеспечивается максимальное значение мощности луча, падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9. Вследствие того, что ось максимального пропускания второго анализатора 7 перпендикулярна плоскости, проведенной через ось максимального пропускания поляризатора 2 и оптическую ось, то максимальное значение мощности луча, падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника 9, соответствует минимальному значению мощности обратного луча, прошедшего через поляризатор 2.

При воздействии на магнитооптический ротатор 3 оптического излучения большой мощности независимо от снижения величины постоянной Верде и появления паразитного двулучепреломления величина магнитного поля, создаваемого магнитной системой 1, обеспечивает минимальное значение мощности обратного луча, прошедшего через поляризатор 2. Это приводит к повышению потребительских свойств путем уменьшения роста коэффициента пропускания в обратном направлении при воздействии оптического излучения большой мощности.

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. Янов В.Г., Бессонов Е.П., Бессонов П.Е. Оптические вентили. МО РФ, СПб. 2004. С.106-108.

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

5. Рудой А.Е., Сирота С.В., Янов В.Г. и др. Оптический вентиль с продольной хроматической аберрацией. Доклад на НТК КВ. СПб. ВКА им. А.Ф.Можайского, 2005.

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

Оптическое невзаимное устройство относится к оптической технике. Сущность заключается в периодическом изменении угла поворота плоскости поляризации обратного луча, пропускании части обратного луча через второй анализатор, приеме этой части обратного луча фотоприемником, сравнении сигнала с выхода фотоприемника с гармоническим сигналом и формировании управляющего сигнала, подаваемого на вход управляемого блока питания магнитной системы. Технический результат - повышение потребительских свойств путем уменьшения роста коэффициента пропускания в обратном направлении при воздействии оптического излучения большой мощности. 4 ил.

Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит светоделитель, насыщающийся фильтр, второй анализатор, фокусирующую оптическую систему, фотоприемник, генератор синусоидального сигнала, управляемый блок питания магнитной системы, сумматор, резонансный фильтр, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель, светоделитель расположен на оптической оси между поляризатором и магнитооптическим ротатором, насыщающийся фильтр расположен на пути прямого луча после первого анализатора, второй анализатор расположен на пути отраженного от светоделителя обратного луча, фокусирующая оптическая система расположена на пути прошедшего через второй анализатор обратного луча, фотоприемник расположен на пути прошедшего через фокусирующую оптическую систему обратного луча, выход фотоприемника соединен с входом резонансного фильтра, выход генератора соединен с первым входом синхронного детектора и первым входом сумматора, выход резонансного фильтра соединен со вторым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с входом управляемого блока питания магнитной системы, выход управляемого блока питания соединен с входом магнитной системы, а ось максимального пропускания второго анализатора перпендикулярна плоскости, проведенной через ось максимального пропускания поляризатора и оптическую ось.