Оптический вентиль Советский патент 1993 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки.

Цель изобретения - повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

Поставленная цель достигается выполнением диафрагмы в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы, причем угол р между оптической осью и образующей конуса выбирают по формуле:

R

« 990-arcsin - --arcsin (arctg( . пппп т

-tg«))lО)

i где п -показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину, пп - показатель преломления прозрачной пластины, R - радиус апертуры обратного луча, f - фокусное расстояние второй линзы, а-угол отклонения обратного луча в акустооптиче- ском дефлекторе, а прозрачная пластина закойлеежти.

олромемааюкойорR

. т

О)

окканы, f - гол че- закреплена с возможностью поворота вокруг оптической оси. Это позволяет создать для обратного луча выполнение условий полного внутреннего отражения на поверхности конусного отверстия, в результате чего обратный луч не поглощается диафрагмой, а уходит в сторону от оптической оси, чем достигается повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического вентиля, который содержит систему управления и последовательно расположенные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую, линзу 4, акустооптический дефлектор 5, светоделительное зеркало 6, магнитную систему 7, магнитооптический ротатор 8 и дихроичный анализатор 9. Система управления оптического вентиля содержит фотоприемник 10, электронный компаратор 11, источник напряжения 12, электронный ключ 13 и генератор 14, причем фотоприемник 10 расположен на пути отраженного от светоделительного зеркала

ел

с

со

о

8

CJ

ел

6 обратного луча, выход фотоприемника 10 соединен с первым входом электронного компаратора 11, выход источника напряжения 12 соединен с вторым входом электронного компаратора 11, выход электронного компаратора 11 - с первым входом электронного ключа 13, выход генератора 14 - с вторым входом электронного ключа 12, а выход электронного ключа 13 - с входом возбудителя акустооптического дефлектора 5. Диафрагма 3 выполнена в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в виде усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы 4, причем угол у между оптической осью и образующей конуса определяют по формуле (1), а прозрачная пластина закреплена с возможностью поворота вокруг оптической оси оптического вентиля.

Оптический вентиль работает следую- щим образом. Прямой луч после прохождения через дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, акустооптиче- ский дефлектор 5 и светоделительное зерка- ло 6 попадает в магнитооптический ротатор 8, где его плоскость поляризации вследствие магнитооптического эффекта Фарадея поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации. Дихроичный анализатор 9 настроен на пропускание излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через магнитооптический ротатор 8, поэтому прямой луч прохо- дит через- дихроичный анализатор 9 без ослабления. Обратный луч, пройдя через дихроичный анализатор 9 и магнитооптический ротатор 8, имеет плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно плоскости поляризации прошедшего через дихроичный поляризатор прямого луча. Светоделительное зеркало б часть обратного луча направляет на фотоприемник 10, Электронный компаратор 11 сравнивает сигналы с выхода фотоприемника 10 и источника напряжения 12. Если сигнал с выхода фотоприемника 10 меньше сигнала с выхода источника напряжения 12, сигнал, подаваемый с выхода электронного компа- ратора 11 на первый вход электронного ключа 13, равен нулю, вследствие чего электронный ключ 13 закрывается и не пропускает сигнал с выхода генератора 14 на возбудитель акустооптического дефлектора 5. Обратный луч после светоделительного зеркала 6 проходит через акустооптический дефлектор 5 без изменения направления распространения, далее он проходит через вторую собирающую линзу 4, диафрагму 3,

первую собирающую линзу 2 и гасится дих- роичным поляризатором 1. Если сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источника напряжения 12, то электронный компаратор 11 подает на первый вход электронного ключа 13 сигнал, достаточный для открывания электронного ключа 13, в результате чего сигнал с выхода генератора 14 попадает через электронный ключ 13 на возбудитель акустооптического дефлектора 5. При этом обратный луч при прохождении через акустооптический дефлектор 5 отклоняется на некоторый угол. Вследствие этого обратный луч после прохождения через вторую собирающую линзу 4 фокусируется на диафрагме 3 за пределами отверстия диафрагмы 3. На фиг. 2 приведен ход обратного луча в диафрагме 3, причем сплошными линиями показан случай, когда сигнал с выхода фотоприемника 10 меньше сигнала с выхода источника напряжения 12 (т.е. когда в оптическом вентиле реализуется первый режим работы, при этом акустооптический дефлектор 5 выключен), а прерывистыми линиями показан случай, когда сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источника напряжения 12 (т.е. когда в оптическом вен- тиле реализуется второй режим работы, при этом акустооптический дефлектор 5 включен и отклоняет обратный луч). Обратный луч проникает в диафрагму 3, изготовленную в виде пластины из прозрачного материала и падает на границу, разделяющую прозрачный материал и окружающую среду в конусном отверстии (линия О О на фиг.2). Угол между образующей конуса и оптической осью .выбран таким, чтобы на этой границе для обратного луча выполнялись условия полного внутреннего отражения (формула (1)), поэтому обратный луч отражается от поверхности конусного отверстия в сторону от оптической оси. Таким образом, если мощность обратного луча превышает некоторое заданное значение, определяемое величиной сигнала на выходе источника напряжения 12, то обратный луч не гасится на дихроичном поляризаторе 1 или на диафрагме 3, а отводится в сторону от оптической оси. Если все таки какая-то часть обратного луча проходит через отверстие в диафрагме 3 или через поверхность конусного отверстия, то она погасится на дихроичном поляризаторе 1. Следовательно, дихроичный поляризатор 1 оказывается защищенным от воздействия обратного луча высокой мощности. Порог срабатывания системы управления определяется величиной сигнала на выходе источника напряжения 12,

90°-p.(9) Так как угол НЕЮ прямой, то ZCBO 90° - у. (10)

Так как сумма углов любого треугольника равна 180°, то, рассмотрев треугольник ВСО, можно сделать вывод, что

Ј 180° - Z. - L СВО - 180°-(900-р)-(90°-у) р + у. (11)

Тогда угол Ј падения луча ВС на отрезок О О определяется следующим соотношением:

Ј 90°-Ј 90°- р-у.(12)

Условия полного внутреннего отражения будут выполнены, если синус угла преломления равен единице. Отсюда можно получить выражение для минимального угла Јпред, при котором существует полное внутреннее отражение:

Јп

ред

П0 Пп

(13)

откуда следует, что

Јпред arcsin

По

Пп

(14)

Подставив (12) в (14), получим выражение для минимального угла между оптической осью и образующего конуса, при котором выполняются условия полного внутреннего отражения:

рперед 90° - Јпред У(15)

Подставив (12) и (14) в (15), получим (рпрея 90°- arcsin -5-Пп

- arcsin --sin(arctg( - tg a)). (16)

ПпТ

Таким образом, угол должен удовлетворять условию:

пред 90° - arcsin

По

пп

-arcsln --sln(arctg()). (17)

ПпТ

Конструктивная реализация описанного оптического вентиля не вызывает затруднений, т.к. все его элементы являются стандартными и широко применяются в оптике и электронике.

Технико-экономическая эффективность

описанного оптического вентиля по сравнению с прототипом заключается в повышении лучевой стойкости вследствие того, что обратный луч высокой мощности не гасится на диафрагме 3 за счет поглощения диафрагмой энергии обратного луча, а отводится в сторону от оптической оси за счет полного внутреннего отражения на поверхности конусного отверстия в прозрачной пластине. Формула изобретения

Оптический вентиль, содержащий последовательно установленные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор, первую собирающую линзу, диафрагму, вторую собирающую линзу, акустооптический

рефлектор, светоделитель, магнитооптический ротатор, расположенный в магнитной системе, и дихроичный анализатор, а также систему управления, включающую фотоприемник, выход которого соединен с входом

компаратора, к которому подключен источник напряжения, выход компаратора соединен с первым входом электронного ключа, второй вход электронного ключа связан с генератором, при этом выход электронного

ключа соединен с возбудителем акустоопти- ческого дефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения лучевой стойкости, диафрагма выполнена в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй собирающей линзы, причем угол между оптической осью и образующей конуса пред определяют по формуле

0пред 90°-arcsin --Пп

- arcsinf (arctg( т - tg a)), ппт

где По - показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину;

пп - показатель преломления прозрач- ной пластины;

R - радиус апертуры обратного луча;

F - фокусное расстояние второй линзы;

а - угол отклонения обратного луча в акустооптическом дефлекторе; а прозрачная пластина закреплена с возможностью поворота вокруг оптической оси.

Сущность: в оптическом вентиле, включающем дихроичный поляризатор, две собирающие линзы, между которыми расположена диафрагма и магнитооптический ротатор, диафрагма выполняется в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в форме усеченного конуса, обращенного своим малым отверстием в сторону второй линзы, с выбором угла между образующей конуса и оптической осью таким образом, чтобы выполнялись условия полного внутреннего отражения. 3 ил.