Магнитооптический вентиль
Изобретение относится к оптической технике. Сущность изобретения заключается в том, что вентиль дополнительно содержит волоконный преобразователь круглой апертуры в линейную апертуру, волоконный преобразователь линейной апертуры в круглую апертуру, при этом выход поляризатора оптически связан с входом волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру, выход волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру оптически связан с входом магнитооптического ротатора, выход магнитооптического ротатора оптически связан с входом волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру, выход волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру оптически связан с входом анализатора, а магнитооптический ротатор имеет пластинчатую форму. Техническим результатом изобретения является повышение лучевой стойкости и уменьшение снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности. 5 ил.
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 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 [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 низкой лучевой стойкостью и низкой добротностью при воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности. При воздействии на магнитооптический ротатор оптического излучения большой мощности он нагревается, в результате чего снижается величина постоянной Вердé (удельной вращательной способности) материала магнитооптического ротатора. При этом угол поворота плоскости поляризации в магнитооптическом ротаторе становится меньше 45°, что приводит к снижению пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению пропускания оптического вентиля в обратном направлении. Далее, нагревание магнитооптического ротатора приводит к появлению в нем температурных градиентов, что вызывает появление механических напряжений, в результате чего возникает паразитное двулучепреломление. Наличие паразитного двулучепреломления снижает пропускание оптического вентиля в прямом направлении и повышает пропускание оптического вентиля в обратном направлении. При этом снижается добротность оптического вентиля, равная отношению пропускания оптического вентиля в прямом направлении к пропусканию оптического вентиля в обратном направлении.
Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем повышения лучевой стойкости и уменьшения снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее магнитную систему трубчатой формы с осевой намагниченностью, поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит волоконный преобразователь круглой апертуры в линейную апертуру, волоконный преобразователь линейной апертуры в круглую апертуру, выход поляризатора оптически связан с входом волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру, выход волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру оптически связан с входом магнитооптического ротатора, выход магнитооптического ротатора оптически связан с входом волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру, выход волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру оптически связан с входом анализатора, магнитооптический ротатор выполнен пластинчатой формы, торец магнитооптического ротатора обращен к выходу поляризатора.
Покажем, что в заявленном техническом решении созданы условия для более эффективного охлаждения по сравнению с прототипом. Пусть в прототипе радиус магнитооптического ротатора цилиндрической формы составляет R, а его длина вдоль оптической оси тоже составляет R (фиг.1). Тогда площадь SТ ПР входной торцовой поверхности магнитооптического ротатора в прототипе равна
SТ ПР=πR2,
а площадь SБ ПР боковой поверхности магнитооптического ротатора в прототипе составляет
SБ ПР=2πRR=2πR2.
Общая площадь S∑ ПР, через которую происходит охлаждение магнитооптического ротатора в прототипе, равна
S∑ пр=2SТ ПР+SБ ПР=2πR2+2πR2=4πR2.
Пусть в заявленном техническом решении магнитооптический ротатор выполнен в виде пластины (фиг.2), длина которой вдоль оптической оси равна R, толщина пластины равна b, а ширина пластины равна 11b.
В заявленном техническом решении площадь ST торцовой поверхности магнитооптического ротатора составляет
ST=10b2(1/4)πb2=b2[10+(1/4)π].
Пусть площадь торцовой поверхности магнитооптического ротатора в заявленном устройстве равна площади торцовой поверхности магнитооптического ротатора в прототипе, то есть SТ=SТ ПР:
b2[10+(1/4)π]=πR2.
Из этого равенства можно получить соотношение между b и R
b=R/[10+(1/4)π]0,5.
Площадь SБ боковой поверхности магнитооптического ротатора в заявленном устройстве равна
SБ=R(20b+πb).
Общая поверхность магнитооптического ротатора S∑, через которую происходит охлаждение магнитооптического ротатора в заявленном техническом решении составляет (с учетом того, что SТ=SТ ПР)
S∑=2SТ ПР+SБ=2πR2+R(20b+πb)=2πR2+bR(20+π)=2πR2+
+(π)0,5(20+π)R2/[10+(1/4)π]0,5.
Величина ξ, равная отношению S∑ к S∑ ПР, имеет вид
ξ=(2πR2)/(4πR2)+(π)0,5(20+π)R2/{[10+(1/4)π]0,54πR2}=
=(1/2)+(20+π)/{4(π)0,5[10+(1/4)π]0,5}≈1,5.
Таким образом, заявленное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более эффективное охлаждение за счет увеличения площади, через которую осуществляется охлаждение магнитооптического ротатора. Это приводит к повышению лучевой стойкости магнитооптического вентиля.
Повышение эффективности охлаждения также приводит к снижению тепловых градиентов в магнитооптическом ротаторе. В результате этого снижается паразитное двулучепреломление, что приводит к повышению пропускания магнитооптического вентиля в прямом направлении и снижению пропускания магнитооптического вентиля в обратном направлении, то есть к повышению добротности магнитооптического вентиля по сравнению с прототипом при воздействии оптического излучения большой мощности.
Повышение лучевой стойкости и уменьшение снижения добротности при воздействии оптического излучения большой мощности приводит к повышению потребительских свойств магнитооптического вентиля.
Сущность изобретения поясняется описанием варианта конкретного выполнения магнитооптического вентиля и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг.1 и фиг.2 приведены рисунки, поясняющие сущность изобретения,
- на фиг.3 приведена схема магнитооптического вентиля,
- на фиг.4 приведено сечение магнитооптического ротатора и магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью в плоскости, перпендикулярной оптической оси,
- на фиг.5 приведен рисунок, поясняющий принцип преобразования круглой апертуры в линейную апертуру.
Оптический вентиль содержит (фиг.3 - 4) магнитную систему 1 трубчатой формы с осевой намагниченностью, поляризатор 2, магнитооптический ротатор 3 и анализатор 4, магнитооптический ротатор 3 помещен в магнитное поле магнитной системы 1 трубчатой формы с осевой намагниченностью. Он дополнительно содержит волоконный преобразователь 5 круглой апертуры в линейную апертуру, волоконный преобразователь 6 линейной апертуры в круглую апертуру, выход поляризатора 2 оптически связан с входом волоконного преобразователя 5 круглой апертуры в линейную апертуру, выход волоконного преобразователя 5 круглой апертуры в линейную апертуру оптически связан с входом магнитооптического ротатора 3, выход магнитооптического ротатора 3 оптически связан с входом волоконного преобразователя 6 линейной апертуры в круглую апертуру, выход волоконного преобразователя 6 линейной апертуры в круглую апертуру оптически связан с входом анализатора 4, магнитооптический ротатор 3 выполнен пластинчатой формы, торец магнитооптического ротатора обращен к выходу поляризатора 2.
Фиг.5 поясняет принцип преобразования апертуры в волоконном преобразователе 5 круглой апертуры в линейную апертуру. На фиг.5 приняты следующие обозначения: 7 - круглая апертура, 8 - субапертура круглой апертуры, 9 - линейная апертура, 10 - субапертура линейной апертуры, стрелками условно показано соединение с помощью оптических волокон субапертур круглой апертуры 7 с соответствующими субапертурами линейной апертуры 9. Волоконный преобразователь 6 линейной апертуры в круглую апертуру может иметь такую же конструкцию, что и волоконный преобразователь 5 круглой апертуры в линейную апертуру.
Магнитооптический вентиль работает следующим образом. Проходящее через магнитооптический вентиль в прямом направлении оптическое излучение (прямой луч) проходит через поляризатор 2 и становится линейно поляризованным. В волоконном преобразователе 5 круглой апертуры в линейную апертуру происходит преобразование круглой апертуры прямого луча в линейную апертуру, после чего он проходит через магнитооптический ротатор 3, где его плоскость поляризации поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации. Волоконный преобразователь 6 линейной апертуры в круглую апертуру преобразует линейную апертуру прямого луча в круглую апертуру. Затем прямой луч проходит через анализатор 4 без ослабления. Распространяющееся в обратном направлении оптическое излучение (обратный луч) после прохождения через анализатор 4 становится линейно поляризованным. Волоконный преобразователь 6 линейной апертуры в круглую апертуру преобразует круглую апертуру обратного луча в линейную апертуру. Этот луч после прохождения через магнитооптический ротатор 3 будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90° относительно исходной плоскости поляризации. Волоконный преобразователь 5 круглой апертуры в линейную апертуру преобразует линейную апертуру обратного луча в круглую апертуру. Далее обратный луч либо поглотится в поляризаторе 2 (если в качестве поляризатора 2 применен дихроичный или плеохроичный поляризатор), либо будет отведен в сторону от оптической оси (если в качестве поляризатора 2 применена поляризующая или двулучепреломляющая призма). Таким образом, магнитооптический вентиль пропускает через себя прямой луч и не пропускает через себя обратный луч.
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.И., 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 K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, № 2, p.79-84.
Магнитооптический вентиль, содержащий магнитную систему трубчатой формы с осевой намагниченностью, поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор, магнитооптический ротатор помещен в магнитное поле магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью, отличающийся тем, что он дополнительно содержит волоконный преобразователь круглой апертуры в линейную апертуру, волоконный преобразователь линейной апертуры в круглую апертуру, выход поляризатора оптически связан с входом волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру, выход волоконного преобразователя круглой апертуры в линейную апертуру оптически связан с входом магнитооптического ротатора, выход магнитооптического ротатора оптически связан с входом волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру, выход волоконного преобразователя линейной апертуры в круглую апертуру оптически связан с входом анализатора, магнитооптический ротатор выполнен пластинчатой формы, торец магнитооптического ротатора обращен к выходу поляризатора.
