ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ

Полезная модель относится к оптической технике и может быть использована 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 заявленному устройству является описанный в [6] оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси первый поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и второй поляризатор. Вращатель плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле магнитной системы трубчатой формы с осевой намагниченностью. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. Во вращателе плоскости поляризации вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на угол 45° относительно исходной плоскости поляризации и проходит через второй анализатор, главная плоскость которого повернута на 45° относительно главной плоскости первого 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 первом поляризаторе.
Недостаток известного оптического вентиля заключается в низких потребительских свойствах, что обусловлено низкой лучевой стойкостью. При воздействии на вращатель плоскости поляризации оптического излучения большой мощности он нагревается, в результате чего снижается величина постоянной Верде (удельной вращательной способности) материала магнитооптического ротатора. При этом угол поворота плоскости поляризации во вращателе плоскости поляризации становится меньше 45°, что приводит к снижению пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению пропускания оптического вентиля в обратном направлении.
Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем повышения лучевой стойкости.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий первый поляризатор, вращатель плоскости поляризации, второй поляризатор, магнитную систему, первый поляризатор, вращатель плоскости поляризации, второй поляризатор расположены последовательно на оптической оси, вращатель плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле магнитной системы, торцы вращателя плоскости поляризации выполнены скошенными, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит первую четвертьволновую пластину, вторую четвертьволновую пластину, N дополнительных вращателей плоскости поляризации, N дополнительных магнитных систем, первая четвертьволновая пластина расположена на оптической оси между поляризатором и вращателем плоскости поляризации, дополнительные вращатели плоскости поляризации и вторая четвертьволновая пластина последовательно расположены на оптической оси между вращателем плоскости поляризации и вторым поляризатором, i-й дополнительный вращатель плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле i-й дополнительной магнитной системы, торцы i-го дополнительного вращателя плоскости поляризации выполены скошенными, где i, N - натуральные числа, причем 1≤i≤N.
Такое построение оптического вентиля позволяет повысить потребительские свойства путем повышения лучевой стойкости. Это обеспечивается разнесеннием в пространстве распространяющихся в прямом и обратном направлениях пучков оптического излучения, что в пределах апертур этих пучков снижается нагрев вращателя плоскости поляризации и дополнительных вращаталей плоскости поляризации, в результате чего повышается лучевая стойкость вращателя плоскости поляризации и N дополнительных вращателей плоскости поляризации, что приводит к повышению лучевой стойкости оптического вентиля.
Сущность полезной модели поясняется описанием примера конкретного выполнения заявленного устройства и прилагаемым чертежом, на котором приведена схема оптического вентиля.
Оптический вентиль содержит первый поляризатор 1, вращатель 2 плоскости поляризации, второй поляризатор 3, магнитную систему 4, первый поляризатор 1, вращатель 2 плоскости поляризации, второй поляризатор 3 расположены последовательно на оптической оси, вращатель 2 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле магнитной системы 4, торцы вращателя 2 плоскости поляризации выполнены скошенными. Оптический вентиль также содержит первую четвертьволновую пластину 5, вторую четвертьволновую пластину 6, N дополнительных вращателей 7 плоскости поляризации, N дополнительных магнитных систем 8, первая четвертьволновая пластина 5 расположена на оптической оси между поляризатором 1 и вращателем 2 плоскости поляризации, дополнительные вращатели 7 плоскости поляризации и вторая четвертьволновая пластина 6 последовательно расположены на оптической оси между вращателем 2 плоскости поляризации и вторым поляризатором 3. i-й дополнительный вращатель 7 плоскости поляризации помещен в продольное магнитное поле i-й дополнительной магнитной системы 8, торцы i-го дополнительного вращателя 7 плоскости поляризации выполнены скошенными, где i, N - натуральные числа, причем 1≤i≤N. На фиг. позициями 9, 10 и 11 обозначены первое зеркало, второе зеркало и источник оптического излучения соответственно. Магнитная система 4 и дополнительные магнитные системы 8 могут быть выполнены трубчатой формы с осевой намагниченностью.
Оптический вентиль работает следующим образом. Оптическое излучение, генерируемое источником оптического излучения 11, отражается первым зеркалом 9 в требуемом направлении, далее, пройдя через первый поляризатор 1, становится линейно поляризованным. После прохождения через первую четвертьволновую пластину 5 линейно поляризованное оптическое излучение превращается в поляризованное по кругу, например, право-циркулярное (обыкновенный луч) и последовательно проходит через вращатель 2 плоскости поляризации и N дополнительных вращателей 7 плоскости поляризации и попадает во вторую четвертьволновую пластину 6, после прохождения которой оптическое излучение снова становится линейно поляризованным. Оптическое излучение, распространяющееся в обратном направлении, после прохождения через второй поляризатор 3 снова становится линейно поляризованным. После прохождения через вторую четвертьволновую пластину 6 обратное оптическое излучение превращается в левоциркулярное излучение (необыкновенный луч) и падает на скошенный торец N-ного дополнительного вращателя 7 плоскости поляризации.
о
е
При наличии магнитооптического эффекта Фарадея [7] в материале вращателя 2 плоскости поляризации и дополнительных вращателей 7 плоскости поляризации в продольном магнитном поле показатель преломления обыкновенного луча n не равен показателю преломления n необыкновенного луча:
о
е
e
n=n(1-λVH/(πn)),
где λ - длина волны оптического излучения, V - постоянная Верде (удельная вращательная способность материала вращателя 2 плоскости поляризации) и дополнительных вращателей 7 плоскости поляризации, Н - величина проекции напряженности магнитного поля на оптическую ось. Поэтому на скошенном торце N-го дополнительного вращателя 7 плоскости поляризации распространяющееся в обратном направлении оптическое излучение отклоняется от оптической оси (необыкновенный луч). На другом скошенном торце дополнительного вращателя 7 плоскости поляризации отклонение необычного луча, от оптической оси увеличивается. В(N-1)-м, …, i-м, …, 1-м дополнительных вращателях 7 плоскости поляризации и вращателе 2 плоскости поляризации процесс повторяется. После выхода распространяющего в обратном направлении оптического излучения из вращателя 2 плоскости поляризации оно последовательно проходит через первую четвертьволновую пластину 5 и первый поляризатор 1. Затем оно отражается вторым зеркалом 10 в сторону от оптического вентиля.
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, HKИ 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.
7 Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971. С.672.