Применение полного внутреннего отражения для повышения лучевой стойкости магнитооптических вентилей

УДК 535.6

Бессонов П. Е., Бурлуцкий С. Г., Рудой Е. М., Семенов И. С., Сирота С. В.,

Янов В. Г., Ященко В. В.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЛУЧЕВОЙ СТОЙКОСТИ

МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ

            При прохождении оптического излучения через границу раздела двух сред, показатели преломления которых мало отличаются друг от друга, направление распространения изменяется на малый угол, что затрудняет селекцию излучения в оптическом вентиле. Использование полного внутреннего отражения позволяет разнести на большой угол селектируемые лучи.

  9                           

13

8

 1          2   3      4              5         6                 

10

11

1

 2

2

1

7

12

14

Рис. 1. Функциональная схема  двухрежимного магнитооптического вентиля.
            Функциональная схема первого варианта магнитооптического вентиля [1, 2] приведена на рис. 1, где приняты следующие обозначения: 1 - поляризатор, 2 - пер­­вая собирающая линза, 3 - диафрагма, 4 - вторая собирающая линза,  5 - акустооптический   сканер,  6 - светоделитель,  7 - магнитная  система, 8 - магнитооптический ротатор, 9 - анализатор, 10 - фотоприемник, 11 - электронный компаратор, 12 - источник напряжения, 13 - элек­тронный ключ, 14 - генератор.

При воздействии на магнитооптический вентиль оптической помехи боль­шой мощности его параметры ухудшаются: снижается пропускание в прямом направлении и увеличивается пропускание в обратном направлении. Описаные в [1, 2] оптические вентили могут функционировать в зависимости от  помеховой обстановки в одном из двух режимов: при малой мощности обратного луча вентиль работает в обычном режиме и выполняет две функции: пропускает луч от источника оптического излучения в прямом направлении и защищает источник оптического излучения от воздействия на  него обратного луча, а при высокой мощности обратного луча вентиль работает во втором режиме и выполняет при этом только функцию защи­ты источника оптического излучения от воздействия на него обратного луча. При этом в качестве селектирующего элемента применена поглощающая диафрагма с центральным отверстием.

А

O"

C

О'

B

Рис. 2. Ход лучей в диафрагме. Сплошные линии – прямой луч, прерывистые линии – обратный луч.
Развитием упомянутых выше вентилей является оптический вен­тиль [3], в котором 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 j между оптической осью и образующей конуса выбран таким образом, чтобы вы­полнялось условие полного внутреннего отражения при падении сфо­кусированного обратного луча на поверхность конусного отверстия, в результате чего обратный луч не поглощается диафрагмой 3, а отводится в сторону от оптической оси и не попадает в защищаемый лазер (рис. 2).

За счет того, что выделение тепловой энергии в прозрачной пластине при полном внутреннем отражении обратного луча значительно меньше, чем при поглощении обратного луча диафрагмой, то описанный в [3] вен­тиль обладает более высокой лучевой стойкостью, чем предложенные в [1, 2] вентили. Вентили [1, 2, 3] име­ют два режима работы: первый реализуется при слабой помехе, второй – при помехе большой мощности.   

Работа этих вентилей при слабой помехе аналогична  работе классического релеевского вентиля [4].

Если сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источ­ника напряжения 12 (то есть если мощность помехи превысила пороговое значение), 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 через электронный ключ 13 поступает 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 в точке, находящейся за пределами ее отверстия. В вентилях [1, 2] обратный луч поглощается диафрагмой 3, в вентиле [3] он проходит через диафрагму 3, отражается от конусного отверстия и уходит в сторону от оптической оси. Порог срабатывания системы управле­ния  вентиля определяется величиной сигнала на выходе источника напряжения 12, величину которого можно при необходимости изменять в зависимости от помеховой обстановки

Таким   образом,   при  работе  вентилей [1, 2, 3] в условиях воздей­ствия на него оптической помехи большой мощности не имеет никакого значения снижение параметров магнитооптического ротатора 8 из-за его нагревания,  так как в данном случае он только пропускает через себя излучение помехи, а увод помехи в сторону от оптической оси осуществляется диафрагмой 3.

Определим, каким условиям в вентиле [3] должен удовлетворять угол j между опти­че­ской осью и образующей конуса,  чтобы для обратного луча выполнялось условие полного внутреннего отражения.

Очевидно, что если для луча АВС (рис. 2 и 3) выполняется условие полного внутреннего отражения, то это условие будет заведомо выполняться для всех других лучей, входящих в состав обратного луча, так как луч АВС имеет минимальный угол падения на поверхность О'СО".

Вначале определим, под каким углом луч АВ падает на поверхность прозрачной пластины. Для этого обратимся к  рис. 3, где приняты следующие обозначения: R - радиус апертуры обратного луча, f - фокусное расстояние второй собирающей линзы 4, a - угол отклонения  обратного луча в акустооптическом дефлекторе 5, b - угол падения луча АВ на поверхность прозрачной пластины, BD - нормаль к поверхности прозрачной пластины. Пусть точки А и D находятся на главной плоскости второй собирающей линзы 4. Обозначим буквой Е точку пересечения оптической оси с фокальной плоскостью второй собирающей лин­зы 4. Кроме того, пусть поверхность прозрачной пластины, на которую падает луч АВ,

О'

Н

Е

D

А

g

x

F"

O"

b

a

a

f

j

R

B

Рис. 3. Ход обратного луча в диафрагме.

С

F

'     

С

4
перпендикулярна оптической оси, тогда отрезок BD будет параллелен оптической оси, поэтому угол EBD будет равен a. Так как отрезок АЕ перпендикулярен оптической оси, а отрезок BD паралле­лен оптической оси, то

ÐEDB=ÐADB=900.                                                                                             (1)

Очевидно, что длину LDE отрезка DE можно определить по формуле

          LDE  = LBDtga,                                                                                                      (2)

где LBD - длина отрезка BD, причем LBD=f. Тогда длину LAD отрезка AD можно определить следующим образом:                                          

          LAD = LAE - LDE ,                                                                                                   (3)

где LAE - длина отрезка AE. Так как  LAE=R, то формулу (3.3) можно преобразовать, подставив (2) в (3):                                        

            LAD = R - LBDtga .                                                                                              (4)

Так как треугольник АВD является прямоугольным, то угол b можно опре­­делить следующим образом:

            b = arctg (LAD/LBD) = arctg[(R - f´tga)/f] = arctg [(R/f) - tga].                    (5)

Продолжим линию BD влево и обозначим точку её пересечения с линией О'СО" буквой Н. Обозначим через g угол преломления луча АВС в прозрачной пластине (рис. 3). Тогда

            sinb : sing = nп : nо ,                                                                                                                                         (6)

где nп - показатель преломления прозрачной пластины, nо - показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину.

Из (6) следует, что

sing = (nо /nп)sinb .                                                                                              (7)

Подставив (5) в (7), получим

            g = arcsin [(nо/nп)sin(arctg((R/f) - tga))] .                                                          (8)

Обратимся теперь к треугольнику BCO" (рис. 3). Пусть ÐBCO" = x. Проведем через точку О" линию F'F", параллельную оптической оси. Так как угол F'О"В прямой, то

Ð СО"В = 900 - j.                                                                                              (9)

Ввиду того, что угол НВО" прямой:                                      

             ÐСВО" = 900 - g .                                                                                            (10)

Так как сумма углов  любого  треугольника  равна  1800,  то, рассмо­трев треугольник ВСО", можно сделать вывод, что

            x = 1800 - ÐСО"В - ÐСВО" = 1800 - (900 - j) - (900- g)= j + g .                    (11)

Тогда угол z падения луча ВС на отрезок О'О" определяется сле­­дующим соотношением:

             z = 900 - x = 900 -  j - g .                                                                                 (12)

Условие полного внутреннего отражения будет выполнено, если синус угла преломления равен единице. Отсюда можно получить выражение для минимального угла zпред , при котором существует полное внутреннее отражение:

            sinzпред = nо/nп ,                                                                                                (13) откуда следует, что

            zпред = arcsin(nо/nп) .                                                                                         (14)

Подставив (12) в (14), получим выражение для минимального угла между оп­тической осью и образующей конуса, при котором выполняется условие полно го внутреннего отражения для луча, распространяющегося в обратном направлении:

            jпред = 900 -  zпред - g .                                                                                      (15)

Подставив (12) и (14) в (15), получим

            jпред = 900 - arcsin(nо/nп) - arcsin[(nо/nп)sin(arctg ((R/f) - tga))].                   (16)

Таким образом, угол j должен удовлетворять условию:

            j < 900 - arcsin(nо/nп) - arcsin[(nо/nп)sin(arctg ((R/f) - tga))].                         (17)

Если в процессе эксплуатации будет нарушена целостность поверхности конусного отверстия (например, вследствие выкрашивания прозрачного материала в конусном отверстии при воздействии обратного луча очень большой мощности), то достаточно повернуть диафрагму 3 вокруг оптической оси и ввести тем самым в зону отражения неповрежденный участок конусного отверстия. В описанном вентиле для дальнейшего повышения лучевой стойкости можно осуществить либо непрерывное вращение диафрагмы 3 вокруг оптической оси, либо вместо акустооптического дефлектора 5 установить, как это сделано в [1, 2] два сканера с ортогональными плоскостями сканирования и обеспечить тем самым круговое или спиральное движение сфокусированного пятна обратного луча по поверхности конусного отверстия.

В описанном  выше вентиле использовалась невзаим­ность поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света вследствие  магнитооптического эффекта Фарадея при прохождении света через среду, на которую воздействует продольное магнитное поле.

В описанном в [5] вентиле применяется циркулярная поляризация оптического излучения. При этом используется неравенство в магнитооптическом материале показателей преломления для левоциркулярного nо и правоциркулярного nе света относительно про­дольного магнитного поля. В соответствии с законом Фарадея [6] nо и nе связаны соотно­­шением 

            nо = nе(1 - lVH/(pnе)) ,                                                                                     (18)

где l - длина волны света, V - постоянная Вердé (удельная вращательная способность) магнитооптического материала, H - величина проекции напряженности магнитного поля на оптическую ось.

Функциональная схема магнитооптического вентиля, использующего разни­цу между значениями nо и nе,  приведена на рис. 4, где приняты следующие обозначения: 1 - поляризатор, 2 - первая четвертьволновая пластина, 3 - магнитная си­сте­ма, 4 - магнитооптический элемент, 5 - вторая четвертьволновая пластина, 6 - анализатор.

Входной торец магнитооптического элемента 4 выполнен скошенным. В этом вентиле для обратного луча на границе "входной торец магнитооптического элемента 4 - воздух" выполняется условие полного внутреннего отражения, в результате чего обратный луч уходит в сторону от оптической оси.

4

a

Рис. 4. Функциональная схема магнитооптического вентиля с циркулярной поляризацией.

1

2

3

5

6

После прохождения через поляризатор 1 и первую четвертьволновую пластину 2 прямой луч становится циркулярно поляризованным, например, правоциркулярным относительно направления магнитного поля, затем он проходит через магнитооптический элемент 4 и вторую чет­верть­волновую пластину 5, в результате чего он снова становится ли­­нейно поляризованным.

Обратный луч, пройдя через анализатор 6 и вторую чет­верть­волновую пластину 5, становится левоциркулярным относительно направления магнитного поля и проходит через магнитооптический элемент 4.  Вследствие  магни

84

 

о материала магнитооптического элемента 4 для правоциркулярного света не равен показателю преломления  nе материала магнитооптического элемента 4 для левоциркулярного света.

Пусть материал магнитооптического элемента 4 и ориентация магнитного поля, в который помещен магнитооптический элемент 4, выбраны таким образом,  что nо <nе. В этом случае для обратного луча на границе "входной торец магнитооптического элемента - воздух" выполняется условие полного внутреннего отражения, в результате чего обратный луч отражается от этой границы и уходит в сторону от оптической оси. Таким образом, осуществляется пространственное разделение прямого и обратного лучей, и обратный луч не попадает на вход устройства, формирующего прямой луч.

Определим, в каком случае выполняется для обратного луча условие полного внутреннего отражения на границе "входной  торец магнитооптического элемента 4 - воздух", для чего обратимся к рис. 5, где приняты следующие обозначения: ВСD - граница "воздух-входной торец магнитооптического элемента 4, АСЕ - прямой луч, ЕСF - обратный луч при  a > aкр, ЕСD - обратный луч при a = aкр, a - угол  падения  прямого луча на границу ВСD, b - угол преломления прямого луча,

b

A

C

D

В

E

F

a

Рис. 5. Полное внутреннее отражение на границе «входной торец магнитооптического элемента - воздух».

он же - угол падения обратного луча на границу ВСD, aкр - минимальный угол падения прямого луча на границу ВСD, при котором для обратного луча выполняется условие полного  внутреннего отражения на границе ВСD.

Обозначим через bкр минимальный угол b, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения для обратного луча на границе ВСD.

Очевидно

            sinaкр/sinbкр = nо ;                                                                                            (19)                                   

            sin900/(sinbкр) - 1/(sinbкр) = nе .                                                                       (20)

Из (19) и (20) получаем

            sinaкр = nоsinbкр = nо/nе ,                                                                                  (21)

откуда

             aкр = arcsin(nо/nе),                                                                                            (22)

Подставив (18) в (22), получим

            aкр = arcsin(1 - lVH/(pnе)) .                                                                             (23)

Таким образом, угол падения a прямого луча на входной торец элемента 4 должен удовлетворять условию:

            aкр ³ arcsin(1 - lVH/(pnе)) .                                                                             (24)

Так как nо и nе достаточно близки, то в формуле (24) можно принять, что nо = nе = n,  где n - показатель преломления материала, из  которого  сделан  магнитооптический  элемент.

Таким образом, формулу (24) можно переписать в следующем виде

            a  ³ arcsin(1 - lVH/(pn)) .                                                                                (25)

Приведем в качестве примера расчет угла a для кристалла CrBr3. Примем следующие исходные данные: l  = 0,5´10-4 см, H=2´103 Э,  V = 1600 угл. мин´Э-1´см -1 = 0,466 рад´Э-1´см-1 [7]. Примем с запасом,  что n=2. Подставив эти величины в формулу (25), получим, что a ³ 830. Таким образом, реализация описанного вентиля является вполне возможной и его юстировка не вызовет трудностей.

Как следует из вышесказанного, в этом магнитооптическом вентиле непосредственное проявление магнитооптического эффекта Фарадея осуществляется толь­ко при переходе света из воздуха в магнитооптическую среду и обратно, поэтому магнитооптический элемент (поз. 4 на рис. 5) можно выполнить из немагнитного прозрачного изотропного материала с малым коэффициен­том теплового расширения (выбор таких материалов достаточно велик [8]), на  скошенный входной торец которого нанесен слой магнитооптического вещества. При этом лучевая стойкость вентиля  бу­дет  существенно  повышена  как за счет возможности охлаж­дения торцов с большой эффективности, так и за счет снижения механических напряжений  в магнитооптическом веществе путем оптимального подбора немагнитного прозрачного материала, на торцы которо­го  нанесе­­­­­но магнитооптическое вещество.

Таким образом, использование полного внутреннего отражения позволяет повысить лучевую стойкость магнитооптических вентилей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Янов В. Г., Легомина И. Н. Оптический вентиль. Авт. свид. СССР № 1805442, приор. от 28.04.90, зарег. в Гос. реестре из-й 09.10.92, публ. 30. 03. 93 Бюл. № 12, МПК5 G 02 F 3/00.

2. Янов В. Г., Легомина И. Н. Оптический вентиль. Авт. свид. СССР № 1805441, приор. от 29.05.90, зарег. в Гос. реестре из-й 9.10.92, публ. 30.03.93 Бюл. № 12, МПК5 G 02 F 3/00.

3. Янов В. Г., Легомина И. Н. Оптический вентиль. Авт. свид. СССР № 1800435, приор. от 19.02.91, зарег. В Гос. Реестре из-й 09.10.92, публ. 07.03.93 Бюл. № 9, МПК5 G 02 F 3/00.  

4. Birh K. P. A compact optical isolator. Opt. communic. 1982, v. 43, N 2, p. 79 – 84.

5. Янов В. Г., Рудой Е. М., Субботин В. А., Дмитриев А. Е. Оптический вентиль. Патент РФ № 2138838, приор. от 15.05.98, зарег. в Гос. реестре из-й 27.09.98, публ. 27.08.98.    

            6. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971. С. 672.

7. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио. 1978.

8. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / В. А. Панов, М. Я. Кругер, В. В. Кулагин и др. Л.: Машиностроение, 1980. С. 645 – 682.