Скачать работу - Применение полного внутреннего отражения для повышения лучевой стойкости магнитооптических вентилейОписаные 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.
| 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,
| Рис. 3. Ход обратного луча в диафрагме. |
|
|  |
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 EDB= ADB=90 0 . (1) Очевидно, что длину L DE отрезка DE можно определить по формуле L DE = L BD tg a , (2) где L BD - длина отрезка BD, причем L BD =f. Тогда длину L AD отрезка AD можно определить следующим образом: L AD = L AE - L DE , (3) где L AE - длина отрезка AE. Так как L AE =R, то формулу (3.3) можно преобразовать, подставив (2) в (3): L AD = R - L BD tg a . (4) Так как треугольник АВD является прямоугольным, то угол b можно определить следующим образом: b = arctg (LAD/LBD) = arctg[(R - f tg a )/f] = arctg [(R/f) - tg a ]. (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 sin b : sin g = n п : n о , (6) где n п - показатель преломления прозрачной пластины, n о - показатель преломления среды, окружающей прозрачную пластину. Из (6) следует, что sin g = ( n о / n п ) sin b . (7) Подставив (5) в (7), получим g = arcsin [(n о /n п )sin(arctg((R/f) - tg a ))] . (8) Обратимся теперь к треугольнику BCO' (рис. 3). Пусть BCO' = x . Проведем через точку О' линию F'F', параллельную оптической оси. Так как угол F'О'В прямой, то СО'В = 90 0 - j . (9) Ввиду того, что угол НВО' прямой: СВО' = 90 0 - g . (10) Так как сумма углов любого треугольника равна 180 0 , то, рассмотрев треугольник ВСО', можно сделать вывод, что x = 180 0 - СО'В - СВО' = 180 0 - (90 0 - j ) - (90 0 - g )= j + g . (11) Тогда угол z падения луча ВС на отрезок О'О' определяется следующим соотношением: z = 90 0 - x = 90 0 - j - g . (12) Условие полного внутреннего отражения будет выполнено, если синус угла преломления равен единице.
Отсюда можно получить выражение для минимального угла z пред , при котором существует полное внутреннее отражение: sin z пред = n о / n п , (13) откуда следует, что z пред = arcsin ( n о / n п ) . (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: j пред = 90 0 - z пред - g . (15) Подставив (12) и (14) в (15), получим j пред = 90 0 - arcsin ( n о / n п ) - arcsin [( n о / n п ) sin ( arctg (( R / f ) - tg a ))]. (16) Таким образом, угол j должен удовлетворять условию: j 90 0 - arcsin ( n о / n п ) - arcsin [( n о / n п ) sin ( arctg (( R / f ) - tg a ))]. (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 n о и правоциркулярного n е света относительно продольного магнитного поля. В соответствии с законом Фарадея [6] n о и n е связаны соотношением n о = n е (1 - l VH /( p n е )) , (18) где l - длина волны света, V - постоянная Верд (удельная вращательная способность) магнитооптического материала, H - величина проекции напряженности магнитного поля на оптическую ось.
Функциональная схема магнитооптического вентиля, использующего разницу между значениями n о и n е , 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.
| Рис. 4. Функциональная схема магнитооптического вентиля с циркулярной поляризацией. |
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
о материала магнитооптического элемента 4 для правоциркулярного света не равен показателю преломления n е 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 n о е . 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.
оценка стоимости коттеджа в Тулеоценка предприятия в Липецкеоценка стоимости строительства объекта в Белгороде 
