Реферат: Применение полного внутреннего отражения для повышения лучевой стойкости магнитооптических вентилей

УДК 535.6

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

ЯновВ. Г., Ященко В. В.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЛУЧЕВОЙ СТОЙКОСТИ

МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ

            При прохождении оптическогоизлучения через границу раздела двух сред, показатели преломления которых малоотличаются друг от друга, направление распространения изменяется на малый угол,что затрудняет селекцию излучения в оптическом вентиле. Использование полноговнутреннего 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.

<img src="/cache/referats/24184/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1663 _x0000_s1189 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234 _x0000_s1235 _x0000_s1236 _x0000_s1237 _x0000_s1238 _x0000_s1239 _x0000_s1240 _x0000_s1241 _x0000_s1242 _x0000_s1243 _x0000_s1244 _x0000_s1245 _x0000_s1246 _x0000_s1247 _x0000_s1248 _x0000_s1249 _x0000_s1250 _x0000_s1251 _x0000_s1252 _x0000_s1253 _x0000_s1254 _x0000_s1255 _x0000_s1256 _x0000_s1257 _x0000_s1258 _x0000_s1260 _x0000_s1264">
            Функциональная схема первоговарианта магнитооптического вентиля [1, 2] приведена на рис. 1, где принятыследующие 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 — элек­тронныйключ, 14 — генератор.

Привоздействии на магнитооптический вентиль оптической помехи боль­шой мощностиего параметры ухудшаются: снижается пропускание в прямом направлении иувеличивается пропускание в обратном направлении. Описаные в [1, 2] оптическиевентили могут функционировать в зависимости от помеховой обстановки в одном из двух режимов: при малой мощности обратноголуча вентиль работает в обычном режиме и выполняет две функции: пропускает лучот источника оптического излучения в прямом направлении и защищает источникоптического излучения от воздействия на него обратного луча, а при высокой мощности обратного луча вентильработает во втором режиме и выполняет при этом только функцию защи­ты источникаоптического излучения от воздействия на него обратного луча. При этом в качествеселектирующего элемента применена поглощающая диафрагма с центральнымотверстием. <span Arial",«sans-serif»">

А

O"

C

О'

B

Рис. 2. Ход лучей в диафрагме. Сплошные линии – прямой луч, прерывистые линии – обратный луч.

<img src="/cache/referats/24184/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1348 _x0000_s1349 _x0000_s1350 _x0000_s1351 _x0000_s1352 _x0000_s1353 _x0000_s1354 _x0000_s1355 _x0000_s1356 _x0000_s1357 _x0000_s1358 _x0000_s1359 _x0000_s1360 _x0000_s1361 _x0000_s1362 _x0000_s1363 _x0000_s1364 _x0000_s1365 _x0000_s1366 _x0000_s1367 _x0000_s1368 _x0000_s1369 _x0000_s1370 _x0000_s1371">
Развитием упомянутых выше вентилей является оптический вен­тиль [3], в котором диафрагма3 выполнена в виде пластины из прозрачного материала с отверстием в виде усеченногоконуса, обращенного своим ма­лым отверстием в сторону второй собирающей линзы4, причем угол <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">j

между оптической осью и образующей конуса выбран таким образом, чтобы вы­полнялосьусловие полного внутреннего отражения при падении сфо­кусированного обратноголуча на поверхность конусного отверстия, в результате чего обратный луч непоглощается диафрагмой 3, а отводится в сторону от оптической оси и не попадаетв защищаемый лазер (рис. 2).

За счет того, что выделение тепловой энергии в прозрачной пластине приполном внутреннем отражении обратного луча значительно меньше, чем при поглощенииобратного луча диафрагмой, то описанный в [3] вен­тиль обладает более высокойлучевой стойкостью, чем предложенные в [1, 2] вентили. Вентили [1, 2, 3] име­ютдва режима работы: первый реализуется при слабой помехе, второй – при помехебольшой мощности.   

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

Если сигнал с выхода фотоприемника 10 больше сигнала с выхода источ­никанапряжения 12 (то есть если мощность помехи превысила пороговое значение), тоэлектронный компаратор 11 подает на первый вход электронного ключа 13 сигнал,достаточный для открывания электронного ключа 13, в результате чего сигнал свыхода генератора 14 через электронный ключ 13 поступает на возбудительакустооптического де­ф­лектора 5. При этом обратный луч при прохождении через акустооп­ти­ческий  дефлектор 5 отклоняется на некоторый угол. Вследствие этого обратный луч послепрохождения через вторую собирающую лин­зу 4 фокусируется на диафрагме 3 вточке, находящейся за пределами ее отверстия. В вентилях [1, 2] обратный лучпоглощается диафрагмой 3, в вентиле [3] он проходит через диафрагму 3,отражается от конусного отверстия и уходит в сторону от оптической оси. Порогсрабатывания системы управле­ния  вентиляопределяется величиной сигнала на выходе источника напряжения 12, величинукоторого можно при необходимости изменять в зависимости от помеховой обстановки

Таким   образом,   при работе  вентилей [1, 2, 3] в условияхвоздей­ствия на него оптической помехи большой мощности не имеет никакогозначения снижение параметров магнитооптического ротатора 8 из-за егонагревания,  так как в данном случае онтолько пропускает через себя излучение помехи, а увод помехи в сторону отоптической оси осуществляется диафрагмой 3.

Определим, каким условиям в вентиле [3] должен удовлетворять угол <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j

 междуопти­че­ской осью и образующей конуса, чтобы для обратного луча выполнялось условие полного внутреннегоотражения.

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

Вначале определим, под каким углом луч АВ падает на поверхность прозрачнойпластины. Для этого обратимся к  рис. 3,где приняты следующие обозначения: R — радиус апертуры обратного луча, f — фокусное расстояние второй собирающей линзы 4, <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

— угол отклонения  обратного луча в акустооптическом дефлекторе5, <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">b — угол падения луча АВ на поверхность прозрачной пластины, BD — нормаль кповерхности прозрачной пластины. Пусть точки А и D находятся на главнойплоскости второй собирающей линзы 4. Обозначим буквой Е точку пересеченияоптической оси с фокальной плоскостью второй собирающей лин­зы 4. Кроме того,пусть поверхность прозрачной пластины, на которую падает луч АВ, О'

Н

Е

D

А

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">x

F"

O"

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

f

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j

R

B

Рис. 3. Ход обратного луча в диафрагме.

С

F

'     

С

4

<img src="/cache/referats/24184/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1442 _x0000_s1374 _x0000_s1375 _x0000_s1376 _x0000_s1377 _x0000_s1378 _x0000_s1379 _x0000_s1380 _x0000_s1381 _x0000_s1382 _x0000_s1383 _x0000_s1384 _x0000_s1385 _x0000_s1386 _x0000_s1387 _x0000_s1388 _x0000_s1389 _x0000_s1390 _x0000_s1391 _x0000_s1392 _x0000_s1393 _x0000_s1394 _x0000_s1395 _x0000_s1396 _x0000_s1397 _x0000_s1398 _x0000_s1399 _x0000_s1400 _x0000_s1401 _x0000_s1402 _x0000_s1403 _x0000_s1404 _x0000_s1405 _x0000_s1406 _x0000_s1407 _x0000_s1408 _x0000_s1409 _x0000_s1410 _x0000_s1411 _x0000_s1412 _x0000_s1413 _x0000_s1414 _x0000_s1415 _x0000_s1416 _x0000_s1417 _x0000_s1418 _x0000_s1419 _x0000_s1420 _x0000_s1421 _x0000_s1422 _x0000_s1423 _x0000_s1424 _x0000_s1425 _x0000_s1426 _x0000_s1427 _x0000_s1428 _x0000_s1429 _x0000_s1430 _x0000_s1431 _x0000_s1432 _x0000_s1433 _x0000_s1434 _x0000_s1435 _x0000_s1436 _x0000_s1437 _x0000_s1438 _x0000_s1439 _x0000_s1440 _x0000_s1441">
перпендикулярна оптической оси, тогда отрезок BD будет параллелен оптическойоси, поэтому угол EBD будет равен <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a. Так как отрезок АЕперпендикулярен оптической оси, а отрезок BD паралле­лен оптической оси, то

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Ð

EDB=<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">ÐADB=900.                                                                                            (1)

Очевидно, что длину LDE отрезка DE можно определить поформуле

          LDE  = LBDtg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

,                                                                                                      (2)

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

          LAD = LAE  — LDE ,                                                                                                   (3)

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

            LAD = R — LBDtg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

.                                                                                             (4)

Так как треугольник АВD является прямоугольным, то угол <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b

можно опре­­делить следующим образом:

           <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">b

= arctg (LAD/LBD) = arctg[(R — f<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´tg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a)/f] = arctg [(R/f) — tg<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a].                    (5)

Продолжим линию BD влево и обозначим точку её пересечения с линиейО'СО" буквой Н. Обозначим через <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g

угол преломления луча АВСв прозрачной пластине (рис. 3). Тогда

            sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b

: sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g = nп: nо,                                                                                                                                         (6)

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

Из (6) следует,что

sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g

= (nо /nп)sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">b.                                                                                              (7)

Подставив (5) в(7), получим

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g

= arcsin [(nо/nп)sin(arctg((R/f) — tg<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a))] .                                                          (8)

Обратимся теперь к треугольнику BCO" (рис. 3). Пусть <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Ð

BCO"= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">x.Проведем через точку О" линию F'F", параллельную оптической оси. Таккак угол F'О«В прямой, то

<span Times New Roman»; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">Ð

СО«В = 900- <span Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">j.                                                                                              (9)

Ввиду того, чтоугол НВО" прямой:                                      

             <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Ð

СВО" = 900- <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g.                                                                                            (10)

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

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">x

= 1800 — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">ÐСО«В- <span Times New Roman»; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">ÐСВО"= 1800 — (900 - <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j) — (900- <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g)= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j+ <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g.                    (11)

Тогда угол <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">z

падения луча ВС на отрезок О'О" определяется сле­­дующимсоотношением:

             <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">z

= 900 — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">x = 900 —  <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">j — <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g .                                                                                 (12)

Условие полного внутреннего отражения будет выполнено, если синус углапреломления равен единице. Отсюда можно получить выражение для минимального угла <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">z

пред ,при котором существует полное внутреннее отражение:

            sin<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">z

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

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">z

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

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

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j

пред = 900 —  <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">zпред — <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g.                                                                                      (15)

Подставив (12)и (14) в (15), получим

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j

пред = 900 — arcsin(nо/nп) — arcsin[(nо/nп)sin(arctg ((R/f) — tg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a))].                   (16)

Таким образом,угол <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">j

должен удовлетворять условию:

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">j

 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol"><900 — arcsin(nо/nп) — arcsin[(nо/nп)sin(arctg ((R/f) — tg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a))].                         (17)

Если впроцессе эксплуатации будет нарушена целостность поверхности конусногоотверстия (например, вследствие выкрашивания прозрачного материала в конусномотверстии при воздействии обратного луча очень большой мощности), то достаточноповернуть диафрагму 3 вокруг оптической оси и ввести тем самым в зону отражениянеповрежденный участок конусного отверстия. В описанном вентиле для дальнейшегоповышения лучевой стойкости можно осуществить либо непрерывное вращениедиафрагмы 3 вокруг оптической оси, либо вместо акустооптического дефлектора 5установить, как это сделано в [1, 2] два сканера с ортогональными плоскостямисканирования и обеспечить тем самым круговое или спиральное движениесфокусированного пятна обратного луча по поверхности конусного отверстия.

В описанном  выше вентилеиспользовалась невзаим­ность поворота плоскости поляризации линейнополяризованного света вследствие магнитооптического эффекта Фарадея при прохождении света через среду, накоторую воздействует продольное магнитное поле.

В описанном в [5] вентиле применяется циркулярная поляризация оптическогоизлучения. При этом используется неравенство в магнитооптическом материалепоказателей преломления для левоциркулярного nо и правоциркулярногоnе света относительно про­дольного магнитного поля. В соответствии сзаконом Фарадея [6] nо и nе связаны соотно­­шением 

            nо = nе(1- <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">l

VH/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">pnе)) ,                                                                                     (18)

где <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">l

— длина волны света, V — постоянная Вердé (удельная вращательная способность)магнитооптического материала, H — величина проекции напряженности магнитногополя на оптическую ось.

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

Входной торец магнитооптического элемента 4 выполнен скошенным. В этом вентиледля обратного луча на границе «входной торец магнитооптического элемента 4- воздух» выполняется условие полного внутреннего отражения, в результатечего обратный луч уходит в сторону от оптической оси.

4

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

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

1

2

3

5

6

<img src="/cache/referats/24184/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1517 _x0000_s1447 _x0000_s1448 _x0000_s1449 _x0000_s1450 _x0000_s1451 _x0000_s1452 _x0000_s1453 _x0000_s1454 _x0000_s1455 _x0000_s1456 _x0000_s1457 _x0000_s1458 _x0000_s1459 _x0000_s1460 _x0000_s1461 _x0000_s1462 _x0000_s1463 _x0000_s1464 _x0000_s1465 _x0000_s1466 _x0000_s1467 _x0000_s1468 _x0000_s1469 _x0000_s1470 _x0000_s1471 _x0000_s1472 _x0000_s1473 _x0000_s1474 _x0000_s1475">

После прохождения через поляризатор 1 и первую четвертьволновую пластину2 прямой луч становится циркулярно поляризованным, например, правоциркулярнымотносительно направления магнитного поля, затем он проходит черезмагнитооптический элемент 4 и вторую чет­верть­волновую пластину 5, в результатечего он снова становится ли­­нейно поляризованным.

Обратный луч, пройдя через анализатор 6 и вторую чет­верть­волновую пластину5, становится левоциркулярным относительно направления магнитного поля ипроходит через магнитооптический элемент 4. Вследствие  магни<div v:shape="_x0000_s1513">

84

 

о материаламагнитооптического элемента 4 для правоциркулярного света не равен показателюпреломления  nе материаламагнитооптического элемента 4 для левоциркулярного света.

Пусть материал магнитооптического элемента 4 и ориентация магнитногополя, в который помещен магнитооптический элемент 4, выбраны такимобразом,  что nо <nе.В этом случае для обратного луча на границе «входной торец магнитооптическогоэлемента — воздух» выполняется условие полного внутреннего отражения, врезультате чего обратный луч отражается от этой границы и уходит в сторону отоптической оси. Таким образом, осуществляется пространственное разделениепрямого и обратного лучей, и обратный луч не попадает на вход устройства,формирующего прямой луч.

Определим, в каком случае выполняется для обратного луча условие полного внутреннегоотражения на границе «входной  торецмагнитооптического элемента 4 — воздух», для чего обратимся к рис. 5, гдеприняты следующие обозначения: ВСD — граница «воздух-входной торецмагнитооптического элемента 4, АСЕ — прямой луч, ЕСF — обратный луч при  <span Times New Roman»;mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

> <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">aкр,ЕСD — обратный луч при <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">aкр, <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a — угол  падения  прямого луча на границу ВСD, <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b — угол преломления прямого луча,

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b

A

C

D

В

E

F

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

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

<img src="/cache/referats/24184/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1625 _x0000_s1626 _x0000_s1627 _x0000_s1628 _x0000_s1629 _x0000_s1630 _x0000_s1631 _x0000_s1632 _x0000_s1633 _x0000_s1634 _x0000_s1635 _x0000_s1636 _x0000_s1637 _x0000_s1638 _x0000_s1639 _x0000_s1640 _x0000_s1641 _x0000_s1642 _x0000_s1643 _x0000_s1644 _x0000_s1645 _x0000_s1646 _x0000_s1647 _x0000_s1648 _x0000_s1649 _x0000_s1650 _x0000_s1651 _x0000_s1652 _x0000_s1653 _x0000_s1654 _x0000_s1655 _x0000_s1656 _x0000_s1657 _x0000_s1658 _x0000_s1659 _x0000_s1660 _x0000_s1661 _x0000_s1662">

он же — уголпадения обратного луча на границу ВСD, <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

кр — минимальный угол падения прямого луча на границу ВСD, при котором для обратноголуча выполняется условие полного внутреннего отражения на границе ВСD.

Обозначим через <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">b

кр минимальный угол <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b, при котором выполняетсяусловие полного внутреннего отражения для обратного луча на границе ВСD.

Очевидно

            sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">a

кр/sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">bкр= nо;                                                                                            (19)                                   

            sin900/(sin<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b

кр) — 1/(sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">bкр) = nе.                                                                       (20)

Из (19) и (20) получаем

            sin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

кр= nоsin<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">bкр= nо/nе ,                                                                                  (21)

откуда

             <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

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

Подставив (18)в (22), получим

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

кр= arcsin(1 — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">lVH/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">pnе)) .                                                                             (23)

Такимобразом, угол падения <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

прямого луча на входной торец элемента4 должен удовлетворять условию:

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

кр<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">³arcsin(1 — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">lVH/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">pnе)) .                                                                             (24)

Так как nо и nе достаточно близки, то вформуле (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

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">³arcsin(1 — <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">lVH/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">pn)) .                                                                                (25)

Приведем в качестве примера расчет угла <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

для кристалла CrBr3.Примем следующие исходные данные: <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">l  = 0,5<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´10-<st1:metricconverter ProductID=«4 см» w:st=«on»>4 см</st1:metricconverter>, H=2<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´103Э,  V = 1600 угл. мин<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´Э-1<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´см-1 = 0,466 рад<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">´Э-1<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">´см-1 [7].Примем с запасом,  что n=2. Подставив этивеличины в формулу (25), получим, что <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">³ 830.Таким образом, реализация описанного вентиля является вполне возможной и егоюстировка не вызовет трудностей.

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

Таким образом, использование полного внутреннего отражения позволяетповысить лучевую стойкость магнитооптических вентилей. <span Arial",«sans-serif»">

<sp

еще рефераты
Еще работы по физике