一种M型紧凑结构的光隔离器

技术领域

本发明涉及光学器件领域，具体的，涉及一种M型紧凑结构的光隔离器，能够在无须供电的情况下，实现结构紧凑、加工简易、尺寸较小、成本较低。

背景技术

光隔离器是一种只允许光沿一个方向传输，而对返回的光起到隔离作用的光无源器件，主要用于光通讯和激光加工领域的应用。

根据法拉第效应，在磁场下，线偏振光通过磁旋光晶体后，偏振面发生旋转。偏振的旋转角弧与磁场的关系为：β＝VBd，其中，旋转角度β；磁场朝着光波传播方向的分量B，受磁场结构设计和尺寸影响；光波与磁场相互作用的长度d，主要由磁光晶体长度以及光束在磁光晶体中的传播轨迹决定；韦尔代常数V，与材料本质、波长和温度有关。从上述关系式可以得到，在磁光晶体材料一定时，要得到需要的旋转角度，同时减小光隔离器的几何尺寸，就需要缩小磁块结构的体积，同时增大光波与磁场相互作用的长度。

传统Z结构的光隔离器磁块组合复杂，需要搭配用于导磁的软磁材料，且磁组通常与出入射光轴存在一定倾斜角度，造成光隔离器整体结构较为复杂，加工和装备工序繁琐，成本较高。

因此，如何克服现有技术存在的问题，制备一种新的隔离器，降低器件的复杂度、减少器件尺寸，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种M型紧凑结构的光隔离器，能够较低器件成本，优化结构和尺寸。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种M型紧凑结构的光隔离器，包括：

在正常光束传输轨迹上，依次排列的下列元件：第一双层偏振分束器、反射棱镜、偏振态转换器、45度旋光片和第二双层偏振分束器；

所述第一双层偏振分束器，用于将入射的非偏振光分成两束正交的线偏振光，其中水平P偏振光直接出射，垂直S偏振光经两次90度反射后出射；

所述反射棱镜，包括前端面和后端面，其中所述前端面，即入射端面，用于将两束正交的线偏振光，即水平P偏振光和垂直S偏振光，反射至偏振态转换器，所述后端面，用于将经过偏振态转换器的线偏振光进行反射，沿着光轴继续传输；

所述偏振态转换器，包括磁块组合，磁旋光晶体，反射膜，用于将入射的线偏振光的偏振方向进行旋转；

具体的，所述磁块组合包括上层实心永磁铁和下层中空永磁铁，两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，在所述下层中空永磁铁的中心部分设置有中空部，所述中空部中设置有磁旋光晶体，在磁旋光晶体前端面及后端面镀有反射膜，光束入射至磁旋光晶体后，经反射膜的至少三次反射后以M结构的光程轨迹传输，并从磁旋光晶体出射后入射至所述反射棱镜的后端面；

45度旋光片，具有互易性，用于使正向传输的线偏振光的偏振方向顺时针旋转45度，反向传输的线偏振光的偏振方向逆时针旋转45度；

第二双层偏振分束器，用于使正向两束线偏振光汇合输出。

可选的，所述光束在磁旋光晶体中由反射膜连续反射奇数次，所述奇数次大于三次，即形成连续的M型反射折叠光路。

可选的，所述的偏振态转换器，能够使正向传输的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度，反向传输的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度，45度旋光片，能够实现将正向传输的P偏振光变换成S偏振光，正向传输的S偏振光变换成P偏振光；反向传输时，偏振态转换器和45度旋光片的偏转角度相互抵消，P偏振光和S偏振光保持不变

可选的，所述反射膜层3-3为高反射膜层，磁旋光晶体后端面的高反射膜层覆盖全部，前端面的高反射膜层覆盖区域应小于入射口和出射口之间的距离。

可选的，所述的第一双层偏振分束器和第二双层偏振分束器由2个三角形和1个平行四边形的偏振分光棱镜光胶而成。

可选的，对所述磁块组合的结构尺寸进行优化，以提高下层中空永磁铁的中空位置处的磁场强度分布均匀，并实现较大的磁场。

可选的，上层实心永磁铁的长、宽、高为18mm*16mm*6.5mm，下层中空永磁铁的外围尺寸与实心永磁铁一致，中空部的长、宽、高为3.6mm*2.8mm*6.5mm

可选的，所述磁旋光晶体为TGG晶体，所述磁铁材料为钕铁硼NdFeB。

可选的，法拉第效应作用区域的磁场强度为0.8-1T，其中法拉第效应作用的M型路径上平均磁场强度为0.85233T。

本发明具有如下的优点：

1、通过两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，在无须电源供电的情况下，利用较小体积的磁块实现较大的磁场，加工装配简易，成本较低；

2、在下层中空永磁铁的中空部中设置有磁旋光晶体，作用区域内磁场分布均匀，最大限度实现法拉第效应；

3、光束在磁旋光晶体内进行M型折叠传输，相比传统Z结构的光隔离器，结构紧凑，尺寸较小。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的结构示意图；

图2是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的正向传输光路示意图；

图3是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的反向传输光路示意图；

图4是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的磁块组合3-1的优化结构尺寸图；

图5是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器磁场分布示意图；

图6是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器中光束在磁旋光晶体内传输路径上的磁场强度图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、第一双层偏振分束器；2、反射棱镜；3、偏振态转换器；3-1、磁块组合；3-2、磁旋光晶体；3-3、反射膜；4、45度旋光片；5、第二双层偏振分束器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明主要在于：设计出主要包括磁块组合的偏振态转换器，磁块组合包括上层实心永磁铁和下层中空永磁铁，两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，在所述下层中空永磁铁的中空部分设置有磁旋光晶体3-2，光束在磁旋光晶体3-2中，经反射膜3-3的至少三次反射后以M结构的光程轨迹传输，从而最大限度的实现法拉第效应。

在本发明中，非偏振光，即正常光，从图1-图3的光轴的左侧入射，右侧出射，视为光束的正向；S偏振光和P偏振光从图1-图3的光轴的右侧入射，左侧出射，视为光束的负向。

具体的，参见图1，示出了根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的结构示意图，该M型紧凑结构的光隔离器，在该光隔离器的正常光束传输轨迹上，即光轴上，依次排列的下列元件：第一双层偏振分束器1、反射棱镜2、偏振态转换器3、45度旋光片4和第二双层偏振分束器5；

所述第一双层偏振分束器1，用于将入射的非偏振光分成两束正交的线偏振光，其中水平P偏振光直接出射，垂直S偏振光经两次90度反射后出射；

所述反射棱镜2，包括前端面和后端面，其中所述前端面，即入射端面，用于将两束正交的线偏振光，即水平P偏振光和垂直S偏振光，反射至偏振态转换器3，所述后端面，用于将经过偏振态转换器3的线偏振光进行反射，沿着光轴继续传输；

所述偏振态转换器3，包括磁块组合3-1，磁旋光晶体3-2，反射膜3-3，用于将入射的线偏振光的偏振方向进行旋转；

具体的，所述磁块组合3-1包括上层实心永磁铁和下层中空永磁铁，两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，在所述下层中空永磁铁的中心部分设置有中空部，所述中空部中设置有磁旋光晶体3-2，在磁旋光晶体3-2前端面(即入出射端面)及后端面镀有反射膜层3-3，光束入射至磁旋光晶体3-2后，经反射膜3-3的至少三次反射后以M结构的光程轨迹传输，并从磁旋光晶体3-2出射后入射至所述反射棱镜2的后端面；

45度旋光片4，具有互易性，用于使正向传输的线偏振光的偏振方向顺时针旋转45度，反向传输的线偏振光的偏振方向逆时针旋转45度；

第二双层偏振分束器5，用于使正向两束线偏振光汇合输出。

图2是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的正向传输光路示意图，正向入射的正常光经过第一双层偏振分束器1后输出P偏振光和S偏振光，经反射棱镜2前端面反射后通过由磁块组合3-1、磁旋光晶体3-2和反射膜3-3组成的偏振态转换器3，光束在磁旋光晶体3-2中由反射膜3-3连续三次反射，形成M型结构的光程传输轨迹，使两束正交的偏振光的偏振方向分别沿顺时针旋转45度，再经反射棱镜2的后端面反射至45度旋光片4，两束正交的偏振光的偏振方向再次沿顺时针旋转45度，即入射的P偏振光转变成S偏振光，入射的S偏振光转变成P偏振光，最后通过第二双层偏振分束器5将两束偏振光汇合输出。

图3是根据本发明具体实施例的M型紧凑结构的光隔离器的反向传输光路示意图，反向传输光经过第二双层偏振分束器5后输出P偏振光和S偏振光，两束光同时受45度旋光片4作用逆时针旋转45度，经反射棱镜2后端面反射至由磁块组合3-1、磁旋光晶体3-2和反射膜3-3组成的偏振态转换器3，光束在磁旋光晶体3-2中由反射膜3-3连续三次反射，形成M型结构的光程传输轨迹，使两束正交的偏振光的偏振方向分别顺时针旋转45度，即入射的P偏振光和S偏振光仍然保持入射时的偏振状态。最后经反射棱镜2的前端面反射至双层偏振分束器1后，P偏振光透射，S偏振光反射，两束光束分散出射，达到反向隔离的目的。

在图1所示的实施例中，两个永磁铁的N级贴合排布，但本发明不以此为限，也可以是S级贴合排布，只要形成同性磁极端贴合排布，形成较强的磁场即可。此时，45度旋光片4的旋转方向更改为左旋，使得正向P光变S光，S光变P光，反向旋转抵消。

且，上述的实施例中，光束在磁旋光晶体3-2中由反射膜3-3连续三次反射，形成M型结构的光程传输轨迹，但本发明不以此为限，该光束也可以在磁旋光晶体3-2中由反射膜3-3连续反射奇数次，所述奇数次大于三次，即形成连续的M型反射折叠光路，然后从位于入射侧的同一侧输出，再次入射至所述反射棱镜2，光线继续传输即可。

所述的偏振态转换器3，能够使正向传输的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度，反向传输的线偏振光偏振方向顺时针旋转45度。结合互易性的45度旋光片4，能够实现将正向传输的P偏振光变换成S偏振光，正向传输的S偏振光变换成P偏振光；反向传输时，偏振态转换器3和45度旋光片4的偏转角度相互抵消，P偏振光和S偏振光保持不变。

所述反射膜层3-3为高反射膜层，磁旋光晶体3-2后端面的高反射膜层覆盖全部，前端面的高反射膜层覆盖区域应小于入射口和出射口之间的距离，即保留相应的入射口和出射口。

在一个可选的实施例中，所述的第一双层偏振分束器1和第二双层偏振分束器5由2个三角形和1个平行四边形的偏振分光棱镜光胶而成。

为了进一步提高磁光效应的作用，本发明对于磁块组合3-1的尺寸进行优化设计。

参见图4，示出了本发明光隔离中磁块组合3-1的优化结构尺寸图，对于不同磁旋光晶体3-1，其韦尔代常数V随光波长变化而变化。

在一个可选的实施例中，所述磁旋光晶体3-2为TGG晶体，图4的仿真优化尺寸为TGG晶体在光波长为1064nm条件下的最优结构尺寸，上层实心永磁铁，三维尺寸为18mm(L)*16mm(W)*6.5mm(H)。下层中空永磁铁的外围尺寸与实心永磁铁一致，中空部，即中间通孔的三维尺寸为3.6mm(L)*2.8mm(W)*6.5mm(H)。在本发明的具体的实施例中，磁铁材料为钕铁硼NdFeB，牌号为N45SH。

图5为本发明具体实施例的光隔离器的磁场分布示意图，所述偏振态转换器3，磁块组合3-1由一个实心和一个中空的永磁铁组成，两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，光束在磁旋光晶体3-2中，经反射膜3-3三次反射后以M结构的光程轨迹传输，该结构简单紧凑，从示意图从可以看出作用区域内磁场分布均匀，且能够实现较大磁场，图5所示法拉第效应作用区域的磁场强度基本为0.8-1T，磁场方向与光束传输方向基本一致，能够最大限度的实现法拉第效应，TGG晶体在光波长为1064nm时的韦尔代常数为35rad/(T*m)，此时偏振光的旋转角度为45.071度，满足隔离器工作原理要求。

图6为本发明光隔离中光束在磁旋光晶体3-1内传输路径上的磁场强度图，通过软件优化后，该结构可以实现在M型传输轨迹上产生较大的磁场强度，法拉第效应作用的M型路径上平均磁场强度为0.85233T。在该优化后的结构尺寸下，当TGG晶体在光波长为1064nm时的韦尔代常数为35rad/(T*m)，此时偏振光的旋转角度为45.071度，满足隔离器工作原理要求。

综上，本发明具有如下的优点：

1、通过两个永磁铁的同性磁极端贴合排布，在无须电源供电的情况下，利用较小体积的磁块实现较大的磁场，加工装配简易，成本较低；

2、在下层中空永磁铁的中空部中设置有磁旋光晶体，作用区域内磁场分布均匀，最大限度实现法拉第效应；

3、光束在磁旋光晶体内进行M型折叠传输，相比传统Z结构的光隔离器，结构紧凑，尺寸较小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。