CN101533160A - 法拉第旋光器 - Google Patents
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Abstract
一种法拉第旋光器，属于光无源器件，用于依据磁场方向旋转光的偏振方向。本发明由复合磁体和固定、调节零件组成，其中复合磁体由置于具有高导磁率的磁屏蔽套(7)中的n块第一扇形磁块(4)和n块第二扇形磁块(6)分别构成的两组圆筒形磁体单元夹住一个中间磁块(5)构成，复合磁体置于外壳(9)内后用端盖(2)压紧，固定有磁旋光棒(3)的磁旋光棒套筒(8)置于复合磁体的内孔之中，两端由调节片(1)将其夹住，同时调节两端的两个调节片(1)，就能够调节磁旋光棒(3)与复合磁体的相对位置，达到调节旋光角的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种法拉第旋光器，尤其是采用对550nm至1600nm波段透明的磁旋光材料制作的旋光角为45度的高功率大口径法拉第旋光器。
背景技术
法拉第旋光器的一个主要用途就是制作光隔离器，目前光通信用的光隔离器，均采用磁旋光系数非常高、饱和磁场比较低的磁旋光材料制作，让磁旋光材料工作在磁饱和状态，从而获得稳定的旋光角度，但是，目前具有这种性能的磁旋光材料均存在一个比较大的缺陷，那就是对于波长小于1200nm的光，吸收系数很高，无法用于高功率场合，而对可见光和波长小于1200nm的红外光吸收较低的磁旋光材料，其维尔德(Verdet)常数一般比较低，获得所需的旋光角度需要极高的磁场强度并且无法工作在磁饱和状态，所以，采用这类磁旋光材料制作旋光器，一方面需要高强的磁场、另一方面对于要求旋光角比较精确的情况，磁旋光材料长度与作用到磁旋光材料上的轴向(光束传播的方向)磁场强度的对应关系非常严格。采用组合磁场的方式能够在局部获得比单块磁铁高很多倍的高强磁场，是获得高强磁场的较好方式，但组合磁场一致性的控制比较困难，这就使磁场强度与磁旋光材料长度之间匹配的一致性难以控制，虽然可用调节磁旋光材料长度的方式匹配磁场，或者用调节磁场的方式匹配磁旋光材料的长度，或者结合使用这两种匹配方式，但这些方式不适合批量生产。
美国专利“Compact enhanced performance optical isolator using a faradayrotator”(专利号：5528415)和“Faraday rotator”(专利号：US7206116B2)均设计了能够产生高强磁场的组合磁体，但这两个专利设计的组合磁体，其工作区域(放置磁旋光材料的区域)的局部磁场强度还不够高，其中专利号为5528415的专利设计的组合磁体，在两组组合磁体之间的工作区域留出了一个间隙S，降低了工作区间的磁场强度，而专利号为US7206116B2的专利设计的组合磁体，工作区域全部置于单块磁铁构成的磁筒之中，这种单块磁铁具有的磁场强度大大低于组合磁体具有的磁场强度。另外，专利号为5528415的专利设计的组合磁体，采用的是调节组合磁体组件之间间隙的方式调节工作区域的磁场强度，调节难度较大。
发明内容
本发明的目的，是针对对550nm至1600nm波段透明的磁旋光材料需要高强磁场的特点，设计一种能够有效提高工作区域局部磁场强度的复合磁体并提供一种调节作用到磁旋光材料上的磁场强度的简便方式，从而改善法拉第旋光器的性能并使其旋光角的调整更加简便。
本发明的具体方案如下：
本发明提供的法拉第旋光器，由调节片、端盖、磁旋光棒、第一扇形磁块、中间磁块、第二扇形磁块、磁屏蔽套、磁旋光棒套筒、外壳等构成，其中由第一扇形磁块、第二扇形磁块、中间磁块和磁屏蔽套组成复合磁体，由调节片、端盖、磁旋光棒套筒、外壳等完成对复合磁体和磁旋光棒之间相对位置的调节和固定。复合磁体置于外壳内后用端盖压紧，外壳和端盖上与复合磁体内孔同轴的位置开有螺孔，该螺孔的大小与带螺纹的调节片直径匹配，因此调节片能够在该螺孔中调节位置，调节片中心开有通光孔，该通光孔的直径略小于磁旋光棒套筒的外径，磁旋光棒套筒的长度L3大于复合磁体的长度L2，当磁旋光棒套筒置于复合磁体的内孔之中时，其两端可以伸出复合磁体，位于两端的调节片将夹住磁旋光棒套筒，同时调节两端的两个调节片，能够调节磁旋光棒套筒与复合磁体的相对位置并使之固定。磁旋光棒预先固定在磁旋光棒套筒中间区域的适当位置而不一定是正中间的位置，该适当位置主要由满足旋光角约为45度的条件确定，一般由生产过程中的统计规律给出，当用调节片调节磁旋光套筒的位置时，磁旋光棒将随磁旋光套筒一起移动，从而调节了磁旋光棒与复合磁体的相对位置，而磁旋光棒与复合磁体相对位置的改变会引起旋光角的改变，这样就达到了调节旋光角的目的。
第一扇形磁块和第二扇形磁块外形相同，高度为H，扇形截面的夹角为360/n度(n为大于等于4的偶数)、外径为R、内径为r，但第一扇形磁块和第二扇形磁块的充磁方向相反，如果约定第一扇形磁块的充磁方向为外圆一侧为N极，内圆一侧为S极，那么第二扇形磁块的充磁方向则为外圆一侧为S极，内圆一侧为N极。中间磁块为一个外径为R，内径为r，厚度为D的圆片形磁体。用n块第一扇形磁块能够拼接成一个外径为R、内径为r、高度为H、两端均为S极的一种圆筒形磁体单元，用n块第二扇形磁块能够拼接成同样形状、但两端均为N极的另一种圆筒形磁体单元。由所述两种圆筒形磁体单元夹住一个中间磁块将构成一个外径为R、内径为r、长度为L2＝2H+D的圆筒形组合磁体，其中中间磁块的S极应朝向由第一扇形磁块拼接成的圆筒形磁体单元。将圆筒形组合磁体放置在一个内径和长度与所述圆筒形组合磁体匹配的由高导磁材料制作的磁屏蔽套中，能进一步增强圆筒形组合磁体内孔中的局部磁场强度，磁屏蔽套与组合磁体一同构成一个复合磁体，该复合磁体将为本发明提供所需的磁场，其内孔的中间区域为工作区域，也即放置磁旋光棒的区域。
扇形磁块的内径r由通光孔径确定，其外径R取决于内径r和体积成本的优化结果，当扇形磁块的内径r和外径R确定之后，可实验确定中间磁块的厚度D和磁旋光棒的长度L1，扇形磁块的长度H最后由中间磁块的厚度D和磁旋光棒的长度L1确定。可见，一旦由通光孔径确定了扇形磁块的内径r之后，扇形磁块的外径R和长度H、中间磁块的厚度D、磁旋光棒的长度L1等参数之间是密切相关的，并且这些参数之间存在一些制约关系，如中间磁块的厚度D应小于磁旋光棒的长度L1的一半，不宜过厚，否则会降低工作区域的磁场强度；扇形磁块的长度H由中间磁块厚度D和磁旋光棒的长度L1确定，应满足H>L1-D。在满足前述制约关系的前提下，所述参数R、H、D、和L1的优化主要由实验确定。
复合磁体中间磁块的轴向磁场与两端的圆筒形组合磁体的轴向磁场相反，因此，在工作区域内，轴向磁场的强度分布极不均匀，这将导致作用到磁旋光棒上的有效磁场具有较强的位置敏感度，从而为调节旋光角度提供了有利条件。
本发明提供的法拉第旋光器，能够在工作区域获得更高的局部磁场和极不均匀的轴向磁场强度分布，并利用其特点设计了方便的旋光角调节结构，有利于规模化生产；另外，本发明提供的法拉第旋光器适合采用价格低廉、承受激光功率高、工作波长范围宽、磁旋光系数较低的磁旋光玻璃作磁旋光材料，从而有效降低成本、拓展工作波长、提高承受功率。
附图说明
图1是本发明提供的法拉第旋光器的结构示意图。
图2是圆筒形组合磁体的结构示意图。
图3是复合磁体及其磁场结构示意图。
图4是第一扇形磁块的充磁方向示意图。
图5是第二扇形磁块的充磁方向示意图。
图6是中间磁块的充磁方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图1至3，本发明提供的法拉第旋光器，由调节片1、端盖2、磁旋光棒3、第一扇形磁块4、中间磁块5、第二扇形磁块6、磁屏蔽套7、磁旋光棒套筒8、外壳9等构成，其中由第一扇形磁块4、第二扇形磁块6、中间磁块5和磁屏蔽套7组成复合磁体11，由调节片1、端盖2、磁旋光棒套筒8、外壳9等完成对复合磁体11和磁旋光棒3之间相对位置的调节和固定。复合磁体11置于外壳9内后用端盖2压紧，外壳9和端盖2上与复合磁体11内孔同轴的位置开有螺孔，该螺孔的大小与带螺纹的调节片1直径匹配，因此调节片1能够在该螺孔中调节位置，调节片1中心开有通光孔，该通光孔的直径略小于磁旋光棒套筒8的外径但应大于或等于通光孔径，磁旋光棒套筒8的长度L3大于复合磁体11的长度L2，当磁旋光棒套筒8置于复合磁体11的内孔之中时，其两端可以伸出复合磁体11，位于两端的调节片1将夹住磁旋光棒套筒8，同时调节两端的两个调节片1，能够调节磁旋光棒套筒8与复合磁体11的相对位置并使之固定。磁旋光棒3预先固定在磁旋光棒套筒8中间区域的适当位置而不一定是正中间的位置，当用调节片1调节磁旋光套筒8的位置时，磁旋光棒3将随磁旋光套筒8一起移动，从而调节了磁旋光棒3与复合磁体11的相对位置，而磁旋光棒3与复合磁体11相对位置的改变会引起旋光角的改变，这样就达到了调节旋光角的目的。
参见图4和图5，第一扇形磁块4和第二扇形磁块6外形相同，扇形截面的夹角为360/n度(n的取值为4至16的偶数)、外径为R、内径为r，但第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的充磁方向相反，如果约定第一扇形磁块4的充磁方向为外圆一侧为N极，内圆一侧为S极，那么第二扇形磁块6的充磁方向则为外圆一侧为S极，内圆一侧为N极。
参见图6，中间磁块5为一个外径为R，内径为r，厚度为D的圆片形磁体，轴向充磁。
参见图2和图3，用n块第一扇形磁块4能够拼接成一个外径为R、内径为r、高度为H、两端均为S极的一种圆筒形磁体单元；用n块第二扇形磁块6能够拼接成同样形状、但两端均为N极的另一种圆筒形磁体单元；由所述两种圆筒形磁体单元夹住一个中间磁块5将构成一个外径为R、内径为r、长度为L2＝2H+D的圆筒形组合磁体10，其中中间磁块5的S极应朝向由第一扇形磁块4拼接成的圆筒形磁体单元。将圆筒形组合磁体10放置在一个内径和长度与所述圆筒形组合磁体10匹配的由高导磁材料制作的磁屏蔽套7中，能进一步增强圆筒形组合磁体10内孔中的局部磁场强度，磁屏蔽套7与圆筒形组合磁体10一同构成一个复合磁体11，该复合磁体11将为本发明提供所需的磁场，其内孔的中间区域为工作区域，也即放置磁旋光棒的区域。
第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的内径r由通光孔径确定，其外径R取决于内径r和体积成本的优化结果，当第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的内径r和外径R确定之后，可实验确定中间磁块5的厚度D和磁旋光棒3的长度L1，第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的长度H最后由中间磁块5的厚度D和磁旋光棒3的长度L1确定。可见，一旦由通光孔径确定了第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的内径r之后，第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的外径R和长度H、中间磁块5的厚度D、磁旋光棒3的长度L1等参数之将随之优化确定，这些参数优化过程中需要满足一些制约关系，如中间磁块5的厚度D应小于磁旋光棒3的长度L1的一半，不宜过厚，否则会降低工作区域的磁场强度；第一扇形磁块4和第二扇形磁块6的长度H由中间磁块3的厚度D和磁旋光棒3的长度L1确定，应满足H>L1-D。在满足前述制约关系的前提下，所述参数R、H、D、和L1的优化主要由实验确定，对于但不限于通光孔径为3mm至6mm的情况，如果采用钕铁硼材料，R的取值范围在10mm至30mm之间比较好，D的取值范围在4mm至15mm之间，采用对550nm至1600nm波段透明的高维尔德常数的磁旋光玻璃，L1的取值范围在15mm至40mm之间，以满足旋光角能够达到45度为准。磁旋光棒3被预先固定在磁旋光棒套筒8中间区域的适当位置而不一定是正中间的位置，该适当位置也由旋光角约为45度的条件确定，一般由生产过程中的统计规律给出。
实施例2
所述磁旋光棒套筒(8)可以根据需要分为2段或3段，以方便磁旋光棒(3)的固定。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照上述较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质，其均应涵盖在本发明权利要求的范围之中。
Claims (4)
- 【权利要求1】一种法拉第旋光器，由调节片(1)、端盖(2)、磁旋光棒(3)、第一扇形磁块(4)、中间磁块(5)、第二扇形磁块(6)、磁屏蔽套(7)、磁旋光棒套筒(8)、外壳(9)等构成，其特征是：由第一扇形磁块(4)、第二扇形磁块(6)、中间磁块(5)和磁屏蔽套(7)组成复合磁体(11)，由调节片(1)、端盖(2)、磁旋光棒套筒(8)、外壳(9)等完成对复合磁体(11)和磁旋光棒(3)之间相对位置的调节和固定；复合磁体(11)置于外壳(9)内后用端盖(2)压紧，外壳(9)和端盖(2)上与复合磁体(11)内孔同轴的位置开有螺孔，该螺孔的大小与带螺纹的调节片(1)直径匹配，因而调节片(1)能够在该螺孔中调节位置；调节片(1)中心开有通光孔，该通光孔的直径略小于磁旋光棒套筒(8)的外径但应大于或等于通光口径；磁旋光棒套筒(8)的长度L3大于复合磁体(11)的长度L2，当磁旋光棒套筒8置于复合磁体(11)的内孔之中时，其两端可以伸出复合磁体(11)，位于两端的调节片(1)将夹住磁旋光棒套筒(8)，同时调节两端的两个调节片(1)，能够调节磁旋光棒套筒(8)与复合磁体(11)的相对位置并使之固定；磁旋光棒(3)预先固定在磁旋光棒套筒(8)中间区域的适当位置而不一定是正中间的位置，当用调节片(1)调节磁旋光套筒(8)的位置时，也就调节了磁旋光棒(3)与复合磁体(11)的相对位置，而磁旋光棒(3)与复合磁体(11)相对位置的改变会引起旋光角的改变，从而达到了调节旋光角的目的。
- 【权利要求2】根据权利要求1所述的法拉第旋光器，其特征在于：第一扇形磁块(4)和第二扇形磁块(6)外形相同，扇形截面的夹角为360/n度，n的取值为4至16的偶数，外径为R、内径为r，但第一扇形磁块(4)和第二扇形磁块(6)的充磁方向相反，如果约定第一扇形磁块(4)的充磁方向为外圆一侧为N极，内圆一侧为S极，那么第二扇形磁块(6)的充磁方向则为外圆一侧为S极，内圆一侧为N极；中间磁块(5)为一个外径为R，内径为r，厚度为D的圆片形磁体，轴向充磁；用n块第一扇形磁块(4)能够拼接成一个外径为R、内径为r、高度为H、两端均为S极的一种圆筒形磁体单元，用n块第二扇形磁块(6)能够拼接成同样形状、但两端均为N极的另一种圆筒形磁体单元，由所述两种圆筒形磁体单元夹住一个中间磁块(5)将构成一个外径为R、内径为r、长度为L2＝2H+D的圆筒形组合磁体(10)，其中中间磁块(5)的S极应朝向由第一扇形磁块拼接成的圆筒形磁体单元；将圆筒形组合磁体(10)放置在一个内径和长度与所述圆筒形组合磁体(10)匹配的由高导磁材料制作的磁屏蔽套(7)中，一同构成一个复合磁体(11)，该复合磁体(11)将为本发明提供所需的磁场。
- 【权利要求3】根据权利要求1所述的法拉第旋光器，其特征在于：第一扇形磁块(4)和第二扇形磁块(6)的内径r由通光孔径确定，而其外径R、长度H、中间磁块(5)的厚度D、磁旋光棒(3)的长度L1等参数，与所述磁块(4)、(5)、(6)的内径r和所选用的磁性材料有关，与磁旋光棒(3)的材料有关，而且他们之间还存在一定的制约关系，如中间磁块(5)的厚度D应小于磁旋光棒(3)的长度L1的一半、第一扇形磁块(4)和第二扇形磁块(6)的长度H由中间磁块(3)的厚度D和磁旋光棒(3)的长度L1确定并满足H>L1-D；在选定前述磁块(4)、(5)、(6)磁性材料和磁旋光棒(3)材料的前提下，所述参数R、H、D、和L1的优化主要由实验确定；对于但不限于通光孔径为3mm至6mm、磁块采用钕铁硼材料、磁旋光棒(3)采用对550nm至1600nm波段透明的高维尔德常数的磁旋光玻璃的情况，R的取值范围在10mm至30mm之间比较好，D的取值范围在4mm至15mm之间，L1的取值范围在15mm至40mm之间、以满足旋光角能够达到45度为准。磁旋光棒(3)被预先固定在磁旋光棒套筒(8)中间区域的适当位置而不一定是正中间的位置，该适当位置也由旋光角约为45度的条件确定，一般由生产过程中的统计规律给出。
- 【权利要求4】根据权利要求1所述的法拉第旋光器，其特征在于：所述磁旋光棒套筒(8)可以根据需要分为2段或3段，以方便磁旋光棒(3)的固定。
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