CN105242352B - 一种三端口光环形器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学领域，提供了一种三端口光环形器，包括在光路方向依次设置的双纤准直器、屋脊棱镜、第一分光晶体、第一半波片组件、第二分光晶体、第二半波片组件、旋光晶体、第三分光晶体和单纤准直器，在旋光晶体的外围套设有磁环，第一半波片组件包括第一半波片和第二半波片，分别设置在垂直于光路方向的二维直角坐标系中的一、三象限，二者光轴平行且与水平面成45°角，第二半波片组件包括第三半波片和第四半波片，在垂直于光路方向的面上左右并列设置。本发明与传统的三端口环形器相比，减少了一个旋光晶体的使用，对只能采用非饱和磁场的旋光晶体场合而言，不需要设置多个磁场叠加，使结构更加紧凑，体积小并且成本低。

Description

一种三端口光环形器

技术领域

本发明属于光纤激光系统和探测系统领域，尤其涉及一种三端口光环形器。

背景技术

光环形器是一种多端口非互易光学器件，光信号在器件中只能沿着特定的端口顺序传输，即当光信号从某指定的端口输入时，它只能从另一特定的端口输出，若未按此规定的端口顺序传输，则器件对光信号的损耗非常大，起到隔离光信号的作用。光环形器广泛地运用于激光系统、相干探测、水听器中，现有技术的光环形器中使用两个旋光晶体，对于使用非饱和磁场的旋光晶体的场合，就需要多个磁场的叠加，从而体积庞大，其成本也相应较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三端口光环形器，旨在解决由于采用两个旋光晶体而需要多个磁场叠加导致的体积大的问题。

本发明是这样实现的，一种三端口光环形器，包括在光路方向依次设置的双纤准直器、屋脊棱镜、第一分光晶体、第一半波片组件、第二分光晶体、第二半波片组件、旋光晶体、第三分光晶体和单纤准直器，在所述旋光晶体的外围套设有磁环，所述第一半波片组件包括第一半波片和第二半波片，所述第一半波片和第二半波片分别设置在垂直于光路方向的二维直角坐标系中的一、三象限，所述第一半波片和第二半波片的光轴平行且与水平面成45°角，所述第二半波片组件包括第三半波片和第四半波片，所述第三半波片和第四半波片在垂直于光路方向的面上左右并列设置。

本发明通过上述第一分光晶体、第二分光晶体、第三分光晶体以及四个半波片的配合，将四个半波片的光轴方向进行上述设置，实现了环形传输，与传统的三端口环形器相比，减少了一个旋光晶体的使用，进而不需要多个磁场叠加，对只能采用非饱和磁场的旋光晶体场合而言，由于不需要设置多个磁场叠加，使结构更加紧凑，体积小并且成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三端口光环形器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的三端口光环形器的第一半波片组件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的三端口光环形器的第二半波片组件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的三端口光环形器的第一端口向第三端口传输的俯视光路图；

图5是本发明实施例提供的三端口光环形器的第一端口向第三端口传输的正视光路图；

图6是本发明实施例提供的三端口光环形器的第三端口向第二端口传输的俯视光路图；

图7是本发明实施例提供的三端口光环形器的第三端口向第二端口传输的正视光路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种三端口光环形器，如图1～图3，包括在光路方向依次设置的双纤准直器10、屋脊棱镜20、第一分光晶体30、第一半波片组件40、第二分光晶体50、第二半波片组件60、旋光晶体70、第三分光晶体80和单纤准直器90，在旋光晶体70的外围套设有磁环100。因为三端口环形器的光传输是双向的，因此本实施例所述的光路方向包括该双向而不仅限于其中一个方向。第一半波片组件40包括第一半波片401和第二半波片402，第一半波片401和第二半波片402分别设置在垂直于光路方向的二维直角坐标系中的一、三象限(如图2)，即第一半波片401设置于第一象限，第二半波片402设置于第三象限。第一半波片401和第二半波片402的光轴平行，且与水平面成45°角。第二半波片组件60包括第三半波片601和第四半波片602，第三半波片601和第四半波片602在垂直于光路方向的面上左右并列设置(如图3)，在本实施例中“左右”是指沿着光路方向正视看去的情况下的左方和右方。

在该三端口环形器中，各器件具有如下特性：双纤准直器10具有第一端口101和第二端口102，单纤准直器90具有第三端口901，光线自第一端口101进入，经第三端口901输出，经第三端口901进入，经第二端口102输出。屋脊棱镜20将从双纤准直器10中入射的光变为平行光，第一分光晶体30、第二分光晶体50和第三分光晶体80均为双折射晶体。第一分光晶体30和第三分光晶体80的光轴方向一致，可以将o光和e光分开，第二分光晶体50光轴放置可以使分开的o光和e光保持分开状态传输，第三半波片601和第四半波片602的光轴方向与竖直方向成22.5°，且镜像对称，二者光轴之间夹角为45°。

第一分光晶体30可以将平行入射的光分开为偏振态互相垂直的寻常光o光和非寻常光e光，亦可将分开的o光和e光合成一束光平行出射。第一半波片401和第二半波片402可以将入射的与其光轴夹角为45°的偏振光的偏振方向旋转90°，即可以使o光入射后成为e光，e光反向入射后成为o光，体现为互易性。第三半波片601和第四半波的光轴夹角为45°，从第二分光晶体50中出射的o光和e光，分别与第三半波片601和第四半波片602的光轴成22.5°角和67.5°角，经过半波片后分别顺时针和逆时针旋转45°。旋光晶体70体现为非互易性，线偏振光前向和反向通过它，偏振方向均朝同一方向旋转45°。第三分光晶体80将平行入射的光分开为偏振态互相垂直的寻常光o光和非寻常光e光，亦可将分开的o光和e光合成一束光平行出射。

该三端口光环形器的工作过程为：

第一端口101到第三端口901时，如附图4和附图5所示，双纤准直器10中第一端口101中的光以一定角度出射，经过屋脊棱镜20后成为准直的平行光；平行光经过第一分光晶体30，由于其双折射作用，将光分为偏振态互相垂直的两束光，在该俯视图中，将上方光束称为上行光束，将下方光束称为下行光束，可以理解，在正视图中，上行光束和下行光束位于相同水平面。上行光束为偏振方向平行于纸面的e光，下行光束为偏振方向垂直于纸面的o光。e光经过第一半波片401，其偏振方向与第一半波片401光轴夹角为45°，根据半波片的旋光特性，偏振光通过半波片时，其旋转角度为其偏振方向与半波片光轴夹角的两倍，故e光将旋转90°，成为偏振方向垂直于纸面的o光。由图2中第二半波片402的位置可知，o光不经过第二半波片402，仍为o光，图2是图5中示出的A-A向视图。因此，上下两束o光平行地通过第二分光晶体50；然后分别通过第三半波片601和第四半波片602，旋转角度为各自偏振方向与通过的半波片光轴方向夹角的两倍，第三半波片601的光轴和第四半波片602的光轴之间夹角为45°，则上行光束顺时针转45°，下行光逆时针转45°，然后再经过旋光晶体70，均逆时针转45°，因此，上行光偏振方向不变，仍为o光，下行光由o光变为e光；再经过第三分光晶体80，上下行光合并成一束光，耦合进单纤准直器90的第三端口901中。

从第二端口102到第三端口901时，如附图6和附图7所示，分别为此时的俯视图和主视图。单纤准直器90中第三端口901中的光平行入射第三分光晶体80，由于其双折射作用，将光分为偏振态互相垂直的上行光束和下行光束，上行光束为偏振方向垂直于纸面的o光，下行光束为偏振方向平行于纸面的e光。均经过旋光晶体70，均逆时针转45°，然后分别通过第三半波片601和第四半波片602，旋转角度为各自偏振方向与通过的半波片光轴方向夹角的2倍，由于两束光的偏振方向与两半波片的光轴夹角均为22.5°，且两半波片的光轴夹角为45°，则上行光束逆时针转45°，下行光顺时针转45°。因此，上行光由o光变e光，下行光偏振方向不变，仍为e光；两束e光如附图7所示向下偏折地通过第二分光晶体50；然后如附图6所示，下行e光经过第二半波片402，其偏振方向与第二半波片402光轴夹角为为45°，根据半波片的旋光特性，偏振光通过半波片时，其旋转角度为其偏振方向与半波片光轴夹角的两倍。故e光将旋转90°，成为偏振方向垂直于纸面的o光。由第一半波片401的位置可知，上行e光不经过第一半波片401，仍为e光；再经过第一分光晶体30，上下行光合并成一束光；经过屋脊棱镜20偏折后耦合进双纤准直器10的第二端口102中。

这样，完成了光信号从第一端口101第三端口901，从第三端口901到第二端口102的“环形”传输，实现了一个三端口的光环形器。

本发明实施例通过上述第一分光晶体30、第二分光晶体50、第三分光晶体80以及四个半波片的配合，将四个半波片的光轴方向进行上述设置，实现了环形传输，与传统的三端口环形器相比，减少了一个旋光片，进而不需要多个磁场叠加。具体是将光轴方向与水平方向成45°的第一、第二半波片代替了传统的光轴方向与水平方向成22.5°角的半波片和非互易性的法拉第旋光片组合，减少了旋光晶体的使用。该三端口光环形器对只能采用非饱和磁场的旋光晶体场合而言，不需要设置多个磁场叠加，使结构更加紧凑，体积小并且成本低。

进一步地，第一半波片401和第二半波片402与第一分光晶体30通过光学胶胶合在一起。第三半波片601和第四半波片602与旋光晶体70通过光学胶胶合在一起并置于磁环100中。磁环100用于为旋光晶体70提供磁场。该光学胶可以为热固化胶、紫外固化胶或双固化胶。

进一步地，该三端口光环形器还包括可承载屋脊棱镜20、第一分光晶体30、第一半波片401组件40、第二分光晶体50、第二半波片402组件60、旋光晶体70和第三分光晶体80的基板110。各器件固定于该基板上，有利于增强其稳定性。

进一步地，该三端口光环形器还包括作为外壳的第一套管120，在该第一套管120内还可以设置将屋脊棱镜20、第一分光晶体30、第一半波片组件40、第二分光晶体50、第二半波片组件60、旋光晶体70和第三分光晶体80和基板110固定并封装的第二套管130。磁环100则嵌入第一套管120和第二套管130的管壁中，具体的，第一套管120和第二套管130可以在磁环100处断开，磁环100嵌入第一套管120和第二套管130的截断处，并且与第一套管120和第二套管130紧密对接，在磁环100的外部加设固定件将磁环100外部包裹并与第一套管120的外壁固定密封连接。

进一步地，第一套管120可以使用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金等材料制成，基板110也可以采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金等热膨胀系数与第一分光晶体等晶体基质的热膨胀系数接近的材料制成。

本发明实施例提供的三端口光环形器只使用一个旋光晶体，对于使用非饱和磁场的旋光晶体场合，减少了磁场组合，因此结构紧凑，成本低，适合广泛应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三端口光环形器，其特征在于，包括在光路方向依次设置的双纤准直器、屋脊棱镜、第一分光晶体、第一半波片组件、第二分光晶体、第二半波片组件、旋光晶体、第三分光晶体和单纤准直器，在所述旋光晶体的外围套设有磁环，所述第一半波片组件包括第一半波片和第二半波片，所述第一半波片和第二半波片分别设置在垂直于光路方向的二维直角坐标系中的一、三象限，所述第一半波片和第二半波片的光轴平行且与水平面成45°角，所述第二半波片组件包括第三半波片和第四半波片，所述第三半波片和第四半波片在垂直于光路方向的面上左右并列设置。

2.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第三半波片和第四半波片的光轴镜像对称且分别和竖直方向成22.5°角。

3.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第一半波片和第二半波片与所述第一分光晶体通过光学胶胶合在一起。

4.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第三半波片和第四半波片与所述旋光晶体通过光学胶胶合在一起并置于所述磁环中。

5.如权利要求3或4所述的三端口光环形器，其特征在于，所述光学胶为热固化胶、紫外固化胶或双固化胶。

6.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第一分光晶体、第二分光晶体和第三分光晶体均为双折射晶体。

7.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，还包括可承载所述屋脊棱镜、第一分光晶体、第一半波片组件、第二分光晶体、第二半波片组件、旋光晶体和第三分光晶体的基板。

8.如权利要求7所述的三端口光环形器，其特征在于，还包括作为外壳的第一套管。

9.如权利要求8所述的三端口光环形器，其特征在于：所述第一套管以及基板使用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金材料制成。

10.如权利要求8所述的三端口光环形器，其特征在于：还包括套设于所述第一套管内部用于固定所述屋脊棱镜、第一分光晶体、第一半波片组件、第二分光晶体、第二半波片组件、旋光晶体、第三分光晶体和基板的第二套管。