CN106066512A - 光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光隔离器领域。公开了一种光隔离器，包括第一子光隔离器和第二子光隔离器，第一子光隔离器包括：第一反射镜光阑，用于允许入射光通过，而阻隔杂散光；第一分束器，用于将从第一反射镜光阑出射的入射光分束为O光和E光；第一旋光装置，用于将所述O光和E光旋光90度；第二分束器，用于将旋光后的O光和E光合束得到合束光；以及第二反射镜光阑，用于允许所述合束光通过，而反射未经第二分束器合束的O光和E光，通过第二反射镜光阑的合束光经第二子光隔离器处理后输出。本发明实施例将偏离光路方向的光束沿偏离光隔离器方向散射，在没有辅助冷却系统的前提下，提高了散热能力，从而有效提高了隔离器的工作温度范围。

Description

光隔离器
【技术领域】
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光隔离器。
【背景技术】
半导体激光器、光放大器以及光纤激光器等仪器对于来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并可能引起性能恶化甚至损坏等后果，因此需要使用光隔离器组织反射光。光隔离器是只允许光沿着一个方向通过而在相反的方向阻挡光通过的光无源器件。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的反向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。
但现阶段光隔离器所能承载的功率和能达到的隔离度程度都不够高，极大程度地影响了高端百瓦级光纤激光器的发展。目前国内使用的绝大部分是一些小功率的光隔离器，往往在几瓦到几十瓦之间，达到百瓦级以上的光隔离器很少见。
于2014年4月16日，公告号为CN 203551836 U的中国实用新型专利揭示了一种“百瓦级高隔离度准直型光隔离器，”其使用液冷的方式比较有效的解决了插入损耗大、散热效果不好等因素对隔离器高功率使用的限制，但其往往需要用户额外配置液冷系统保障其稳定工作，极大的限制了其使用场合和范围。因此，开发一款无辅助冷却系统的高端百瓦级高隔离度光隔离器势在必行。
【发明内容】
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无辅助冷却系统的光隔离器。
为了解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：
一种光隔离器，沿入射光方向，顺序包括第一子光隔离器和第二子光隔离器，沿所述入射光方向，所述第一子光隔离器顺序包括：
第一反射镜光阑，用于允许所述入射光通过，而阻隔杂散光；
第一分束器，用于将从所述第一反射镜光阑出射的入射光分束为O光和E光；
第一旋光装置，用于将所述O光和E光旋光90度；
第二分束器，用于将旋光后的O光和E光合束得到合束光；以及
第二反射镜光阑，用于允许所述合束光通过，而反射未经第二分束器合束的O光和E光，通过第二反射镜光阑的合束光经第二子光隔离器处理后输出；
其中当一光路方向与所述入射光方向相反的反向光经第二子光隔离器处理后输入第一子光隔离器时，第二反射镜光阑用于允许所述反向光通过，而阻隔杂散光，第二分束器用于将反向光分束为O光和E光，第一旋光装置用于让经第二分束器分束的O光和E光沿原方向通过，第一分束器用于偏折通过第一旋光装置后的O光和E光，第一反射镜光阑用于将经第一分束器偏折的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向进行反射。
可选地，所述第一子光隔离器包括：两个第一散射镜，其分别设置于所述第一反射镜光阑两侧，用于将经第一反射镜光阑反射的反向光的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
可选地，所述第一子光隔离器包括:两个第二散射镜，其分别设置于所述第二反射镜光阑两侧，用于将经第二反射镜光阑反射的所述未经第二分束器合束的小分量O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
可选地，沿所述入射光方向，所述第二子光隔离器顺序包括：
第三反射镜光阑，用于允许所述入射光通过，而阻隔杂散光；
第三分束器，用于将从所述第三反射镜光阑出来的入射光分束为O光和E光；
第二旋光装置，用于将O光和E光旋光90度；
第四分束器，用于将旋光后的O光和E光合束；以及
第四反射镜光阑，用于允许合束的O光和E光通过，而反射未经第四分束器合束的小分量O光和E光；
其中当所述反向光通过第四反射镜光阑时，第四分束器用于将反向光分束为O光和E光，第二旋光装置用于让经第四分束器分束的O光和E光沿原方向通过，第三分束器用于偏折通过第二旋光装置后的O光和E光，第三反射镜光阑用于将经第三分束器进一步偏折的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向进行反射，未经第三分束器反射的剩余的光束进入第一子光隔离器。
可选地，所述第二子光隔离器包括：两个第三散射镜，其分别设置于所述第三反射镜光阑两侧，用于将经第三反射镜光阑反射的反向光的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
可选地，所述第二子光隔离器包括：两个第四散射镜，其分别设置于所述第四反射镜光阑两侧，用于将经第四反射镜光阑反射的所述未经第四分束器合束的小分量O光和E光沿偏离光隔离器方向散射。
可选地，所述每个第一、第二旋光装置包括旋光晶体、两个磁体和1/2玻片，所述两个磁体设置于旋光晶体两侧，所述旋光晶体对所述反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相同，所述1/2玻片对所述反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相反。
可选地，所述第一子光隔离器中的所述第一、第二分束器平行放置，其光轴方向在沿光路方向的一个平面内，所述第一、第二反射镜光阑的反射平面也在所述第一、第二分束器的光轴所在平面中；所述第二子光隔离器中的所述第三、第四分束器平行放置，其光轴方向在沿光路方向的一个平面内，所述第三、第四反射镜光阑的反射平面也在所述第三、第四分束器的光轴所在平面中。
可选地，所述第一、第二分束器的光轴方向与所述第三、第四分束器的光轴方向相互垂直。
可选地，所述第一、第二散射镜在光路上的垂直投影分别可以覆盖所述第一、第二反射镜光阑在光路上的垂直投影。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例的光隔离器将偏离光路方向的光束沿偏离光隔离器方向散射，在没有辅助冷却系统的前提下，提高了散热能力，从而有效提高了隔离器的工作温度范围。
【附图说明】
图1为本发明实施例光隔离器的光输出原理图。
图2为本发明实施例光隔离器的光返回原理图。
【具体实施方式】
以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。
请参照图1，图1是本发明实施例提供的光隔离器100的光输出原理图。激光器的谐振腔输出激光后，经过光纤传输到准直器(图中未示出)，再经过准直器输出至本发明实施例的光隔离器100。上述光隔离器100沿入射光方向(图中Z轴方向)顺序设置有第一子光隔离器10和第二子光隔离器20。
第一子光隔离器10沿入射光方向顺序包括第一反射镜光阑111、第一散射镜131、第一分束器151、第一旋光装置17、第二分束器153、第二反射镜光阑113、以及第二散射镜133。
第一、二反射镜光阑111，113的反射斜面的角度在30度到60度范围内，最优是45度，使光垂直出射，减少光散射到第一、二分束器151，153及第一旋光装置17的可能。反射斜面是高损伤阈值的高反材料，可以是斜面铜镜，可以是镀高反金属，也可以是镀膜反射镜。第一、二反射镜光阑111，113的光阑孔尺寸能够保证入射光通过，但要小于o光与e光光斑的内边缘距离，保证回返光不会进入到光阑孔内。
第一、二散射镜131，133可以为镀膜凸透镜或镀膜凹透镜，其数量分别为两个。两个所述第一散射镜131设置于第一反射镜光阑111两侧。相似地，两个所述第二散射镜133设置于第二反射镜光阑113两侧。
第一、二分束器151，153可以为带斜角的钒酸钇(YV04)，用于将光分束或合束。
第一旋光装置17包括第一旋光晶体171、第一磁体173、以及第一1/2玻片175。第一旋光装置17通过第一1/2玻片175和第一旋光晶体171的配合，可根据需要对光进行旋转。因此第一旋光装置17可以有效地对光的偏振态进行旋转，从而有效地提高光隔离度。
第一旋光晶体171可以为铽镓石榴石(TGG)晶体，用于旋光，所述第一旋光晶体171对反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相同。
第一磁体173可以为钕铁硼(NdFeB)永磁铁或者其它永磁体，用于为第一旋光晶体171提供磁场。在本发明实施例中，第一磁体173数量为两个，设置于第一旋光晶体171两侧。
第一1/2玻片175可以为石英玻片，用于旋光，所述第一1/2玻片175对反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相反。
相似地，第二子光隔离器20沿入射光方向包括第三反射镜光阑211、第三散射镜231、第三分束器251、第二旋光装置27、第四分束器253、第四反射镜光阑213、以及第四散射镜233。
第三、四反射镜光阑211，213的反射斜面的角度在30度到60度范围内，最优是45度，使光垂直出射，减少光散射到第三、四分束器251，253及第二旋光装置27的可能。反射面是高损伤阈值的高反材料，可以是斜面铜镜，可以是镀高反金属，也可以是镀膜反射镜。第三、四反射镜光阑211，213的光阑孔尺寸能够保证入射光通过，但要小于o光与e光光斑的内边缘距离，保证回返光不会进入到光阑孔内。
第三、四散射镜231，233可以为镀膜凸透镜或镀膜凹透镜，其数量分别为两个。两个所述第三散射镜231设置于第三反射镜光阑211两侧。相似地，两个所述第四散射镜233设置于第四反射镜光阑213两侧。
第三、四分束器251，253可以为带斜角的钒酸钇(YV04)，用于将光分束或合束。
第二旋光装置27包括第二旋光晶体271、第二磁体273、以及第二1/2玻片275。第二旋光装置27通过第二1/2玻片275和第二旋光晶体271的配合，可根据需要对光进行旋转。因此第二旋光装置27可以有效地对光的偏振态进行旋转，从而有效地提高光隔离度。
第二旋光晶体271可以为铽镓石榴石(TGG)晶体，用于旋光，所述第二旋光晶体271对反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相同。
第二磁体273可以为钕铁硼(NdFeB)永磁铁或者其它永磁体，用于为旋光晶体271提供磁场。在本发明实施例中，第二磁体173数量为两个，设置于第二旋光晶体271两侧。
第二1/2玻片275可以为石英玻片，用于旋光，所述第二1/2玻片275对反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相反。
在物理光学中：一束自然光射入光学各向异性晶体会发生分解为两束折射光的现象，此即双折射现象。此两束折射光的特性是：一束光线在晶体内的传播方向遵从折射定律，称为寻常光(O光)；另一束光线在晶体内行进方向不遵从折射定律，称为非寻常光(E光)；O光、E光均为线偏振光，但其传播速度不同，折射率不等；此两束光(O光和E光)频率相同、振动面相互垂直。
在正向光路中，也即在上述入射光中，第一反射镜光阑111提供小孔光阑，阻隔正向可能的杂散光；第一分束器151将入射光分束成O光和E光；第一旋光装置17旋光90度：第一旋光晶体171旋光45度，第一磁体173为旋光晶体171提供磁场，第一1/2玻片175再同方向旋光45度；第二分束器153将O光束和E光束合束；第二反射镜光阑113沿偏离光隔离器100方向反射未经第二分束器153合束的小分量O光和E光；第二散射镜133沿偏离光隔离器100方向散射经反射镜光阑113反射的小分量光。通过第二反射镜光阑113的光束进入第二子光隔离器20。
第二子光隔离器20的第三反射镜光阑211提供小孔光阑，阻隔正向可能的杂散光；第三分束器251将入射光分束成O光和E光；第二旋光装置27旋光90度：第二旋光晶体271旋光45度，第二磁体273为旋光晶体271提供磁场，第二1/2玻片275再同方向旋光45度；第四分束器253将入射的O光和E光合束；第四反射镜光阑213沿偏离光隔离器100方向反射未经第四分束器253合束的小分量O光和E光；第四散射镜233沿偏离光隔离器100方向散射经第四反射镜光阑213反射的小分量光。
请参阅图2，在光路方向与入射光相反的反向光路中，第四反射镜光阑213提供小孔光阑，阻隔正向可能的杂散光；第四分束器253将入射光分束成O光和E光；第二旋光装置27旋光0度：第二1/2玻片275旋光45度，旋转反向光的方向与旋转入射光的方向相反，第二旋光晶体271反方向旋光45度，旋转反向光的方向与旋转入射光的方向相同，第二磁体273为旋光晶体171提供磁场；第三分束器251将O光和E光进一步偏折；第三反射镜光阑211沿偏离光隔离器100方向反射经第三分束器251进一步偏折的部分O光和部分E光；第三散射镜231沿偏离光隔离器100方向散射经第三反射镜光阑211反射的O光和E光；通过第三反射镜光阑211的光束进入第一子光隔离器10。
第一子光隔离器10的第二反射镜光阑113提供小孔光阑，阻隔反向可能的杂散光；第二分束器153将上述剩余的光束分束成O光和E光；第一旋光装置17旋光0度：第一1/2玻片175旋光45度，旋转反向光的方向与旋转入射光的方向相反，第一旋光晶体171反方向旋光45度，旋转反向光的方向与旋转入射光的方向相同，第一磁体173为旋光晶体171提供磁场；第一分束器151将第一旋光装置17旋光的O光和E光进一步偏折；第一反射镜光阑111沿偏离光隔离器100方向反射经第一分束器151进一步偏折的O光和E光；第一散射镜131散射经第一反射镜光阑111反射的O光和E光，从而使得反向光全部沿偏离光隔离器100方向散射，保护了激光器。
第一子光隔离器的第一分束器151和第二分束器153平行放置，且其光轴方向在XZ平面内，第一反射镜光阑111和第二反射镜光阑113反射平面方向在XZ平面内。
第二子光隔离器的第三分束器251和第四分束器253平行放置，且其光轴方向在YZ平面内，第三反射镜光阑211和第四反射镜光阑213的反射平面方向在YZ平面内。
两子光隔离器分束器的光轴方向互相垂直，可以保证在反向光路中，经第二子光隔离器分束后的两束光无法经第一子光隔离器反射回输入端准直器。
第二反射镜光阑113，第二散射镜133和第四反射镜光阑213，第四散射镜233两组反射散射装置可以有效地阻挡正向传输过程中产生的小分量O光和E光，可以提高第一、二旋光晶体171，271附近的散热能力和速度。第一、二旋光晶体171，271的旋转角度随温度变化，导致隔离度的中心波长漂移，从而使激光波长对应的隔离度降低，同时第一、二旋光晶体171，271的热透镜效应比较明显，温度越高越严重，导致光斑大小发生变化，甚至导致光斑变形，因此对第一、二旋光晶体171，271附近的散热能力需要格外重视。
第二反射镜光阑113和第二散射镜133组成一组反射散射装置，第四反射镜光阑213和第四散射镜233组成另一组反射散射装置，所述第二、四散射镜133、233沿平行于光路的方向放置，每组所述反射散射装置中的第二、四散射镜133、233在光路上的垂直投影可以覆盖反射镜光阑在光路上的垂直投影，两组反射散射装置可以分别有效地消除正向光路中，因第一磁体173和第二磁体273随温度变化引起磁场强度变化导致的第一旋光晶体171和第二旋光晶体271旋转角度变化所带来的额外O光和E光小分量，有效提高隔离器的工作温度范围。
第一反射镜光阑111，第一散射镜131和第三反射镜光阑211，第三散射镜231两组反射散射装置可以有效地阻挡反向传输过程中产生的小分量O光和E光，可以提高第一、二旋光晶体171，271附近的散热能力和速度。第一、二旋光晶体171，271的旋转角度随温度变化，导致隔离度的中心波长漂移，从而使激光波长对应的隔离度降低，同时第一、二旋光晶体171，271的热透镜效应比较明显，温度越高越严重，导致光斑大小发生变化，甚至导致光斑变形，因此对第一、二旋光晶体171，271附近的散热能力需要格外重视。
第一反射镜光阑111和第一散射镜131组成一组反射散射装置，第三反射镜光阑211和第三散射镜231组成另一组反射散射装置，所述第二、四散射镜133、233沿平行于光路的方向放置，每组所述反射散射装置中的第一、三散射镜131、231在光路上的垂直投影可以覆盖反射镜光阑在光路上的垂直投影，两组反射散射装置可以分别有效地吸收反向光路中，因第一磁体173和第二磁体273随温度变化引起的磁场强度变化导致的第一旋光晶体171和第二旋光晶体271旋转角度变化所带来的额外O光和E光小分量，有效提高隔离器的工作温度范围。
第一、二、三、四散射镜131，133，231，233组成的散射镜装置，有效地将偏离入射方向的光束散射到封装外壳上，可以使热量快速耗散，提高散热能力。
第一、二、三、四分束器151，153，251，253带斜角设计，一般入射面的角度为5.8度，可以保证分束器内的光路沿分束器几何轴(图1中的Z轴)对称分布，保证其散热的均匀性。
与现有技术比较，本发明实施例的光隔离器100将两子光隔离器10，20合为一体，利用反射散射装置将偏离光路方向的光束散射到所述封装外壳，在没有辅助冷却系统的前提下，提高了散热能力，从而有效提高了隔离器的工作温度范围。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光隔离器，其特征在于，沿入射光方向，顺序包括第一子光隔离器和第二子光隔离器，沿所述入射光方向，所述第一子光隔离器顺序包括：
第一反射镜光阑，用于允许所述入射光通过，而阻隔杂散光；
第一分束器，用于将从所述第一反射镜光阑出射的入射光分束为O光和E光；
第一旋光装置，用于将所述O光和E光旋光90度；
第二分束器，用于将旋光后的O光和E光合束得到合束光；以及
第二反射镜光阑，用于允许所述合束光通过，而反射未经第二分束器合束的O光和E光，通过第二反射镜光阑的合束光经第二子光隔离器处理后输出；
其中当一光路方向与所述入射光方向相反的反向光经第二子光隔离器处理后输入第一子光隔离器时，所述第二反射镜光阑用于允许所述反向光通过，而阻隔杂散光，第二分束器用于将反向光分束为O光和E光，第一旋光装置用于让经第二分束器分束的O光和E光沿原方向通过，第一分束器用于偏折通过第一旋光装置后的O光和E光，第一反射镜光阑用于将经第一分束器偏折的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向进行反射。
2.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述第一子光隔离器包括：两个第一散射镜，其分别设置于所述第一反射镜光阑两侧，用于将经第一反射镜光阑反射的反向光的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
3.如权利要求2所述的光隔离器，其特征在于，所述第一子光隔离器包括：两个第二散射镜，其分别设置于所述第二反射镜光阑两侧，用于将经第二反射镜光阑反射的所述未经第二分束器合束的小分量O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
4.如权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，沿所述入射光方向，所述第二子光隔离器顺序包括：
第三反射镜光阑，用于允许所述入射光通过，而阻隔杂散光；
第三分束器，用于将从所述第三反射镜光阑出来的入射光分束为O光和E光；
第二旋光装置，用于将O光和E光旋光90度；
第四分束器，用于将旋光后的O光和E光合束；以及
第四反射镜光阑，用于允许合束的O光和E光通过，而反射未经第四分束器合束的小分量O光和E光；
其中当所述反向光通过第四反射镜光阑时，第四分束器用于将反向光分束为O光和E光，第二旋光装置用于让经第四分束器分束的O光和E光沿原方向通过，第三分束器用于偏折通过第二旋光装置后的O光和E光，第三反射镜光阑用于将经第三分束器进一步偏折的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向进行反射，未经第三分束器反射的剩余的光束进入第一子光隔离器。
5.如权利要求4所述的光隔离器，其特征在于，所述第二子光隔离器包括：两个第三散射镜，其分别设置于所述第三反射镜光阑两侧，用于将经第三反射镜光阑反射的反向光的O光和E光沿偏离所述光隔离器方向散射。
6.如权利要求5所述的光隔离器，其特征在于，所述第二子光隔离器包括：两个第四散射镜，其分别设置于所述第四反射镜光阑两侧，用于将经第四反射镜光阑反射的所述未经第四分束器合束的小分量O光和E光沿偏离光隔离器方向散射。
7.如权利要求4所述的光隔离器，其特征在于，所述每个第一、第二旋光装置包括旋光晶体、两个磁体和1/2玻片，所述两个磁体设置于旋光晶体两侧，所述旋光晶体对所述反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相同，所述1/2玻片对所述反向光的旋光方向与对入射光的旋光方向相反。
8.如权利要求4所述的光隔离器，其特征在于，所述第一子光隔离器中的所述第一、第二分束器平行放置，其光轴方向在沿光路方向的一个平面内，所述第一、第二反射镜光阑的反射平面也在所述第一、第二分束器的光轴所在平面中；所述第二子光隔离器中的所述第三、第四分束器平行放置，其光轴方向在沿光路方向的一个平面内，所述第三、第四反射镜光阑的反射平面也在所述第三、第四分束器的光轴所在平面中。
9.如权利要求8所述的光隔离器，其特征在于，所述第一、第二分束器的光轴方向与所述第三、第四分束器的光轴方向相互垂直。
10.如权利要求2所述的光隔离器，其特征在于，所述第一、第二散射镜在光路上的垂直投影分别可以覆盖所述第一、第二反射镜光阑在光路上的垂直投影。
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