CN113820874B - 一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及激光器件领域的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其包括封装外壳，封装外壳内由封装外壳的一端向封装外壳的另一端依次安设有第一偏振器、中空柱状的磁环组件和第二偏振器，磁环组件内沿磁环组件的长度方向安设有一非磁性的管体，管体内靠近管体中部处设置有磁光晶体，磁光晶体上套设有多个密封圈，多个密封圈沿磁光晶体的长度方向间隔布置，且密封圈的外侧壁与管体的内侧壁相互抵紧,在管体内壁与磁光晶体之间的间隙中填充导热材料作为导热层。本申请降低了磁光隔离器中插入损耗和热致退偏效应对磁光隔离器的隔离度的不利影响。
Description
技术领域
本申请涉及激光器件领域，尤其是涉及一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器。
背景技术
磁光隔离器是一种只允许激光单向传输的光无源器件，基于法拉第旋转器的非互异性，可以有效地隔绝反向激光对光源和系统的不利影响；法拉第旋转器的非互异性是指当线偏振光在具有法拉第效应的介质中传输时，如介质处于磁场中时，线偏振光的偏振面会发生旋转，其旋转角度与磁场方向和verdet常数的符号有关，因此当线偏振光反向通过介质时，偏振面和入射光的偏振面不重合，从而隔离反向光传播。
目前的磁光隔离器制作过程中，磁光晶体和磁环之间一般通过胶水粘接，或者通过金属压焊分装，以上方式可能会污染晶体的通光面，同时还对磁光晶体拉伸或挤压，增大了磁光晶体内应力，导致磁光隔离器的插入损耗和退偏损耗增大，进而影响到偏转角度。
发明内容
为了降低磁光隔离器中插入损耗和热致退偏效应对磁光隔离器的隔离度的不利影响，本申请提供一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器。
本申请提供的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器采用如下的技术方案：
一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，包括封装外壳，封装外壳内由封装外壳的一端向封装外壳的另一端依次安设有第一偏振器、中空柱状的磁环组件和第二偏振器，磁环组件内沿磁环组件的长度方向安设有一非磁性的管体，管体内靠近管体中部处设置有磁光晶体，磁光晶体上套设有多个密封圈，多个密封圈沿磁光晶体的长度方向间隔布置，且密封圈的外侧壁与管体的内侧壁相互抵紧。
通过采用上述技术方案，在密封圈的弹性作用下，大大减弱了对磁光晶体的压迫，降低了磁光晶体内多余应力的产生，并且磁光晶体与管体的间隔布置，有利于磁光晶体光吸收所产生热量扩散，相互协同，从而降低磁光隔离器中插入损耗和热致退偏效应对磁光隔离器的隔离度的不利影响，而且密封圈的弹性缓冲作用，实现了磁光晶体与管体的稳固连接。
可选的，相邻两个所述密封圈之间且位于磁光晶体与管体之间设置有导热层。
通过采用上述技术方案，导热层的设置对磁光晶体上热量的吸收，提高了磁光晶体的散热效率。
可选的，所述导热层的材料为导热硅脂、导热凝胶或导热贴。
通过采用上述技术方案，导热硅脂等导热材料可以很好的填充在相邻两个密封圈之间，而且导热硅脂具有优异的热量传导性能，进一步的增强了对磁光晶体的散热效果。
可选的，所述管体为金属管。
通过采用上述技术方案，金属材质的管体与导热层相互配合，进一步的加快了磁光晶体的散热效率。
可选的，所述磁光晶体包括多个分晶体，多个分晶体轴向拼接成磁光晶体。
通过采用上述技术方案，将磁光晶体采用拼接的方式，可以减小磁光晶体的热效应，且可以降低磁光晶体在高功率工作下产生的热吸收，减少磁光晶体的热致退偏效应，提高磁光隔离器的隔离效果。
可选的，相邻两个所述分晶体通过光胶方式结合在一起，所述密封圈位于相邻两个分晶体的结合处。
通过采用上述技术方案，将密封圈设置在分晶体的连接点处，降低了相邻两个分晶体之间因受力不均而相互分离的可能性，提高了分晶体之间的连接稳定性，保证入射光沿晶体光轴传播。
可选的，所述密封圈在位于两端的两个所述分晶体上靠近两个分晶体的相远离两端处各设置有一个。
通过采用上述技术方案，在两端的两个分晶体上设置密封圈，减少了端部的分晶体因自身重量而下垂的可能性，不仅提高了端部分晶体与其相邻分晶体之间的连接稳定性，而且提高了分晶体与管体之间的连接稳定性。
可选的，所述管体通过粘连、焊接或过盈装配的方式和磁环组件固定。
通过采用上述技术方案，根据温度湿度等不同的工作环境，选择与工作环境相适配的连接方式，不仅提高了磁光隔离器的使用寿命，而且提高了磁光隔离器的工作稳定性。
可选的，所述管体内壁上对应每个密封圈处各设一有与密封圈外侧配合的凹槽。
通过采用上述技术方案，密封圈与凹槽的相互卡设，对密封圈起到定位和稳固的作用，从而提高了磁光晶体在管体内安装的稳定性。
可选的，所述磁光晶体(52)为氟化物磁光晶体、铽镓石榴石TGG晶体和磁光玻璃中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，CeF3晶体、PrF3晶体和KTb3F10晶体等氟化物磁光晶体为低光吸收系数和低热光系数的晶体，从磁光晶体本身上减少了其热量的产生量，更有利于保证磁光隔离器工作于高功率环境中。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.降低了磁光隔离器中插入损耗和热致退偏效应对磁光隔离器的隔离度的不利影响，通过密封圈的弹性连接，大大减弱了对磁光晶体的压迫，降低了磁光晶体内多余应力的产生，并且磁光晶体与管体的间隔布置，有利于磁光晶体光吸收所产生热量扩散，相互协同，从而降低磁光隔离器中插入损耗和热致退偏效应，而且密封圈的弹性缓冲作用，实现了磁光晶体与管体的稳固连接；
2.提高了对磁光晶体的散热效果，通过导热硅脂材料的导热层的设置，导热硅脂可以很好的填充在相邻两个密封圈之间，其对磁光晶体上热量的吸收，提高了磁光晶体的散热效率，而且导热硅脂具有优异的热量传导性能，进一步的增强了对磁光晶体的散热效果。
3.进一步提高了磁光隔离器的隔离效果，通过将具备低热光系数和高verdet常数磁光晶体采用拼接的方式，可以降低磁光隔离器中磁光晶体的总长度，降低插入损耗，减小磁光晶体的热效应，且可以降低磁光晶体在高功率工作下产生的热吸收，减少磁光晶体的热致退偏效应。
附图说明
图1是本申请实施例1磁光隔离器的整体结构示意图；
图2是体现法拉第旋转器的结构示意图；
图3是体现连接组件的结构示意图；
图4是本申请实施例2磁光晶体的结构示意图。
附图标记说明：1、封装外壳；2、第一偏振器；3、第二偏振器；4、偏振器夹具；5、法拉第旋转器；51、磁环组件；511、前端磁环；512、中心磁环；513、后端磁环；52、磁光晶体；521、分晶体；6、连接组件；61、管体；611、凹槽；62、密封圈；63、导热层。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器。
实施例1
参照图1，磁光隔离器包括封装外壳1，激光由封装外壳1的一端射向封装外壳1的另一端，封装外壳1的光线射入端安设有一第一偏振器2，封装外壳1的光线射出端安设有一第二偏振器3，第一偏振器2和第二偏振器3分别通过偏振器夹具4固定在封装外壳1的两端，且第一偏振器2和第二偏振器3为PBS、格兰泰勒棱镜、吸收型偏振器或walk-off晶体，第一偏振器2和第二偏振器3分别为起偏器和检偏器，且第一偏振器2的透振方向和第二偏振器3的透振方向之间为45°夹角；第一偏振器2和第二偏振器3之间的封装外壳1内设置有法拉第旋转器5。
参照图2，法拉第旋转器5包括中空柱状的磁环组件51以及设置在磁环组件51中空结构内的磁光晶体52，磁光晶体52靠近磁环组件51的中部处，磁光晶体52呈柱状，磁光晶体52的截面可以为圆形、矩形或者其他多边形，在本申请实施例中磁光晶体52的截面设置为圆形，磁光晶体52选用低光吸收系数和低热光系数的晶体，可以为TGG晶体、磁光玻璃、KTF晶体、CeF3晶体、PrF3晶体或KTb3F10晶体，在本申请实施例中磁光晶体52为KTb3F10晶体，磁光晶体52与磁环组件51之间设置有用于将磁光晶体52与磁环组件51相互固定的连接组件6。
参照图2，磁环组件51包括靠近第一偏振器2布置的前端磁环511，前端磁环511位于封装外壳1内，前端磁环511朝向第二偏振器3的一侧位于封装外壳1内依次设置有中心磁环512和后端磁环513，磁光晶体52、中空磁环组件51、第一偏振器2和第二偏振器3的中心轴线重合，前端磁为环径向充磁且其磁力线的方向由前端磁环511的中心指向外侧，中心磁环512为轴向充磁且其磁力线的方向由第二偏振器3指向第一偏振器2，后端磁环513为径向充磁且其磁力线的方向由后端磁环513的外侧指向中心；前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513形成的海尔贝克磁环阵列，可以有效提升磁环组件51中心区域磁感应强度，从而用最少量的磁体产生更强的磁场，如此不仅降低了材料的消耗，节约了成本，而且使得磁光隔离器的体积更小，从而满足磁光隔离器在更多工作环境的安装和使用。
参照图2，前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513分别可以包括但不限于一个、两个或三个环状的磁铁片，也可以为多个扇形的磁铁片的形式，磁铁片的材料为钐钴合金或者钕铁硼合金，本申请实施例中前端磁环511、后端磁环513分别包括八个扇形的磁铁片，相对的八个扇形的磁铁片相互粘接或者通过定制夹具相互固定形成圆环，中心磁环512为一个环状磁铁片，且保证所组成的前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513的各磁力线方向符合各自的要求，然后工作人员再通过粘接或者定制夹具将前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513沿轴向相互固定形成中空柱状的磁环组件51，前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513分别进行拼装的方式，使得磁环组件51的形状可以灵活适配，进一步的增加了磁光隔离器的适用性。
参照图3，连接组件6包括一非磁性的管体61，管体61安设在前端磁环511、中心磁环512和后端磁环513共同所形成的中空结构内，管体61沿封装壳体的长度方向布置，且管体61的两端开口分别对应第一偏振器2和第二偏振器3布置，管体61的外径要小于磁环组件51的内径，管体61可通过粘连、焊接或者过盈装配等多种方式固定在磁环组件51的中空结构内。
参照图3，磁光晶体52位于管体61内靠近管体61的中部处，且管体61的内径大于磁光晶体52的外径，在磁光晶体52上套设有三个弹性的密封圈62，三个密封圈62沿磁光晶体52的长度方向均匀布置，且密封圈62的外侧壁与管体61的内侧壁相互抵紧，从而在磁光晶体52与管体61内壁之间留出空隙，以便于对磁光晶体52光吸收所产生的热量进行散发，提升磁光晶体52的散热性能，进而降低磁光晶体52的热致退偏效应；而且在密封圈62的自身弹性作用下，不仅可以使磁光晶体52稳定的固定在管体61内，而且大大减弱了对磁光晶体52的压迫，降低磁光晶体52内多余应力的产生，降低对磁光晶体52隔离度的影响，进一步的降低了磁光晶体52的退偏损耗。
参照图3，管体61为非磁性金属材质制作而成，在每相邻的两个密封圈62之间且位于磁光晶体52与管体61之间还设置有一个导热层63，导热层63可以为导热硅脂、导热凝胶或导热贴等，本申请实施例中导热层63选用导热硅脂，工作人员可使用注射器将导热硅脂注入到相邻两个密封圈62之间；通过导热硅脂将磁光晶体52外壁和管体61内壁相连，在导热硅脂所形成导热层63的作用下，并与金属的管体61协同作用，可以更加高效的将磁光晶体52光吸收所产生的热量通过管体61传递出去；另外在管体61内壁上对应每个密封圈62处还各设一有与密封圈62外圈弧面配合的环形凹槽611，对密封圈62起到定位和稳固的作用，从而提高磁光晶体52在管体61内安装的稳定性。
实施例1的实施原理为：密封圈62的弹性作用，减弱了对磁光晶体52的压迫，降低磁光晶体52内多余应力的产生，降低对磁光晶体52隔离度的影响，而且当磁光晶体52光吸收产生热时，热量将会在在导热层63的吸收下并配合管体61，将磁光晶体52光吸收所产生的热量传递出去，实现降低磁光晶体52的退偏损耗的目的。
实施例2
参照图4，本实施例与实施例1的不同之处在于，磁光晶体52采用不少于两段分晶体521拼接的方式，分晶体521同样选用低光吸收系数和低热光系数的晶体，可以为TGG晶体、磁光玻璃、PrF3晶体、CeF3和KTb3F10晶体等晶体中的一种或一种以上，在本申请实施例中磁光晶体52包括三个分晶体521，三个分晶体521沿轴向通过光胶方式结合在一起，光胶处由密封圈62固定；中间的分晶体521选用但不限于KTb3F10晶体，位于两端的分晶体521选用但不限于TGG晶体。
采用将KTb3F10晶体的分晶体521和TGG晶体的分晶体521拼接的方式构成磁光晶体52，不仅能够降低磁光隔离器中磁光晶体52的总长度，降低插入损耗，减小磁光晶体52的热效应，而且可以降低磁光晶体52在高功率工作下产生的热吸收，减少磁光晶体52的热致退偏效应，提高磁光隔离器的隔离效果，同时兼顾磁光隔离器的总体成本，且可以保证磁光隔离器工作于高功率环境中。
参照图4，密封圈62在相邻两个分晶体521的光胶处均设置有一个，且位于两端的两个分晶体521上靠近两个分晶体521的相远离两端处各设置有一个密封圈62，通过将密封圈62设置在关键节点，降低了相邻两个分晶体521之间因受力不均而相互分离的可能性，提高了分晶体521之间的连接稳定性以及分晶体521与管体61之间的固定稳定性。
实施例2的实施原理为：将磁光晶体52采用拼接的方式，可以降低磁光隔离器中磁光晶体52的总长度，降低插入损耗，减小磁光晶体52的热效应，且可以降低磁光晶体52在高功率工作下产生的热吸收，减少磁光晶体52的热致退偏效应，提高磁光隔离器的隔离效果。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：包括封装外壳(1)，封装外壳(1)内由封装外壳(1)的一端向封装外壳(1)的另一端依次安设有第一偏振器(2)、中空柱状的磁环组件(51)和第二偏振器(3)，磁环组件(51)内沿磁环组件(51)的长度方向安设有一非磁性的管体(61)，管体(61)内靠近管体(61)中部处设置有磁光晶体(52)，磁光晶体(52)上套设有多个密封圈(62)，多个密封圈(62)沿磁光晶体(52)的长度方向间隔布置，且密封圈(62)的外侧壁与管体(61)的内侧壁相互抵紧；
相邻两个所述密封圈(62)之间且位于磁光晶体(52)与管体(61)之间设置有导热层(63)；
所述磁光晶体(52)包括多个分晶体(521)，多个分晶体(521)轴向拼接成磁光晶体(52)；
相邻两个所述分晶体(521)通过光胶方式结合在一起，所述密封圈(62)位于相邻两个分晶体(521)的结合处；
所述密封圈(62)在位于两端的两个所述分晶体(521)上靠近两个分晶体(521)的相远离两端处各设置有一个。
2.根据权利要求1所述的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：所述导热层(63)的材料为导热硅脂、导热凝胶或导热贴。
3.根据权利要求1所述的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：所述管体(61)为金属管。
4.根据权利要求1所述的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：所述管体(61)通过粘连、焊接或过盈装配的方式和磁环组件(51)固定。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：所述管体(61)内壁上对应每个密封圈(62)处各设一有与密封圈(62)外侧配合的凹槽(611)。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种低晶体应力高传热效率的磁光隔离器，其特征在于：所述磁光晶体(52)为氟化物磁光晶体、铽镓石榴石TGG晶体和磁光玻璃中的一种或多种。
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