CN210109495U - 双折射晶体光束偏离的光隔离器及激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及双折射晶体光束偏离的光隔离器及激光系统。光隔离器包括法拉第旋光器以及一组以上的光束偏离器件一，最靠近法拉第旋光器的一组光束偏离器件一的前端面贴设固定于法拉第旋光器的后端面上，每组光束偏离器件一包括楔角片一和楔角片二，楔角片一和楔角片二中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，楔角片一和楔角片二中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。该光隔离器在不改变入射角度和元件厚度的情况下实现出射光的光线偏折，从而防止反向光路中与激光器偏振方向选择性一致的反向光被耦合进入激光器，以克服现有技术中存在的成本高、横向走离量过大或过小等缺点。

Description

双折射晶体光束偏离的光隔离器及激光系统

技术领域

本实用新型涉及光通讯及工业用光隔离器领域，特别涉及一种双折射晶体光束偏离的光隔离器及激光系统。

背景技术

光学设计中经常会遇到需要将一个偏振态光线偏离的设计需求，以达到将一束光的两个偏振态分开目的。偏离角的大小可以通过改变楔角大小来实现，但是楔角越大，器件的厚度就会越大。

光隔离器在光通讯及工业激光应用领域广泛应用，是一种单向传输光的光无源器件，用于允许正向传输的光正常通过此产品，并耦合到输出光波导、光纤等其他光传输器件中，同时阻止反向传输的光耦合到输入光波导中，避免造成光学系统(尤其是激光器)工作不稳定。目前实际应用中包含在线型(偏振不相关)和自由空间型(偏振相关)两类，在激光器封装中主要使用自由空间型(偏振相关)。

目前大量商用的自由空间隔离器采用两片偏振片和一片45°法拉第旋光器组成，45°法拉第放在两片偏振片之间，两片偏振片的偏振方向相差45°。当光正向传输时，入射光和第一片偏振片偏振方向平行的部分通过偏振片，与偏振方向垂直的部分被偏振片吸收，通过第一片偏振片的光进入法拉第旋光器后，在法拉第旋光效应作用下旋转45°，与第二片偏振片的偏振方向正好平行，因此可以无损耗地通过第二片偏振片。当光反向传输时，与第二片偏振片偏振方向垂直的部分直接被偏振片吸收，与偏振方向平行的部分无损耗透过，然后进入法拉第旋光器；由于法拉第旋光器的旋转方向只决定于磁场方向，不会随着光的入射方向而改变，因此继续沿着和正向传输时相同的方向旋转45°到达第一偏振片，此时光的偏振态与第一偏振片的偏振方向垂直，光被第一偏振片吸收，不能投射到输入波导中。但是，此设计方案的偏振片成本较高。

另一种新的自由空间隔离器设计思路是采用两片双折射晶体和一片45°法拉第旋光器组成，45°法拉第放在两片双折射晶体之间，第一片双折射晶体的光轴与入射表面成45°夹角，光线在双折射晶体中以o光(寻常光)方式传输，第二片双折射晶体的光轴方向与第一片双折射晶体的光轴方向沿光路传播轴旋转45°，光线在第二双折射晶体中同样以o光方式传输。当光正向传输时，入射光以o光方式在第一双折射晶体中传输，光路遵循折射定律，通过第一双折射晶体，然后进入法拉第旋光器后在法拉第旋光效应作用下旋转45°，使其在第二双折射晶体中仍然保持按照o光状态，光路遵循折射定律，输出第二双折射晶体。当光反向传输时，1)当光按照o光照射到第二双折射晶体时，光路遵循折射定律，相对于入射 o光，无相对位移地通过第二双折射晶体，在法拉第旋光器中旋转 45°后，光在第一双折射晶体中的传输方式变为e光(非常光)，此时光路的传输不遵循折射定律，并且由于光轴与入射表面有45°夹角，从而相对于入射o光发生偏折，光的输出位置偏离入射波导，从而不能耦合到输入波导中，达到隔离目的；2)当光按照e光照射到第二双折射晶体时，光路的传输不遵循折射定律，并且由于光轴与入射表面有45°夹角，从而相对于入射o光发生偏折，在输出第二双折射晶体时发生横向位移，在法拉第旋光器中旋转45°后，光在第一双折射晶体中的传输方式变为o光，此时光的传输遵循折射定律，平行于入射o光通过第一双折射晶体，因此光的最终输出位置保持第二双折射时形成的横向位移量，输出位置偏离入射波导，进而不能耦合到输入波导中，达到隔离目的。但是由于此晶体的折射率很高，导致在实际应用中产生过大的横向走离量，造成耦合和封装的难度加大。

还有一种新的自由空间隔离器设计思路是采用一片双折射晶体和一片45°法拉第旋光器组成，45°法拉第放在激光器和双折射晶体之间。双折射晶体的光轴与通光方向形成夹角，激光器出射光的偏振态方向晶体光轴同通光方向形成面成45°角。激光经过法拉第旋转光器偏振态方向转45°，并与双折射晶体光轴与通光方向形成的面垂直。此时激光在晶体中是o光，不产生走离角，直接经过双折射晶体从另一面出射。而在反向光进入双折射晶体时，1)平行入射到双折射晶体的o光不走再经过法拉第旋光器后，偏振方向旋转45°后，该路光的偏振方向与激光器的出射光的偏振方向垂直，由于激光器本身的偏振选择性，这路无法耦合入激光器。2)平行平行入射到双折射晶体的e光,由于双折射晶体的走离性，此路光红会走离一个角度在晶体中传输，从晶体另一面出射时又由于走离性质，该路光平移一个走离量平行出射，再经法拉第旋光器，偏振态旋转 45°后，偏振方向与激光器的的选择性偏振方向是一致的，虽然偏振方向与激光器选择性的偏振方向一致，但由于这路光有一个平移，只要平移量足够大，这路光就不能被反向耦合进入激光器，从而影响激光器的稳定性。这种隔离器有一个缺陷就是走离平移量要足够大，也就是说要有足够厚的晶体厚度。对于没有尺寸和空间要标注的隔离器，这种方案是很好的方案，但是现有工业需求都是要求器件越薄越小的好。因此此方案也存在一定的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双折射晶体光束偏离的光隔离器，该光隔离器采用法拉第旋光器和由两片双折射晶体楔角片组成的光束偏离器件，在不改变入射角度和元件厚度的情况下实现出射光的光线偏折，从而防止反向光路中与激光器偏振方向选择性一致的反向光被耦合进入激光器，以克服现有技术中存在的成本高、横向走离量过大或过小等缺点。

本实用新型的另一目的在于提供一种激光系统，该系统在激光器前设有光隔离器，不仅使得反向光不影响干扰激光器的工作，而且成本低，使用性能可靠。

本实用新型是这样实现的：

方案(一)：

一种双折射晶体光束偏离的光隔离器，其特征在于：包括设置于激光器的激光发射方向上且由近及远依次设置的法拉第旋光器以及一组以上的光束偏离器件一，当光束偏离器件一的数量为两组以上时，各组光束偏离器件一沿激光器的激光发射方向依次相互贴设固定，所述法拉第旋光器能使激光的偏振态旋转45°，最靠近法拉第旋光器的一组光束偏离器件一的前端面贴设固定于法拉第旋光器的后端面上，每组光束偏离器件一包括楔角片一和楔角片二，所述楔角片一和楔角片二均为双折射晶体，所述楔角片一和楔角片二中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片一和楔角片二中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。

进一步的，所述楔角片二的光轴和激光器输出偏振光在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器的理论旋光角或90°与理论旋光角度数之和。

为了防止反向o光进入激光器，所述光隔离器还包括贴设固定于法拉第旋光器前端面上的偏振片，所述偏振片的偏振方向与激光器所发射激光的偏振方向一致。

为了增大总体的光束偏离角，所述光隔离器还包括一组以上设置于法拉第旋光器前端的光束偏离器件二，当光束偏离器件二的数量为两组以上时，各组光束偏离器件二沿激光器的激光发射方向依次相互贴设固定，最靠近法拉第旋光器的一组光束偏离器件二的后端面贴设固定于法拉第旋光器的前端面上，每组光束偏离器件二包括楔角片三和楔角片四，所述楔角片三和楔角片四均为双折射晶体，所述楔角片三和楔角片四中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片三和楔角片四中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。

方案(二)：

一种激光系统，其特征在于：包括激光器以及光隔离器，所述光隔离器位于激光器的激光发射方向上。

较之现有技术而言，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型提供的双折射晶体光束偏离的光隔离器，该光隔离器采用法拉第旋光器和由两片双折射晶体楔角片组成的光束偏离器件，在不改变入射角度和元件厚度的情况下实现出射光的光线偏折，从而防止反向光路中与激光器偏振方向选择性一致的反向光被耦合进入激光器，以克服现有技术中存在的成本高、横向走离量过大或过小等缺点；

(2)本实用新型提供的双折射晶体光束偏离的光隔离器，法拉第旋光器和激光器之间还设有偏振片，能防止反向的o光进入激光器；

(3)本实用新型提供的双折射晶体光束偏离的光隔离器，法拉第旋光器前还设有一组以上的光束偏离器件，增大了总体光束的偏离角；

(4)本实用新型提供的种激光系统，该系统在激光器前设有光隔离器，不仅使得反向光不影响干扰激光器的工作，而且成本低，使用性能可靠。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型中的光束偏离器件中e光的偏折机理和光轴方向设计示意图(n_e＞n_o)；

图2为图1中楔角片二的侧视图；

图3为图1中楔角片二另一种光轴设计的示意图(光轴与楔角片二的侧边成角度

)；

图4是本实用新型中的光束偏离器件中e光的偏折机理和光轴方向设计示意图(n_e＜n_o)；

图5为图4中楔角片二的侧视图；

图6为图4中楔角片二另一种光轴设计的示意图(光轴与楔角片二的侧边成角度)；

图7是本实用新型中的光束偏离器件中楔角片二的光轴设计为与e光光线夹角γ，加入走离角，从而增加e光偏折角度α的示意图；

图8为图7中楔角片二的侧视图；

图9为图7中楔角片二另一种光轴设计的示意图(光轴与楔角片二的侧边成角度

)；

图10是本实用新型实施例1的光隔离器的结构示意图；

图11为图10中楔角片二的侧视图；

图12为本实用新型实施例1正向(从左到右)偏振态示意图；

图13为本实用新型实施例1反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图14为本实用新型实施例1反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图15是本实用新型实施例2的光隔离器的结构示意图；

图16为图15中楔角片二的侧视图；

图17为本实用新型实施例2正向(从左到右)偏振态示意图；

图18为本实用新型实施例2反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图19为本实用新型实施例2反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图20是本实用新型实施例3的光隔离器的结构示意图；

图21为图20中偏振片的侧视图；

图22为图20中楔角片二的侧视图；

图23为本实用新型实施例3正向(从左到右)偏振态示意图；

图24为本实用新型实施例3反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图25为本实用新型实施例3反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图26是本实用新型实施例4的光隔离器的结构示意图；

图27为图26中偏振片的侧视图；

图28为图26中楔角片二的侧视图；

图29为本实用新型实施例4正向(从左到右)偏振态示意图；

图30为本实用新型实施例4反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图31为本实用新型实施例4反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图32是本实用新型实施例5的光隔离器的结构示意图；

图33为图32中楔角片四的侧视图；

图34为图32中楔角片二的侧视图；

图35为本实用新型实施例5正向(从左到右)偏振态示意图；

图36为本实用新型实施例5反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图37为本实用新型实施例5反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图38是本实用新型实施例6的光隔离器的结构示意图；

图39为图38中楔角片四的侧视图；

图40为图38中楔角片二的侧视图；

图41为本实用新型实施例6正向(从左到右)偏振态示意图，

图42为本实用新型实施例6反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图43为本实用新型实施例6反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图44是本实用新型实施例7的光隔离器的结构示意图；

图45为本实用新型实施例7正向(从左到右)偏振态示意图；

图46为本实用新型实施例7反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图47为本实用新型实施例7反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图48是本实用新型实施例8的光隔离器的结构示意图；

图49为本实用新型实施例8正向(从左到右)偏振态示意图；

图50为本实用新型实施例8反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图51为本实用新型实施例8反向(从右到左)e光偏振态示意图；

图52是本实用新型实施例9的激光系统的结构示意图；

图53为本实用新型实施例9正向(从左到右)偏振态示意图；

图54为本实用新型实施例9反向(从右到左)o光偏振态示意图；

图55为本实用新型实施例9反向(从右到左)e光偏振态示意图。

图中符号说明：1、激光器，2、法拉第旋光器，3、光束偏离器件一，31、楔角片一，32、楔角片二，4、偏振片，5、光束偏离器件二，51、楔角片三，52、楔角片四。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型内容进行详细说明：

实施例1：

如图10-14所示为本实用新型提供的一种双折射晶体光束偏离的光隔离器，包括设置于激光器1的激光发射方向上且由近及远依次设置的法拉第旋光器2以及一组光束偏离器件一3，所述法拉第旋光器2能使激光的偏振态旋转45°，光束偏离器件一3的前端面贴设固定于法拉第旋光器2的后端面上，光束偏离器件一3包括楔角片一31和楔角片二32，所述楔角片一31和楔角片二32均为双折射晶体，所述楔角片一31和楔角片二32中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片一31的光轴垂直于其通光面，所述楔角片二32中的光轴与其通光面平行。所述楔角片二32的光轴和激光器1输出偏振光在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器2的理论旋光角或90°与理论旋光角度数之和。在本实施例中，光束偏离器件一3只设一组，当然也可以设置多组，当光束偏离器件一3的数量为两组以上时，各组光束偏离器件一3沿激光器1的激光发射方向依次相互贴设固定，最靠近法拉第旋光器2的一组光束偏离器件一3的前端面贴设固定于法拉第旋光器2的后端面上。

如图1-6所示为双折射晶体楔角片一31和楔角片二32的光线偏折机理，本实用新型应用双折射晶体中e光相对于o光在楔角面产生偏折的现象，进行偏振相关光学设计中e光偏折的设计，通过调整楔角不同大小以达不同的e光偏折角的设计。偏折角的计算公式如下：

α：如图1-6中所示的e光偏折角

θ：如附图所示的双折射晶体的楔角角度

n_e：双折射晶体的e光折射率

n_o：双折射晶体的e光折射率

由于不同双折射晶体，n_e,n_o大小关系不一样，有的n_e＞n_o，有的n_e＜n_o,两种情况时，e光的偏折方向不一样，如图1-6所示。

一般地，在双折射晶体楔角片组中，楔角片一31的光轴与光传输方向平行，即与双折射晶体的通光面垂直，楔角片二32的光轴方向一般与楔角片二32的通光面平行，即与o光传输方向垂直，同时光轴方向可以与楔角片二32的侧边成

的任意角，如图1-6 所示。一般地为方便光轴标定和加工，通常将

角设计为45°或 90°。

如图7-9所示，为实现更大的e光偏折角α，双折射晶体楔角片二32的光轴可以采用与e光在楔角片二32中的传输光线方向成γ角，使得e光再增加一个双折射晶体的走离角。γ设计的大小不一会产生不同的走离角，一般设计时都会取走离角最大时的γ角，不同的双折射晶体的走离角最大时的γ角不同。

实施例2：

参照图15-19，实施例2与实施例1的区别在于：如图16所示，楔角片二32的光轴与楔角右侧边成任意角度β。

实施例3：

如图20-25所示，实施例3与实施例1的区别在于：所述光隔离器还包括贴设固定于法拉第旋光器2前端面上的偏振片4，所述偏振片4的偏振方向与激光器1所发射激光的偏振方向一致。在本实施例中，如图21所示，偏振片4的偏振方向与右侧边成45°。偏振片4可以防止反向o光进入激光器1。

实施例4：

参照图26-31，实施例4与实施例3的区别在于：如图28所示，楔角片二32的光轴与楔角侧边成45°，如图27所示，偏振片4的偏振方向与侧边平行。

实施例5：

如图32-37所示，实施例5与实施例1的区别在于：所述光隔离器还包括一组设置于法拉第旋光器2前端的光束偏离器件二5，束偏离器件二5的后端面贴设固定于法拉第旋光器2的前端面上，每组光束偏离器件二5包括楔角片三51和楔角片四52，所述楔角片三51和楔角片四52均为双折射晶体，所述楔角片三51和楔角片四52中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片三51和楔角片四52中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。在本实施例中，只在法拉第旋光器2前端设置一组光束偏离器件二5，当然也可以设置多组，当光束偏离器件二5的数量为两组以上时，各组光束偏离器件二5沿激光器1的激光发射方向依次相互贴设固定，最靠近法拉第旋光器2的一组光束偏离器件二5的后端面贴设固定于法拉第旋光器2的前端面上。如图33所示，楔角片四52的光轴与左侧边成 45°，如图34所示，楔角片二32的光轴与侧边平行。

实施例6：

参照图38-43，实施例6与实施例5的区别在于：如图39所示，楔角片四52的光轴与侧边平行，如图40所示，楔角片二32的光轴与右侧边成45°。

实施例7：

参照图44-47，实施例7与实施例1的区别在于：入射光与通光面不垂直。

实施例8：

参照图48-51，实施例8与实施例1的区别在于：入射光与通光面不垂直。

实施例9：

如图52-55所示为本实用新型提供的一种激光系统，其特征在于：包括激光器1以及光隔离器，所述光隔离器位于激光器1的激光发射方向上。光隔离器包括设置于激光器1的激光发射方向上且由近及远依次设置的法拉第旋光器2以及一组光束偏离器件一3，所述法拉第旋光器2能使激光的偏振态旋转45°，光束偏离器件一 3的前端面贴设固定于法拉第旋光器2的后端面上，光束偏离器件一3包括楔角片一31和楔角片二32，所述楔角片一31和楔角片二 32均为双折射晶体，所述楔角片一31和楔角片二32中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片一31的光轴垂直于其通光面，所述楔角片二32中的光轴与其通光面平行。在本实施例中，光隔离器采用实施例1的光隔离器，当然也可以采用实施例2-8中的任意一种。

上述具体实施方式只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双折射晶体光束偏离的光隔离器，其特征在于：包括设置于激光器(1)的激光发射方向上且由近及远依次设置的法拉第旋光器(2)以及一组以上的光束偏离器件一(3)，当光束偏离器件一(3)的数量为两组以上时，各组光束偏离器件一(3)沿激光器(1)的激光发射方向依次相互贴设固定，所述法拉第旋光器(2)能使激光的偏振态旋转45°，最靠近法拉第旋光器(2)的一组光束偏离器件一(3)的前端面贴设固定于法拉第旋光器(2)的后端面上，每组光束偏离器件一(3)包括楔角片一(31)和楔角片二(32)，所述楔角片一(31)和楔角片二(32)均为双折射晶体，所述楔角片一(31)和楔角片二(32)中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片一(31)和楔角片二(32)中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。

2.根据权利要求1所述的双折射晶体光束偏离的光隔离器，其特征在于：所述楔角片二(32)的光轴和激光器(1)输出偏振光在入射面上投影的夹角度数等于法拉第旋光器(2)的理论旋光角或90°与理论旋光角度数之和。

3.根据权利要求1所述的双折射晶体光束偏离的光隔离器，其特征在于：所述光隔离器还包括贴设固定于法拉第旋光器(2)前端面上的偏振片(4)，所述偏振片(4)的偏振方向与激光器(1)所发射激光的偏振方向一致。

4.根据权利要求1所述的双折射晶体光束偏离的光隔离器，其特征在于：所述光隔离器还包括一组以上设置于法拉第旋光器(2)前端的光束偏离器件二(5)，当光束偏离器件二(5)的数量为两组以上时，各组光束偏离器件二(5)沿激光器(1)的激光发射方向依次相互贴设固定，最靠近法拉第旋光器(2)的一组光束偏离器件二(5)的后端面贴设固定于法拉第旋光器(2)的前端面上，每组光束偏离器件二(5)包括楔角片三(51)和楔角片四(52)，所述楔角片三(51)和楔角片四(52)均为双折射晶体，所述楔角片三(51)和楔角片四(52)中的两个斜面相互贴合且两个通光面相互平行，所述楔角片三(51)和楔角片四(52)中的其中一个楔角片的光轴垂直于其通光面且另一个楔角片的光轴与其通光面平行或成夹角。

5.一种激光系统，其特征在于：包括激光器(1)以及权利要求1-4中任一项所述的光隔离器，所述光隔离器位于激光器(1)的激光发射方向上。

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