专利名称：一种高功率隔离器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于隔离器技术领域，尤其涉及一种高功率隔离器。
背景技术：
目前应用于高功率激光器的隔离器，其隔离度，即对反向光的截止程度在某些特定位置或角度的反向光的入射下表现出较沿正向光光路返回时低得多的值，这无疑将大大增加系统的损伤危险性，尤其是在高功率激光系统中。而在实际应用中，返回光的方位有可能是随机变化的，正常的隔离器在某些特殊情况下将失效。解决这一问题的办法通常是增大晶体尺寸以获得足够的方位余量，但大尺寸晶体的设计，会带来隔离器尺寸的增大和成本的急剧上升。
实用新型内容本实用新型针对现有高功率隔离器中存在的对反向光的截止程度在某些特定位置或角度的反向光的入射下表现出较沿正向光光路返回时低得多的值，大大增加系统的损伤危险性，而采用增大晶体尺寸以获得足够的方位余量的方法，会带来尺寸的增大和成本的急剧上升等问题，提出一种高功率隔离器。本实用新型实施例是这样实现的，一种高功率隔离器，该高功率隔离器的输入光阑套接在构件的前端；走离元件设置在输入光阑和第一渥拉斯顿棱镜之间，并且走离元件的主平面与第一渥拉斯顿棱镜的楔角面垂直；法拉第磁光材料安装在外加磁场之内；输出光阑套接在构件的末端；半波片位于法拉第旋转器入端或出端；第二渥拉斯顿棱镜位于法拉第旋转器和输出光阑之间。进一步，所述高功率隔 离器选用导热系数高的金属材料输入光阑。进一步，所述输入光阑上需要有通光孔，反射镜固定在通光孔的两侧。进一步，所述走离元件是双折射晶体，其光轴与输入光在同一平面内并与输入光成一定角度的夹角，光轴与输入光构成主平面。进一步，所述走离元件的输入输出面要平行且都应镀高质量增透膜。进一步，所述第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜分别由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射晶体光楔组成。进一步，所述半波片是双折射晶体，光轴垂直于入射光。进一步，所述法拉第旋转器由非互易性法拉第磁光材料及外加磁场组成，外加磁场磁场方向平行或接近平行于光传输方向，其法拉第旋光角应等于或接近45度。进一步，所述高功率隔离器可以将两个光楔组件的光轴分别相对第一渥拉斯顿棱镜的两个光楔组件的光轴形成45度夹角。本实用新型提供的高功率隔离器，基于巧妙运用渥拉斯顿棱镜和走离晶体的组合，在较小的晶体尺寸之下，获得可调节且足够大的方位余量，使隔离器在任何方位的反向光入射之下都能获得满意的隔离度。该实用新型在成本节约的情况下达成了隔离度的无限制设计，尤其是方位余量大小可通过输入光阑的长度来调节和获得，具有结构上的突破性。该实用新型对偏振不敏感，对反向光的方位不敏感，能承受很强的反向功率。由于具有很大的通光孔径，使得功率密度很低，能承受很高的激光功率。本实用新型的特别之处在于，在一定范围内，通光孔径可以按要求提供，并不需要改动晶体尺寸而只需要简单加长输入光阑I即可。本实用新型对输入光偏振态不敏感，适用范围广，由于镀膜简单，可靠性高且透过率很高。
图1是本实用新型实施例提供的高功率隔离器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。图1示出了本实用新型实施例提供的高功率隔离器结构。为了便于说明，仅仅示出了与本实用新型相关的部分。输入光阑I套接在构件的前端；走离元件2设置在输入光阑I和第一渥拉斯顿棱镜6之间，并且走离元件2的主平面与第一渥拉斯顿棱镜6的楔角面垂直；法拉第磁光材料4安装在外加磁场3之内；输出光阑5套接在构件的末端；半波片7位于法拉第旋转器入端；半波片7用胶粘剂与第一渥拉斯顿棱镜6边角平齐粘贴；第二渥拉斯顿棱镜8位于法拉第旋转器和输出光阑5之间；输入光阑I应选用导热系数高的金属材料，也可用反射镜固定在通光孔的两侧。输入光阑I上需要有通光孔，以使输入光能几乎无损的通过，同时又不能过大，以免对反向光不能形成有效遮挡。通光孔的直径一般按输入光斑直径的2倍估计，特殊情形，根据情况作调整。走离元件2是双折射晶体，其光轴与输入光在同一平面内并与输入光成一定角度的夹角。为保证经过走离元件2后分开的两束正交线偏振光在原输入光两侧对称的分开，需要设计合适的角度。例如对于钒酸钇，角度可以是5. 8度。对走离元件2的要求是表面质量要好、平面度高、输入输出面要平行且都应镀高质量增透膜。而走离元件2的长度则根据法拉第旋转器的工作距离和渥拉斯顿棱镜的分离角来共同决定。第一渥拉斯顿棱镜6、第二渥拉斯顿棱镜8是高度相似的一对组件。分别由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射晶体光楔组成，该棱镜能将一束垂直入射的光分成两束偏振面互相正交的偏振光，且这两束偏振光具有一定的夹角，称渥拉斯顿棱镜。通过合理的设计，可以将此夹角设计成C，以达成走离元件分光距离=法拉第旋转器工作距离Xe。此处C的单位为弧度。半波片7是双折射晶体，光轴垂直于入射光。因为需要加工得很薄，往往选用弱双折射晶体，如石英晶体。半波片7是指当光小角度入射晶体并离开后，平行于光轴的光分量和垂直于光轴的光分量的相位差与初始相位差相差半个波长或半个波长的奇数倍。实际上，对于线偏振光，半波片7能将偏振光进行旋转，使输出偏振光对称的位于半波片光轴的另一侧，也就是说，半波片7使偏振光旋转了 2倍偏振光与半波片7光轴的夹角，而半波片7光轴就是该2倍角的中线。为方便描述，本实用新型使用光轴与第一渥拉斯顿棱镜6的主平面成22. 5度或67. 5度的半波片，相应的，经过第一渥拉斯顿棱镜6的两束线偏光将会分别旋转45度和135度。特别注意的是，由于色散的原因，特定的半波片7只对特定的波长有效。作为可替代方案，也可以不需要半波片7而将渥拉斯顿棱镜8进行如下特别改造将两个光楔组件的光轴分别相对渥拉斯顿棱镜6的两个光楔组件的光轴形成45度夹角的设计。法拉第旋转器由非互易性法拉第磁光材料4及外加磁场3组成，外加磁场3磁场方向平行或接近平行于光传输方向，且在指定的工作波长，其法拉第旋光角应等于或接近45度。典型的法拉第旋转器能将入射其中的光的偏振方向按某一特定方向旋转45度，不管入射光方向与磁场方向同向还是反向。特别地，为设计和调节简单，可在法拉第旋转器入端或出端加半波片以使旋光角增加至90度或减小到O度而前向后向光的旋转角差别仍为90度。为描述方便，本实用新型将半波片7置于法拉第旋转器入端，因此，两者的共同作用是使旋光角增加至90度而后向光的旋转角减小到O度。对于O. 5 1.1um波长激光，非互易性法拉第磁光材料一般选用磁光玻璃或铺镓石槽石，对于1. 2 1. 6um波长激光,一般选用铋铁石榴石。其工作距离可定义为空气隙长度+材料长度/材料折射率。输出光阑5应选用导热系数高的金属材料。输出光阑5上需要有通光孔，以使输入光能几乎无损的通过，同时又不能过大，以免对方位较大的反向光不能形成有效遮挡。通光孔的直径一般按输入光斑直径的2倍估计，特殊情形，根据情况作调整。实施过程中，对法拉第磁光材料4按合适的尺寸加工、研磨抛光及镀膜，要求是表面质量要好、平面度高、输入输出面要平行且都应镀高质量增透膜。将法拉第磁光材料4安装在外加磁场3之内，并用适当的胶粘剂固定。一般而言，外加磁场3的磁路设计需要充分考虑法拉第磁光材料4的尺寸，以使法拉第旋光角度达到45度，而外加磁场3通常由永磁体构成。同时，为了装配方便及兼顾结构稳定，永磁体需要安装在金属底座或金属套之内；而金属底座或金属套必须要密封良好，在通光方向的两端，留有接口以便组成该实用新型的其他部件能固定在此金属底座或金属套之上。实施过程中，将一对光轴互相正交且与通光方向垂直的双折射晶体光楔用胶粘剂边角平齐粘贴构成第一渥拉斯顿棱镜6。在设计时，光楔楔角法线与光的传输方向构成的平面，应与两光楔的光轴平行或垂直；在外形上，第一渥拉斯顿棱镜6的通光面应设计成长方形或正方形，故光轴便与边线垂直或平行。将半波片7用胶粘剂与第一渥拉斯顿棱镜6边角平齐粘贴，并置于第一渥拉斯顿棱镜6的右方，保证通光范围内无胶。在设计上，将半波片7的外形设计成长方形或正方形，并使半波片7的光轴与半波片7的边线成22. 5度或67. 5度，以方便的使半波片7的光轴与第一渥拉斯顿棱镜6的光轴成22. 5度或67. 5度。将上述组件与走离元件2装入一金属件中，用合适的胶粘剂固定，并使走离元件2的主平面与第一渥拉斯顿棱镜6的楔角面垂直，以达成走离元件2平行分开的两束线偏振光被第一渥拉斯顿棱镜6按一定角度汇聚。将上述组件装入隔离器金属底座或金属套的接口之中，可用机械方式锁紧、焊接或胶粘剂固定。实施过程中，将一对光轴互相正交且与通光方向垂直的双折射晶体光楔用胶粘剂边角平齐粘贴构成第二渥拉斯顿棱镜8。在设计时，光楔楔角法线与光的传输方向构成的平面，应与两光楔的光轴平行或垂直；在外形上，第二渥拉斯顿棱镜8的通光面应设计成长方形或正方形，故光轴便与边线垂直或平行。将第二渥拉斯顿棱镜8装入一金属件，用合适的胶粘剂固定。此组件应可以实现前后平移以补偿设计偏差及加工误差，也就是说，应使该组件在固定之前能前后移动以使第二渥拉斯顿棱镜8的中点与经第一渥拉斯顿棱镜6作用而汇聚的两束线偏振光的交点重合，以达成将具有一定夹角的两束正交线偏振光合成一束光的目的。同时，该组件还应可以绕光的传播方向旋转，以精确修正旋光角的偏差以及在光路调节中达到优化状态。调节过程应在一对准直器的协助下进行，在线监控透过率、偏振相关损耗、隔离度及回波损耗等。达到要求后固定此位置。较合理的设计是使用细牙螺纹副或圆筒套接结构，即可调解前后距离，又可旋转。实施过程中，在上述结构件前边套接输入光阑1，后边套接输出光阑5。两光阑的通光孔居中。需要注意的是，输入光阑I的长度与光斑大小、通光孔径大小有密切关联。实用中应使反向光在输入光阑I处分开的距离至少是通光孔径的3倍。因为反向光会按第一渥拉斯顿棱镜6和第二渥拉斯顿棱镜8所决定的分光角的两倍分开，所以光阑的长度越长，分开距离越大，隔离度的方位冗余越大。但鉴于尺寸的原因，不必过长。本实用新型实施例提供的高功率隔离器的正向光路是一束任意偏振态的光入射隔离器，无损的通过光阑1，被走离晶体2分成两束光轴线互相平行、分开一定距离的偏振面互相正交的线偏振光，渥拉斯顿棱镜6将这两束线偏光按一定角度汇聚，汇聚点位于渥拉斯顿棱镜8的中点。经过渥拉斯顿棱镜6的被改变传输方向的两束光，经过半波片7，偏振面分别旋转45度，法拉第旋转器进一步将这两束光再朝同一方向旋转45度，总共是90度，到达渥拉斯顿棱镜8时，两束光的偏振面已经旋转了 90度，位于两光束交汇点的渥拉斯顿棱镜8分别将两束光的传播方向改变为与输入隔离器时平行的状态，最后无损的通过光阑5。所以总的效果是，输出光与输入光平行，经过分光后又汇聚成一束。本实用新型实施例提供的高功率隔离器的反向光路是一束任意偏振态的光反向输入隔离器，假设无损的通过光阑5，被渥拉斯顿棱镜8分成两束光轴线分开一定角度的偏振面互相正交的线偏振光，它们的偏振面被法拉第旋转器旋转45度，通过半波片7后朝与法拉第旋转器的旋光方向相反的方向旋转45度，于是相当于没有任何旋转，就是旋转角为O度。因为经过渥拉斯顿棱镜8分光后的两束线偏振光相当于没有偏振面旋转的进入渥拉斯顿棱镜6，渥拉斯顿棱镜6再次将两束线偏振光朝与渥拉斯顿棱镜8分光相似的方向分开，所以总的分开角度变为单个渥拉斯顿棱镜分开角度的2倍。与此同时，因为相比正向光路偏振面相差了 90度，这两束光被走离晶体2进一步分开而更加远离。总体的效果是，在离开走离晶体2的那一刻，两束光分开的距离是单个走离晶体分光距离的2倍，而角度也是单个渥拉斯顿棱镜分开角度的2倍。因为有角度分光的存在，只要光阑I离走离晶体2够远，总能得到离光阑I的通光孔足够远的距离。以致实际使用条件下的任何方位的反向光，都不能通过光阑I。在本实用新型中，高功率隔离器的正向设计光路是先用走离晶体将输入光分开一定距离，再用第一渥拉斯顿棱镜将两束光按一定角度会聚，经过合适的旋光，最后用第二渥拉斯顿棱镜将两束有一定夹角的会聚光合成一束光。在本实用新型中，高功率隔离器的反向设计光路是先第二渥拉斯顿棱镜将输入光分开一定角度，经过合适的旋光，再用第一渥拉斯顿棱镜将两束光分开更大的角度，最后用走离晶体将两束大角度的光侧移而分得更开，从而达成两束光远离输入光阑，而且输入光阑离走离晶体越远，两束光越远离输入光阑。本实用新型实施例提供的高功率隔离器，基于巧妙运用渥拉斯顿棱镜和走离晶体的组合，在较小的晶体尺寸之下，获得可调节且足够大的方位余量，使隔离器在任何方位的反向光入射之下都能获得满意的隔离度。该实用新型在成本节约的情况下达成了隔离度的无限制设计，尤其是方位余量大小可通过输入光阑的长度来调节和获得，具有结构上的突破性。该实用新型对偏振不敏感，对反向光的方位不敏感，能承受很强的反向功率。由于具有很大的通光孔径，使得功率密度很低，能承受很高的激光功率。本实用新型的特别之处在于，在一定范围内，通光孔径可以按要求提供，并不需要改动晶体尺寸而只需要简单加长输入光阑I即可。本实用新型对输入光偏振态不敏感，适用范围广，由于镀膜简单，可靠性高且透过率很高。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种高功率隔离器，其特征在于，该高功率隔离器的输入光阑套接在构件的前端； 走离元件设置在输入光阑和第一渥拉斯顿棱镜之间，并且走离元件的主平面与第一渥拉斯顿棱镜的楔角面垂直；法拉第磁光材料安装在外加磁场之内；输出光阑套接在构件的末端；半波片位于法拉第旋转器入端或出端；第二渥拉斯顿棱镜位于法拉第旋转器和输出光阑之间。
2.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述高功率隔离器选用导热系数高的金属材料输入光阑。
3.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述输入光阑上需要有通光孔，反射镜固定在通光孔的两侧。
4.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述走离元件是双折射晶体，其光轴与输入光在同一平面内并与输入光成一定角度的夹角，光轴与输入光构成主平面。
5.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述走离元件的输入输出面要平行且都应镀高质量增透膜。
6.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜分别由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射晶体光楔组成。
7.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述半波片是双折射晶体，光轴垂直于入射光。
8.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转器由非互易性法拉第磁光材料及外加磁场组成，外加磁场磁场方向平行或接近平行于光传输方向，其法拉第旋光角应等于或接近45度。
9.如权利要求1所述的高功率隔离器，其特征在于，所述高功率隔离器可以将两个光楔组件的光轴分别相对第一渥拉斯顿棱镜的两个光楔组件的光轴形成45度夹角。
专利摘要本实用新型公开了一种高功率隔离器，运用渥拉斯顿棱镜和走离晶体的组合，在较小的晶体尺寸之下，获得可调节且足够大的方位余量，使隔离器在任何方位的反向光入射之下都能获得满意的隔离度，在成本节约的情况下达成了隔离度的无限制设计，尤其是方位余量大小可通过输入光阑的长度来调节和获得，具有结构上的突破性。该实用新型对偏振不敏感，对反向光的方位不敏感，能承受很强的反向功率。本实用新型由于具有很大的通光孔径，使得功率密度很低，能承受很高的激光功率，通光孔径可以按要求提供，并不需要改动晶体尺寸而只需要简单加长输入光阑即可。本实用新型对输入光偏振态不敏感，适用范围广，由于镀膜简单，可靠性高且透过率很高。
文档编号G02F1/09GK202870426SQ201220515218
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者龙跃金 申请人:光越科技(深圳)有限公司