一种机械无热补偿式的宽温法拉第旋光器的制作方法

1.本发明涉及激光器件技术领域，尤其涉及一种机械无热补偿式的宽温法拉第旋光器。


背景技术：

2.法拉第旋光器是基于磁光材料的法拉第效应即非互易性的旋光器件，可实现线偏振激光的高精度45
°
法拉第旋转，是高功率法拉第隔离器的关键部件。
3.法拉第旋光器因磁光材料及永磁材料温度特性而属于温度敏感型器件，高隔离度要求法拉第旋光角恒定。现有技术中的法拉第旋光器只能应用于恒温恒湿实验室平台，过多的偏离室温后，其法拉第旋光角将严重偏离45
°
，造成系统中法拉第隔离器的隔离度降低、插入损耗增加，从而降低系统中背反射光的隔离能力，使激光系统面临巨大的损坏风险，从而无法满足国防和空间技术的恶劣环境工作温度要求。
4.为了使法拉第旋光器能够应用于宽温环境，现有技术已经做了很多努力，采用的技术包括：水冷风冷式、自然散热式、热管散热式等。但是，这些技术都存在各种问题：强迫水冷式面临水冷装置体积巨大，高能耗，同时伴随着巨大的电磁干扰及震动、噪声，需人工同步调整；强迫风冷技术在此可能面临引起光束质量不稳定的风险且效率较低的问题，同时会带来外界灰尘对旋光元件端面的污染；自然散热形式效率较低，随着高功率激光的热辐照效应，导致旋光元件内部的热量逐渐累积，无法满足宽温性能的需求；热管散热式面临的问题是，为避免热量对器件磁路的影响，需对热管散热装置的导热系统进行特殊设计，需将热量导流至合适的部位进行局部散热，结构较复杂，且法拉第旋光器为强磁性光学器件，强磁特性将大大增加热管散热装置的置入难度，成本较高。
5.另外，中国专利公布号cn108663752a公开了通过热双金属做的角度温度补偿装置，具体为螺旋状结构，其自由端固定半波片，随环境温度变化使得半波片光轴产生角度旋转，来间接补偿法拉第旋光角的变化，该专利的缺点是：器件适用温度范围仅为0℃～ 50℃，且所需光学元件数量多，再者半波片光轴的旋转角度如何高精度匹配旋光晶体的法拉第旋光角实时变化，旋转半波片过程中如何保证激光束垂直入射角度等等，对热双金属做的角度温度补偿装置是巨大的考验，存在着装置可靠性差甚至功能失效的风险；中国专利公布号cn 207457639 u通过热敏元件的热胀冷缩性质来改变导磁块间距的变化，来补偿旋光晶体内的磁场强度变化，该方法也是间接补偿法拉第旋光角的变化，缺点是可靠性差，导磁块所需推力较大，无实用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于提供一种机械无热补偿式的宽温法拉第旋光器，以解决上述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种机械无热补偿式的宽温法拉第旋光器，包括复合磁体，所述复合磁体内的中心位置设置有旋光晶体，所述旋光晶
体外套设有旋光晶体套筒，在所述旋光晶体套筒的外周设置有热敏元件，并设置有用于固定所述热敏元件的固定盘、在所述热敏元件的一端还设置有活动法兰盘以及弹簧，所述弹簧位于活动法兰盘与固定盘之间。
7.作为优选的技术方案：所述复合磁体由第一磁铁、中间导磁金属环和第二磁铁构成，其中，所述第一磁铁的磁化方向与光轴方向垂直，并且与第二磁铁的磁化方向相反，采用此种复合磁体可为旋光晶体提供稳恒的、均匀的高磁感应强度磁场，且小体积、结构紧凑。
8.作为进一步优选的技术方案：所述第一磁铁和第二磁铁材料为耐高温的钐钴或钕铁硼永磁体。
9.作为优选的技术方案：所述的热敏元件为两层或多层不同高低温度膨胀系数的合金材料构成。
10.作为进一步优选的技术方案：所述的热敏元件为热双金属或形状记忆合金；数量为1～30组，其数量越多，有利于复合磁体的小型化，产生的推力大、精度高，能更好的补偿法拉第旋光角的大角度偏离。
11.作为进一步优选的技术方案：所述热敏元件焊接在旋光晶体套筒的周边。
12.热敏元件通过上述优选设置，具有温控精度高、控制灵敏、大推力、使用寿命长、工作温度范围宽等优点。
13.作为优选的技术方案：所述的旋光晶体的温度系数为9.4
×
10-6
/℃或更小；进一步优选铽镓石榴石tgg单晶，因为其verdet系数随温度变化影响较小。
14.本发明的机械无热补偿结构核心材料为热敏材料，热敏材料做成的n组碟型圆片式结构与旋光晶体套筒精密调节装置集成兼容，对温度变化反应灵敏，位移大，能够产生较大的推力，利用其随环境温度变化而发生曲率半径变化、且位移与温度呈线性比例关系的特性。当环境温度变化时，碟型圆片式结构将精准控制旋光晶体向磁场强度增强/减弱的方向产生位移，以补偿旋光角度的下降/增加。
15.与现有技术相比，本发明的优点在于：与现有的宽温法拉第旋光器旋转角度调节方式相比，采用机械无热补偿式结构不需要人为操作，可自动消除环境温度变化造成的旋转角度偏移，在-40℃～ 60℃的温度变化范围内，能够实现精准的无热化温度补偿功能，保持法拉第旋光角的恒定；并且结构简单，不增加器件的尺寸和质量，安装调试方便，成本低，适用于军用光学仪器的-40℃～ 60℃宽温使用要求。
附图说明
16.图1为本发明实施例1的机械无热补偿式宽温法拉第旋光器结构图；图2为图1中复合磁体的结构示意图；图3为本发明实施例1的
“ⅱ”
型复合磁体中心轴线轴向磁场曲线分布图；图4为实施例1的碟型圆片式热敏元件结构图；图5为使用实施例1的机械无热补偿前、后法拉第旋光角变化图。
17.图中：1、复合磁体；11、第一磁铁；12、中间导磁金属环；13、第二磁铁；2、旋光晶体；3、旋光晶体套筒；4、固定盘；5、热敏元件；6、活动法兰盘；7、弹簧。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
19.实施例1：一种机械无热补偿式的宽温法拉第旋光器，参见图1，包括复合磁体1，所述复合磁体1内的中心位置设置有旋光晶体2，所述的旋光晶体2的温度系数为9.4
×
10-6
/℃，所述旋光晶体2外套设有旋光晶体套筒3，所述热敏元件5焊接在旋光晶体套筒3的周边，并设置有用于固定所述热敏元件5的固定盘4、在所述热敏元件5的一端还设置有活动法兰盘6以及弹簧7，所述弹簧7位于活动法兰盘6与固定盘4之间；本实施例中：所述复合磁体1的结构如图2所示，由第一磁铁11、中间导磁金属环12和第二磁铁13构成，其中，所述第一磁铁11的磁化方向与光轴方向垂直，并且与第二磁铁13的磁化方向相反，图1中箭头方向为磁化方向；本实施例中，所述第一磁铁11和第二磁铁13材料均为耐高温的钕铁硼永磁体；本实施例的复合磁体为
“ⅱ”
型组合（第一磁铁11和第二磁铁13磁化方向构成
“ⅱ”
型）的永磁磁路，可为旋光晶体2提供稳恒的、均匀的高磁感应强度磁场，且小体积、结构紧凑，其中心轴线轴向磁场曲线分布如图3所示；本实施例中：所述的热敏元件5为碟型圆片式热敏元件，由两层不同高低温度膨胀系数的合金材料构成，两单层材料的结构如图4所示，本实施例所述的热敏元件5为热双金属；数量为15组排列。
20.当环境温度变化时，上述结构利用热敏元件5的热胀冷缩性质来精准控制旋光晶体2在磁路中的相对移动量，可以补偿由于环境温度变化带来法拉第旋光角的变化，确保旋光晶体2对入射激光的偏振旋光角度在不同环境温度下保持不变，使法拉第旋光器能稳定工作，如图5所示，能够实现-40℃～ 60℃的温度变化范围内，保持法拉第旋光角的恒定，图5中，
“●”
代表使用本发明的宽温法拉第旋光器前的旋光角变化曲线，
“▲”
代表使用本发明的宽温法拉第旋光器后的旋光角变化曲线。
21.采用本实施例的宽温法拉第旋光器进行补偿法拉第旋光角的变化的原理如下：假设环境温度增加时，因磁路的磁场强度及旋光晶体的verdet系数降低，旋光角度＜45
°
，热敏材料制备的碟型圆片式结构5一端固定在固定盘4，另一端连接活动法兰盘6，碟型圆片式热敏元件5开始弯曲变形，产生力矩，将会推动旋光晶体套筒3沿轴向前进，旋光晶体套筒3内安装有旋光晶体2，可推动旋光晶体2向磁场强度增强的方向产生位移,以补偿旋光角度的下降，使之升至45
°
；同理，假设环境温度降低时，因磁路的磁场强度及旋光晶体的verdet系数升高，旋光角度＞45
°
，碟型圆片式热敏元件5收缩直至平展，产生力矩，将会推动旋光晶体套筒3沿轴向收缩，推动旋光晶体2向磁场强度减弱的方向产生位移，以补偿旋光角度的下降，使之降至45
°
。
22.上述的值的确定方法：1）光学设计首先以室温（23℃）作为理论计算值，调试法拉第旋光器的旋光角度为45
°
；2）再将法拉第旋光器置于-40℃低温工作环境中，测试其法拉第旋光角为；
3）在波长一定的情况下，法拉第旋光系数与温度呈比例关系，接着调试旋光角度至45
°
，利用量具量出旋光晶体轴向移动的距离，其值较小，一般在-40℃～ 23℃范围内变化值在2～3mm左右；4）再根据热敏材料比弯曲系数k属性，计算出满足要求的位移量所需的碟型圆片式热敏元件5的厚度t、内径、外径及数量n，如图4所示；同理， 60℃环境温度下，法拉第旋光器恢复至45
°
旋光角度所需值原理一致。
23.实施例2：本实施例与实施例1相比，所述的旋光晶体2的温度系数为9.4
×
10-6
/℃，复合磁体1中的第一磁铁11和第二磁铁13材料均为耐高温的钐钴永磁体，热敏元件5为两种金属元素组成的形状记忆合金，其余与实施例1相同，结果证明，应用钐钴永磁体及形状记忆合金，同样可满足法拉第旋光器在-40℃～ 60℃宽温使用要求。
24.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。