法拉第旋转器

2021-08-17 16:18:13 浏览:616

定义

利用法拉第效应可以使光的偏振状态旋转的装置。

法拉第旋转器一种磁光装置,光在处于磁场中的透明介质中传播。磁场方向与光束传播方向相同或者相反。如果光是某一方向的线偏振光,那么光通过介质时偏振方向不断的发生变化。总的旋转角为β :

其中V是材料的维尔德常数,B为磁通量(传播方向上的),L是介质的长度。维尔德常数是与波长密切相关的,波长越长,常数越小。

偏振方向的变化只与磁场方向和维尔德常数的符号有关。如果线偏振光先通过法拉第旋转器,经过反射镜后又重新通过法拉第旋转器,那么旋转角度为单次通过时旋转角的二倍,而不是相互抵消。这一非互易性质使法拉第旋转器与波片和偏振器区别开来。

要理解偏振态旋转的物理意义,可以将线偏振光看成两个圆偏振光的叠加。磁场使两圆偏振光产生相速度差。而相对相移则对应于线偏振光方向的变化。

制作细节

磁场通常由永磁体或者铁磁材料产生,需根据下列要求进行优化:

  • 磁场强度应够足够大,从而很短的介质就能得到一定的旋转角度。这样会减小很多不利的效应,例如寄生吸收(因此产生热效应)和介质的非线性效应。
  • 在光通过介质时磁通量密度应尽量保持不变。这样可以保证旋转角在空间上分布是均匀的。

这些目标在制作时需要作出权衡。磁场各向同性以及大的几何截面需要更强的磁体,或者需要减小场强度。因此,需要根据不同的应用需求对器件进行优化。例如,很重的昂贵的高功率装置具有大的孔径,而更便宜的小型装置应用于低功率的情况。

法拉第介质除了需要高的维尔德常数,还需要在工作的光谱区域具有很高的透明度,很高的光学质量,有时还需要高损伤阈值。通常采用的法拉第介质为工作于近红外光谱区域的铽镓石榴石晶体和铽掺杂硼硅酸盐玻璃,它们具有相对比较大的维尔德常数。而通信波段1300 nm或者1500 nm光谱区域常采用钇铁石榴石材料。

平均功率很高时,法拉第旋转器中寄生吸收效应会引起内部加热过程,然后热效应会引起光束畸变。有时甚至会发生热透镜效应。热透镜效应的功率相关性以及能引起光束很强的畸变对于器件都会造成很大的干扰。其它高功率工作时的相关效应在词条法拉第隔离器中有详细论述。

通常情况下,可以采用抗反射涂层减小入射和出射光在法拉第旋转器表面产生的损耗,涂层需要根据具体的工作波长范围来制作。涂层和与波长有关的维尔德常数都会限制工作带宽。

应用

法拉第旋转器可以应用于激光器技术中的许多方面:

  • 最重要的是应用到法拉第隔离器中,消除背向反射光从而保护激光器和放大器。在该应用中,对工作波长光束的旋转角应为45°。为了消除背向反射光,需要旋转角度是不变的。
  • 在环形谐振腔中采用法拉第旋转器对某一方向的光引入损耗,从而实现单向工作。通常仅需要很小的损耗差,因此需要的法拉第旋转器旋转角很小。还需要额外的半波片来补偿另一方向的偏振旋转。
  • 45°旋转器与端反射镜结合就组成了法拉第旋镜。如果激光光束进入放大器中(图1),然后被法拉第旋镜反射重新进入放大器中,这时反射光束的偏振方向与入射光束是正交的,尽管放大器不能保持偏振状态。因此,只需一个偏振器就可以分离开这两束相向传播的光束。这比采用法拉第隔离器,放大器加上常规反射镜要好。
  • 以上技术用到一定高功率激光器的激光器谐振腔中还可以用来减小偏振失真和去极化损耗。
  • 光纤耦合的法拉第旋镜在光纤干涉仪和光纤激光器中应用广泛。

参阅:法拉第隔离器

基础光学

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