Was sind Faraday-Rotatoren und -Isolatoren?
Was sind Faraday-Rotatoren und Faraday-Isolatoren?
Ein Faraday-Rotator ein optisches Element, das die Polarisationsrichtung des Lichts dreht. Er besteht aus einem magnetooptischen Kristall, der in einem Magnetfeld angeordnet ist. Ein Faraday-Rotator häufig mit anderen Polarisationskomponenten kombiniert, um einen Faraday-Isolator zu bilden, der im Wesentlichen ein Einwegventil für Licht darstellt.
Faraday-Rotatoren und Faraday-Isolatoren einzigartige Möglichkeiten und Eigenschaften zur Manipulation von polarisiertem Licht, insbesondere im Vergleich zu Wellenplatten oder anderen doppelbrechenden optischen Elementen (den anderen weit verbreiteten Komponenten zur Polarisationssteuerung). Daher finden sie in so unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie industriellen und medizinischen Lasersystemen, der optischen Signalverarbeitung, der optischen Sensorik, der Telekommunikation und der wissenschaftlichen Forschung Verwendung.
Die wichtigste dieser einzigartigen Eigenschaften ist, dass Faraday-Rotatoren die Polarisation immer in dieselbe Richtung drehen – unabhängig davon, aus welcher Richtung das Licht in das Bauteil eintritt. Ist der Rotator also so ausgelegt, dass er die Polarisation von Licht, das in einer Richtung durch ihn hindurchgeht, um 45° im Uhrzeigersinn dreht, dreht er sie auch bei Licht, das in die entgegengesetzte Richtung läuft, erneut um 45° in dieselbe Richtung. Die beiden Durchläufe hin und zurück ergeben eine Gesamtpolarisationsdrehung von 90°.
Bei der Halbwellenplatte ist dies nicht der Fall. Wenn eine Wellenplatte so ausgelegt ist, dass sie die Polarisation des Lichts in einer Richtung um 45° dreht, dreht sie diese um denselben Winkel zurück, wenn das Licht in die entgegengesetzte Richtung durch sie hindurchgeht. Die gesamte Drehung nach zweimaligem Durchgang beträgt 0°.
Ein Faraday-Rotator dreht die Polarisation Faraday-Rotator in dieselbe Richtung. Ist er also so eingestellt, dass er das Licht um 45° dreht, ergibt sich bei zweimaligem Durchlaufen des Geräts hin und zurück eine Gesamtdrehung von 90°. Im Gegensatz dazu dreht eine Halbwellenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie das polarisierte Eingangslicht um 45° dreht, das zurückgeworfene Licht einfach wieder in seine ursprüngliche Ausrichtung zurück – eine Nettodrehung von 0°.
Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass der von einem Faraday-Rotator erzeugte Drehwinkel durch das angelegte Magnetfeld bestimmt Faraday-Rotator . Wenn ein Elektromagnet (anstelle eines Permanentmagneten) die Quelle dieses Feldes ist, lässt sich der Drehwinkel elektronisch steuern. Im Gegensatz dazu muss eine Halbwellenplatte physisch gedreht werden, um den von ihr erzeugten Drehwinkel zu verändern.
Was sind Polarisation und der Faraday-Effekt?
Um besser zu verstehen, wie ein Faraday-Rotator , muss man zunächst einen Schritt zurücktreten und kurz auf die Polarisation eingehen. Und um die Polarisation zu verstehen, müssen wir uns mit der Wellennatur des Lichts befassen.
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Wasserwellen sind uns natürlich allen bekannt. Stell dir vor, man wirft einen Stein in einen Teich. Die sich über das Wasser ausbreitenden Wellen sind Wellen. Das heißt, es handelt sich um periodische Schwankungen der Wasseroberfläche, die sich vom Mittelpunkt aus ausbreiten.
Vereinfachte Darstellung von Licht als elektromagnetische Welle und das Konzept der Polarisation.
Stellen Sie sich nun vor, dass es sich bei den Wellen nicht um Schwankungen der Wasseroberfläche handelt, sondern um Wellen, die aus elektrischen und magnetischen Feldern bestehen. Das bedeutet, dass sich die Stärke dieser Felder über die Entfernung hinweg periodisch ändert, genau wie sich die Höhe der Wasseroberfläche bei einer Wasserwelle ändert.
Polarisation ist einfach die Richtung im Raum, in der das elektrische Feld jeder Lichtwelle ausgerichtet ist. Denn man muss bedenken: Im Gegensatz zu einer Wasserwelle, die auf die Oberfläche eines Teiches beschränkt ist (was bedeutet, dass die Wasserhöhe nur nach oben und unten schwanken kann), können sich Lichtwellen in jeder Ausrichtung und Richtung ausbreiten. Sie benötigen kein Medium, in dem sie sich ausbreiten können.
Der Physiker Michael Faraday entdeckte 1845, dass sich die Polarisationsrichtung von Lichtwellen, die durch bestimmte Materialien (sogenannte magnetooptische Materialien) wandern, dreht, wenn diese in ein Magnetfeld gebracht werden. Das Ausmaß dieser Drehung ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfelds, zur Strecke, die das Licht im Material zurücklegt, und zur Verdet-Konstante des Materials. Die Verdet-Konstante ist einfach ein Maß für die Stärke des magnetooptischen Effekts in diesem spezifischen Material. Sie wird in der Regel durch Messung bestimmt.
Zwar weisen die meisten transparenten dielektrischen Materialien einen magnetooptischen Effekt auf, doch ist dieser in der Regel sehr schwach. Es gibt jedoch einige wenige Materialien, die eine große Verdet-Konstante aufweisen. Typischerweise handelt es sich dabei um Gläser oder Kristalle, die das Element Terbium enthalten. Insbesondere der Kristall Terbium-Gallium-Granat (TGG) weist einen starken magnetooptischen Effekt auf und hat Absorption geringe Absorption häufig verwendeten Wellenlängen. Er verfügt zudem über verschiedene andere wünschenswerte physikalische Eigenschaften und ist relativ kostengünstig. Deshalb ist TGG eines der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Faraday-Rotatoren und Isolatoren.
Was ist ein Faraday-Isolator?
Es gibt eine Vielzahl von photonischen Bauelementen, die auf der Basis des Faraday-Rotator hergestellt werden können, und der Faraday-Isolator eines der nützlichsten und am häufigsten eingesetzten davon. Er lässt polarisiertes Licht in einer Richtung ungehindert durch, dämpft jedoch den Großteil des Lichts, das aus der entgegengesetzten Richtung einfällt.
Der Faraday-Isolator häufig am Ausgang eines Lasers oder Laserverstärkers eingesetzt, um diesen vor rückreflektiertem Licht zu schützen. Dabei handelt es sich konkret um Licht, das von anderen optischen Komponenten im System oder von dem vom Laser bestrahlten Objekt (beispielsweise einem reflektierenden Metallstück, das mit einem Industrielaser geschweißt wird) zurück zum Laser reflektiert wird. Wenn es stark genug ist, kann rückreflektiertes Licht einen Laser beschädigen. Aber selbst bei viel geringerer Intensität kann rückreflektiertes Licht zu Instabilitäten im Laserbetrieb führen, wie z. B. Rauschen und Leistungsschwankungen.
Die Funktionsweise von Faraday-Isolatoren ist prinzipiell einfach und in der Abbildung dargestellt. Linear polarisiertes Licht (von links einfallend) durchläuft einen Polarisator (Nr. 1), der auf seine Polarisation ausgerichtet ist. Es gelangt in einen Faraday-Rotator die Polarisation um 45° dreht. Das Licht durchläuft einen weiteren Polarisator (Nr. 2), der auf diese gedrehte Polarisation ausgerichtet ist, und gelangt dann in das optische System und den Prozess. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass praktisch das gesamte Laserlicht das Gerät ungedämpft durchläuft.
Jedes vom optischen System oder Prozess zurückgeworfene Licht durchläuft zunächst einen Polarisator (Nr. 2), der alle Polarisationsrichtungen aussortiert, die von der ursprünglichen Ausgangsrichtung des Isolators abweichen. Dieses gefilterte Licht durchläuft anschließend den Rotator und wird um weitere 45° gedreht. Dadurch steht seine Polarisationsrichtung im rechten Winkel zu seiner ursprünglichen Ausrichtung. Das bedeutet, dass es vom ersten polarisierenden Strahlteiler Nr. 1) zurückgewiesen wird.
Die grundlegenden Funktionsprinzipien eines Faraday-Isolator.
Bei der Entwicklung und Herstellung praktischer Faraday-Isolatoren müssen verschiedene Faktoren gegeneinander abgewogen werden. Zu den wichtigsten Parametern zählen in der Regel die Öffnungsgröße, Wellenlänge , die Transmission (Dämpfung in Vorwärtsrichtung) und die Isolation (Unterdrückung des Rücklichts). Auch die maximale Gesamtlaserleistung und Zerstörschwelle laserinduzierte Zerstörschwelle LIDT) spielen häufig eine Rolle. Und natürlich müssen all diese Faktoren gegen die Kosten und manchmal auch gegen die physikalische Größe oder das Gewicht abgewogen werden.
Die Optimierung dieser verschiedenen Parameter erfordert konstruktive Entscheidungen und Kompromisse hinsichtlich der Stärke und Größe des Permanentmagneten, der erforderlichen Qualität des magnetooptischen Materials (insbesondere in Bezug auf Absorption, Indexhomogenität und Doppelbrechung), der Art der verwendeten Dünnschichtbeschichtungen und weiterer Faktoren.
Daher Coherent Faraday-Isolator wie Coherent eine Reihe verschiedener Produkte Coherent , die jeweils für unterschiedliche Aufgaben optimiert sind. Beispiele hierfür sind unsere kompakten Low-Power-Rotatoren und -Isolatoren für Nah-IR-Seed-Laser, EURYS-Rotatoren und -Isolatoren für Ti:Sapphire sowie TORNOS-Rotatoren und -Isolatoren, die speziell dafür entwickelt wurden, optische Rückkopplungen in Lasern im Wellenlängenbereich von 405 nm bis 980 nm zu verhindern.
Neuartige Technologie für Hochleistungsisolatoren
TGG ist aus mehreren Gründen seit langem der Faraday-Rotator der Wahl für den Spektralbereich von 650 bis 1100 nm. So lässt er sich beispielsweise in hoher Reinheit züchten. Er weist eine hohe Verdet-Konstante auf, und dank seiner symmetrischen kubischen Kristallstruktur sowie seiner geringen intrinsischen Doppelbrechung lässt sich eine hohe Isolation leicht erzielen, ohne dass empfindliche Ausrichtungsverfahren erforderlich sind. Zudem ist er relativ kostengünstig.
Doch selbst das reinste TGG stößt aufgrund seiner starken Absorption irgendwann an seine Leistungsgrenzen. Diese Absorption einer lokalen Erwärmung innerhalb des Kristalls, was die Leistung einschränkt. Da die Ausgangsleistung von Industrielasern in den letzten Jahrzehnten stetig gestiegen ist, haben sich die TGG-typischen Absorption thermooptischen Eigenschaften zunehmend als nachteilig erwiesen.
Kalium-Terbium-Fluorid (KTF) ist ein weiteres magnetooptisches Material mit einem ähnlichen Durchlässigkeitsbereich wie TGG sowie einer vergleichbaren Verdet-Konstante. Vor allem verfügt es über einen niedrigeren Absorption (achtmal niedriger), einen niedrigeren thermooptischen Koeffizienten (15-mal niedriger) und einen niedrigeren stressoptischen Koeffizienten als TGG. Zusammen ermöglichen diese Eigenschaften, die Verschlechterungen der Isolationsleistung, der Strahlfokussierung und der Strahlqualität zu vermeiden, unter denen TGG-basierte Faraday-Isolatoren leiden, wenn sie sehr hoher Laserleistung ausgesetzt sind.
Frühe Versuche zur Herstellung von KTF führten zu Kristallstäben mit Blasen, Einschlüssen und starker Streuung. Diese brachten keine nennenswerte Verbesserung der Transmission gegenüber TGG. Coherent jedoch zahlreiche Prozessverbesserungen entwickelt, die nun eine höhere Ausbeute an hochwertigem KTF zu geringeren Kosten ermöglichen. Dies hat es uns ermöglicht, eine kostengünstige Serie von Faraday-Isolatoren zu produzieren, die speziell für Hochleistungslaser entwickelt wurde – die Coherent Ultra-Serie –, in der dieses Material zum Einsatz kommt.
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