Faraday Rotatoren und Isolatoren
Was sind Faraday-Rotatoren und Faraday-Isolatoren?
Ein Faraday-Rotator ist eine Optik, die die Polarisationsrichtung des Lichts dreht. Sie besteht aus einem magnetooptischen Kristall, der in ein Magnetfeld platziert ist. Ein Faraday-Rotator wird häufig mit anderen Polarisationskomponenten kombiniert, um einen Faraday-Isolator zu bilden, der im Wesentlichen ein Einwegventil für Licht ist.
Faraday-Rotatoren und Faraday-Isolatoren verfügen über 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 Verwendung in so unterschiedlichen Anwendungen wie industriellen und medizinischen Lasersystemen, optischer Signalverarbeitung, optischer Sensorik, Telekommunikation und wissenschaftlicher Forschung.
Die wichtigste dieser einzigartigen Eigenschaften besteht darin, dass Faraday-Rotatoren die Polarisation immer in die gleiche Richtung drehen – unabhängig davon, aus welcher Richtung das Licht in das Gerät eintritt. Wenn der Rotator also so konfiguriert ist, dass er die Polarisation für Licht, das in eine Richtung durch ihn hindurchgeht, um 45° im Uhrzeigersinn dreht, wird er sie für Licht, das in die entgegengesetzte Richtung hindurchgeht, noch einmal um 45° in die gleiche Richtung drehen. Durch die beiden Hin- und Herbewegungen ergibt sich eine Polarisationsdrehung von insgesamt 90°.
Dies ist bei der Halbwellenplatte nicht der Fall. Wenn eine Wellenplatte so konfiguriert ist, dass sie die Polarisation des Lichts in eine Richtung um 45° dreht, wird sie die Polarisation um denselben Betrag zurückdrehen, wenn das Licht in die entgegengesetzte Richtung durch sie hindurchgeht. Die gesamte Doppeldurchgangsrotation beträgt 0°.
Ein Faraday-Rotator dreht die Polarisation immer in die gleiche Richtung. Wenn das Gerät beispielsweise so eingestellt ist, dass es das Licht um 45° dreht, ergibt sich bei zwei Vor- und Rückdurchgängen durch das Gerät eine Gesamtdrehung von 90°. Im Gegensatz dazu dreht eine Halbwellenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie das eingehende polarisierte Licht um 45° dreht, das zurückkehrende Licht einfach in seine ursprüngliche Ausrichtung zurück – eine Nettorotation von 0°.
Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass der von einem Faraday-Rotator erzeugte Drehwinkel durch das angelegte Magnetfeld bestimmt wird. Wenn die Quelle dieses Felds ein Elektromagnet (und kein Permanentmagnet) ist, kann der Grad der Drehung elektronisch gesteuert werden. Im Gegensatz dazu muss eine Halbwellenplatte physisch gedreht werden, um den Grad der von ihr erzeugten Rotation zu ändern.
Was sind Polarisation und der Faraday-Effekt?
Um besser zu verstehen, was ein Faraday-Rotator macht, müssen wir zunächst einen Schritt zurückgehen und kurz über die Polarisation sprechen. Und um die Polarisation zu verstehen, müssen wir über die Wellennatur des Lichts sprechen.
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Natürlich sind wir alle mit Wasserwellen vertraut. Stellen Sie sich einen Stein vor, der in einen Teich geworfen wird. Die Kräuselungen, die sich über das Wasser ausbreiten, sind Wellen. Das heißt, es handelt sich um periodische Schwankungen in der Höhe der Wasseroberfläche, die vom Zentrum aus nach außen verlaufen.
Vereinfachte Darstellung von Licht als elektromagnetische Welle und das Konzept der Polarisation.
Stellen Sie sich nun vor, dass es sich nicht um Wellen handelt, die aus Wellen der Wasseroberfläche bestehen, sondern um Wellen, die aus elektrischen und magnetischen Feldern bestehen. Dies bedeutet, dass sich die Stärke dieser Felder mit der Entfernung periodisch ändert, genau wie sich die Oberflächenhöhe bei einer Wasserwelle ändert.
Die Polarisation ist einfach die Raumrichtung, in die das elektrische Feld jeder Lichtwelle ausgerichtet ist. Denn bedenken Sie: Anders als eine Wasserwelle, die auf die Oberfläche des Teichs beschränkt ist (was bedeutet, dass der Wasserstand nur nach oben und unten schwanken kann), können sich Lichtwellen in jede beliebige Ausrichtung und Richtung bewegen. Sie benötigen kein Medium für ihre Ausbreitung.
Der Physiker Michael Faraday entdeckte im Jahr 1845, dass sich die Polarisationsrichtung der durch sie laufenden Lichtwellen ändert, wenn man bestimmte Materialien (sogenannte magnetooptische Materialien) in ein Magnetfeld einbringt. Das Ausmaß dieser Rotation ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfelds, der Entfernung, die das Licht im Material zurücklegt, und der Verdet-Konstante des Materials. Die Verdet-Konstante ist lediglich ein Maß für die Stärke des magnetooptischen Effekts in diesem bestimmten Material. Sie wird normalerweise durch Messen ermittelt.
Während die meisten transparenten dielektrischen Materialien magnetooptisch sind, ist der Effekt normalerweise sehr schwach. Es gibt jedoch einige Materialien, die eine große Verdet-Konstante aufweisen. Typischerweise sind dies Gläser oder Kristalle, die das Element Terbium enthalten. Insbesondere der Kristall Terbium-Gallium-Granat (TGG) weist einen starken magnetooptischen Effekt auf und hat eine geringe Absorption bei üblicherweise verwendeten Wellenlängen. Es verfügt darüber hinaus über verschiedene andere wünschenswerte physikalische Eigenschaften und ist relativ kostengünstig. Aus diesem Grund ist TGG eines der am häufigsten verwendeten Materialien zur Herstellung von Faraday-Rotatoren und -Isolatoren.
Was ist ein Faraday-Isolator?
Auf der Grundlage des Faraday-Rotators können zahlreiche photonische Komponenten konstruiert werden. Der Faraday-Isolator ist eine der nützlichsten und am weitesten verbreiteten Komponenten. Er lässt polarisiertes Licht in eine Richtung ungehindert durch, dämpft jedoch den größten Teil des Lichts, das aus der entgegengesetzten Richtung eindringt.
Der Faraday-Isolator wird häufig am Ausgangsende eines Lasers oder Laserverstärkers eingesetzt, um ihn vor zurückreflektiertem Licht zu schützen. Genauer gesagt handelt es sich dabei um Licht, das von anderen optischen Elementen im System oder von dem Objekt, das der Laser beleuchtet (beispielsweise ein reflektierendes Metallstück, das von einem Industrielaser geschweißt wird), zum Laser zurückreflektiert wird. Bei ausreichender Stärke kann zurückreflektiertes Licht einen Laser beschädigen. Aber auch bei viel geringeren Werten kann zurückreflektiertes Licht zu Betriebsinstabilitäten des Lasers führen, beispielsweise zu Rauschen und Leistungsschwankungen.
Die Funktionsweise von Faraday-Isolatoren ist konzeptionell einfach und wird in der Zeichnung veranschaulicht. Linear polarisiertes Licht (von links kommend) passiert einen entsprechend seiner Polarisation ausgerichteten Polarisator (Nr. 1). Es gelangt in einen Faraday-Rotator, der die Polarisation um 45° dreht. Das Licht passiert 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 ungedämpft durch das Gerät gelangt.
Jegliches vom optischen System oder Prozess zurückkommende Licht durchläuft zunächst einen Polarisator (Nr. 2), der alle Polarisationen ablehnt, die sich vom ursprünglichen Isolatorausgang unterscheiden. Dieses gefilterte Licht passiert dann den Rotator und erfährt eine weitere 45°-Drehung. Dadurch steht seine Polarisation im rechten Winkel zu seiner ursprünglichen Ausrichtung. Dies bedeutet, dass es vom ersten polarisierenden Strahlteiler (Nr. 1) abgelehnt wird.
Die grundlegenden Funktionsprinzipien eines Faraday-Isolators.
Für die Entwicklung und Herstellung praxistauglicher Faraday-Isolatoren ist die Abwägung mehrerer Faktoren erforderlich. Wichtige Parameter sind typischerweise Blendengröße, Wellenlängenbereich, Transmission (Dämpfung in Vorwärtsrichtung) und Isolation (Blockierung des zurückkehrenden Lichts). Auch die maximale Gesamtleistung des Lasers und die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) werden häufig berücksichtigt. Und natürlich werden dabei die Kosten und manchmal auch die physische Größe oder das Gewicht abgewogen.
Zur Optimierung dieser verschiedenen Parameter sind Designentscheidungen und Kompromisse hinsichtlich Stärke und Größe des Permanentmagneten, der erforderlichen Qualität des magnetooptischen Materials (insbesondere im Hinblick auf Absorption, Indexhomogenität und Doppelbrechung), der Art der verwendeten Dünnschichtbeschichtungen und vielem mehr erforderlich.
Daher bieten Hersteller von Faraday-Isolatoren wie Coherent eine Reihe unterschiedlicher Produkte an, die jeweils für unterschiedliche Aufgaben optimiert sind. Beispiele hierfür sind unsere kompakten Rotatoren und Isolatoren mit niedriger Leistung für Nahinfrarot-Seedlaser, EURYS-Rotatoren und -Isolatoren für Ti:Saphir-Oszillatoren und TORNOS-Rotatoren und -Isolatoren, die speziell dafür entwickelt wurden, optische Rückkopplungen in Lasern von 405 nm bis 980 nm zu verhindern.
Neuartige Technologie für Hochleistungsisolatoren
TGG ist aus mehreren Gründen seit langem der im Spektralbereich 650 – 1100 nm vorwiegend eingesetzte Faraday-Rotatorkristall. Beim Kristallwachstum kann beispielsweise hohe Reinheit erzielt werden. Es verfügt über eine hohe Verdet-Konstante und seine symmetrische kubische Kristallstruktur sowie die geringe intrinsische Doppelbrechung ermöglichen es, leicht eine hohe Isolierung zu erreichen, ohne dass empfindliche Ausrichtungsprozesse erforderlich sind. Zudem ist das Material relativ kostengünstig.
Aufgrund seiner Massenabsorption stößt jedoch selbst das reinste TGG irgendwann an seine Leistungsgrenzen. Diese Absorption führt zu einer lokalen Erwärmung im Kristall, was leistungseinschränkende Folgen hat. Da die Ausgangsleistung industrieller Laser in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen hat, sind die inhärenten Absorptions- und thermooptischen Eigenschaften von TGG zunehmend nachteilig geworden.
Kaliumterbiumfluorid (KTF) ist ein weiteres magnetooptisches Material mit einem ähnlichen Transmissionsbereich wie TGG sowie einer vergleichbaren Verdet-Konstante. Am wichtigsten ist jedoch, dass es einen niedrigeren Volumenabsorptionskoeffizienten (achtmal niedriger), thermooptischen Koeffizienten (15-mal niedriger) und spannungsoptischen Koeffizienten als TGG aufweist. Zusammen ermöglichen sie es, die Verschlechterungen der Isolationsleistung, des Strahlfokus und der Strahlqualität zu vermeiden, die bei TGG-basierten Faraday-Isolatoren auftreten, wenn diese einer sehr hohen Laserleistung ausgesetzt sind.
Frühe KTF-Züchtungsbemühungen führten zu Boules mit Blasen, Einschlüssen und Problemen mit hoher Streuung. Insgesamt ergab sich deshalb im Vergleich zu TGG keine Verbesserung der Übertragung. Doch Coherent hat als Pionier zahlreiche Prozessverbesserungen vorangetrieben, die nun zu höheren Erträgen an hochwertigem KTF bei geringeren Kosten führen. Dadurch konnten wir eine neue wettbewerbsfähige Serie von Faraday-Isolatoren produzieren, die speziell für Hochleistungslaser entwickelt wurden und dieses Material enthalten: die Coherent-Serie Pavos Ultra.
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