ファラデー回転子とアイソレーター
ファラデー回転子とファラデーアイソレータとは何ですか?
ファラデー回転子は光の偏光方向を回転させる光学系です。磁場内に配置された磁気光学結晶で構成されています。ファラデー回転子は、多くの場合、他の偏光コンポーネントと組み合わせられてファラデーアイソレータになります。ファラデーアイソレータは、本質的には光の一方向弁です。
ファラデー回転子とファラデーアイソレータは、特に波長板やその他の複屈折光学系（偏光制御に広く使用されている他のコンポーネント）と比較して、偏光を操作するための独自の機能と特性を備えています。その結果、産業用および医療用レーザシステム、光信号処理、光センシング、電気通信、理科学研究など、さまざまな用途に使用されています。
これらの独自の特性のうち最も重要なのは、光がどの方向からデバイスに入ってきても、ファラデー回転子は常に同じ方向に偏光を回転させることです。したがって、回転子が、一方向に通過する光に対して偏光を時計回りに45° 回転するように構成されている場合、反対方向に通過する光に対しても同じ方向に45° 回転します。2回の往復により、合計90° の偏光回転が発生します。
半波長板の場合はそうではありません。波長板が光の偏光を一方向に45°回転するように構成されている場合、光が反対方向に通過すると、同じ量だけ元の方向に回転します。ダブルパスの合計回転は0° になります。
ファラデー回転子は常に同じ方向に偏光を回転させます。したがって、光を45°回転するように設定されている場合、デバイスを2回前後に通過すると、合計90°の回転が生成されます。対照的に、入力偏光を45° 回転するように構成された半波長板は、戻ってきた光を元の方向に回転させるだけなので、実質的な回転は0° になります。
もう一つの重要な違いは、ファラデー回転子によって生成される回転角度は、印加される磁場によって決まるということです。この磁場の発生源が永久磁石ではなく電磁石である場合、回転量を電子的に制御できます。対照的に、半波長板は、生成される回転量を変更するには物理的に回転する必要があります。
偏光とファラデー効果とは何ですか?
ファラデー回転子の働きをよりよく理解するには、まず少し立ち止まって偏光について簡単に説明する必要があります。偏光を理解するには、光の波動性について話す必要があります。
光は電磁波です。もちろん、私たちは皆、水の波をよく知っています。池に石が投げ込まれたところを想像してください。水面に広がるさざ波は波です。つまり、中心から外側に移動する水の表面の高さの周期的な変化です。
電磁波としての光の簡略化された表現と偏光の概念。
ここで、水面の高さの波紋である波の代わりに、電場と磁場からなる波があると想像してください。これは、水面の高さが波の中で変化するのと同じように、これらのフィールドの強度が距離に応じて周期的に変化することを意味します。
偏光とは、単純に言えば、各光波の電界が空間内でどの方向に向いているかということです。覚えておいていただきたいのは、池の表面に限定される水の波とは異なり（つまり、水の高さは上下にしか変化しないということです）、光の波はあらゆる方向や向きに伝わる可能性があるからです。光の波は伝播するための媒体を必要としません。
物理学者マイケル・ファラデーが1845年に発見したのは、いくつかの材料（磁気光学材料と呼ばれる）が磁場の中に置かれると、そこを通過する光波の偏光方向が回転するということです。この回転量は、磁場の強さ、光が物質内を移動する距離、および物質のベルデ定数に正比例します。ベルデ定数は、その特定の材料における磁気光学効果の強さの単なる尺度です。通常は測定によって決定されます。
ほとんどの透明な誘電体材料は磁気光学的ですが、その効果は通常非常に弱いです。ただし、大きなベルデ定数を持つ材料もいくつかあります。通常、これらはテルビウム元素を含むガラスまたは結晶です。特に、結晶テルビウムガリウムガーネット（TGG）は強い磁気光学効果を示し、一般的に使用される波長での吸収が低くなります。また、その他のさまざまな望ましい物理的特性も備えており、コストも比較的低くなっています。そのため、TGGはファラデー回転子やアイソレータの製造に最も一般的に使用される材料の1つです。
ファラデーアイソレータとは何ですか?
ファラデー回転子に基づいて構築できるさまざまなフォトニック コンポーネントがあり、ファラデーアイソレータはその中で最も有用で広く使用されているものの1つです。これにより、偏光は一方向に妨げられずに通過できますが、反対方向から入射するほとんどの光は減衰します。
ファラデーアイソレータの一般的な用途は、レーザまたはレーザ増幅器の出力端で後方反射光から保護することです。具体的には、これは、システム内の他の光学系、またはレーザが照射している物体（たとえば、工業用レーザによって溶接される反射金属片）によってレーザに向かって反射される光です。十分に強力な場合、反射光がレーザーを損傷する可能性があります。しかし、はるかに低いレベルであっても、後方反射光はノイズや出力変動などのレーザ動作の不安定性を引き起こす可能性があります。
ファラデー アイソレータの動作は概念的に単純であり、図に示されています。直線偏光（左から入ってくる）は、その偏光に合わせて調整された偏光子（＃1）を通過します。それはファラデー回転子に入り、偏光を45°回転させます。光は、この回転された偏光に合わせて配置された別の偏光子（#2）を通過し、光学システムとプロセスへ出力されます。この構成により、事実上すべてのレーザー光が減衰せずにデバイスを通過できるようになります。
光学システムまたはプロセスから返された光は、最初に偏光子（#2）を通過します。偏光子は、元のアイソレータ出力とは異なるすべての偏光を拒否します。このフィルタリングされた光は、回転子を通過してさらに45度回転します。これにより、偏光は元の方向に対して直角になります。これは、最初の偏光ビームスプリッター (#1) によって拒否されることを意味します。
ファラデーアイソレータの基本的な動作原理。
実用的なファラデーアイソレータの設計と製造には、いくつかの要素のバランスを取る必要があります。主なパラメータは通常、開口部のサイズ、波長範囲、透過率（順方向の減衰）、および分離（戻り光の遮断）です。全体的な最大レーザー出力定格とレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) も、多くの場合、考慮されます。そしてもちろん、これらすべてはコスト、そして時には物理的なサイズや重量とトレードオフされます。
これらのさまざまなパラメータを最適化するには、永久磁石の強度とサイズ、磁気光学材料の必要な品質（特に吸収率、指数均質性、複屈折性）、使用する薄膜コーティングの種類などにおいて、設計上の選択とトレードオフを行う必要があります。
その結果、Coherentなどのファラデーアイソレータのメーカーは、さまざまなタスクに最適化されたさまざまな製品を提供しています。例としては、近赤外シードレーザ用のコンパクトな低出力回転子およびアイソレータ、チタンサファイアオシレータ用のEURYS回転子およびアイソレータ 、405 nm～980 nmのレーザで光学的フィードバックを防止するように特別に設計されたTORNOSローテータおよびアイソレータがあります。
高出力アイソレータの新技術
TGGは、いくつかの理由から、650～1100 nmのスペクトル範囲に適したファラデー回転子結晶として長い間選ばれてきました。たとえば、高純度で成長させることができます。高いベルデ定数を持ち、対称立方結晶構造と低い固有複屈折により、繊細なアライメントプロセスを必要とせずに高い分離性を容易に達成できます。また、比較的低コストです。
しかし、最も純粋なTGGでも、最終的にはバルク吸収によりパフォーマンスの限界に達します。この吸収により結晶内で局所的な加熱が発生し、パフォーマンスが制限されることになります。過去数十年にわたって産業用レーザの出力が拡大し続けるにつれて、TGGの固有の吸収特性と熱光学特性はますます不利になってきました。
フッ化テルビウムカリウム (KTF) は、TGGと同様の透過範囲と同等のベルデ定数を持つ別の磁気光学材料です。最も重要なのは、TGGよりもバルク吸収係数 (8倍低い)、熱光学係数 (15倍低い)、および応力光学係数が低いことです。これらを組み合わせることで、TGGベースのファラデーアイソレータが超高出力レーザにさらされた場合に問題となる、アイソレーション性能、ビームフォーカス、ビーム品質の劣化を回避することができます。
初期のKTF成長の取り組みで生成されたブールは、泡や含有物を含み、散乱度が高いという問題のあるものでした。このため、TGGと比較して透過率が正味で改善されることはありませんでした。しかし、Coherentは数多くの加工方法改良の先駆者となり、現在ではコストを削減しながら高品質のKTFの歩留まりを向上させています。これにより、この材料を組み込んだ、高出力レーザー専用のコスト競争力のあるファラデーアイソレータシリーズ（ Coherent Pavos Ultraシリーズ ）を生産できるようになりました。
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