패러데이 로테이터 및 절연체
패러데이 회전자와 패러데이 절연체란 무엇입니까?
패러데이 회전자는 빛의 편광 방향을 회전시키는 광학 장치입니다. 자기장에 배치된 자기 광학 결정체로 구성됩니다. 패러데이 회전자는 흔히 다른 편광 구성 요소와 결합되어 본질적으로 빛의 일방향 밸브인 패러데이 절연체를 만듭니다.
패러데이 회전자와 패러데이 절연체는 특히 파장판이나 기타 복굴절 광학 장치(편광 제어를 위해 널리 사용되는 다른 구성 요소)와 비교했을 때 편광을 조작하기 위한 고유한 기능 및 특성 집합을 갖추고 있습니다. 결과적으로 산업용 및 의료용 레이저 시스템, 광 신호 처리, 광 감지, 통신 및 과학 연구와 같은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다.
이러한 고유한 특성 중 가장 중요한 것은 빛이 장치에 들어오는 방식에 관계없이 패러데이 회전자가 항상 동일한 방향으로 편광을 회전한다는 것입니다. 따라서 회전자가 한 방향으로 통과하는 빛에 대해 시계 방향으로 45° 편광을 회전하도록 구성되면 반대 방향으로 이동하는 빛에 대해 다시 같은 방향으로 45° 회전합니다. 앞뒤로 두 번 이동하면 총 90°의 편광 회전이 생성됩니다.
이는 반파장판의 경우에는 해당되지 않습니다. 파장판이 빛의 편광을 한 방향으로 45° 회전하도록 구성되면 빛이 반대 방향으로 통과할 때 동일한 양만큼 다시 회전합니다. 총 더블패스 회전은 0°가 됩니다.
패러데이 회전자는 항상 같은 방향으로 편광을 회전시킵니다. 따라서 빛을 45° 회전하도록 설정한 경우 장치를 왕복하여 두 번 통과하면 총 90° 회전하게 됩니다. 반대로, 입력 편광된 빛을 45° 회전시키도록 구성된 반파장판은 반환된 빛을 원래의 방향으로 회전시키므로 순 회전 각도가 0°가 됩니다.
또 다른 중요한 차이점은 패러데이 회전자에 의해 생성된 회전 각도가 적용된 자기장에 의해 결정된다는 것입니다. 영구 자석이 아닌 전자석이 이 자기장의 소스인 경우 회전량을 전자적으로 제어할 수 있습니다. 반대로, 반파장판은 생성되는 회전량을 변경하려면 물리적으로 회전시켜야 합니다.
편광과 패러데이 효과란 무엇입니까?
패러데이 회전자의 역할을 더 효과적으로 이해하려면 먼저 한 걸음 물러서서 편광에 대해 간략하게 설명해야 합니다. 그리고 편광을 이해하려면 빛의 파동 특성에 대해 이야기해야 합니다.
빛은 전자기파입니다. 우리 모두는 당연히 물의 파동에 익숙합니다. 연못에 돌을 던졌다고 상상해 보세요. 물 위로 퍼지는 잔물결이 바로 파동입니다. 다시 말해, 파동이란 중심에서 밖으로 이동하는 물의 표면 높이가 주기적으로 변하는 현상입니다.
빛을 전자기파로 단순화하여 표현한 것과 편광의 개념.
이제 수면 높이에서 퍼지는 잔물결인 파동 대신에 전기장과 자기장으로 구성된 파동이 있다고 상상해 보십시오. 즉, 물 파동의 표면 높이가 변하는 것처럼 거리에 따라 이러한 장의 강도가 주기적으로 변하는 것입니다.
편광은 단순히 각 광파의 전기장이 향하는 공간의 방향입니다. 연못 표면에 국한된 물 파동(물 높이가 위아래로만 변할 수 있는 상태)과 달리 광파는 어떤 방향과 위치로도 이동할 수 있다는 점에 유의하십시오. 전파할 매체가 필요하지 않습니다.
물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 1845년에 발견한 것은 일부 물질(광자기 물질이라고 함)이 자기장에 놓이면 그 물질을 통과하는 광파의 편광 방향이 회전한다는 것입니다. 이 회전량은 자기장의 강도, 빛이 물질 내부를 이동하는 거리, 물질의 베르데 상수에 정비례합니다. 베르데 상수는 단순히 특정 물질의 자기광학 효과 강도를 측정한 것입니다. 일반적으로 측정에 의해 결정됩니다.
대부분의 투명 유전 물질은 자기 광학성이지만, 그 효과는 일반적으로 매우 약합니다. 그러나 Verdet 상수가 큰 재료가 몇 가지 있습니다. 일반적으로 이들은 테르븀(Terbium) 원소를 포함하는 유리 또는 결정체입니다. 특히 크리스탈 테르븀 갈륨 가넷(TGG)은 강한 자기 광학 효과를 나타내며 일반적으로 사용되는 파장에서 흡수율이 낮습니다. 또한 다양한 기타 바람직한 물리적 특성을 가지며 상대적으로 비용이 저렴합니다. 이것이 바로 TGG가 패러데이 회전자와 절연체를 만드는 데 가장 일반적으로 사용되는 재료 중 하나인 이유입니다.
패러데이 절연체란 무엇입니까?
패러데이 회전자를 기반으로 구성할 수 있는 다양한 광자 구성 요소가 있는데, 패러데이 절연체는 이러한 구성 요소 중 가장 유용하고 널리 사용되는 것 중 하나입니다. 편광된 빛은 한 방향으로 방해받지 않고 통과할 수 있지만 반대 방향에서 들어오는 대부분의 빛은 감쇠됩니다.
패러데이 절연체의 일반적인 용도는 레이저 또는 레이저 증폭기의 출력단에서 후면 반사광으로부터 보호하는 것입니다. 특히 시스템의 다른 광학 장치나 레이저가 비추는 물체(예: 산업용 레이저로 용접되는 반사성 금속 조각)에 의하여 레이저를 향해 다시 반사되는 빛이 이러한 반사광에 해당합니다. 충분히 강력하면 반사된 빛이 레이저를 손상시킬 수 있습니다. 그러나 수준이 훨씬 낮더라도, 반사되어 돌아오는 빛은 소음 및 전력 변동과 같은 레이저 작동 불안정성을 유발할 수 있습니다.
패러데이 절연체의 작동은 개념적으로 간단하며 그림에 설명되어 있습니다. 선형 편광된 빛(왼쪽에서 들어오는)은 편광에 맞춰 정렬된 편광판(#1)을 통과합니다. 패러데이 회전자로 들어가서 편광을 45° 회전시킵니다. 빛은 이 회전된 편광과 정렬된 다른 편광판(#2)을 통과한 다음, 광학 시스템을 통해 공정으로 빠져나갑니다. 이 구성을 사용하면 사실상 모든 레이저 광이 감쇠 없이 장치를 통과할 수 있습니다.
광학 시스템 또는 공정에서 반환된 모든 빛은 먼저 원래 절연체의 출력과 다른 모든 편광을 걸러내는 편광판(#2)을 통과합니다. 이렇게 필터링된 빛은 회전자를 통과하여 다시 45° 회전합니다. 이렇게 하면 편광이 원래 방향에 직각이 됩니다. 이는 첫 번째 편광 빔 스플리터(#1)에 의해 거부된다는 의미입니다.
패러데이 절연체의 기본 작동 원리.
실용적인 패러데이 절연체를 설계하고 제조하려면 여러 요소의 균형이 필요합니다. 주요 매개변수는 일반적으로 조리개 크기, 파장 범위, 전송(순방향 감쇠) 및 격리(반환광 차단)입니다. 전체 최대 레이저 출력 등급과 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)도 흔히 고려 사항입니다. 물론 이러한 사항은 모두 비용, 때로는 물리적인 크기나 무게와 타협을 거칩니다.
이 다양한 매개변수를 최적화하려면 영구 자석의 강도와 크기, 자기 광학 재료의 품질(특히 흡수, 굴절률 균질성 및 복굴절), 사용되는 박막 필름 코팅의 종류 등에 대한 설계 선택과 절충이 필요합니다.
결과적으로 Coherent와 같은 패러데이 절연체 제조업체는 각기 다른 작업에 최적화된 다양한 제품을 제공합니다. 그 예로는 근적외선 시드 레이저용 소형 저전력 회전자 및 절연체 , Ti:Sapphire 발진기용 EURYS 회전자 및 절연체, 405nm~980nm 레이저의 광학 피드백을 방지하도록 특별히 설계된 TORNOS 회전자 및 절연체가 있습니다.
고전력 절연체를 위한 새로운 기술
TGG는 몇 가지 이유로 오랫동안 650~1,100nm 스펙트럼 범위에 대한 패러데이 회전자 결정이었습니다. 예를 들면, TGG는 고순도로 제작이 가능합니다. 광학 상수가 높고 대칭형 입방정 결정 구조와 낮은 고유 복굴절 덕분에 세심한 정렬 프로세스 없이도 높은 절연을 쉽게 달성할 수 있습니다. 그리고 상대적으로 비용이 저렴합니다.
그러나 가장 순수한 TGG라도 결국에는 대량 흡수로 인해 성능 한계에 직면하게 됩니다. 이러한 흡수 때문에 결정 내에서 국지적 가열이 일어나 성능이 제한됩니다. 지난 수십 년 동안 산업용 레이저의 출력이 계속해서 증가함에 따라 TGG의 고유한 흡수 및 열광학 특성은 점점 더 불리해지고 있습니다.
KTF(Potassium Terbium Fluoride)는 TGG와 유사한 투과 범위와 유사한 Verdet 상수를 갖는 또 다른 자기 광학 소재입니다. 가장 중요한 것은 TGG보다 대량 흡수 계수(8배 낮음), 열 광학 계수(15배 낮음) 및 응력 광학 계수가 낮다는 것입니다. 이를 통해 매우 높은 레이저 출력에 노출될 때 TGG 기반 패러데이 절연체를 방해하는 절연 성능, 빔 초점 및 빔 품질의 저하를 방지할 수 있습니다.
초기 KTF의 생산 시에는 기포, 내포물 및 높은 분산 문제가 있는 큰 단결정이 생성되었습니다. 이는 TGG를 통한 전도에서 순 개선 효과를 제공하지 못했습니다. 그러나 Coherent는 공정의 수많은 부분을 선도적으로 개선하여 이제는 저렴한 비용으로 고품질 KTF의 생산량을 향상할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 우리는 이 소재를 사용하는 고출력 레이저용으로 특별히 고안된 가격 경쟁력 있는 패러데이 절연체 시리즈( Coherent Pavos Ultra 시리즈 )를 생산할 수 있었습니다.
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