什么是法拉第旋转器和隔离器？
什么是法拉第旋转器和法拉第隔离器？
法拉第旋转器是一种旋转光的偏振方向的光学器件。它由放置在磁场中的磁光晶体组成。法拉第旋转器经常与其他偏振元件组合起来形成法拉第隔离器，其本质上是光的单向阀。
法拉第旋转器和法拉第隔离器具备一套独特能力和特性，可用于操纵偏振光，与波片或其他双折射光学器件（其他广泛用于偏振控制的元件）相比，其优点尤其突出。因此，它们已广泛应用于工业和医疗激光系统、光信号处理、光学传感、电信和科学研究等领域。
在这些独到的特性中，最重要的一点就是，无论光从哪个方向进入设备，法拉第旋转器总是以相同的方向旋转偏振。因此，如果将旋转器配置为对于沿一个方向穿过的光，将偏振顺时针旋转 45°，那么对于沿相反方向传播的光，它将再次将其沿相同方向旋转 45°。两次往返将产生总共 90° 的偏振旋转。
但半波片则不是这种情况。如果波片配置为将光的偏振在一个方向上旋转 45°，那么当光以相反方向穿过它时，它会将其向相反方向旋转相同的角度。总的双程旋转将为 0°。
法拉第旋转器总是以相同的方向旋转偏振。因此，如果设置为将光线旋转 45°，则两次来回穿过该设备将产生总共 90° 的旋转。相比之下，配置为将输入偏振光旋转 45° 的半波片将简单地将返回光旋转回其原始方向 - 净旋转 0°。
另一个重要的区别是，法拉第旋转器产生的旋转角度由施加的磁场决定。如果电磁铁（而不是永磁体）是该场的来源，那么旋转量可以通过电子方式控制。相比之下，半波片必须实体旋转才能改变其产生的旋转量。
什么是极化和法拉第效应？
为了更好地理解法拉第旋转器的作用，首先有必要进行回顾并简要地谈论极化。为了理解偏振，我们需要讨论光的波动性。
光是一种电磁波。当然，我们都熟悉水波。想象一下将一块石头扔进池塘。水面上荡漾的波纹就是波浪。也就是说，它们是从中心向外扩散的水面高度的周期性变化。
光作为电磁波以及偏振概念的简化表示。
现在想象一下，我们看到的不是水面高度波动产生的波，而是由电场和磁场组成的波。这意味着这些场的强度会随着距离的变化而周期性地变化，就像水波的表面高度变化一样。
偏振只是空间中每个光波的电场的方向。请记住，因为与局限于池塘表面的水波（意思是水位只能上下变化）不同，光波可以沿任何方向传播。它们不需要任何介质就能传播。
1845 年，物理学家 Michael Faraday 发现，当将某些材料（称为磁光材料）放置在磁场中时，穿过它们的光波的偏振方向会发生旋转。旋转的量与磁场强度、光在材料内部传播的距离以及材料的维尔德常数成正比。维尔德常数只是衡量特定材料中磁光效应强度的一个指标。通常通过测量来确定。
虽然大多数透明电介质材料都具有磁光效应，但其效应通常非常弱。然而，有少数材料具有较大的维尔德常数。通常，这些是含有铽元素的玻璃或晶体。特别是铽镓石榴石 (TGG) 晶体表现出强的磁光效应，并且在常用波长下的吸收率较低。它还具有其他各种理想的物理特性，而且成本相对较低。这就是为什么 TGG 是制造法拉第旋转器和隔离器最常用的材料之一。
什么是法拉第隔离器？
基于法拉第旋转器可以构造多种光子元件，其中法拉第隔离器是最有用和应用最广泛的光子元件之一。它允许偏振光在一个方向上畅通无阻地通过，但会衰减从相反方向进入的大部分光。
法拉第隔离器常用于激光器或激光放大器的输出端，以保护其免受反射回光的影响。具体来说，这是由系统中的其他光学元件或激光照射的物体（例如，由工业激光器焊接的反射性金属片）反射回激光器的光。如果强度足够大，反射回来的光可能会损坏激光器。但即使强度极低，反射回光也会导致激光器工作不稳定，如噪声和功率波动。
法拉第隔离器的操作在概念上很简单，如附图所示。线性偏振光（从左侧进入）穿过与其偏振方向一致的偏振器 (#1)。它进入法拉第旋转器，将偏振方向旋转 45°。光线穿过与该旋转偏振对齐的另一个偏振器 (#2)，然后进入光学系统并进行处理。这种配置几乎可以使所有的激光不受衰减地穿过该设备。
从光学系统或工艺中返回的任何光线都会首先经过偏振器 (#2)，而偏振器会排除所有与原始隔离器输出不同的偏振。然后，经过过滤的光线穿过旋转器，再次旋转 45°。这使得它的极化与其原始方向成直角。这意味着它将被第一个偏振分束器 (#1) 排除。
法拉第隔离器的基本工作原理。
设计和制造实用的法拉第隔离器需要平衡几个因素。关键参数通常是孔径大小、波长范围、传输（前向衰减）和隔离（返回光的阻挡）。总体最大激光功率额定值和激光诱导损伤阈值 (LIDT) 也是常见的考虑因素。当然，这些都是要根据成本进行权衡，有时还要根据物理尺寸或重量进行权衡。
优化这些各种参数需要在永磁体的强度和尺寸、磁光材料所需的质量（特别是在吸收率、折射率均匀性和双折射方面）、所使用的薄膜涂层类型等方面做出设计选择和权衡。
因此，Coherent 高意等法拉第隔离器制造商提供了一系列不同的产品，每种产品都针对不同的任务进行了优化。例如，我们用于近红外种子激光的紧凑型低功率旋转器和隔离器，用于钛宝石振荡器振荡器的 EURYS 旋转器和隔离器，以及专门设计用于防止 405 nm 至 980 nm 激光器中的光反馈的 TORNOS 旋转器和隔离器。
高功率隔离器的新技术
长期以来，TGG 一直是 650 nm - 1100 nm 光谱范围内的首选法拉第旋转晶体，原因有以下几点：例如，它的生长纯度很高。它具有较高的维尔德常数，其对称立方晶体结构和低固有双折射使其易于实现高隔离度，而无需敏感的对准过程。而且成本相对较低。
然而，即使是最纯净的 TGG，最终也会因其体吸收而遇到性能限制。这种吸收会导致晶体内部局部加热，从而限制性能。随着过去几十年工业激光器的输出功率不断提高，TGG 固有的吸收和热光特性变得越来越不利。
氟化铽钾 (KTF) 是另一种磁光材料，具有与 TGG 相似的透射范围，以及相当的维尔德常数。最重要的是，与 TGG 相比，它具有更低的体吸收系数（八分之一）、热光学系数（十五分之一）和应力光学系数。这些优势加在一起，使它能够避免 TGG 法拉第隔离器在极高激光功率下出现的隔离性能、光束聚焦和光束质量下降等问题。
早期的 KTF 生长工艺生产出的晶锭含有气泡、杂质以及高散射问题。与 TGG 相比，这些设备在传输方面没有任何净改善。但 Coherent 高意率先进行了多项工艺改进，现在能够以更低的成本提高优质 KTF 的产量。这样我们就能够生产专为高功率激光器设计的、且具有成本竞争力的系列法拉第隔离器（Coherent Pavos Ultra 系列），其中就使用了这种材料。
详细了解 Coherent 高意隔离器和旋转器以及千瓦级法拉第隔离器。