法拉第旋光器和隔离器
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，物理学家迈克尔·法拉第发现，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 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 - 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 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。
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