Оптический изолятор

Оптический изолятор для лазерных экспериментов

оптический изолятор или оптический диод, представляет собой оптический компонент, который позволяет передавать свет только в одном направлении. Обычно он используется для предотвращения нежелательной обратной связи в оптическом генераторе, таком как лазерный резонатор.

. Работа [некоторых] устройств зависит от Эффект Фарадея (который, в свою очередь, вызывается магнитооптическим эффектом ), который используется в основном компоненте, вращателе Фарадея.

.

• 1 Теория
• 2 Изолятор, зависящий от поляризации
• 3 Изолятор, не зависящий от поляризации
• 4 Вращатель Фарадея
• 5 Оптические изоляторы и термодинамика
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Рисунок 1: Обозначение оптической схемы изолятора Эффект Фарадея

Основным компонентом оптического изолятора является вращатель Фарадея. Магнитное поле $B\; \{\backslash \; displaystyle\; B\}$, приложенное к вращателю Фарадея, вызывает вращение поляризации света из-за эффекта Фарадея. Угол поворота, $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$, задается как,

$\beta \; =\; \nu \; B\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\; =\; \backslash \; nu\; Bd\; \backslash ,\}$,

где, $\nu \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; nu\}$- постоянная Верде материала (аморфное или кристаллическое твердое вещество, или жидкость, или кристаллическая жидкость, или парообразное, или газообразное состояние) который сделан ротатор, а $d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$- длина ротатора. Это показано на рисунке 2. В частности, для оптического изолятора значения выбраны так, чтобы угол поворота составлял 45 °.

Было показано, что решающим требованием для любого типа оптического изолятора (не только изолятора Фарадея) является какая-то не обратная оптика

Рис. 2: Изолятор Фарадея позволяет передавать свет только в одном направлении. Он состоит из трех частей: входного поляризатора, вращателя Фарадея и анализатора.

Изолятор, зависимый от поляризации, или изолятор Фарадея, состоит из трех частей: входной поляризатор (поляризованный вертикально), вращатель Фарадея и выходной поляризатор, называемый анализатором (поляризованный под 45 °).

Свет, распространяющийся в прямом направлении, становится поляризованным по вертикали входным поляризатором. Ротатор Фарадея повернет поляризацию на 45 °. Затем анализатор позволяет свету проходить через изолятор.

Свет, движущийся в обратном направлении, становится поляризованным под углом 45 ° анализатором. Ротатор Фарадея снова повернет поляризацию на 45 °. Это означает, что свет поляризован по горизонтали (направление вращения не зависит от направления распространения). Поскольку поляризатор выровнен по вертикали, свет погаснет.

На рисунке 2 показан вращатель Фарадея с входным поляризатором и выходной анализатор. Для изолятора, зависящего от поляризации, угол между поляризатором и анализатором, $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$, установлен на 45 °. Вращатель Фарадея выбран так, чтобы он мог вращаться на 45 °.

Изоляторы, зависящие от поляризации, обычно используются в оптических системах в свободном пространстве. Это связано с тем, что поляризация источника обычно поддерживается системой. В волоконно-оптических системах направление поляризации обычно рассредоточено в системах, не поддерживающих поляризацию. Следовательно, угол поляризации приведет к потерям.

Рисунок 3: Независимый от поляризации изолятор

Независимый от поляризации изолятор состоит из трех частей: входного двулучепреломляющего клина (с его обычным направлением поляризации вертикальным и его необычное направление поляризации горизонтально), вращатель Фарадея и выходной клин двойного лучепреломления (с его обычным направлением поляризации под 45 ° и необычным направлением поляризации под углом -45 °).

Свет, распространяющийся в прямом направлении, разделяется входным двулучепреломляющим клином на его вертикальную (0 °) и горизонтальную (90 °) компоненты, называемые обычным лучом (o-луч) и необыкновенным лучом (e-ray) соответственно. Ротатор Фарадея поворачивает орто- и е-лучи на 45 °. Это означает, что o-луч теперь находится под углом 45 °, а e-луч - под -45 °. Затем выходной клин двулучепреломления объединяет два компонента.

Свет, распространяющийся в обратном направлении, разделяется на о-луч под углом 45 ° и электронный луч под углом -45 ° с помощью клина двойного лучепреломления. Вращатель Фарадея снова поворачивает оба луча на 45 °. Теперь о-луч находится под углом 90 °, а электронный луч под углом 0 °. Вместо того, чтобы фокусироваться вторым клином двойного лучепреломления, лучи расходятся.

Обычно коллиматоры используются по обе стороны от изолятора. В переданном направлении луч разделяется, затем объединяется и фокусируется в выходной коллиматор. В изолированном направлении луч разделяется, а затем расходится, поэтому он не фокусируется на коллиматоре.

На рисунке 3 показано распространение света через независимый от поляризации изолятор. Свет, идущий вперед, показан синим цветом, а свет, распространяющимся назад, - красным. Лучи прослеживались с использованием обычного показателя преломления 2 и необычного показателя преломления 3. Угол клина равен 7 °.

Самым важным оптическим элементом в изоляторе является вращатель Фарадея. Характеристики, которые ищут в оптике вращателя Фарадея, включают высокий постоянную Верде, низкий коэффициент поглощения, низкий нелинейный показатель преломления <115.>и высокий порог повреждения. Кроме того, чтобы предотвратить самофокусировку и другие тепловые эффекты, оптика должна быть как можно короче. Двумя наиболее часто используемыми материалами для диапазона 700–1100 нм являются стекло и кристалл тербий-галлиевого граната (TGG). Для связи по оптоволокну на большие расстояния, обычно на длине волны 1310 нм или 1550 нм, используются кристаллы железо-иттриевого граната (ЖИГ). Коммерческие изоляторы Фарадея на основе ЖИГ достигают изоляций выше 30 dB.

. Оптические изоляторы отличаются от изоляторов на основе волновой пластины 1/4 , потому что вращатель Фарадея обеспечивает невзаимное вращение при сохранении линейной поляризации. То есть вращение поляризации, обусловленное вращателем Фарадея, всегда происходит в одном и том же относительном направлении. Таким образом, в прямом направлении поворот положительный на 45 °. В обратном направлении поворот составляет -45 °. Это происходит из-за изменения относительного направления магнитного поля, положительного в одном направлении и отрицательного в другом. Затем в сумме получается 90 °, когда свет движется в прямом направлении, а затем в отрицательном направлении. Это позволяет достичь более высокой изоляции.

На первый взгляд может показаться, что устройство, которое позволяет свету течь только в одном направлении, нарушит закон Кирхгофа и второй закон термодинамики, позволяя световой энергии течь от холодного объекта к горячему и блокируя его в другом направлении, но этого нарушения можно избежать, поскольку изолятор должен поглощать (не отражать) свет от горячего объекта и со временем переизлучит его на холодный. Попытки перенаправить фотоны обратно к их источнику неизбежно включают создание маршрута, по которому другие фотоны могут перемещаться от горячего тела к холодному, избегая парадокса.

• Изолятор (микроволновая печь)

1. ^Война, Давид; Слезак, Ондржей; Лучианетти, Антонио; Мочек, Томаш (2019). "Константа Верде магнитоактивных материалов, разработанных для мощных устройств Фарадея". Прикладные науки. 9 (15): 3160. doi : 10.3390 / app9153160.
2. ^Джалас, Дирк; Петров, Александр; Эйх, Манфред; Фрейде, Вольфганг; Фань, Шанхой; Юй Цзунфу; Баэтс, Роэль; Попович, Милош; Меллони, Андреа; Joannopoulos, John D.; Ванволлегхем, Матиас; Дорр, Кристофер Р.; Реннер, Хаген (29 июля 2013 г.). «Что такое оптический изолятор, а что нет». Природа Фотоника. 7 (8): 579–582. Bibcode : 2013NaPho... 7..579J. doi : 10.1038 / nphoton.2013.185.
3. ^http://www.fiber-optic-components.com/polarization-dependent-isolator-vs-polarization-independent-isolator.html
4. ^http://ecee.colorado.edu/~ecen5616/WebMaterial/19%20Polarization.pdf
5. ^Мунган, CE (1999). «Изоляторы Фарадея и закон Кирхгофа: загадка» (PDF). Проверено 18 июля 2006 г.
6. ^Rayleigh (1901). «О магнитном вращении света и втором законе термодинамики». Природа. 64 (1667): 577–578. doi : 10.1038 / 064577e0.

• Телекоммуникационные изоляторы, хорошие изображения