Оптический изолятор

Оптический компонент, позволяющий передавать свет только в одном направлении.

Оптический изолятор для лазерных экспериментов

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

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

Теория

Рисунок 1. Обозначение оптической схемы изолятора.

Эффект Фарадея

Основным компонентом оптического изолятора является вращатель Фарадея. Магнитное поле , приложенное к ротатору Фарадея, вызывает вращение поляризации света из-за эффекта Фарадея. Угол поворота определяется выражением: ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \beta }$

${\displaystyle \beta =\nu Bd\,}$,

где - постоянная Верде материала ^{[1] [2] [3]} (аморфного или кристаллического твердого тела, или жидкости, или кристаллической жидкости, или парообразного, или газообразного), из которого изготовлен вращатель, и - длина вращателя. ротатор. Это показано на рисунке 2. Специально для оптического изолятора значения выбраны так, чтобы угол поворота составлял 45°. ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle d}$

Было показано, что важнейшим требованием для любого типа оптического изолятора (не только изолятора Фарадея) является наличие какой-либо невзаимной оптики [ ^4].

Поляризационно-зависимый изолятор

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

Поляризационно-зависимый изолятор, или изолятор Фарадея , состоит из трех частей: входного поляризатора (с вертикальной поляризацией), вращателя Фарадея и выходного поляризатора, называемого анализатором (с поляризацией под углом 45°).

Свет, распространяющийся в прямом направлении, поляризуется вертикально входным поляризатором. Вращатель Фарадея повернет поляризацию на 45°. Затем анализатор позволяет свету проходить через изолятор.

Свет, идущий в обратном направлении, поляризуется анализатором под углом 45°. Вращатель Фарадея снова повернет поляризацию на 45°. Это означает, что свет поляризован горизонтально (направление вращения не зависит от направления распространения). Поскольку поляризатор расположен вертикально, свет погаснет.

На рисунке 2 показан ротатор Фарадея с входным поляризатором и выходным анализатором. Для изолятора, зависящего от поляризации, угол между поляризатором и анализатором устанавливается равным 45°. Вращатель Фарадея выбран так, чтобы обеспечить вращение на 45°. ${\displaystyle \beta }$

Поляризационно-зависимые изоляторы обычно используются в оптических системах свободного пространства. 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.

Независимый от поляризации изолятор

Рисунок 3: Независимый от поляризации изолятор.

Независимый от поляризации изолятор состоит из трех частей: входного двулучепреломляющего клина (с обычным направлением поляризации – вертикальным, а необыкновенного – горизонтальным), вращателя Фарадея и выходного двулучепреломляющего клина (с обычным направлением поляризации 45° и необычное направление поляризации при -45°). ^{[5] [6]}

Свет, распространяющийся в прямом направлении, разделяется входным двулучепреломляющим клином на вертикальную (0°) и горизонтальную (90°) компоненты, называемые обыкновенным лучом (о-луч) и необыкновенным лучом (е-луч) соответственно. Вращатель Фарадея вращает как o-лучи, так и e-лучи на 45°. Это означает, что o-луч теперь находится под углом 45 °, а электронный луч - под углом -45 °. Затем выходной двулучепреломляющий клин рекомбинирует два компонента.

Свет, распространяющийся в обратном направлении, разделяется на o-луч под углом 45 и электронный луч под углом -45° с помощью двулучепреломляющего клина. 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 двулучепреломляющим клином, лучи расходятся.

Обычно коллиматоры используются по обе стороны от изолятора. В проходящем направлении луч расщепляется, затем объединяется и фокусируется в выходном коллиматоре. В изолированном направлении луч расщепляется, а затем расходится, поэтому не фокусируется на коллиматоре.

На рис. 3 показано распространение света через поляризационно-независимый изолятор. Свет, движущийся вперед, показан синим цветом, а свет, распространяющийся назад, — красным. Лучи трассировались с использованием обычного показателя преломления 2 и необыкновенного показателя преломления 3. Угол клина составляет 7°.

Вращатель Фарадея

Важнейшим оптическим элементом изолятора является вращатель Фарадея. Характеристики, которые нужно искать в оптике вращателя Фарадея, включают высокую постоянную Верде , низкий коэффициент поглощения , низкий нелинейный показатель преломления 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 боросиликатное стекло, легированное тербием, и кристалл тербий-галлиевого граната (TGG). Для оптоволоконной связи на большие расстояния, обычно на длине волны 1310 или 1550 нм, используются кристаллы железо-иттриевого граната (YIG). Коммерческие изоляторы Фарадея на основе YIG обеспечивают изоляцию более 30 дБ .

Оптические изоляторы отличаются от изоляторов на основе 1/4- волновой пластины ^{[ сомнительно ] [ нужны разъяснения ]} , потому что вращатель Фарадея обеспечивает невзаимное вращение, сохраняя при этом линейную поляризацию . То есть вращение поляризации благодаря ротатору Фарадея всегда происходит в одном и том же относительном направлении. Таким образом, в прямом направлении поворот составляет положительные 45°. В обратном направлении поворот составляет −45°. Это происходит из-за изменения относительного направления магнитного поля: положительного в одну сторону и отрицательного в другую. В сумме это дает в сумме 90°, когда свет распространяется в прямом направлении, а затем в отрицательном направлении. Это позволяет достичь более высокой изоляции.

Оптические изоляторы и термодинамика

На первый взгляд может показаться, что устройство, позволяющее свету течь только в одном направлении, нарушает закон Кирхгофа и второй закон термодинамики , позволяя световой энергии течь от холодного объекта к горячему объекту и блокируя ее в другом направлении. , но нарушения удается избежать, поскольку изолятор должен поглощать (а не отражать) свет от горячего объекта и в конечном итоге переизлучать его на холодный. Попытки перенаправить фотоны обратно к их источнику неизбежно предполагают создание маршрута, по которому другие фотоны смогут путешествовать от горячего тела к холодному, избегая парадокса. ^{[7] [8]}

Смотрите также

• Изолятор (микроволновая печь)

Рекомендации

1. Война, Дэвид; Слезак, Ондржей; Лучанетти, Антонио; Мочек, Томаш (2019). «Константа Верде магнитоактивных материалов, разработанных для мощных устройств Фарадея». Прикладные науки . 9 (15): 3160. дои : 10.3390/app9153160 .
2. Война, Дэвид; Слезак, Ондржей; Ясухара, Ре; Фурусе, Хироаки; Лучанетти, Антонио; Мочек, Томаш (2020). «Фарадеевское вращение Dy2O3, CeF3 и Y3Fe5O12 в среднем инфракрасном диапазоне волн». Материалы . 13 (23): 5324. Бибкод : 2020Mate...13.5324V. дои : 10.3390/ma13235324 . ПМЦ 7727863 . ПМИД  33255447. 
3. Война, Дэвид; Дуда, Мартин; Ясухара, Ре; Слезак, Ондржей; Шлихтинг, Вольфганг; Стивенс, Кевин; Чен, Хэнцзюнь; Лучанетти, Антонио; Мочек, Томаш (2020). «Константа Верде кристалла фторида калия-тербия как функция длины волны и температуры». Опция Летт . 45 (7): 1683–1686. Бибкод : 2020OptL...45.1683V. дои : 10.1364/ol.387911. PMID  32235973. S2CID  213599420.
4. Джалас, Дирк; Петров, Александр; Эйх, Манфред; Фрейде, Вольфганг; Фань, Шаньхуэй; Ю, Цзунфу; Баец, Роэл; Попович, Милош; Меллони, Андреа; Джоаннопулос, Джон Д.; Ванволлегем, Матиас; Дорр, Кристофер Р.; Реннер, Хаген (29 июля 2013 г.). «Что такое оптический изолятор, а что нет». Природная фотоника . 7 (8): 579–582. Бибкод : 2013NaPho...7..579J. дои : 10.1038/nphoton.2013.185.
5. «Изолятор, зависящий от поляризации, и изолятор, независимый от поляризации» . 6 мая 2015 г.
6. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 декабря 2017 г. Проверено 4 декабря 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
7. Мунган, CE (1999). «Изоляторы Фарадея и закон Кирхгофа: загадка» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 18 июля 2006 г.
8. Рэлей (1901). «О магнитном вращении света и втором законе термодинамики». Природа . 64 (1667): 577–578. дои : 10.1038/064577e0 .

Внешние ссылки

• Телекоммуникационные изоляторы, хорошие фотографии