По сравнению с наиболее распространёнными знаниями в области геометрической оптики, такие понятия физической оптики, как поляризация, двойное лучепреломление и оптическая активность, зачастую оказываются более сложными для понимания. Однако они находят широкое и важное применение в инженерной технике. Поляризационные пластины, фазовые пластинки, призмы Глана, вращатели Фарадея, свободнопространственные изоляторы и другие устройства, часто используемые в лазерных системах, основаны именно на принципах физической оптики. В данной статье объясняются основы поляризации и подробно рассматриваются принципы работы и ключевые характеристики вращателей Фарадея и свободнопространственных изоляторов.

Введение в основы поляризации

Поляризация

Свет представляет собой электромагнитную волну определённого диапазона. В электромагнитной волне направления колебаний векторов напряжённости электрического поля E и магнитного поля B перпендикулярны направлению распространения волны. Поскольку светочувствительное и физиологическое действие света обусловлено главным образом вектором E, его колебания принято называть световыми колебаниями, а направление вектора E — направлением светового вектора.

Рис. 1. Направление колебаний электромагнитной волны

По характеру поляризации свет обычно подразделяют на поляризованный, естественный и частично поляризованный.

• Линейно-поляризованный свет: в процессе распространения направление светового вектора остаётся неизменным, а его величина меняется в зависимости от фазы. В плоскости, перпендикулярной направлению распространения, конец светового вектора описывает прямую линию.

• Циркулярно-поляризованный свет: величина светового вектора постоянна, а направление изменяется регулярно; его конец описывает окружность.

• Эллиптически-поляризованный свет: величина и направление светового вектора в процессе распространения изменяются регулярно; конец вектора движется по эллиптической траектории.

*Рис. 2. (a) Линейно-поляризованный свет (b) Циркулярно-поляризованный свет (c) Эллиптически-поляризованный свет*

Естественный свет можно рассматривать как совокупность волн, колеблющихся во всех возможных направлениях, то есть за время наблюдения вероятность и величина колебаний светового вектора по всем направлениям одинаковы. Если в процессе распространения естественного света под влиянием внешних факторов интенсивность колебаний по разным направлениям становится неодинаковой, такой свет называют частично поляризованным.

Рис. 3. (a) Естественный свет (b) Частично поляризованный свет

Оптическая активность (вращение плоскости поляризации)

В некоторых кристаллах при распространении параллельного пучка линейно-поляризованного света вдоль оптической оси происходит постепенный поворот светового вектора по мере прохождения расстояния. Это явление называется оптической активностью.

Оптической активностью могут обладать двулучепреломляющие кристаллы (кварц, винная кислота и др.), изотропные кристаллы (сахар, хлорид натрия и др.) и жидкости (раствор сахара, скипидар и др.).

В материалах с естественной оптической активностью направление вращения светового вектора зависит от направления распространения света: если луч возвращается по исходному пути, его плоскость колебаний поворачивается обратно в начальное положение.

Рис. 4. Оптическая активность

Эффект Фарадея

Эффект Фарадея, также называемый магнитооптическим эффектом вращения, является одним из магнитооптических явлений. Под магнитооптическим эффектом понимают изменение оптических свойств вещества под действием сильного магнитного поля. Эффект Фарадея заключается в том, что под действием сильного магнитного поля вещество, изначально не обладающее оптической активностью, приобретает её: при прохождении линейно-поляризованного света через вещество, помещённое во внешнее магнитное поле, его световой вектор поворачивается.

Рис. 5. Эффект Фарадея

Как показано на рис. 5, стеклянный стержень помещают в магнитное поле соленоида и располагают между скрещенными поляризаторами P и A. Свет пропускают вдоль направления магнитного поля через образец, и анализатор A фиксирует прошедшее излучение. Угол поворота светового вектора θ пропорционален магнитной индукции B, действующей вдоль направления распространения света на немагнитное вещество, и толщине вещества l, пройденной светом в магнитном поле:

θ = VBl

где V — постоянная материала, называемая постоянной Верде. Она зависит от длины волны и очень близка к резонансному поглощению материала, поэтому для разных длин волн следует выбирать разные материалы.

С точки зрения поляризационных свойств, направление поворота плоскости поляризации, вызванного магнитооптическим материалом, зависит только от направления приложенного магнитного поля и не зависит от направления распространения света. Иными словами, как прямое, так и обратное излучение поворачивают плоскость поляризации в одну и ту же сторону на один и тот же угол, независимо от направления распространения. Таким образом, эффект Фарадея обладает невзаимностью, что отличает его от естественной оптической активности.

Принцип работы поляризационных устройств

Существует множество типов поляризационных устройств. В предыдущих технических статьях мы уже рассматривали поляризационные светоделительные призмы и фазовые пластинки. В этот раз мы сосредоточимся на двух устройствах: вращателе Фарадея и свободнопространственном изоляторе.

Вращатель Фарадея

Вращатель Фарадея — это устройство, использующее эффект Фарадея для поворота состояния поляризации света. В условиях насыщающего магнитного поля он создаёт угол поворота 45° для света определённой длины волны. Устройство состоит из магнитооптического материала и постоянного магнита. Принцип работы описан выше (см. рис. 5).

• Магнитооптические материалы, часто используемые в видимом и ближнем ИК-диапазонах: иттрий-железный гранат (YIG), тербий-галлиевый гранат (TGG), стекло, легированное тербием, и кристаллы граната, легированные висмутом (Bi) и др.

• Магнитное поле, необходимое для вращения в магнитооптическом материале, обычно создаётся постоянными магнитами. Магнит должен обеспечивать как можно более сильное аксиальное поле в объёме материала, чтобы создать максимально большой и стабильный угол поворота поляризации. Обычно применяются материалы самарий-кобальт (Sm-Co) и неодим-железо-бор (NdFeB).

Свободнопространственный изолятор

Свободнопространственный изолятор — это невзаимный оптический элемент на основе эффекта Фарадея, который пропускает свет только в одном направлении, блокируя обратное распространение. Он состоит из поляризаторов (пластин), вращателя Фарадея, магнитного кольца и металлических конструктивных элементов. В оптической схеме одноступенчатый свободнопространственный изолятор обычно строится по трёхэлементной схеме «поляризатор–вращатель–поляризатор», принцип работы которой показан на рис. 7.

Рис. 7. Принцип работы свободнопространственного изолятора

Как показано на рис. 7(a), P и A — поляризаторы, оси пропускания которых расположены под углом 45° друг к другу, F-R — вращатель. Световой вектор линейно-поляризованного света после прохождения вращателя поворачивается на 45°. Свет, распространяющийся слева направо, может выйти через A. Обратный свет (справа налево), пройдя через A и вращатель F-R, снова поворачивает плоскость поляризации в том же направлении на 45° (так как величина и направление магнитного поля не изменились). В результате его плоскость колебаний оказывается перпендикулярна оси пропускания поляризатора P (см. рис. 7(б)), и свет полностью блокируется.

Показатели поляризационных устройств

Вращатели Фарадея и свободнопространственные изоляторы в основном применяются в лазерных системах. Как и при выборе обычных лазерных зеркал и линз, необходимо обращать внимание на порог лазерного повреждения, допустимую оптическую мощность, коэффициент пропускания, затухание и другие параметры. Кроме того, у свободнопространственных изоляторов следует особо выделить два важных оптических показателя: вносимые потери и изоляцию.

Вносимые потери

Вносимые потери оптического изолятора — это отношение выходной оптической мощности к входной при прямом включении изолятора, выражаемое в дБ. Если прямую входную мощность обозначить как P₁прям, а выходную как P₂прям, то формула расчёта выглядит следующим образом:

На вносимые потери влияют: собственное поглощение материала, обратные отражения от всех поверхностей, угловые погрешности двулучепреломляющих кристаллов и вращателя Фарадея, коэффициент экстинкции, а также потери связи в линзах.

Изоляция

Обратная изоляция — один из важнейших показателей изолятора, характеризующий его способность подавлять обратное излучение. При обратном включении изолятора, если обратную входную мощность обозначить P₁обр, а выходную — P₂обр, формула расчёта изоляции имеет вид:

Основные факторы, влияющие на изоляцию: погрешность угла поворота магнитооптического кристалла, коэффициент экстинкции кристалла и отражения от всех поверхностей. В настоящее время изоляция одноступенчатых изоляторов обычно превышает 30 дБ. Двухступенчатые изоляторы, построенные по схеме «поляризатор–вращатель–поляризатор–вращатель–поляризатор», обеспечивают ещё более высокую изоляцию.

Представление поляризационных продуктов

Компания Guangtan Intelligent Technology (光探智能科技) представляет вращатели Фарадея и свободнопространственные изоляторы для длин волн 532 нм и 1064 нм. Продукты отличаются высокой допустимой мощностью, высоким пропусканием и высоким порогом лазерного повреждения. Характеристики изделий приведены в таблице ниже. Мы также предоставляем услуги по изготовлению данных устройств на заказ.

Вращатель Фарадея

Свободнопространственный изолятор