偏振器件基本原理与应用：法拉第旋转器与自由空间隔离器详解

相比于最常见的几何光学成像知识，偏振、双折射、旋光等物理光学范畴的概念往往更加晦涩难懂，但在工程技术中又有着广泛而重要的应用。激光系统中常用的偏振片、波片、格兰棱镜、法拉第旋转器、自由空间隔离器等，都是基于物理光学的原理。本文将为读者解释偏振的基本原理，同时重点介绍法拉第旋转器和自由空间隔离器的工作原理与关键特性。

偏振基本原理简介

偏振

光是一定波段范围的电磁波。电磁波中电场强度 E 和磁场强度 B 的振动方向都与电磁波传播方向垂直。光波的感光作用和生理作用等主要由电场强度 E 引起，因此常将 E 的振动称为光振动，E 的振动方向即为光矢量的方向。

图1 电磁波振动方向

就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。

• 线偏振光：在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化。在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一直线。

• 圆偏振光：光矢量的大小不变，方向规则变化，其端点的轨迹是一个圆。

• 椭圆偏振光：光矢量的大小和方向在传播过程中均呈规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。

图2 (a) 线偏振光 (b) 圆偏振光 (c) 椭圆偏振光

自然光可以看成是在一切可能方位上振动的光波的总和，即在观察时间内，光矢量在各个方向上的振动几率和大小相同。自然光在传播过程中，由于外界影响，造成各个振动方向上的强度不等，这种光称为部分偏振光。

图3 (a) 自然光 (b) 部分偏振光

旋光现象

对于某些晶体，当平行线偏振光在晶体中沿光轴方向传播时，线偏振光的光矢量随传播距离逐渐转动，这种现象称为旋光现象。

可以发生旋光的物质包括双折射晶体（如石英、酒石酸等）、各向同性晶体（如砂糖晶体、氯化钠晶体等）和液体（如砂糖溶液、松节油等）。

在固有旋光材料中，光矢量的旋转方向取决于光的传播方向，即如果光束沿原光路返回，其振动面将转回到初始位置。

图4 旋光现象

法拉第效应

法拉第效应也称磁致旋光效应，是磁光效应的一种。所谓磁光效应，是指在强磁场作用下，物质的光学性质会发生变化。法拉第效应具体是指：在强磁场作用下，本来不具有旋光性的物质产生了旋光性，即线偏振光通过加有外磁场的物质时，其光矢量发生了旋转。

图5 法拉第效应

如图5所示，将玻璃棒放进螺旋管产生的磁场中，并置于正交偏振器 P、A 之间，使光束顺着磁场方向通过玻璃样品，此时检偏器 A 能接收到通过样品的光。入射光矢量旋转的角度 θ 与沿光传播方向作用在非磁性物质上的磁感应强度 B 及光在磁场中所通过的物质厚度 l 成正比，即：

θ = VBl

其中，V 是物质常数，称为维尔德（Verdet）常数。它与波长有关，且非常接近该材料的吸收谐振区，因此不同波长应选取不同的材料。

从偏振特性来看，磁光材料引起的光偏振方向仅取决于外加磁场的方向，而与光的传播方向无关。也就是说，它可以使正向入射光和反向入射光的偏振面都向同一方向旋转同一角度，而与传输方向无关。因此，法拉第效应具有非互易性，这与材料的固有旋光效应不同。

偏振器件工作原理

常用的偏振器件有很多，我们往期的技术系列文章中已介绍过偏振分光棱镜、波片等器件。本次主要介绍两种偏振器件：法拉第旋转器和自由空间隔离器。

法拉第旋转器

法拉第旋转器是一种利用法拉第效应实现光的偏振状态旋转的装置，在饱和磁场作用下对特定波长的光产生45°的旋转角。它主要由磁光材料和永磁材料两部分构成，工作原理见前述图5。

• 可见光及近红外波段常用磁光材料：钇铁石榴石（YIG晶体）、铽镓石榴石（TGG晶体）、掺铽玻璃和铋（Bi）掺杂的石榴石晶体等。

• 磁光材料发生旋光效应所需的磁场：通常由永磁体提供。磁体要求在磁光材料所在空间内产生尽量强的轴向磁场，使磁光材料产生尽量大且稳定的偏振旋转角度。常用永磁材料为钐钴（Sm-Co）材料和钕铁硼（NdFeB）材料。

自由空间隔离器

自由空间隔离器是利用法拉第效应构成的一种非互易光学元件，它使光束只能沿单方向前进，而不能反向传播。它主要由偏振器（片）、法拉第旋转片、磁环和金属结构件等组成。在光路上，单级自由空间型隔离器常用三片式结构，即“偏振片–旋转片–偏振片”，其工作原理如图7所示。

图7 自由空间隔离器工作原理

如图7(a)所示，P、A 为偏振器，其透光轴互成45°角；F-R 为旋转片。线偏振光的光矢量经过旋转片后旋转45°，此时从左向右传输的光可以通过 A 出射。而从右到左的反向传输光经过 A 和旋转片 F-R 后，由于磁场的大小和方向不变，光矢量的振动方向又同向转过45°，正好与偏振片 P 的透光轴方向垂直（见图7(b)），因而完全不能通过 P，反向传输光被阻挡。

偏振器件产品指标

法拉第旋转器和自由空间隔离器主要应用在激光系统中。与常见的激光反射镜、激光透镜等器件一样，选型时需要关注激光损伤阈值、所能承受的光功率大小、透过率、衰减等参数。此外，自由空间隔离器有两个重要的光学指标值得特别留意：插入损耗和隔离度。

插入损耗

插入损耗是光隔离器正向接入时，输出光功率与输入光功率的比率，以 dB 为单位。设光隔离器的正向输入光功率为 P₁正，输出光功率为 P₂正，其计算公式为：

影响插入损耗的因素包括：材料的固有吸收、各端面的回返损耗、双折射晶体和法拉第旋转器的角度误差、消光比以及透镜的耦合损耗等。

隔离度

反向隔离度是光隔离器最重要的指标之一，它表征光隔离器对反向传输光的隔离能力。将光隔离器反向接入，设反向输入光功率为 P₁反，输出光功率为 P₂反，则隔离度计算公式为：

影响隔离度的主要因素包括：磁光晶体的旋光角度误差、晶体的消光比和各表面的反射影响等。目前单级光隔离器的隔离度一般大于 30 dB，双级光隔离器（“偏振片–旋转片–偏振片–旋转片–偏振片”）可以实现更高的隔离度。

偏振器件产品介绍

光探智能科技推出了波长为 532 nm、1064 nm 的法拉第旋转器和自由空间隔离器，产品具有高功率、高透过率、高激光损伤阈值等优点。产品详情见下表，同时我们也提供该类产品的定制服务。

法拉第旋转器

自由空间隔离器