Thorlabs技术文章——光学隔离器教程

▍功能

光隔离器是一种只允许光以单一方向传输的无源磁光器件。光隔离器用于防止光源受到由背反射或信号产生的不良影响。背反射可能损坏激光器或者使之产生跳模、振幅变化或频移。在高功率应用中，背反射还能引起不稳定性和功率尖峰。

隔离器的工作原理基于法拉第效应。1842年法拉第发现偏振光在穿过磁场中的玻璃（或其他材料）时其偏振面会发生旋转。旋转方向取决于磁场方向而不是光传播方向。因此，旋转是非互易性的。旋转因子Q等于V x L x H，其中V、L和H定义如下。

▍法拉第旋转

图 1. 法拉第旋转器对于线偏振光的效应

V: 费尔德常数，光学材料的一种属性，单位是分钟/奥斯特-厘米。

L: 通过光学材料的光程，单位是cm。

H: 磁场强度，单位是奥斯特。

光隔离器由入射偏振片、法拉第旋转器和出射偏振片组成。入射偏振片作为滤光片只允许线偏振光进入法拉第旋转器。法拉第旋转器使得线偏振光旋转45°，然后该光线通过出射线偏振片。此时输出光的偏振方向相对入射光旋转了45°。在反向光路中，法拉第旋转器继续旋转光的偏振，旋转方向与正向光路中相同，所以此时光的偏振相对入射光旋转了90°。此时光的偏振与入射偏振片的传播轴垂直，所以根据偏振片类型的不同，能量会被反射或被吸收。

▍偏振相关隔离器

图 2. 偏振相关隔离器。反向传输光被入射偏振片阻挡。

正向模式

在这个例子里，假定入射偏振片轴向是垂直的（图2中用0°标示）。无论是偏振光还是非偏振光在经过入射偏振片后都变成垂直偏振光。法拉第旋转器使得偏振面（POP）以正向旋转45°。最后，光通过轴向为45°的输出偏振片。因此，光通过隔离器时的偏振面为45°。

正向模式

反向通过隔离器的光首先进入通过输出偏振片，使光的偏振方向相对入射偏振片为45°。然后进入法拉第旋转器，偏振面继续以正向旋转45°角。此时相对入射偏振片旋转了90°，所以偏振面与入射偏振片的传播轴垂直。所以，光将被反射或者吸收。

▍偏振无关光纤隔离器

图 3. 偏振无关的光隔离器。光从输入路径偏离，并被外壳挡住。

正向模式

对于偏振无关光纤隔离器，入射光被双折射晶体分成两束光（如图3所示），法拉第旋转器和半波片使得两束光的偏振方向连续旋转45度，随后两束光通过第二个双折射晶体后再次合并。

正向模式

背反射光通过第二个双折射晶体后分成两束光，此时偏振与正向模式光偏振相同。由于法拉第旋转器是一种非互易性的偏振旋转器，所以它将抵消反向模式光由半波片产生的偏振旋转。当这两束光通过第一个双折射晶体后，将偏离准直透镜，并入射在外壳壁上被吸收，从而防止反向模式进入入射光纤中。

▍基本信息

损伤阈值

图 4. IO-5-780-HP隔离器之前和之后的脉冲色散测量

磁体

磁体是决定隔离器尺寸和性能的主要因素。磁体的尺寸不仅仅取决于磁场强度，还受到机械设计的影响。不采用单一磁体而是通过复杂组装的。建模系统对影响尺寸、光程、旋转量和磁场均匀性的许多参数都进行了最优化模拟。由于隔离器周边具有很强的磁场，因此请不要将铁或磁性物体放在隔离器5 cm以内的范围。

温度

磁体和法拉第旋转器都与温度息息相关。磁场强度和费尔德常数随着温度的升高而降低。如果实验环境超出室温±10 °C的范围，请联系技术支持。

脉冲色散

激光脉冲通过折射率大于1的材料都会产生脉冲展宽。脉冲宽度越小，色散越大，因此对于超快激光器，色散可能变得非常明显。

τ：通过隔离器之前的脉冲宽度

τ((z))：通过隔离器之后的脉冲宽度

实例：

τ = 197 fs时，τ((z)) = 306 fs（图4所示）

τ = 120 fs时，τ((z)) = 186 fs