Оптические изоляторы от Thorlabs
Компания Thorlabs предлагает широкий выбор узкополосных и широкополосных оптических изоляторов (изоляторы Фарадея) для работы в спектральном диапазоне от 365 до 4550 нм, включая модели для работы с излучением высокой интенсивности. В каталоге Thorlabs представлен широкий ассортимент волоконно-оптических изоляторов: поляризационно-независимые изоляторы (диапазон рабочих длин волн: 650-2010 нм) и поляризационно-зависимые изоляторы (770 – 2010 нм).
Оптические изоляторы. Принцип работы
Оптический изолятор – это устройство, которое пропускают свет в одном направлении. В основе работы оптического изолятора лежит магнитооптический эффект Фарадея. Изоляторы используются для защиты источников излучения от бликов, обратных отражений и сигналов. Обратные отражения могут повредить лазер или привести к скачку моды, амплитудной модуляции или частотному сдвигу. При работе с излучением высокой интенсивности обратные отражения могут привести к нестабильности и перепадам напряжения.
В 1842 году Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации света вращается при распространении сквозь стекло (или другие материалы), которое находится в магнитном поле. Направление вращения зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления распространения света. Угол поворота плоскости поляризации Ɵ пропорционален длине пути света в веществе L [см] и напряженности внешнего магнитного поля H [эрстед], в качестве коэффициента пропорциональности выступает постоянная Верде V [минуты/эрстед*см].
Оптический изолятор состоит из входного поляризатора, ячейки Фарадея с магнитом и выходного поляризатора. Входной поляризатор выступает в качестве фильтра, который пропускает только линейно поляризованный свет на вход ячейки Фарадея. Ячейка Фарадея поворачивает поляризацию света на 45°, после чего свет проходит через другой линейный поляризатор. На выходе из изолятора получаем свет, плоскость поляризации которого повернута на 45° относительно плоскости поляризации света на входе. При распространении света в обратном направлении ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации в том же направлении, таким образом плоскость поляризации света, распространяющегося в обратном направлении будет повернута на 90° относительно плоскости поляризации входного излучения. Теперь плоскость поляризации света перпендикулярна плоскости поляризации, которую пропускает входной поляризатор, и в результате энергия света, распространяющегося в обратном направлении отражается или поглощается в зависимости от типа поляризатора.
Рис.1 Эффект Фарадея
Поляризационно-зависимые изоляторы
Распространение света в прямом направлении
Предположим, что поляризатор на входе пропускает излучение с вертикальной плоскостью поляризации (0° см. рис. 2). Излучение лазера, поляризованное или неполяризованное, проходит через поляризатор и становится вертикально-поляризованным. Ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации на 45° по часовой стрелке, и свет выйдет из изолятора через поляризатор, который пропускает свет, плоскость поляризации которого повернута на 45°.
Распространение света в обратном направлении
При распространении света в обратном направлении через изолятор, свет пройдет через выходной поляризатор, который пропускает свет с поляризацией, повернутой на 45°, относительно плоскости входного поляризатора. затем свет проходит через ячейку Фарадея и плоскость поляризации повернется еще на 45° по часовой стрелке. Таким образом плоскость поляризации окажется повернутой на 90° относительно плоскости пропускания входного поляризатора. В результате свет отразится или поглотиться.
Рис.2 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-зависимом изоляторе (ЯФ-ячейка Фарадея, П1-входной поляризатор, П2-выходной поляризатор)
Поляризационно-независимые изоляторы
Распространение света в прямом направлении
В поляризационно-независимом волоконно-оптическом изоляторе свет на входе разбивается на два пучка с помощью двулучепреломляющего кристалла (см. рис.3). Ячейка Фарадея и полуволновая пластинка поворачивают поляризацию света в каждом пучке прежде чем они попадут во второй двулучепреломляющий кристалл, который соединит их.
Распространение света в обратном направлении
Свет, распространяющийся в обратном направлении, попадет на второй двулучепреломляющий кристалл и будет разбит на два пучка, поляризация которых будет соответствовать состояниям поляризации в пучках, распространявшихся в прямом направлении. Ячейка Фарадея – невзаимный оптический элемент, таким образом она устранит поворот поляризации, который внесет полуволновая пластинка. Когда свет пройдет через входной двулучепреломляющий кристалл, пучки разойдутся таким образом, что не пройдут через коллимирующую линзу и не попадут в оптоволокно.
Рис.3 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-независимом изоляторе
Общие характеристики
Лучевая стойкость
Изоляторы от компании Thorlabs обладают более высоким коэффициентом пропускания в прямом и высоким уровнем изоляции в обратном направлении по сравнению с другими производимыми оптическими изоляторами. Также изоляторы Thorlabs компактнее других изоляторов с эквивалентной апертурой. В качестве ячейки Фарадея в оптических изоляторах Thorlabs используется кристалл Тербий Галлиевый Гранат (ТГГ), который обладает превосходными оптическими свойствами и устойчив к оптическому излучению высокой интенсивности. Лучевая стойкость ТГГ кристаллов достигает 22.5 Дж/см2, тестирование проходило при интенсивности 1.5 ГВт/см2 (длительность импульса: 15 нс) на длине волны 1064 нм и интенсивности 20 кВт/см2 в непрерывном режиме. Тем не менее, Thorlabs не несет ответственности за повреждения, обусловленные "горячими точками" лазерного пучка.
Магнит
Магнит является ключевым фактором, определяющим размер и характеристики оптического изолятора. Оптимальный размер магнита определятся не только напряженностью магнитного поля, но и конструкцией изолятора. Большинство магнитов, используемых компанией Thorlabs обладают сложной конструкцией. Устройство изолятора смоделировано таким образом, чтобы оптимизировать параметры, влияющие на размер, оптический путь, угол поворота плоскости поляризации и однородность магнитного поля. Так как вокруг изолятора существует сильное магнитное поле, компания Thorlabs рекомендует располагать стальные или магнитные элементы не ближе 5 см от изолятора.
Температура
Магнит и материал ячейки Фарадея меняют свои свойства при изменении температуры. Напряженность магнитного поля и постоянная Верде уменьшаются с ростом температуры.
Дисперсия импульса
Уширение импульса всегда наблюдается при распространении импульса сквозь среду с показателем преломления больше 1. Дисперсия импульса растет обратно пропорционально ширине импульса, и таким образом, может быть значительной при работе со сверхбыстрыми лазерами.
Рис.4 Дисперсия импульса в изоляторе
τ: ширина импульса до изолятора
τ(z): ширина импульса после изолятора
Пример:
τ=197 фс превращается в τ(z)=306 фс (представлено на графике)
τ=120 фс превращается в τ(z)=186 фс
Типы изоляторов от компании Thorlabs
Неперестраиваемые узкополосные изоляторы
Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Положение поляризатора не регулируется, оно подобрано таким образом, чтобы обеспечить максимальное подавление обратного потока излучения на рабочей длине волны. При изменении длины волны излучения изоляция (потери при распространении обратного сигнала) начнет уменьшаться. На графике представлено изменение изоляции в зависимости от длины волны излучения.
|
Особенности:
|
 |
Перестраиваемые узкополосные изоляторы
|
Особенности:
|
|
Перестраиваемые широкополосные изоляторы
Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Изолятор оснащен регулировочным кольцом, которое позволяет менять количество материала ячейки Фарадея, помещаемого в магнитное поле. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, и тем самым уровень изоляции начнет падать. Чтобы восстановить максимальный уровень потерь излучения в обратном направлении, необходимо повернуть регулировочное кольцо таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе из ячейки Фарадея был равен 45ᴼ относительно ориентации плоскости поляризации излучения на входе в ячейку.
|
Особенности:
|
|
Неперестраиваемые широкополосные изоляторы
В изолятор вместе с ячейкой Фарадея помещен кристалл кварца, который поворачивает плоскость поляризации излучения на 45°, таким образом, на выходе из изолятора поворот плоскости поляризации равен 90°. Уровень потерь при распространении обратного сигнала незначительно меняется при изменении длины волны излучения. Изолятор не требуется регулировать или перестраивать при работе в установленном рабочем диапазоне.
|
Особенности:
|
|
Изоляторы с двумя ячейками Фарадея
Изолятор оснащен двумя ячейками Фарадея, между которыми расположен поляризатор. Комбинация ячеек действует таким образом, что поворот плоскости поляризации излучения на выходе изолятора равен 0°. Изоляторы с двумя ячейками Фарадея представляют собой узкополосные изоляторы, которые могут быть перестраиваемыми или неперестраиваемыми.
|
Особенности:
|
|
В каталоге Thorlabs вы можете подобрать оптический изолятор для работы в любом спектральном диапазоне:
Волоконно-оптические изоляторы
В ассортименте компании Thorlabs представлены изоляторы, сопряженные с одномодовыми (SM fiber) или поляризационно-стабилизированными волокнами (PM fiber). Широкополосные изоляторы с одномодовыми волокнами могут использоваться с суперлюминесцентными диодами.
Настройка перестраиваемых узкополосных изоляторов
Как было отмечено ранее, чтобы восстановить максимальный уровень изоляции при изменении длины волны излучения, необходимо повернуть выходной поляризатор. Вращение выходного поляризатора приведет к росту потерь сигнала в прямом направлении, причем эти потери будет тем больше, чем больше разница между длиной волны излучения и рабочей длиной волны.
Принцип работы перестраиваемых узкополосных изоляторов
Перестраиваемые узкополосные изоляторы способны обеспечивать одинаковой уровень изоляции в пределах спектрального диапазона 20 – 40 нм около рабочей длины волны изолятора. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, что приведет к уменьшению уровня изоляции. Например, если плоскость поляризации излучения на длине волны 670 нм ячейка Фарадея поворачивает на 45° (670 нм – рабочая длина волны), то плоскость поляризации излучения на длине волны 660 нм повернется на 46.5°. Если излучение на длине волны 660 нм пройдет через изолятор (с рабочей длиной волны 670 нм) в обратном направлении без настройки изолятора, угол поворота плоскости поляризации составит 45° + 46.5°= 91.5° относительно плоскости поляризации излучения на входе изолятора в прямом направлении. При этом проекция поляризации на плоскость пропускания поляризатора пройдет в обратном направлении через изолятор без подавления, таким образом уровень изоляции значительно упадет. Так как для полного подавления обратного излучения необходимо, чтобы плоскость поляризации была перпендикулярна плоскости пропускания входного поляризатора, необходимо повернуть выходной поляризатор, чтобы компенсировать увеличение угла поворота поляризации излучения при прохождении через ячейку Фарадея. В нашем примере поляризатор необходимо повернуть на 90° - 46.5° = 43.5°. Такая настройка позволит повысить уровень изоляции до прежнего максимального уровня.
|
При распространении в обратном направлении излучение на рабочей длине волны блокируется |
При распространении в обратном направлении излучение на длине волны отличной от рабочей частично пропускается изолятором |
Последствия настройки
Вследствие поворота выходного поляризатора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится. Излучение с длиной волны 660 нм распространяется в прямом направлении с плоскостью поляризации повернутой на 0° после прохождения через входной поляризатор и поворачивается на 46.5° ячейкой Фарадея. Но выходной поляризатор теперь повернут на 43.5°. Уменьшение коэффициента пропускания можно вычислить с помощью закона Малюса:
,
где Ɵ – угол между плоскостью поляризации излучении после ячейки Фарадея и плоскости пропускания поляризатора, I0 – интенсивность до поляризатора, I – после него. Для малых отклонений от рабочей длины волны, уменьшение коэффициента пропускания мало, но при больших отклонениях становится значительным. В нашем примере (разница между рабочей длиной волны и длиной волны излучения 10 нм), θ = 46.5° - 43.5° = 3.0°, значит I = 0.997 I0.
|
Перестраиваемый узкополосный изолятор обеспечивает максимальный уровень изоляции на любой длине волны в пределах узкого спектрального диапазона |
Вследствие поворота выходного поляризатора при настройке изолятора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится. |
Конструкция изолятора от компании Thorlabs позволяет легко повернуть выходной поляризатор не сбивая настройку остальных частей изолятора.
