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光隔离器

今天我们来聊一聊光隔离器wink。顾名思义,光隔离器的作用就是把某部分的光隔离掉,使它不能在光路里继续存在。那么光隔离器是隔离的哪部分光,又是怎样隔离的呢?

光纤中的光隔离器

 

我们先来看一下对光隔离器的标准解释:光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件,作用是对光的方向进行限制,使光只能单方向传输,通过使光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离,提高光波传输效率。

简单来说,就是让光路中的光只能沿一个方向走,而不能反向走。这有什么好处呢?比如上面提到的“通过使光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离,提高光波传输效率”,意思就是在光纤的端面处(尤其是完全与轴向垂直的0度角端面)会有一部分光发生反射,在光纤中反向传播,影响光波的传播效率。而且反向传输的光会产生附加噪声,对实验结果产生影响。所以我们不想让端面的反射光存在,而光隔离器可以隔离掉这部分光。如下图所示,蓝紫光为光纤端面反射的回波。

光隔离器还有一个常见的用处。在光纤激光器的光路中,泵浦光和它激发的激光同时存在。但是如果我们想输出不带有泵浦光的激光,就可以在光纤的环形腔里加入光隔离器。光隔离器的通光方向传播泵浦光激发的激光,隔离光的方向输入泵浦光,也就是反向泵浦。这样就可以使泵浦光在激发出所需波长的激光后,被隔离在隔离器处。下图带有箭头的器件就是光隔离器。

我们知道了光隔离器的一些作用,我们不禁好奇,光隔离器是怎样产生这样神奇的效果的?

光隔离器里面有最重要的一个部分,就是法拉第旋光器。法拉第旋光器是一种非互易性元件。非互易性是说指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性,我们把这一种现象称为非互易性。

在法拉第旋光器中,非互易性可以直观理解为以下解释:

向法拉第旋光器射入一道振动方向竖直的线偏光。沿着入射光的方向观察,而且观察方向始终不变(这一点很重要!),假设经过法拉第旋光器后,光的振动方向顺时针转了45度。在法拉第旋光器后放置一个反射镜,反射后的线偏光经过法拉第旋光器后,继续顺时针转45度。也就是说竖直方向偏振的线偏光,往返经过法拉第旋光器后,变成了水平方向振动的线偏光。法拉第旋光原理如下图所示,在法拉第旋光器中,我们把旋转角度β设置为45度。

上面所说的线偏光只是用来举例的,其实任何偏振方向和偏振态的光都会被法拉第旋光器按照上述方式改变偏振态。那它是怎样用在隔离器中的呢?

其实很简单!在法拉第旋光器两端加两个起偏夹角为45度的偏振片。为啥要45度呢?因为我们把法拉第旋光器设计成“把入射光的偏振态改变45度”,如下图。入射光经过起偏器后,线偏光经过法拉第旋光器的旋转,偏振态正好和检偏器的通光方向对上,光束通过。如果是反向来的光,光束经过“检偏器”和法拉第旋光器后,偏振态确实也转了45度,但是却是向着远离“起偏器”的方向转了45度,此时光束偏振态与“起偏器”的通光方向垂直,也就是完全不能通过,被隔离了。

 

总之,光隔离器就是由起偏器、法拉第旋光器、检偏器这主要的三部分组成,他们的作用我们上面也详细地讲过了。其中法拉第旋光器不仅在隔离器中发挥重要作用,在单独使用时它也有无可替代的位置。这里插一句题外话,在做实验过程中,师兄/师姐通常会告诉我们,通过旋转半波片可以改变光束的偏振方向。那么大家可以想一想,半波片和法拉第旋光器有哪些相似之处,又有哪些不同之处呢?它们的不同可不止一两处哦。

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