Technische Erläuterungen

Funktionsweise

Faraday-Isolatoren sind optische Bauelemente, die Licht nur in einer Ausbreitungsrichtung transmittieren lassen (optischer Isolator). Die Wirkungsweise beruht auf dem nicht-linearen Faraday-Effekt (Magnetorotation). Vom Prinzip her sind optische Isolatoren vergleichbar mit Dioden, wie sie aus der Elektrotechnik bekannt sind.

Faraday-Isolatoren bestehen aus drei Hauptelementen:

• Eintrittspolarisator
• Faraday-Rotator
• Austrittspolarisator

Als Ein- und Austrittspolarisatoren werden meist dielektrische Dünnschichtpolarisatoren verwendet. Diese speziellen polarisierenden Strahlteilerwürfel besitzen ein extrem hohes Löschungsverhältnis und sind für die Verwendung von hohen Laserleistungen ausgelegt. Alle Ein- und Austrittsflächen der Polarisatoren sind für den angegebenen Wellenlängenbereich antireflexvergütet.

Das Kernelement des Faraday-Isolators ist der Faraday-Rotator, der aus einem möglichst starken Permanentmagneten und einem Faraday-aktiven Kristall mit hoher Verdet-Konstante in seinem Inneren besteht.

Trifft nun Licht beliebiger Polarisation auf den Eintrittspolarisator, so verlässt es diesen mit horizontaler oder vertikaler linearer Polarisation (im Beispiel vertikal, also 0°). Da Laserlicht im allgemeinen ohnehin linear polarisiert ist, kann man durch geeignete Drehung des Isolators die Vorzugspolarisation des Eintrittspolarisators an die Laserpolarisation angleichen. Das Licht durchläuft anschließend den Faraday-Rotator. Dieser besteht aus einem Terbium-Gallium-Granat (TGG) Kristall, der sich in einem starken homogenen Magnetfeld befindet. Kristall und Magnetfeldstärke sind so abgestimmt, dass nach Verlassen des Kristalls die Polarisation des Lichts um 45° gedreht ist (im Beispiel in Richtung Nord-Süd des Magnetfelds gesehen gegen den Uhrzeigersinn, also +45°). Der Ausgangspolarisator ist ebenfalls unter +45° orientiert, so dass die maximale Strahlintensität transmittiert wird.

Trifft Licht beliebiger Polarisation, aber mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung, dagegen auf den Austrittspolarisator, so verlässt es diesen unter +45°. Es durchläuft ebenfalls den Faraday-Rotator und wird nochmals um +45° gedreht. Die nichtreziproke Natur des Faraday-Effekts bewirkt, dass die Drehrichtung in Nord-Süd-Richtung des Magnetfelds gesehen wiederum gegen den Uhrzeigersinn erfolgt. Nach dem Verlassen des Faraday-Rotators ist also durch Addition zweier +45°-Drehungen die Polarisation um +90° gegenüber der Vorzugspolarisation des Eintrittspolarisators gedreht.

In diesem Polarisationszustand wird es vom Eintrittspolarisator seitlich abgelenkt. Das rückwärtig eintretende Licht kann den Faraday-Isolator demnach nicht passieren, sondern wird gesperrt.

Erhöhung der Isolation

Die maximal erzielbare Isolationswirkung des Faraday-Isolators wird üblicherweise durch Inhomogenitäten des TGG-Kristalls und des Magnetfelds begrenzt. Es ist aber möglich, durch Hintereinanderschaltung von zwei Isolatoren das Sperrverhältnis zu quadrieren. Dabei ist es zweckmäßig, die Polarität der beiden Magnete gegensinnig zu wählen. Dann bleibt die Polarisationsrichtung des transmittierten Lichts in Durchlassrichtung unverändert. Zudem verstärkt sich in einer solchen Anordnung die Wirkung der Magnetfelder, so dass Isolatoren mit kleinerer Baugröße realisiert werden können. Die Stärke dieses Effekts ist abhängig vom Abstand der beiden Magnete und kann zur Wellenlängenabstimmung des Isolators genutzt werden. Eine Abstimmung ist erforderlich, da der Drehwinkel des TGG-Kristalls wellenlängenabhängig ist. Mehr Informationen dazu finden Sie im Kapitel "Zweistufige Isolatoren".

Literatur:

1. Bergmann, Schäfer

    Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, Optik de Gruyter, Berlin 1993

2. R. Wynands et. al.

    A compact tunable 60-dB Faraday optical isolator for the near infrared

    Rev. Sci. Instrum. 63, 5586-5590 (1992)

3. M. Lenzner et. al.

    Sub-20-fs, kilohertz-repetition-rate

    Ti:sapphire amplifier, Optics Letters, Vol. 20, No. 12, 1397-1399