定義:ファラデー効果を利用した、光の偏光状態を回転させることができる装置。

ファラデーローテータは、光が磁場にさらされている透光性媒体を透過する磁気光学デバイスである。磁力線は、ビーム方向、またはビームの逆方向とほぼ同じ方向を有する。光が直線偏光の場合は、媒体を通過中に偏光方向が連続的に回転する。総回転角βは、以下の式で計算することができる。

faraday-rotator_eq1

ここで、Vは、材料のベルデ定数、Bは(伝搬方向の)磁束密度、Lはローテータ媒体の長さ。ベルデ「定数」は通常、実質的な波長依存性を示すことに留意すること。値は、長い波長に対してはより小さくなる。

重要な点として、偏光方向の変化は磁場方向とベルデ定数の符号によってのみ定義されることが挙げられる。直線偏光がミラーで反射した後、再びファラデーローテータを介して送信された場合に、二回の通過での偏光の変化は互いを相殺するのではなく合算される。この非可逆動作のため、ファラデーローテータは波長板や偏光板等とは区別される。

偏光回転の物理的起源については、直線偏光のビームを2つの円偏光の重ね合わせとして捉えることができる。磁場はこれらの円偏光成分間の位相速度に差を生じさせ、これにより得られた相対的位相変移は、直線偏光方向の変化に相当する。

 

構成詳細

磁場は通常、以下の条件が大体達成されるように最適化された永久磁石と強磁性体の構成によって生成される。

  • 磁場強度は可能な限り高くすることで、特定の回転角度(例えば45°)を短いローテータ媒体で実現することができるようにする。これは、寄生吸収(およびそれによって引き起こされる熱効果)による媒体とそれの非線形性に対する有害な影響を低減するためである。
  • 空間的に均一な回転角度が達成されるために、磁束密度は光が媒体を介して送信される領域全体で可能な限り均一であるべきである。

これらの目標は、特定の設計上の妥協を伴う。特に、良好な磁場均一性を有する大きな幾何学的な断面は、より強い磁石または、達成可能な電界強度を低下させる必要がある。このため、デバイスはそれぞれ目的によって最適化されている。大口径で重い高価な高電力デバイスから、はるかに安い低電力レベル用の小型のデバイスまで存在する。

高いベルデ定数とは別にファラデー媒体は、必要なスペクトル領域での高い透明性、 高い光学的品質、そして場合によって高い光損傷閾値を有している必要がある。近赤外スペクトル領域のために頻繁に使用されるファラデー媒体はテルビウム・ガリウム・ガーネット結晶(TGG)と、比較的大きなベルデ定数を示すテルビウムドープホウケイ酸ガラスである。1.3ミクロンまたは1.5ミクロンスペクトル領域において動作する通信構成部品の一般的な選択はイットリウム鉄ガーネット(YIG)である。

高い光学平均パワーでの動作において、ファラデーローテータの寄生吸収が実質的な内部加熱につながり、その結果ビームの熱ひずみにつながることがある。具体的には、熱レンズが発生する可能性があり、熱レンズのパワー依存性と重大な収差の両方が非常に邪魔になることがある。高出力動作の詳細は、記事ファラデーアイソレータに記載されている。

ほとんどの場合、ファラデーローテータの表面上での入力および出力における反射損失は、動作波長のために設計された反射防止コーティングで最小化される。動作帯域幅がコーティングだけではなくベルデ定数の波長依存性によって制限される点に留意すること。

 

活用方法

ファラデーローテータは、レーザ技術で多くの活用方法がある:

  • 特に重要な活用方法として、ファラデーアイソレータにおいて必要に応じて後方反射光に対してレーザと増幅器を保護する用途がある。これのためには、回転角度が必要なスペクトル領域で45°に近いものでなければならない。後方反射光に対して大きな減衰を得るためには非常に均一な偏光回転であることが望ましい。
  • リングレーザ共振器内のファラデーローテータは、方向に依存して往復損失を与えるので、単一方向での動作を強制するために使用することができる。多くの場合少しの損失の差で十分であるため、ファラデーローテータは非常に小さい回転角を与えるもので十分である。追加の半波長板を、1つのビーム方向についての偏光回転を補償するために使用することができる。

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図1:二重パスレーザ増幅器のセットアップ。右側のファラデーミラーは、光の偏光状態が増幅器媒体を2回通過した後に歪まないことを保証する。

  • エンドミラーと組み合わせた45°のローテータは、ファラデーミラーを形成する。 レーザビームが増幅器を介して送信され、ファラデーミラーで反射された後に増幅器を介して送り返される場合(図1参照)、戻り光は偏光状態が増幅器内に保存されていなくても入力ビームのそれに直交する偏光方向を有する。これにより、偏光子は反対方向に進行するビームを確実に分離することができる。これは、(反射光のための出力ポートの付いた)ファラデーアイソレータ、アンプ、そして普通のミラーを使用するよりもうまく動作する。
  • 後者の技術は特定の高出力レーザのレーザ共振器内に同様の形で、偏光の歪み、つまり偏光解消の損失を最小化するために利用することができる。
  • ファイバ結合ファラデーミラーは光ファイバ干渉計および特定のファイバレーザ等で有用である。

アイソレータの亜種として3つの光ポートを有するファラデーサーキュレータがある。

 

参考文献

Faraday Rotators


::Optishopのファラデーローテータ

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