Faraday-Isolator

Ein optischer Isolator ist ein optisches Bauteil, das Lichtwellen einer bestimmten Polarisationsrichtung nur in eine Richtung durchlässt, in der Gegenrichtung jedoch Licht beliebiger Polarisation ablenkt und ggf. absorbiert. Es wirkt somit als „Ventil“ bzw. in Gegenrichtung als „Isolator“ und wird daher in Analogie zur elektrischen Diode manchmal auch als „optische Diode“ bezeichnet.

Optische Isolatoren werden oft in der Lasertechnik verwendet, um beispielsweise unerwünschte Rückreflexionen aus einer optischen Apparatur in den Laser zu vermeiden, die diesen stören oder sogar beschädigen könnten. Sie dienen auch zur richtungsabhängigen Entkopplung optischer Verstärker.

Optische Isolatoren nach dem Faraday-Prinzip bestehen aus einem optischen Faraday-Rotator oder Faraday-Dreher und zwei Polarisationsfiltern und werden auch Faraday-Isolator genannt.

Funktionsweise

Optische Isolatoren funktionieren nach dem Faraday-Effekt, bei dem ein optisch inaktives Material durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes optisch aktiv wird und die Polarisation des Lichtes dreht. Anders als bei anderen polarisationsdrehenden Materialien, bei denen das Licht richtungsunabhängig immer im selben Richtungssinn gedreht wird, ist der Drehsinn im Faraday-Rotator richtungsabhängig, je nach dem, wie das Licht im Bezug zum Magnetfeld durchscheint. Licht, das in Richtung der Magnetfeldlinien einfällt, wird mit einem anderen Richtungssinn gedreht als Licht, das entgegengerichtet einfällt.

Diesen Effekt nutzt man auf folgende Weise: Man legt an ein geeignetes durchsichtiges Material ein Magnetfeld parallel zur optischen Achse an und wählt die Stärke des Magnetfelds so, dass die Polarisation des Lichts genau um 45 Grad gedreht wird. Wenn man an die beiden Enden des magnetisierten Materials Polarisationsfilter stellt, die zueinander um 45 Grad verdreht sind, dann wird das Licht, das aus der einen Richtung kommt, um 45 Grad gedreht, sodass es den hinteren Polarisationsfilter (den Analysator) ungehindert passieren kann. Licht, das aus der entgegengesetzten Richtung kommt, wird jedoch so gedreht, dass es nun senkrecht auf den vorderen Polarisationsfilter auftrifft. Es wird somit nicht durchgelassen, sondern (im Falle von Polarisations-Prismenwürfeln) zur Seite reflektiert.

Da die Faraday-Rotation des Lichts stark von der Wellenlänge abhängt, funktionieren optische Isolatoren nur bei einer bestimmten Wellenlänge perfekt; bei allen anderen Wellenlängen wird Licht auch in Gegenrichtung durchgelassen und ein Teil des Lichts in Vorwärtsrichtung vom Analysator ausgefiltert. Da aber Laserstrahlen normalerweise monochrom sind, spielt das bei Laserlicht keine Rolle - man muss ohnehin meist nur die Wellenlängen vom Laser fern halten, die auch von ihm emittiert werden und ihn durch Rückkopplung stören könnten.

Ausführung

Wichtige Eigenschaften des optischen Mediums in Faraday-Isolatoren sind eine hohe Verdet-Konstante, also starke Drehung der Polarisationsebene, geringe Absorption des Lichts, und bei hohen Laserleistungen geringe optische Nichtlinearität und hohe Zerstörschwelle.

Im Bereich des sichtbaren Lichts und im nahen Infrarot wird Terbium-dotiertes Glas oder Terbium-Gallium-Granat (TGG) verwendet, bei Wellenlängen über 1,1 µm auch Yttrium-Eisen-Granat (YIG). Die notwendigen Magnetfelder werden mit starken Permanentmagneten, z. B. Neodym-Eisen-Bor-Magneten erzeugt; dadurch kann die Länge des optischen Mediums relativ kurz gehalten werden (ein bis einige cm).

Hersteller bieten meist die mit Dauermagneten versehenen Faraday-Rotatoren und die erforderlichen Polarisatoren getrennt an.

Verwandte Anwendungen und Bauteile

U. a. zu Modulationszwecken kann das Magnetfeld prinzipiell auch mit einer stromdurchflossenen Spule erzeugt werden, die Modulationsgeschwindigkeiten sind jedoch gering und die Erwärmung ist von Nachteil.

Zur schnellen Modulation von Laserstrahlen oder zur Güteschaltung werden daher akustooptische Modulatoren, Kerr-Zellen oder insbesondere Pockels-Zellen eingesetzt.
Letztere beruhen auch auf der Drehung der Polarisationsrichtung von Licht.

Faraday-Rotatoren und -isolatoren gibt es auch für Mikrowellen, diese arbeiten mit magnetisierten Ferrit-Bauteilen in Hohl- bzw. Wellenleitern.