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Die Erfindung betrifft einen Faraday- Rotator, mit einem senkrecht zur optischen Achse geschnittenen und mit dieser parallel zur Achse eines einfallenden, linear polarisierten Lichtstrahls angeordneten, vormagnetisierten Orthoferrit- Kristall als optischem Element, wobei die kristallographische a-Achse des Kristalls mit der Polansationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls einen Winkel a einschliesst Weiters betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur korrekten Ausrichtung des optischen Elementes eines derartigen Rotators relativ zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls sowie zur Kompensation der Abhängigkeit des FaradayRotationswinkels eines derartigen Rotators von der Temperatur Faraday-Rotatoren der eingangs genannten Art - auch optische Zirkulatoren genannt-sind seit längerer Zeit bekannt und werden beispielsweise als Bauteile von
optischen Isolatoren, Scha) tem, Verschlüssen, Modulatoren, usw., angewandt Die als optisches Element dabei haufig verwendeten Granate liefern unter Ausnutzung des Faraday-Effektes in Transparentmagneten grosse Drehwinkel der Polarisationsebene in vergleichsweise kleinen Plättchen, was vielfaltigste Anwendungen zulässt Der hauptsächliche Nachteil derartiger Rotatoren ist, dass zur Aufrechterhaltung der Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls permanent ein äusseres Magnetfeld angelegt sein muss, was etwa im Falle von optischen Isolatoren eine erhebliche Vergrösserung des Elementes bedeutet und damit die Anwendungsmöglichkeiten begrenzt.
In letzter Zeit wurden sogenannte"Latching Faraday-Rotators"entwickelt, die die angesprochenen Nachteile dadurch vermeiden, dass als optisches Element ein dünner Film aus einer Granatmischung mit hoher Koerzitivfeldstärke verwendet wird Wenn an dieses Element ein genügend grosses Magnetfeld, beispielsweise etwa 4 000 Oe angelegt wird, so wird der Film aufmagnetisiert und es verbleibt nach Abschalten des äusseren Magnetfeldes eine einzelne Domäne. Die Nachteile dieser Elemente sind hauptsächlich herrührend von der Verwendung eines dünnen Filmes, der vergleichsweise teuer ist Alterungsprozesse aufweist und auch spröde und damit eher kompliziert handhabbar ist.
Weiters wurden beispielsweise im "JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS 151 (1995) 207-210"Faraday-Rotatoren der eingangs angesprochenen Art beschrieben, bei denen Plättchen aus senkrecht zur den optischen Achse geschnittenem Orthoferrit als optische Elemente verwendet werden, wobei die Abhängigkeit der Faraday-Rotation und der Absorption vom Winkel a zwischen der kristallographischen a-Achse und der Polarisationsrichtung p des einfallenden Lichtstrahles untersucht wurde. Dieses Material hat ebenfalls hohe Koerzitivfeldstärke mit entsprechend grosser Hysterese, womit das optische Element ebenfalls in vorteilhafter Weise nach Abschalten eines entsprechend grossen äusseren Magnetfeldes aufmagnetisiert bleibt.
Der Vorteil besteht hier gegenüber dem oben angesprochenen "Latching Faraday- Rotator" darin, dass die optischen Elemente nun aus einem massiven Einkristall hergestellt werden können, der billiger ist, von Alterungsprozessen unabhängig Ist (bis zur Temperaturen von mehr als 1000 OC), eine höhere Koerzitivfeldstärke besitzt und auch eine grössere mechanische Festigkeit aufweist.
Für die konkreten Anwendungen nachteilig war bisher im letztgenannten Zusammenhang stets, dass auch bei Anordnung des als optisches Element wirksamen Orthoferrit- Kristalls mit seiner optischen Achse übereinstimmend mit der Achse des einfallenden Lichtstrahls zwar die Doppelbrechung gleich Null wird, jedoch trotzdem-entgegen den theoretischen Erwartungenoffenbar keine einfache Drehung der Polarisationsebene des linear polarisierten einfallenden Lichtstrahls stattfindet, womit beispielsweise die optische Isolationswirkung nur mehr entsprechend eingeschränkt mit derartigen Elementen realisierbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnung zu vermeiden und insbesonders eine Verbesserung der optischen Isolationswirkung zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung geht nun von der Überlegung aus, dass in derartigen OrthoferritKristallen offenbar die sogenannte Elliptizltät (Halbachsenverhältnis der Polarisationsellipse) in Richtung der optischen Achse entgegen den theoretischen Erwartungen nicht Null ist und beispielsweise von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes sowie auch vom Vorzeichen der Magnetisierung des Orthoferrit- Kristalles selbst abhängig ist. Von dieser experimentell überprüften und abgesicherten Überlegung ausgehend wird gemäss der vorliegenden Erfindung die oben angesprochene Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wert des Winkel a so gewählt ist, dass die Elliptizität des austretenden Lichtstrahls ein Minimum aufweist.
Es hat sich herausgestellt, dass für eine definierte Magnetisierungsrichtung ein bestimmter optimaler Winkel zwischen Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls und der kristallographischen a-Achse existiert. Dieser Winkel entspricht einer minimalen Elliptizität des durch den Kristall hindurchgelassenen
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Lichtstrahles Bei einer Wellenlänge beispielsweise von 1330 nm wurde eine minimale Elliptizität des Lichtes durch einen 45°-Rotator von 1 x 10-3 (Halbachsenverhältnis der Polarisationsellipse des austretenden Lichtstrahls) bestimmt, was beispielsweise in einem optischen Isolator ein relativ hohes Löschungsverhältnis (extinction ratio) von etwa 30 dB erreichen lässt.
Wird ein anderer Winkel zwischen Polarisation des einfallenden Lichtes und kristallographischer a-Achse des optischen Elementes eingestellt, ergeben sich relativ starke Vergrösserungen der Elliptizität Es konnte beispielsweise experimentell nachgewiesen werden, dass bei einer Abweichung des eingestellten vom optimalen Winkel zwischen Polarisation und a-Achse von 450 die Elliptizität des austretenden Lichtes fünf mal grösser als der erwähnte Optimalwert wurde,
was für die meisten Anwendungen derartiger Elemente nicht mehr tragbar ist bzw derartige Elemente eben für verschiedenste Anwendungen nicht mehr verwendbar macht
Als optisches Element wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Yttrium- OrthoferritKristall verwendet-dieses Material ist relativ unkompliziert in Beschaffung bzw Kristallherstellung und ist hochtransparent-bedarfsweise könnten aber natürlich auch andere Orthoferrite Verwendung finden.
Nach einer besonders bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Kompensation der Abhängigkeit des Faraday-Rotationswinkels von der Temperatur das optische Element um die kristallographische a-Achse verschwenkbar montiert Ändert sich die Temperatur des optischen Elementes eines Rotators der beschriebenen Art-so ändern sich auch seine Kristallparameter Normalerweise ist die Hauptursache für eine Änderung der Faraday-Rotation die Temperaturabhängigkeit der nicht-diagonalen Elemente des Dielektrizitätstensors, der für die gyrotropischen Eigenschaften verantwortlich ist.
In zweiachsigen Kristallen jedoch, zu denen auch die Orthoferrite gehören, ändert sich auch die Orientierung der optischen Achsen wegen der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der diagonalen Elemente Daraus folgt, dass der eintretende Lichtstrahl nicht mehr weiter entlang der optischen Achse verläuft, womit die FaradayRotation kleiner und die Elliptizität grösser wird Um diese Änderung der Faraday-Rotation und der Elliptizität zu eliminieren, wird hier nun vorgeschlagen, die Winkelorientierung des Rotators bzw. des Kristallelements so zu ändern, dass der Verlauf des eintretenden Lichtstrahls entlang der optischen Achse gesichert ist Es hat sich dabei herausgestellt, dass bei Temperaturänderungen die optische Achse in der kristallographischen bc- Ebene verbleibt, dass sich also nur der Winkel zwischen der optischen Achse und der c-Achse ändert.
Der Kristall wird zur Ermöglichung einer Positionierung der optischen Achse beispielsweise auf eine mechanisch drehbare Scheibe montiert, wobei die a-Kristallachsenrichtung parallel zur Rotationsachse angeordnet wird. Damit können die erwähnten Auswirkungen von Temperaturschwankungen sehr einfach kompensiert werden.
Das optische Element kann im letztgenannten Zusammenhang nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit einer automatischen Verschwenkeinheit, vorzugsweise mittels eines Bimetallplättchens betätigbar, zur Temperaturkompensation in Verbindung stehen. Dabei kann beispielsweise ein scheibenförmiges Element mit einer Umfangsrille an der Rotationsachse des Kristalls montiert sein und ein Ende eines andererseits gehäusefesten Bimetallplättchens in diese Umfangsrille eingreifen.
Wenn sich nun die Temperatur ändert, ändert sich auch die Krümmung des Bimetallplättchens und dieses verdreht die Scheibe bzw. das Kristallelement Durch die Wahl geeigneter Parameter für das Bimetallplättchen kann der Einfluss der Temperaturänderungen auf die Orientierung der optischen Achse und damit auf den Lichtverlauf ausgeschaltet bzw zumindest stark reduziert werden.
Zur korrekten Ausrichtung des optischen Elementes eines Faraday-Rotators gemäss der vorliegenden Erfindung relativ zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Ausgangsintensität des durch den vormagnetisierten Kristall durchgelassenen Lichtstrahles gemessen und sodann der Kristall ummagnetisiert und diese Messung wiederholt wird, und dass der relative Winkel zwischen Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls und kristallographischer a-Achse solange geändert wird, bis die gemessenen Ausgangsintensitäten von der Magnetisierungsrichtung unabhängig sind, wonach durch Annäherung eines Magneten an den Kristall bei dabei unbeeinflusst bleibender Messung die ermittelte relative Ausrichtung bestätigt und der davor
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Der optimale Winkel 0 : zwischen der Polarisierungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls und der a-Achse des Kristalls hängt von der Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes, der Dicke des Kristallelements und auch vom Vorzeichen der Magnetisierung bzw.
von der Richtung des Licht-
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verlaufes (vorwärts oder rückwärts) ab Davon ausgehend wird zur Sicherstellung einer minimalen Elliptizität des austretenden Lichtstrahls vorerst dieser optimale Winkel a an einer Probe mit definierter Dicke bei gegebener Wellenlänge des Lichtes bestimmt und der so ermittelte Wert von a für alle anderen Kristalle derselben Dicke verwendet Die Kristallelemente werden dann derart in einer Halterung montiert, dass die Anfangspolarisation des eintretenden Lichtstrahls mit der aAchse diesen ermittelten Winkel a einschliesst Dafür ist es allerdings notwendig, vorerst die Orientierung der a-Achse im Kristall bzw.
den Winkel zwischen Polarisationsrichtung des eintretenden Lichtstrahls und der a-Achse zu kennen Die bekannte Bestimmung der Orientierung der a-Achse beispielsweise mittels Röntgenbeugung ist für Vermessungen an Ort und Stelle natürlich nicht geeignet. Die hier vorgeschlagene Methode ist sehr viel einfacher und basiert darauf, dass die Absorption des Lichtes in normal zu den optischen Achsen geschnittenen Orthoferrit-Plättchen vom Vorzeichen der Magnetisierung des Plättchens abhängt.
Nur wenn die Anfangspolarisation parallel oder senkrecht zu den a-Achsen liegt, ist die feststellbare Absorption vom Vorzeichen der Magnetisierung unabhängig Zur Vorortmessung des Winkels zwischen der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahles und der Richtung der a-Achse wird vorerst die Intensität des durch den magnetisierten Rotator durchgelassenen Lichtstrahls gemessen. Dann wird das Vorzeichen der Magnetisierung des Rotators beispielsweise durch Umschalten der Stromversorgung eines Elektromagneten geändert und die Intensität des durchtretenden Lichtes nochmals gemessen Durch Drehung des Eingangspolarisators oder natürlich auch des optischen Elementes des Rotators wird sodann eine Winkelstellung gesucht, in der die messbaren Intensitäten für beide Magnetisierungsrichtungen gleich sind.
In diesem Fall ist die Polarisation des eintretenden Lichtstrahles parallel oder senkrecht zu den a-Achsen. Zur Unterscheidung, ob es sich um die a-Achse oder die dazu senkrecht stehende c-Achse handelt wird ein Magnet an die Probe angenähert-sofeme diese Annäherung Auswirkungen auf die jeweils gemessene Intensität hat, ist der Kristall (bei gleicher Intensität für beide Magnetisierungsrichtungen) entsprechend der c-Achse orientiert worden. Nur wenn diese zusätzliche Annäherung eines Magneten keine weitere Änderung in den gemessenen intensitäten bewirkt, ist die a-Achse des Kristalls richtig orientiert.
Die Erfindung wird im folgenden noch an Hand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei die prinzipiellen geometrischen Verhältnisse der Anordnung eines Faraday-Rotators nach der vorliegenden Erfindung relativ zu einem einfallenden, linearpolarisierten Lichtstrahl, Fig 2 zeigt eine Versuchsanordnung mit einem erfindungsgemässen Faraday- Rotator zwischen zwei Polarisatoren und Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung nach der vorliegenden Erfindung mit Möglichkeiten zur Temperaturkompensation
Fig.
1 zeigt einen senkrecht zur optischen Achse 1 geschnittenen und mit dieser parallel zur Achse 2 eines einfallenden, linearpolarisierten Lichtstrahls (Pfeil 3) angeordneten, auf hier nicht dargestellte Weise vor-magnetisierten Orthoferrit-Kristall 4 als optisches Element eines FaradayRotators, welcher in bekannter Weise die Polarisationsrichtung (p) des einfallenden Lichtstrahls 3 um einen bestimmten Winkel verdreht, der unter anderem beispielsweise von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes abhängt.
Unter Ausnutzung dieses Effektes können mit derartigen Rotatoren beispielsweise optische Isolatoren, Schalter, Verschlüsse, Modulatoren, usw., auf an sich bekannte Weise aufgebaut werden
Bei der dargestellten Anordnung des als optisches Element wirksamen Kristalls 4 mit seiner optischen Achse 1 übereinstimmend mit der Achse 2 des einfallenden Lichtstrahls 3 ist zwar die Doppelbrechung des Orthoferrits gleich Null, wobei aber entgegen den theoretischen Erwartungen offenbar trotzdem keine einfache Drehung der Polarisationsebene (Polarisationsrichtung p) des linearpolarisierten einfallenden Lichtstrahles 3 stattfindet, sofeme nicht bestimmte weitere Dinge beachtet werden.
Es hat sich herausgestellt, dass in derartigen Orthoferrit-Kristallen 4 offenbar die sogenannte Elliptizitàt (Halbachsenverhältnis der Polarisationsellipse) in Richtung der optischen Achse entgegen den theoretischen Erwartungen nicht Null ist und zumindest von der Polarisationsrichtung p des einfallenden Lichtstrahls 3 sowie auch vom Vorzeichen der Magnetisierung des Orthoferrit- Kristalles 4 selbst abhängig ist.
Diese Elliptizität hat bei einem bestimmten Winkel a zwischen der kristallographischen a-Achse des Kristalls 4 und der Polarisationsrichtung p des einfallenden Lichtstrahles 3 ein Minimum (Wert grössenordnungsmässig 1 x 10-3), welches beispielsweise bei Verwendung eines derartigen Kristalls 4 in einem optischen Isolator ein relativ hohes und auf alle Fälle ausreichendes Löschungsverhältnis von etwa 30 dB erreichen lässt. Wenn dieser Winkel a anders gewählt oder verstellt wird, zeigt sich, dass relativ starke Vergrosserungen der Elliptizitt auftreten, die einer Verwendung derartiger Kristalle für viele Anwendungsfälle entgegenstehen Die Versuchsanordnung in Fig.
2 besteht im wesentlichen aus
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einer Lichtquelle 5, einem daran anschliessend im Weg des Lichtstrahles 3 angeordneten Polarisator 6, dem optischen Element bzw Orthoferrit- Kristall 4, einem daran anschliessenden Analysator (weiterer Polarisator) 7 und einem Detektor 8. Die Elemente 4,6 und 7 sind um die Achsen 1 bzw 2 verdrehbar, sodass verschiedenste Untersuchungen an dem durch die Elemente 6, 4,7 beeinflussten Lichtstrahl 3 vorgenommen werden können. So kann der durch den Polarisator 6 linearpolarisierte Lichtstrahl 3 beispielsweise daraufhin untersucht werden, wie bzw. in welchem Ausmass der Kristall 4 seine Polarisationsebene verdreht und wie bzw. in welchem Ausmass sich dabei letztendlich Elliptizität bemerkbar macht.
Bei weggelassenem Analysator 7 kann mit der Anordnung nach Fig. 2 beispielsweise auf sehr einfache Weise die korrekte Ausrichtung des optischen Elementes relativ zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ermittelt werden. Es wird dazu die Ausgangsintensität des durch den magnetisierten Kristall 4 durchgelassenen Lichtstrahls 3 gemessen und sodann der Kristall 4 ummagnetisiert und diese Messung wiederholt.
Daraufhin kann der relative Winkel Cl in Fig 1 zwischen Polarisationsrichtung p des einfallenden Lichtstrahls 3 und kristallographischer a-Achse solange geändert werden, bis die gemessenen Ausgangsintensitäten von der Magnetisierungsrichtung unabhängig sind, was dann der Fall ist, wenn die Anfangspolarisation parallel oder senkrecht zur a-Achse liegt Zur Unterscheidung, ob es sich um die a-Achse oder die dazu senkrecht stehende c-Achse handelt, kann dann noch beispielsweise ein kleiner Dauermagnet an den Kristall 4 seitlich angenähert werden-sofeme diese Annäherung Auswirkungen auf die jeweils gemessene Intensität hat, ist der Kristall (bei gleicher Intensität für beide Magnetisierungsrichtungen) entsprechend der c-Achse orientiert worden.
Nur wenn diese zusätzliche Annäherung eines Magneten keine weitere Änderung in den gemessenen Intensitäten bewirkt, ist die a-Achse des Kristalls richtig orientiert.
Nachdem die a-Achse des Kristalls auf diese sehr einfache Weise ermittelt wurde, kann sie selbst auf die beschriebene Weise richtig relativ zur Polarisationsrichtung p des einfallenden Lichtstrahles 3 angeordnet werden, was minimale Elliptizität des durchgehenden Lichtstrahles ergibt.
Gemäss Fig 3 ist das optische Element (Kristall 4) um seine kristallographische a-Achse verschwenkbar montiert, um die Abhängigkeit des Faraday-Rotationswinkeis von der Temperatur des optischen Elements kompensieren zu können. Der Kristall 4 ist dazu auf einer Achse 9 montiert, die ihrerseits eine Scheibe 10 mit einer Umfangskerbe 11 trägt, in welche ein BimetallElement 12 eingreift Dieses Bimetall-Element 12 ist andererseits an einem Gehäusewinkei 13 angelenkt, welcher auch ein Lager 14 für die Achse 9 trägt.
Bei entsprechender Auslegung der Komponenten und insbesonders des Bimetall-Elementes 12 kann erreicht werden, dass eine bestimmte Temperaturänderung genau die erforderliche Winkeiverdrehung des Kristalls 4 um die Achse a bewirkt, welche die temperaturbedingte Winkelverdrehung der optischen Achse im Kristall 4 kompensiert Da Temperaturänderungen bei derartigen Kristallen bewirken, dass die optischen Achsen in der kristallographischen bc- Ebene verbleiben, kann durch diese einfache Verschwenkung dieses Kristalls 4 um die kristallographische a-Achse also eine negative Auswirkung von Temperaturschwankungen hintangehalten werden.