Was ist ein Faraday-Rotator?
Ein Faraday-Rotator ist ein Gerät ohne bewegliche Teile, das die Polarisation oder den Wellenformwinkel des durch ihn hindurchtretenden Lichts ändert. Licht durchdringt Luft oder andere Materialien als eine Reihe von Wellen, die als elektromagnetische Strahlung bezeichnet werden und sowohl die Eigenschaften elektrischer als auch magnetischer Felder aufweisen. Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip, dass Licht, das durch einen Kristall oder ein festes transparentes Material tritt, die Polarisation ändert, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist.
Die Wirkung von Magnetfeldern auf Lichtwellen, die der Wissenschaftler Michael Faraday 1845 entdeckte, war der erste Beweis dafür, dass Licht eine elektromagnetische Welle war. Er fand heraus, dass die Änderung der Magnetfeldstärke den Polarisationswinkel des Lichts beeinflusste. Der so genannte Faraday-Effekt ist die Grundlage für den Rotator, der den experimentellen Effekt in einem praktischen Gerät nutzt.
Licht, das durch viele Materialien, einschließlich Glas und Wasser, gelangt, kann den Polarisationswinkel beeinflussen, ohne dass Magnetfelder verwendet werden. Dieser Effekt wird als optische Polarisation bezeichnet, und Hersteller von Sonnenbrillen nutzen diesen Effekt, indem sie Linsen herstellen, die andere Polarisationswinkel als normales Licht blockieren. Die Blendwirkung wird verringert, da reflektiertes Licht von Wasser oder Gebäuden einen anderen Polarisationswinkel aufweist.
Um einen Faraday-Rotator zu bauen, umgibt ein Magnet ein transparentes Material. Beim Durchgang von Licht bewirkt das Magnetfeld, dass die Lichtwelle um einen bestimmten Betrag gedreht wird. Der Betrag der Drehung kann durch eine Gleichung bestimmt werden, die die Magnetfeldstärke, die Länge des Kristalls und die Verdet-Konstante des Materials verwendet. Diese Konstante ist für alle Materialien unterschiedlich und ändert sich mit der Temperatur; Konstantentabellen werden für Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen veröffentlicht.
Lasergeräte verwenden häufig einen Faraday-Rotator als Schutzvorrichtung, um zu verhindern, dass Laserenergie in das Gerät reflektiert wird. Wenn ein Laser einen Lichtstrahl erzeugt, ist dieser sehr kohärent, was bedeutet, dass er Licht einer bestimmten Wellenform enthält. Wenn das Licht den Laser verlässt, wird es häufig reflektiert oder durch andere Geräte geleitet, und möglicherweise wird ein Teil des Lichts zurück zum Laser reflektiert. Das Hinzufügen eines Faraday-Rotators verhindert dies, da das durch den Rotator hindurchtretende Licht typischerweise um 45 ° vom ursprünglichen Strahl polarisiert ist und nicht zurück reflektiert werden kann. Der Winkel kann variiert werden, aber eine stärkere Polarisation erfordert eine zusätzliche Magnetfeldstärke.
Ein weiterer Vorteil eines Faraday-Rotators ist, dass Licht, das durch ihn hindurchgeht und dann in die entgegengesetzte Richtung zurückkehrt, nicht zurückgedreht wird. Wenn das Licht vom Rotator um 45 ° polarisiert wird und dann auf einen Spiegel trifft und zurückkehrt, polarisiert der Rotator ihn um weitere 45 °. Optische Polarisationsfilter oder Geräte, die bestimmte Polarisationsgrade für den Laborgebrauch erzeugen, können diesen Effekt nutzen. Dies funktioniert, indem ein Teil des Lichts durch den Rotator reflektiert wird, wodurch zwei Lichtstrahlen erzeugt werden, die in verschiedenen Winkeln polarisiert sind.