光学隔离器

光学隔离器，又称光学二极管，是一种可限制光线向特定方向行进的光学仪器。它通常被用来防止多余的反馈光线进入光学振荡器中，例如镭射腔。其运作原理乃为法拉第效应（磁光效应所造成），而该效应被用在其主元件，亦即法拉第旋光器中。

图一：光学隔离器在光路中的符号

原理

主条目：法拉第效应

光学隔离器的主元件是法拉第旋光器。如图二所示，我们在旋光器中施加一个磁场。它的磁感应强度在光线传播方向上的分量大小为$B$。这个磁场会使光线通过旋光器时偏振方向发生旋转。旋转角度$\beta$为：

$\beta =\nu Bd\,$,

其中$\nu$是旋光器材料（非晶体或晶体；固体，液体或气体）的韦尔代常数，$d$则是旋光器的长度。在光学隔离器中，旋转角度被特别设为45度。

另外，任何种类的光学隔离器（不仅是法拉第隔离器）都需要某种非互换性机制。

偏振相关隔离器

图二：法拉第旋光器，以及一个起偏器和一个检偏器

偏振相关隔离器，又称法拉第隔离器，由三个部分组成：一个输入偏振片（起偏器，偏振方向为垂直）、一个法拉第旋光器、以及一个输出偏振片（又称检偏器，偏振方向为45度）。

顺向行进的被输入偏振片极化，成为垂直偏振光。接着，法拉第旋光器会将光线的偏振方向旋转45度。最后，检偏器允许该光线通过该隔离器。

反向行进的光线则先通过检偏器（一样是偏振片），并被其极化为45度偏振光。接着，法拉第旋光器同样会将该光线的偏振方向旋转45度。这表示该光线最后会变成水平偏振的（法拉第效应的非互换性使得偏振旋转方向与光的行进方向无关）。由于起偏器只允许垂直偏振光通过，向后行进的光因此就被阻隔了。

图二是一个法拉第旋光器、一个起偏器和一个检偏器的组合。对于一个偏振相关隔离器而言，起偏器与检偏器之间的夹角$\beta$被设为45度。

偏振相关隔离器通常被用在自由空间光系统中。这是因为光源的偏振方向在其中通常是被维持的。在光纤系统中，偏振方向在非偏振维持系统中会被分散，因此会导致偏振角的损耗。

偏振独立隔离器

图三：偏振独立隔离器

偏振独立隔离器也是由三个部分构成：一个输入双折射楔 （其普通偏振方向为垂直、异常偏振方向为水平）、一个法拉第旋光器、以及一个输出双折射楔 （其普通偏振方向为45度、异常偏振方向为−45度）。

顺向行进的光线被输入双折射楔拆成垂直偏振与水平偏振二部分，各自被称作普通光（o光，ordinary ray）和异常光（e光，extraordinary ray）。接着，法拉第旋光器将o光和e光的偏振方向皆顺时针旋转45度，使o光的偏振方向为45度，而e光的偏振方向为−45度。最后，输出双折射楔再将二者重新合并 。

反向行进的光线则先通过输出双折射楔，并被其分离成偏振方向为45度的o光和偏振方向为-45度的e光。接着，法拉第旋光器再次将o光和e光的偏振方向同时逆时针旋转了45度，使o光呈垂直偏振而e光呈水平偏振。最后当它们通过输入双折射楔时，它们并不会被重新合并成一道光线，而是被分散掉。

图三显示了光线通过偏振独立隔离器的情形。顺向行进的光线在图中以蓝色表示，反向行进的光线则以红色表示。这二道光线的路径是以普通折射率为2而异常折射率为3得出的。其中楔角为7度。

光学隔离器与热力学

这种装置只允许光线向一个特定方向前进，看似会违反基尔霍夫热辐射定律以及热力学第二定律，因为它可让光能从较冷的物体流向较热的物体，并阻止反向机制的运作。但是，由于隔离器本身会吸收（而非反射）来自较热物体的光线并最终重新辐射到较冷的物体上，所以事实上这二个定律并不会被违背。让光子从冷处返回热处的尝试会不可避免地创造了其他光子从热处到冷处的路径，因此避免了佯谬的产生。

参见

• 法拉第效应
• 磁光效应
• 韦尔代常数

外部链接

• Optical Isolators - FDK（英文）