光是一定波段范圍的電磁波，電磁波中電場強度E和磁場強度B的振動方向都與電磁波傳播方向垂直。光波的感光作用和生理作用等主要是由電場強度E引起的，因此，常將E的振動稱為光振動，E的振動方向為光矢量的方向。

圖1電磁波振動方向

      就偏振性而言，光一般可分為偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有規則變化的光稱為偏振光。在傳播過程中，光矢量的方向不變，其大小隨相位變化的光是線偏振光，在垂直于傳播方向的平面上，光矢量端點的軌跡是一直線；圓偏振光在傳播過程中，其矢量的大小不變，方向規則變化，其端點的軌跡是一個圓；橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均成規則變化，光矢量端點沿橢圓軌跡轉動。

圖2 (a)線偏振光        (b)圓偏振光        (c)橢圓偏振光

      自然光可以看成是在一切可能方位上振動的光波的總和，即在觀察時間內，光矢量在各個方向上的振動幾率和大小相同。自然光在傳播過程中，由于外界的影響，造成各個振動方向上的強度不等，這種光叫做部分偏振光。

圖3 (a)自然光            (b)部分偏振光

      對于某些晶體，當入射平行線偏振光在晶體中沿著光軸方向傳播時，線偏振光的光矢量隨傳播距離逐漸轉動，這種現象稱為旋光現象。

      可以發生旋光的物質可以是雙折射晶體（如石英、酒石酸等）、各向同性晶體（如砂糖晶體、氯化鈉晶體等）和液體（如砂糖溶液、松節油等）。

      在固有旋光材料中，光矢量的旋轉方向取決于光的傳播方向，即如果光束沿原來的光路返回，其振動面將轉回到初始位置。

圖4 旋光現象

      法拉第效應也稱為磁致旋光效應，是磁光效應的一種。所謂磁光效應，即指在強磁場的作用下，物質的光學性質會發生變化。法拉第效應是指在強磁場作用下，本來不具有旋光性的物質產生了旋光性，即線偏振光通過加有外磁場的物質時，其光矢量發生了旋轉。

圖5 法拉第效應

      如圖5所示，將玻璃棒放進螺旋管的磁場中，并置于正交偏振器P、A之間，使光束順著磁場方向通過玻璃樣品，此時檢偏器A能接收到通過樣品的光。入射光矢量旋轉的角度θ與沿著光傳播方向作用在非磁性物質上的磁感應強度B及光在磁場中所通過的物質厚度l成正比，即

θ=VBl

      其中，V是物質常數，稱為維爾德（Verdet）常數，它與波長有關，且非常接近該材料的吸收諧振，故不同的波長應選取不同的材料。

從偏振特性的角度來說，磁光材料引起的光偏振方向僅取決于外加磁場的方向，而與光的傳播方向無關。也即它可以將正向入射光和反向入射光的偏振面都向同一方向旋轉同一角度，而與傳輸方向無關，所以法拉第效應具有非互易性，這與材料的固有旋光效應不同。

      法拉第旋轉器是一種利用法拉第效應實現光的偏振狀態旋轉的裝置，它在飽和磁場作用下對特定波長的光產生45°的旋轉角。主要由磁光材料和永磁材料兩部分構成，工作原理見上述圖5。

      在可見光及近紅外波段常用的磁光材料主要有釔鐵石榴石（YIG晶體）、鋱鎵石榴石（TGG晶體）、摻鋱玻璃和鉍（Bi）摻雜的石榴石晶體等；

      磁光材料發生旋光效應所需的磁場通常由永磁體提供。磁體要求在磁光材料所在空間內產生盡量強的軸向磁場，使磁場材料產生盡量大的穩定的偏振旋轉角度，常用材料為釤鈷（Sm-Co）材料和釹鐵硼（NdFeB）材料。

圖7 自由空間隔離器工作原理

      如圖7(a)所示，P、A為偏振器，其透光軸互成45°角，F-R為旋轉片，線偏振光光矢量經過旋轉片后旋轉45°，這時從左向右傳輸的光可以通過A出射，而從右到左的反向傳輸光經過A和旋轉片F-R后，因為磁場的大小和方向不變，所以光矢量的振動方向又同向轉過45°，正好與偏振片P的透光軸方向垂直，見圖7(b)，因而不能通過P，反向傳輸光被阻擋。

      法拉第旋轉器和自由空間隔離器主要用在激光系統中，和常見的激光反射鏡、激光透鏡等器件一樣，在選用合適產品時，需要關注激光損傷閾值、所能承受的光功率大小、透過率、衰減等參數，另外，應關注自由空間隔離器2個重要的光學指標，分別是插入損耗和隔離度。

      光隔離器的插入損耗是光隔離器正向接入時，輸出光功率與輸入光功率的比率，以dB為單位。假設光隔離器的正向輸入光功率為P_1正，輸出光功率為P_2正，則其計算公式為：

      影響插入損耗的因素有材料的固有吸收、各端面的回返損耗、雙折射晶體和法拉第旋轉器的角度誤差、消光比及透鏡的耦合損耗等。

      反向隔離度是光隔離器最重要的指標之一，它表征光隔離器對反向傳輸光的隔離能力。將光隔離器反向接入，假設光隔離器反向輸入光功率為P_1反，輸出光功率為P_2反，則光隔離器的隔離度計算公式為：

      聯合光科推出了波長為532nm、1064nm的法拉第旋轉器和自由空間隔離器，產品具有高功率、高透過率、高激光損傷閾值等優點，產品詳情見下表，我們也提供該類產品的定制服務。

法拉第旋轉器

自由空間隔離器