功能
光隔离器是一种只允许光单向传播的无源磁光器件。光隔离器用于防止光源受到隔离器之后的背向反射或信号产生的影响。背向反射可能会损坏激光源或引起激光源跳模、振幅波动或频移。在高功率应用中，背向反射还会引起不稳定性和功率尖峰。
隔离器的功能基于法拉第效应。1842年，迈克尔·法拉第发现偏振光在穿过磁场中的玻璃(或其他材料)时，偏振面会发生旋转。旋转方向取决于磁场方向，而不是光的传播方向；因此，旋转是不可逆的。旋转量β等于V x B x d，其中，V、B和d的定义如下。
β = V x B x d
V: 维尔德常量，是光学材料的特性常数，单位为radians/T • m。
B: 特斯拉中的磁通密度。
d: 通过光学材料的路径长度，单位为米。
光隔离器由输入偏振片、带磁体的法拉第旋光器和输出偏振片组成。输入偏振片作为滤光片，只允许线偏光进入法拉第旋光器。法拉第旋光器将入射光的偏振方向旋转45°，然后光通过另一个线偏振片出射。此时，出射光的偏振方向相对入射光旋转了45°。在反向光路中，法拉第旋光器继续旋转光的偏振方向，且旋转方向与正向光路中相同，所以此时光的偏振方向相对入射光旋转了90°。这样光的偏振方向垂直于输入偏振片的透射轴，所以根据偏振片类型的不同，能量会被反射或被吸收。
图2. 单级、偏振相关的隔离器。反向传播的光被输入偏振片阻挡。
正向模式
在此示例中，假定输入偏振片的轴是垂直的(图2中用0°表示)。偏振或非偏振激光进入输入偏振片后都变成垂直偏振。法拉第旋光器将偏振面(POP)正向旋转45°。最后，光通过输出偏振片出射，且偏振片的轴为45°。因此，光从隔离器出射时的POP为45°。
在双级隔离器中，从输出偏振片出射的光先通过第二个法拉第旋转器，然后再通过附加的偏振片，可实现比单级隔离器更大的隔离。
反向模式
反向传播通过隔离器的光首先进入输出偏振片，偏振片使光相对输入偏振片偏振45°。然后，光继续进入法拉第旋光器，POP继续正向旋转45°。此时，光的偏振方向相对于输入偏振片旋转了90°，因此POP垂直于输入偏振片的透射轴。所以，光将被反射或被吸收。
图3. 单级、偏振无关的隔离器。光偏离从入射路径，并被外壳挡住。
正向模式
对于偏振无关光纤隔离器，入射光首先被双折射晶体分成两束光(如图3所示)。法拉第旋光器和半波片旋转两束光的偏振方向，随后两束光通过对准的第二个双折射晶体后再次合并。
在双级隔离器中，光线在到达输出准直透镜之前，会通过额外的法拉第旋转器、半波片和双折射光束偏移器。这样可实现比单级隔离器更大的隔离。
反向模式
背向反射光首先通过第二个双折射晶体后分成两束光，偏振方向与正向模式光对齐。由于法拉第旋光器是不可逆的旋光器，因此它将抵消反向模式由半波片产生的偏振旋转。当光通过第一个双折射晶体后，会偏离准直透镜，并入射在隔离器的外壳壁上被吸收，从而防止反向模式的光进入输入光纤中。
损伤阈值
Thorlabs拥有25年的光隔离器研发和生产经验以及5项美国专利，所以我们的隔离器比行业内其它光隔离器具有更高的透过率和隔离度，而且产品尺寸比具有同等孔径的其他隔离器更小。从可见光到YAG激光隔离器，Thorlabs的法拉第旋光器晶体都采用的是铽-镓-石榴石(TGG)，这种材料的光学质量、维尔德常量和承受高激光功率的能力都非常优异。此外，Thorlabs隔离器的TGG晶体棒经过损伤测试，在15 ns的1064 nm激光脉冲下，损伤阈值高达22.5 J/cm2(1.5 GW/cm2)，且在连续光下，损伤阈值则高达20 kW/cm2。但是，对于因光束中的热点而引起的激光损伤，Thorlabs不承担任何责任。
图4. 通过IO-5-780-HP隔离器前后的脉冲色散测量结果
磁体
磁体是决定隔离器尺寸和性能的主要因素。磁体的最终尺寸不仅取决于磁场强度，而且还受到机械设计的影响。Thorlabs采用的不是简单的单片磁体，而是复杂的组装体。Thorlabs建模系统可以优化影响尺寸、光程、总旋转量和磁场均匀性的许多参数。Thorlabs的美国专利4,856,878详细描述了一种优化设计，YAG激光器的多种大孔径隔离器都采用了这种设计。由于隔离器周边存在很强的磁场，因此，请不要将铁或磁性物体放在隔离器5 cm以内的距离。
温度
磁体和法拉第旋光器材料都与温度相关。磁场强度和维尔德常量会随着温度的升高而降低。如果实验环境超出室温±10 °C的范围，需要技术确认。
脉冲色散
激光脉冲通过折射率大于1的材料都会产生脉冲展宽。脉冲宽度越小，色散越大，因此对于超快激光器，色散十分重要。
τ：通过隔离器之前的脉冲宽度
τ(z)：通过隔离器之后的脉冲宽度
实例：
t = 197 fs，则t(z) = 306 fs(如右图所示)
t = 120 fs，则t(z) = 186 fs
隔离器在设计波长提供45°的旋转。偏振器不能调节，在设计波长具有最大隔离度。当波长改变时，隔离度会下降；图中所示为具有代表性的分布曲线。
固定的旋转器元件，固定的偏振器
偏振相关
体积最小且最便宜的隔离器类型
不可调
隔离器在设计波长提供45°的旋转。如果使用波长改变，法拉第旋转体将改变，从而使隔离度下降。为了重新获得最大的隔离度，输出偏振器可通过旋转使隔离曲线“重新确定中心”。这种旋转导致了前向方向上的传输损耗，它随着使用波长与设计波长的差异增大而增大。
固定的旋转体元件，可调的偏振器
偏振相关
通用的隔离器
隔离器在设计波长提供45°的旋转。在隔离器上有一个调节环，它能调节插入内部磁铁的法拉第旋转器材料的量。当您的使用波长改变时，法拉第旋转体也将改变，导致隔离度下降。为了重新获得最大的隔离率，通过调节环的调节可以产生获得最大隔离率所必须的45°旋转。
可调的旋转体元件，固定的偏振器
偏振相关
简单的调节方式
比可调窄带隔离器有更宽的调节范围
45°法拉第旋转体与45°石英晶体旋转体耦合，以便产生总共90°的旋转输出。波长依赖于两个旋转体材料的共同作用，可以产生一个平顶的隔离度分布。隔离器在指定的设计波长范围内不需要任何调节或者操作调整。
固定旋转体元件，固定的偏振器
偏振相关
最大隔离度带宽
不需要调节
串联隔离器包含两个串联的法拉第旋转元件，共用一个中心偏振器件。由于两个旋转元件相互抵消，输出的净旋转为0°。我们的串联设计的窄带隔离器既可以是固定的，也可以是可调谐的。
隔离度最高60 dB
偏振相关
隔离度最高
固定或可调谐
光隔离器的工作原理
Thorlabs的可调窄带隔离器设计成可在50-100 nm调谐范围内的任何位置提供相同的峰值隔离。它们包含一个法拉第转子，该转子已在出厂时经过调节，使设计波长光波的偏振方向旋转45°。通过隔离器时反向传播的光被输出偏振器偏振成45°，并由法拉第转子旋转45°，使得相对于输入偏振器透射轴的净偏振是90°。因此，隔离器阻挡了向后传播的光。光路示意图请参看隔离器教程标签。
由法拉第转子引起的旋转幅度与波长相关。这意味着波长不同于设计波长的光偏振方向不会严格旋转45°。例如，如果4.5 µm的光经过转子后旋转了45°(即，4.5 µm是设计波长)，那么4.45 µm的光经过转子后偏振方向可能旋转45.4°。如果4.45 µm的光向后传播通过设计波长为4.5 µm的隔离器且没有任何变形，其相对于输入偏振器光轴将产生45° + 45.4° = 90.4°的净偏振。光与输入偏振器光轴平行的偏振分量将会透射，由此隔离效果将会减弱。
由于净偏振需要为90°以获得最佳隔离效果，因此输出偏振器应作略微旋转来补偿由法拉第隔离器引起的额外偏振旋转。在我们的例子中，新的偏振器角度应为90° - 45.4° = 44.6°。这种调节将隔离效果重新提高到与设计波长相同的数值水平上。
波长调节操作的影响
旋转输出偏振器的直接影响，就是前向传播的最大透过率将会下降。4.45 nm的光向前传播经过输入偏振器后偏振方向为0°，经过法拉第转子后偏振方向旋转45.4°，但输出偏振器的光轴方向现在是44.6°。 透过率降低的幅度可用马吕斯定律进行计算：
马吕斯定律
其中，θ为光通过法拉第转子后的偏振方向与偏振器透射轴的夹角，I0为入射光强，I为透射光强。对于我们的中红外隔离器，透过率只发生轻微减小。在我们的例子中(使用波长与设计波长具有50 nm差异)，θ = 45.4° - 44.6° = 0.8°，因此I = 0.9998 I0。如上图所示。
Thorlabs公司的隔离器外壳便于输出偏振器的旋转，不会妨碍隔离器其余部分的工作。我们还提供定制隔离器制造服务（请参看定制隔离器标签），可以设计专用于某个特定的中心波长的隔离器。这些定制隔离器与库存中等同的隔离器价格相同。如需了解细节，请联系技术支持。
在针对调节波长范围内的某个特定波长进行隔离曲线的优化时，输出偏振器的对准可能会受到下文概述的简单过程影响。过程中只需要一个极小的调节就可以实现几十纳米范围的调节。对于不同的隔离器套装而言，该过程可能会有微小区别，但对于我们的所有隔离器产品而言其调节原理都是一样的，并且每个隔离器都会附带符合其型号的完整调节说明。
