Ein Faraday-Rotator ist ein Gerät ohne bewegliche Teile, das die Polarisation oder den Wellenformwinkel des hindurchtretenden Lichts ändert. Licht durchdringt Luft oder andere Materialien als eine Reihe von Wellen, die als elektromagnetische Strahlung bezeichnet werden und die Eigenschaften sowohl elektrischer als auch magnetischer Felder aufweisen. Das Gerät funktioniert nach dem Prinzip, dass Licht, das durch einen Kristall oder ein festes transparentes Material fällt, die Polarisation ändert, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist.
Die Wirkung von Magnetfeldern auf Lichtwellen wurde 1845 vom Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt und war der erste Beweis dafür, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Er fand heraus, dass eine Änderung der Magnetfeldstärke den Polarisationswinkel des Lichts beeinflusst. Der sogenannte Faraday-Effekt ist die Grundlage für den Rotator, der den experimentellen Effekt in einem praktischen Gerät nutzt.
Licht, das viele Materialien durchdringt, einschließlich Glas und Wasser, kann den Polarisationswinkel ohne die Verwendung von Magnetfeldern beeinflussen. Dieser Effekt wird als optische Polarisation bezeichnet, und Hersteller von Sonnenbrillen machen sich diesen Effekt zunutze, indem sie Gläser herstellen, die andere Polarisationswinkel als normales Licht blockieren. Die Blendwirkung wird reduziert, da reflektiertes Licht von Wasser oder Gebäuden einen anderen Polarisationswinkel hat.
Um einen Faraday-Rotator zu bauen, umgibt ein Magnet ein transparentes Material. Beim Durchdringen von Licht bewirkt das Magnetfeld, dass die Lichtwelle um einen bestimmten Betrag gedreht wird. Das Ausmaß der Drehung kann durch eine Gleichung bestimmt werden, die die magnetische Feldstärke, die Länge des Kristalls und die Verdet-Konstante des Materials verwendet. Diese Konstante ist für alle Materialien unterschiedlich und ändert sich mit der Temperatur; Für Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen werden Konstantentabellen veröffentlicht.
Lasergeräte verwenden oft 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, dh er enthält Licht einer bestimmten Wellenform. Wenn das Licht den Laser verlässt, wird es oft reflektiert oder passiert andere Geräte, und möglicherweise könnte ein Teil des Lichts zum Laser zurückreflektiert werden. Das Hinzufügen eines Faraday-Rotators verhindert dies, da das durch den Rotator hindurchtretende Licht typischerweise 45° vom ursprünglichen Strahl polarisiert ist und nicht zurückreflektiert werden kann. Der Winkel kann variiert werden, aber mehr Polarisation erfordert zusätzliche magnetische Feldstärke.
Ein zusätzlicher Vorteil eines Faraday-Rotators besteht darin, dass Licht, das durch ihn hindurchtritt und dann in die entgegengesetzte Richtung zurückkehrt, nicht zurückgedreht wird. Wenn Licht durch den Rotator 45° polarisiert wird, dann auf einen Spiegel trifft und zurückkehrt, wird der Rotator es um weitere 45° polarisieren. Diesen Effekt können optische Polarisationsfilter oder Geräte, die für den Laboreinsatz bestimmte Polarisationsgrade erzeugen, nutzen. Dies funktioniert, indem ein Teil des Lichts durch den Rotator zurückreflektiert wird, wodurch zwei Lichtstrahlen erzeugt werden, die in unterschiedlichen Winkeln polarisiert sind.