CH644209A5

CH644209A5 - Faseroptische anordnung zur messung der staerke eines elektrischen stromes und verfahren zur herstellung einer solchen anordnung.

Info

Publication number: CH644209A5
Application number: CH745079A
Authority: CH
Inventors: Reinhard Ulrich; Scott C Rashleigh
Original assignee: Max Planck Gesellschaft
Priority date: 1978-08-16
Filing date: 1979-08-14
Publication date: 1984-07-13
Also published as: DE2835794A1; DE2835794B2; GB2033601A; US4255018A; DE2835794C3; GB2033601B

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes nach der Gattung des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.

Das Prinzip, nach dem solche faseroptischen Anordnungen aufgebaut sind und arbeiten, ist das folgende:

Eine optische Faser ist in einer oder mehreren Windungen um einen stromführenden Leiter herumgelegt, derart, dass mindestens Komponenten des von dem in dem Leiter fliessenden Stroms erzeugten, den Leiter umgebenden Magnetfeldes in Richtung der optischen Faser verlaufen. In die Faser wird monochromatisches Licht mit einem definierten Polarisationszustand eingekoppelt. Die optische Faser ist entweder eine sogenannte Monomodefaser oder eine in der Grundmode betriebene Multimodefaser. Ein sich in Längsrichtung der Faser ausbreitender Lichtstrom kann daher durch zwei zueinander orthogonal polarisierte Lichtströme beschrieben werden. Durch das stromproportionale Magnetfeld erfährt das sich in der Faser ausbreitende Licht aufgrund des bekannten Faraday-Effekts eine Drehung seiner Polarisationsebene. Diese Drehung ist der Länge des dem Magnetfeld ausgesetzten Lichtweges und der Stärke der in Ausbreitungsrichtung des Lichtstromes wirksamen Magnetfeldkomponenten proportional und somit ein Mass für die Stromstärke in dem elektrischen Leiter. Die Drehung kann mittels eines Analysator* und diesem nachgeschalteten fotoelektrischen Detektorsystems erfasst werden, da mit der Änderung des Polarisationszustandes eine Änderung des Ausgangssignals des photoelektrischen Detektorsystems verbunden ist. Beispielsweise kann man die beiden Lichtströme orthogonalen Polarisationszustandes mittels eines Wollaston-Prismas oder einer äquivalenten Anordnung voneinander trennen und räumlich getrennt voneinander angeordneten Detektoren zuführen, deren Ausgangsspannungen Vi = B cos® und V2 = B sin®

sind, wenn B die Lichtintensität und ® die Lage der Polarisationsebene relativ zur Achse des Wollaston-Prismas ist. Eine die Spannungen Vi und V2 verarbeitende Auswertungselektronik kann dann ein der Änderung des Azimuts ® und damit

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dem zu messenden Strom proportionales Ausgangssignal erzeugen.

Die apparative Realisierung dieses an sich einfachen Konzepts ist jedoch zum einen deshalb schwierig, weil reale optische Fasern, insbesondere Festkernfasern eine lineare Eigen-Doppelbrechung aufweisen, die daraus resultiert, dass solche Fasern zumindest nicht über ihre volle Länge mit einem ideal kreisrunden Querschnitt hergestellt werden können und es fertigungstechnisch auch schwierig ist, völlig spannungsfreie optische Fasern herzustellen. Diese Eigen-Doppelbrechung, die in Verbindung mit dem sich als Rotations-Doppelbrechung aH äussernden Faraday-Effekt zu einer elliptischen Doppelbrechung führt, kann allenfalls dann hingenommen werden, wenn der Einfluss der linearen Eigen-Doppelbrechung ß über die Länge 1 der Faser genügend klein ist, etwa dann, wenn |ß• 11 <% ist.

Daher ist für Anordnungen der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, Flüssig-Kern-Fasern zu verwenden, die einen Festkörpermantel und einen Flüssig-Kern haben. Solche Flüssig-Kern-Fasern sind einerseits mit geringen Abweichungen ihres Querschnitts von der idealen Kreisform herstellbar und zeigen auch keine Spannungs-Doppelbre-chung, weil eine solche in der Flüssigkeit, die den Kern bildet, nicht auftreten kann. Flüssig-Kern-Fasern sind jedoch nicht nur aufwendig in der Herstellung, sondern auch umständlich in der Handhabung, da sie spezielle Vorkehrungen dafür erfordern, dass die den Kern bildende Flüssigkeit nicht auslaufen kann.

Da die durch den Faraday-Effekt bedingte Rotation der Polarisationsebene des Messlichts der Länge des dem Magnetfeld ausgesetzten Lichtweges proportional ist, ist man bei Strom-Messanordnungen der eingangs genannten Art aus Gründen der Messgenauigkeit bestrebt, möglichst grosse Lichtwege in dem vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld zu realisieren. Hierzu bietet sich an, eine den Lichtweg markierende optische Faser in einer Vielzahl von unmittelbar benachbarten Windungen um einen den zu messenden Strom führenden Leiter herum zu verlegen; unter dem Gesichtspunkt der bestmöglichen Ausnutzung des wirksamen Magnetfeldes ist dann die zweckmässigste Anordnung der Faser diejenige, bei der sie in möglichst engen Windungen in Richtung des den stromführenden Leiter umgebenden Magnetfeldes verlegt ist.

Durch eine solche spulenförmige Anordnung der optischen Faser wird dieser aber, bedingt durch die mit der Biegung verbundenen Querschnittsveränderung, wieder eine erhebliche lineare Doppelbrechung aufgeprägt, die die Wirkung des Faraday-Effekts herabsetzt und in ungünstigen Fällen dazu führen kann, dass der stromproportionale Faraday-Effekt nicht mehr messbar bzw. eindeutig erkennbar ist.

Zwar ist es in Verbindung mit Flüssig-Kern-Fasern (Applied Optics, Mai 1977, Bd. 16, Nr. 3, S. 1315ff.) bekannt,

diese Biegungs-Doppelbrechung durch spezielle Windungsformen der optischen Faser weitgehend zu kompensieren. Die für eine Anwendung zur Strommessung relativ günstigste dieser Windungsformen ist eine schmetterlingsförmige Wicklung der Faser, bei der jeweils eine oder mehrere Windungen abwechselnd in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen der Faser verlegt sind.

Nachteilig an dieser Schmetterlingswicklung ist aber, dass sich dadurch nur die Biegungs-Doppelbrechung kompensieren lässt, nicht aber auch die Eigen-Doppelbrechung, so dass diese Windungsform allenfalls dann geeignet ist, wenn man von vornherein Fasern mit sehr geringer Eigen-Doppelbre-chung hat. Nachteilig ist weiter, dass der Raumbedarf der Schmetterlingswicklung in Längsrichtung des Leiters, der mindest gleich dem i/2-fachen Windungsdurchmesser ist, verhältnismässig gross ist und dass - bedingt durch diese Anordnung - auch das Magnetfeld des durch den Leiter fliessenden Stromes nicht mit seiner vollen Stärke in Richtung der Faser wirkt, sondern nur mit einer Komponente.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine faseroptische Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der störende Einfluss der Eigen- und/oder Biegungs-Doppelbrechung der Faser unabhängig von der Windungsgeometrie mindestens so weit eliminiert ist, dass mit Hilfe des Faraday-Effektes eine hinreichend genaue Strommessung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Massnahmen gelöst.

Hierdurch werden zumindest folgende Vorteile erzielt:

Die Wirkung der mit einem Mindestbetrag vorhandenen zirkulären Doppelbrechung aT besteht darin, dass jetzt die insgesamt vorhandene lineare Doppelbrechung ß nur noch als eine Störung an der insgesamt vorhandenen zirkulären Doppelbrechung zu betrachten ist, so dass sie den Faraday-Effekt nicht mehr nennenswert beeinflusst, der somit voll wirksam werden kann. Je stärker diese zirkuläre Doppelbrechung ausgeprägt ist, um so mehr wird der Einfluss der linearen Doppelbrechung, die ansonsten die durch den Faraday-Effekt induzierte zirkuläre Doppelbrechung überdecken könnte, zurückgedrängt, wobei es für den praktischen Anwendungsfall durchaus schon ausreichend sein kann, wenn die zirkuläre Doppelbrechung betragsmässig in der Grössenordnung der insgesamt vorhandenen linearen Doppelbrechung liegt. Da ein konstanter Betrag an zirkularer Doppelbrechung vorgesehen ist, stört diese bei der Messung des sich in einer variablen, weil stromproportionalen, zirkulären Doppelbrechung äussernden Faraday-Effekts nicht.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird die erforderliche zirkuläre Doppelbrechung dadurch erreicht,

dass der Kern der optischen Faser aus optisch aktivem kristallinem Material besteht, dessen optische Achse in Richtung der Faserachse verläuft.

Die erfindungsgemässe Anordnung kann gemäss einer alternativen Ausführungsform der Erfindung auch mit Hilfe einer Flüssig-Kern-Faser realisiert werden, indem man als Kernflüssigkeit eine optisch aktive Flüssigkeit verwendet oder eine optisch inaktive Flüssigkeit, der eine optisch aktive Flüssigkeit beigemischt ist. Selbstverständlich kann auch eine Lösung eines optisch aktiven Festkörpermaterials verwendet werden. In den beiden letztgenannten Fällen hat man dann die Möglichkeit, den Betrag der zirkulären Doppelbrechung in weiten Grenzen zu variieren.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäss den Merkmalen des Anspruchs 4 wird bei Verwendung einer Festkernfaser die zirkuläre Doppelbrechung durch Verdrillung der optischen Faser erzielt. Auch hier kann der vorgegebene Betrag der zirkulären Doppelbrechung durch den gewählten Verdrillungsgrad auf einfache Weise variiert werden. Diese Art der Erzeugung der zirkulären Doppelbrechung hat den Vorteil einer besonders geringen Temperaturempfindlichkeit.

Da die solchermassen vorgegebene zirkuläre Doppelbrechung der optischen Faser unabhängig von der Windungsgeometrie zu dem gewünschten Ergebnis führt, wenn man die im Anspruch 1 angegebene Bemessungsregel, die in den abhängigen Ansprüchen 5 und 6 für spezielle Anwendungsbeispiele näher spezifiziert ist, beachtet, ist es auch möglich, die optische Faser mit der im Anspruch 8 angegebenen Anordnung zu verlegen, die sowohl unter dem Gesichtspunkt einer besonders raumsparenden Anordnung als auch im Hinblick auf die wirksamste Ausnutzung des den stromführenden Leiter umgebenden Magnetfeldes optimal ist.

Da es für die zweckgerechte Funktion der erfindungsge-mässen faseroptischen Anordnung in erster Linie nur darauf

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ankommt, dass die durch die Eigen-Doppelbrechung bewirkten Polarisationsänderungen nicht zu weit anwachsen, genügt es im Prinzip, wenn die optische Faser zur Erzielung der zirkulären Doppelbrechung nur auf Teilen ihrer Länge verdrillt ist. Sowohl aus Gründen der mechanischen Stabilität als auch, wie sich in praktischen Versuchen gezeigt hat, aus optischen Gründen, ist es jedoch am günstigsten, wenn die Verdrillung gemäss dem Merkmal des Anspruchs 7 möglichst gleichmässig über die Länge der Faser verteilt ist.

Eine gleichmässige Verteilung der Verdrillung der Faser in einem Faserwickel lässt sich nach dem durch die Merkmale des Anspruchs 9 umrissenen Verfahren erzielen, bei dem man sich auf elegante Weise die durch die Verdrillung der Faser in dieser gespeicherte potentielle Energie zu einer gleichsam spontan erfolgenden Windungsbildung ausnutzen kann. Eine spezielle Durchführungsart dieses Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 10 angegeben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines einfachen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe faseroptische Anordnung zur Strommessung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Ausbildung der Faserwicklung auf einen den stromführenden Leiter umgebenden Träger, und

Fig. 3 eine Poincaré-Kugel zur Erläuterung der bei der Anordnung gemäss Fig. 1 ausgenutzten Polarisationszustände des Messlichts.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen, an sich bekannten Aufbau einer faseroptischen Anordnung 10, mit der unter Ausnutzung des magneto-optischen Faraday-Effekts die Stärke eines in einem Leiter 11 fliessenden elektrischen Stromes I messbar ist.

Diese Anordnung umfasst in der aus der Fig. I ersichtlichen Zusammenstellung eine Lichtquelle 12, die ein Lichtbündel aussendet, einen Polarisator 13, der aus diesem Lichtbündel ein Teilbündel mit definierter linearer Polarisation aussondert, eine Fokussierungslinse 14, mit der das den definierten Polarisationszustand aufweisende Licht am Eingangsende 16 einer optischen Faser 17, die den zentralen Bestandteil der Anordnung bildet, in diese einkoppelbar ist; die optische Faser 17 ist mindestens auf einem grossen Teil ihrer Länge dem durch Pfeile 18 veranschaulichten, mit dem durch den Leiter 11 fliessenden Strom I verknüpften Magnetfeld H ausgesetzt, wobei die optische Faser 17 so um den Leiter 11 herumgeführt ist, dass mindestens Komponenten des Magnetfeldes H in Längsrichtung der Faser wirken. Weiter ist eine Kollimatorlinse 19 vorgesehen, mit der das mit geändertem Polarisationszustand am Ausgang 21 der optischen Faser 17 austretende Lichtbündel auf eine im wesentlichen einen Analysator 22 und ein photoelektrisches Detektorsystem 23 umfassende Auswertungseinheit 24 auskoppelbar ist, die ein für den geänderten Polarisationszustand charakteristisches elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das mittels eines in Einheiten des eletrischen Stromes geeichten Messinstruments 26 angezeigt wird.

Die optische Faser 17 ist als eine sogenannte schwach leitende Monomodefaser ausgebildet, d.h. der die Faser durchsetzende Lichtstrom kann durch zwei orthogonal zueinander polarisierte ebene Wellen eines bestimmten Schwingungstyps beschrieben werden. «Schwach leitend» heisst dabei, dass sich der Brechungsindex des den Lichtweg markierenden Kerns der optischen Faser und des diesen umgebenden Mantels, der den niedrigeren Brechungsindex hat, nur sehr wenig voneinander unterscheiden (grössenordnungsmässig nur um 0,5°«).

Eine solche optische Faser kann beispielsweise als Festkernfaser aus Quarzglas, aber auch als Flüssig-Kern-Faser realisiert sein, bei der nur der Mantel aus Glas besteht und als

Kern eine Flüssigkeit benutzt ist

Der Faraday-Effekt äussert sich bei einer linear polarisierten ebenen Lichtwelle als eine Drehung ihrer Polarisationsebene um den Winkel a^-l, wobei und 1 die Länge des Lichtweges ist, auf dem das Licht einem in seiner Ausbreitungsrichtung weisenden Magnetfeld H ausgesetzt ist und V eine für das Medium, in dem sich das Licht ausbreitet, charakteristische Materialkonstante (Verdetsche Konstante), die bei den üblichen Fasermaterialien klein ist. Man ist daher aus Gründen der Messgenauigkeit an möglichst langen Lichtwegen interessiert, die sich mit einigermas-sen geringem Raumbedarf nur durch eine gewundene Anordnung der optischen Faser erzielen lassen.

Bei einer solchen gewundenen Anordnung, beispielsweise der in der Fig. 2 dargestellten spulenförmigen Wicklung, tritt aber, zumindest als Folge der unvermeidbaren Querschnittsveränderung der Faser 17 in dieser eine lineare Doppelbrechung ß auf, die die Wirkung des Faraday-Effekts herabsetzt. Um diesen störenden Einfluss zu kompensieren bzw. zu unterdrücken, ist erfindungsgemäss als optische Faser 17 eine solche vorgesehen, die eine zirkuläre Doppelbrechung a aufweist, deren Betrag zumindest in der Grössenordnung des Betrages der insgesamt in der Faser vorhandenen linearen Doppelbrechung liegt, gegebenenfalls auch deutlich grösser ist.

Die Wirkung dieser zusätzlichen zirkulären Doppelbrechung auf die Grösse des Faraday-Effekts, der sich ja ebenfalls als eine zirkuläre Doppelbrechung äussert, wird im folgenden anhand der Fig. 3, auf deren Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen wird, näher erläutert:

Diese zeigt eine sogenannte Pointcarê-Kugel 27, auf der lineare Polarisationszustände durch Punkte des Äquators 28, die beiden möglichen zirkulären Polarisationszustände durch den Nordpol 29 (linkszirkulare Polarisation L) und den Südpol 31 (rechtszirkulare Polarisation R) und die elliptischen Polarisationszustände durch die übrigen Punkte auf der Kugeloberfläche repräsentiert sind.

Eine in der optischen Faser 17 vorhandene lineare Doppelbrechung ist durch einen in der Äquatorialebene 32 liegenden Vektor 33 darstellbar, dessen Richtung 20B die durch die beiden Punkte 34 und 36 repräsentierten linearen Polarisa-tions-Eigenzustände markiert, bei deren Einkopplung in die optische Faser 17 über ihre Länge gesehen keine Veränderung des Polarisationszustandes auftreten würde, falls nur die durch den Vektor 33 repräsentierte lineare Doppelbrechung vorhanden wäre, für deren Betrag die Länge des Vektors 33 ein Mass ist. Wird in die optische Faser 17 dagegen Licht mit einem anderen Polarisationszustand, beispielsweise dem durch den Punkt 37 auf dem Äquator 28 repräsentierten Ein-gangs-Polarisationszustand, dann liegen die entlang der optischen Faser 17 nacheinander auftretenden Polarisationszustände auf einem Kreis 38, der entlang der optischen Faser 17 mit einer um so grösseren «Winkelgeschwindigkeit» ß -mehrfach - durchlaufen wird, je stärker die lineare Doppelbrechung ist.

Analog kann eine der optischen Faser 17 aufgeprägte oder auf andere Weise vorgegebene zirkuläre Doppelbrechung a und natürlich auch die durch den Faraday-Effekt induzierte zirkuläre Doppelbrechung aH durch einen in Richtung der polaren Achse 39 der Poincaré-Kugel 27 weisenden Vektor 41 charakterisiert werden.

Wenn sowohl eine durch den Vektor 33 charakterisierte lineare Doppelbrechung ß als auch eine durch den Vektor 41 repräsentierte zirkuläre Doppelbrechung a, insgesamt also

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eine elliptische Doppelbrechung vorliegt, dann sind die zugeordneten, durch die Punkte 42 und 43 repräsentierten elliptischen Polarisations-Eigenzustände durch die Richtung des resultierenden Vektors 44 markiert, dessen Länge wiederum ein Mass für die elliptische Doppelbrechung co ist. Dieser Vektor 44 ist die Vektorsumme der Winkelgeschwindigkeitsvektoren 33 und 41 der linearen und der zirkulären Doppelbrechung. Die bei Einkoppelung desselben Eingangs-Polari-sationszustandes 37 entlang der optischen Faser 17 nacheinander auftretenden Polarisationszustände liegen dann auf dem Kreis 46 mit dem Mittelpunkt 42.

In der Darstellung der Fig. 3 äussert sich der Faraday-Effekt in einer stromproportionalen Drehung aller Polarisationszustände um die polare Achse 39, beispielsweise in Richtung des Pfeils 47, wobei diese Drehung in realistischen Fällen in der Grössenordnung einer Winkelminute pro Zentimeter Faserlänge liegt.

Bei hinreichend stark ausgeprägter linearer bzw. elliptischer Doppelbrechung der optischen Faser 17 entsprechen der Änderung des Polarisationszustandes entlang der optischen Faser eine Vielzahl von Umläufen auf den Kreisen 38 bzw. 46. Wie man anhand der Fig. 3 erkennt, ist die durch diese Kreise 38 bzw. 46 dargestellte Änderung jeweils in der «oberen» Hälfte des Kreisumfangs der durch den Faraday-Effekt für sich allein gesehen bewirkten Änderung des Polarisationszustandes entgegengesetzt und nur in der «unteren» Kreishälfte gleichsinnig mit der durch den Faraday-Effekt bewirkten Änderung des Polarisationszustandes. Dadurch tritt im Ergebnis eine Verringerung der für die Strommessung ausnutzbaren Änderung des Polarisationszustandes ein, die bei Verwendung einer optischen Faser mit relativ starker linearer Doppelbrechung in einer Anordnung zur Strommessung zu einer entsprechend verminderten Empfindlichkeit führt.

Zeigt jedoch die optische Faser eine zirkuläre Doppelbrechung a, deren Betrag, wie in Fig. 3 durch den Vektor 48 veranschaulicht mit demjenigen der linearen Doppelbrechung ß (Vektor 33) vergleichbar oder gegebenenfalls deutlich grösser ist, so dass die resultierenden Polarisations-Eigenzustände, die durch die Punkte 49 und 51 repräsentiert sind, «näher» bei den Polen 29 bzw. 31 der Poincaré-Kugel 27 liegen, dann umschliesst der beispielsweise von dem Eingangs-Polarisa-tionszustand 37 ausgehende, die möglichen Polarisationszustände entlang der optischen Faser 17 beschreibende Kreis 52 die polare Achse 39, und die durch die Doppelbrechungseigenschaften der optischen Faser 17 und den Faraday-Effekt bewirkten Änderungen des Polarisationszustandes haben denselben Änderungssinn. Für den Fall, dass die optische Faser 17 eine zirkuläre Doppelbrechung a zeigt, die erheblich grösser ist als ihre lineare Doppelbrechung, verlaufen die die Änderung des Polarisationszustandes beschreibenden Kreise in unmittelbarer Nähe des Äquators 28, in welchem Falle die Empfindlichkeit der erfindungsgemässen faseroptischen Anordnung optimiert ist.

Die lineare Doppelbrechung resultiert aus einer Eigen-Doppelbrechung ßi und der durch die Krümmung der Faser bedingten Biegungsdoppelbrechung ßb. Wegen der Verdrillung der Faser 17 ändert sich die aus der Eigen-Doppelbrechung ßj und der Biegungsdoppelbrechung ßb resultierende lineare Doppelbrechung ß laufend entlang der Faser, derart, dass im Mittel nur der grössere der beiden Beiträge wirksam ist.

Eine praktisch ausreichende Unterdrückung des Einflusses der linearen Doppelbrechung ß wird bereits erreicht,

wenn die zirkuläre a von derselben Grössenordnung ist wie der grössere der Beiträge ßj bzw. ßb.

Experimentell wurde festgestellt, dass die durch eine Verdrillung erzielte zirkuläre Doppelbrechung aT der Verdrillung proportional ist, gemäss der Beziehung:

aT = g-x,

worin t den Verdrillungsgrad in rad/m bezeichnet und g die Proportionalitätskonstante ist, die für Glasfasern zwischen 0,13 und 0,16 liegt.

Bei einem experimentellen Aufbau einer faseroptischen Anordnung 10 wurde als optische Faser 17 eine Quarzglas-Faser verwendet, der die gemäss der Erfindung vorgesehene zirkuläre Doppelbrechung a durch Verdrillen der Faser um ihre Längsachse aufgeprägt war. Die Faser hatte eine Länge von 8,9 m und war in 47 einander unmittelbar benachbarten Windungen 53, von denen in der Fig. 2 lediglich sechs repräsentative Windungen dargestellt sind, auf einen Spulenkern 54 aus Acrylglas aufgewickelt, durch den in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise der stromführende Leiter 11 hindurchgesteckt war. Der Durchmesser der einzelnen Windungen 53 betrug 6 cm und die Ausdehnung des Faserwickels in Längsrichtung des Spulenkörpers 54 etwa 1 cm, so dass die einzelnen Windungen in praktisch rechtwinklig zur Richtung des Stromes I verlaufenden Ebenen angeordnet waren und somit das den Leiter 11 koaxial umgebende Magnetfeld 18 praktisch mit seiner vollen, am Ort der Faserwindungen vorliegenden Stärke in Längsrichtung der optischen Faser 17 wirkte. Die Faser hatte eine lineare Eigen-Doppelbrechung ßj von etwa zwei Radien pro Meter Faserlänge. Die aus der Biegung der Faser resultierende, im wesentlichen der Krümmung der Windungen proportionale Biegungsdoppelbrechung ßb betrug etwa 4,8 rad/m. Das Ausgangsende 21 der optischen Faser 17 war gegenüber dem Eingangsende 16 um etwa 94 volle Umdrehungen gedreht. Die Verdrillung der Faser 17 betrug also 66 rad/m und die dadurch dieser Faser künstlich aufgeprägte zirkuläre Doppelbrechung aT war etwa 8,6 rad/m, betragsmässig also fast doppelt so gross wie die insgesamt vorhandene lineare Doppelbrechung ß.

Um eine möglichst gleichmässige Verteilung der Verdrillung im gesamten Faserwickel zu erzielen, wurde die Faser am Beginn des Faserwickels drehfest am Spulenkern 54 befestigt und sodann ein einer Umfangslänge des Kerns entsprechendes Teilstück der optischen Faser mit dem erforderlichen Verdrillungsgrad verdrillt, um den Kern 54 herumgelegt und an seinem Ende mittels eines thermisch aufweichbaren Klebemittels (Glykophthalat) verdrehfest am Kern 54 befestigt. In derselben Weise wurden die weiteren Windungen mit dem erforderlichen Verdrillungsgrad t auf den Spulenkern 54 aufgebracht. Lediglich am Beginn und am Ende des Faserwik-kels war die optische Faser 17 absolut drehfest mit dem Kern 54 verbunden. An den weiteren, dazwischenliegenden Befestigungsstellen 56 konnte die drehfeste Befestigung der Faser 17 am Spulenkern 54 durch Erwärmen oder Entfernen des Klebstoffs mittels eines Lösungsmittels wieder aufgehoben werden, so dass sich etwa bestehende Unterschiede im Verdrillungsgrad der einzelnen Windungen 53 ausgleichen konnten.

Als Lichtquelle wurde ein Gas-Laser verwendet, der rotes Licht emittierte. Der Kerndurchmesser der optischen Faser betrug etwa 5 [im. Der Polarisationsgrad des in die Faser eingekoppelten Lichtes war grösser als 99,8%. Als Analysator wurde ein mit einem linearen Analysator kombinierter Soleil-Babinet-Kompensator verwendet. Bei dieser Anordnung ist das Ausgangssignal der Auswertungseinheit 24 cos20/2-pro-portional, wenn 0 der Winkel ist, um den sich die Poincaré-Kugel 27 (Fig. 3) unter dem Einfluss des stromproportionalen Magnetfeldes in Richtung des Pfeils 47 dreht.

Die bei dieser Anordnung gemessene Proportionalität zwischen dem Drehwinkel 0 und der Stromstärke betrug 0,36-10~3 rad/A. Bei einer Stromstärke von 430 A wurde eine Drehung 0 der Poincaré-Kugel um etwa 8,8° erzielt, was eine Drehung der Polarisationsebene um 4,4° entspricht.

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1. Faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes 1 unter Ausnutzung des Faraday-Effekts, wobei der Lichtweg für das Licht, dessen Polarisationszustand durch das den stromdurchflossenen Leiter umgebende Magnetfeld beeinflusst ist, durch den Kern einer optischen Faser gebildet ist, die den Leiter in einer Anzahl von Windungen umgibt und mit einer durch ihre Herstellung und ihre gewundene Anordnung bedingten linearen Doppelbrechung behaftet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (17) eine zirkuläre Doppelbrechung a aufweist, deren Betrag mindestens der durch den Aufbau der Faser und deren gewundene Anordnung bedingten linearen Doppelbrechung ß entspricht.

2. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern der optischen Faser (17) aus kristallinem, optisch aktivem Material besteht, dessen optische Achse in Richtung der Faserachse weist.

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PATENTANSPRÜCHE

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T > tL~

g entspricht, worin ß die sich aus dem Aufbau der Faser (17) und deren gewundener Anordnung ergebende lineare Doppelbrechung in rad/m, x der Verdrillungsgrad in rad/m und g eine Materialkonstante ist, und gemäss aT = g-x festgelegt ist.

3. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (17) eine Flüssig-Kern-Faser ist, deren Kernflüssigkeit optisch aktiv ist oder optisch aktive Zusätze enthält.

4. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (17) eine Festkernfaser ist, der durch Verdrillung um ihre Längsachse die erforderliche zirkuläre Doppelbrechung ar aufgeprägt ist.

5. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der zirkulären Doppelbrechung mindestens dreimal grösser ist als derjenige der linearen Doppelbrechung der optischen Faser (17).

6. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verdrillung in rad/m der Beziehung

7. Faseroptische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrillung gleich-mässig über die Länge der optischen Faser (17) verteilt ist.

8. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (17) den stromführenden Leiter (11) in der Art einer eng gewickelten Spule umgibt, deren Windungen (53) unmittelbar nebeneinander und gegebenenfalls übereinander angeordnet sind und im wesentlichen in zur Längsachse des Leiters (11) rechtwinklich verlaufenden parallelen Ebenen angeordnet sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Anordnung gemäss Anspruch 7 mit einem spiralförmigen Faserwik-kel mit m Windungen und einer Verdrillung des Faserendes gegenüber dem Faseranfang von n-360°, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser, während sie an ihrem einen Ende festgehalten ist, in gestrecktem Zustand an ihrem anderen Ende (n + m)mal um 360 0 verdrillt und die dadurch erzielte Torsionsspannung zur Erzielung der m Spulenwindungen (53) ausgenutzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) am einen Ende eines als Stützelemente starre Stäbe, gespannte Drähte oder Fäden, die entlang der Kanten eines Prismatoids verlaufen, umfassenden Trägers, dessen wirksame Grund- bzw. Querschnittsfläche durch radiales Auseinanderrücken des Stützelemente vergrösserbar ist, wird das eine Ende der optischen Faser derart an einem der Stützelemente befestigt, dass die Faser an der Befestigungsstelle um eine radial zur Längsachse des Prismatoids verlaufende Achse schwenkbar, um ihre Längsachse aber unverdrehbar gehalten ist;

b) bei gestrecktem Verlauf wird die Faser n-mal verdrillt und anschliessend, während der kleinste Querschnitt des Prismatoids eingestellt ist, die Faser schraubenförmig mit grosser Gangsteigung in m Windungen um den Träger herumgelegt, wobei das freie Faserende, um der Faser die m weiteren 360°-Verdrillungen aufzuprägen, derart um den Träger herumgeführt wird, dass stets dieselbe Umfangsseite des Faserendes zum Träger hinweist;

c) das solchermassen gegenüber dem schon am Trägerende befestigten Faserende (n + m)mal verdrillte, freie Faserende wird nunmehr an einem entlang eines der Stützelemente verschiebbar geführten Teil wiederum so fixiert, dass dieses Faserende zwar einer Veränderung der Windungssteigung folgen, sich aber nicht um die Faserachse drehen kann;

d) sodann werden unter sukzessiver Verkürzung des Abstandes der Faserenden und gleichzeitiger Vergrösserung des radialen Abstandes der Stützelemente von der Trägerlängsachse die sich in ihrem Durchmesser entsprechend ver-grössernden Faserwindungen bis in unmittelbare Anlage aneinander zusammengeschoben.