DE2239027C3 - Magnetooptischer Faradaydreher - Google Patents
Magnetooptischer FaradaydreherInfo
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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Description
Σ ^jJ7
der ersten Ableitungen der Stromkoeffizienten nach der Temperatur auch die Summe
der zweiten Ableitungen gleich Null ist.
8. Faradaydreher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Terbiumeisengranat,
Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat vorgesehen sind.
ι ο
der Stromkoeffizienten der Faradaydrehungen in den einzelnen Materialien /ungleich Null ist und daß
die Summe
20
der Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich gleich Null ist, wobei φ, die
Faradaydrehung im Material /bei der Stromstärke / und der Temperatur Tist
2. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus zwei verschiedenen
Materialien aufgebaut ist, deren Temperaturgang der spezifischen Faradaydrehung von unterschiedlichem
Vorzeichen ist, und daß die Materialien jo in gleichgerichteten magnetischen Feldern angeordnet
sind.
3. Faradaydreher nacb Ansp- \ich 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Spule vorgesehen ist
4. Faradaydreher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Yttriumeisengranat
und Gadoliniumeisengranat vorgesehen sind.
5. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus zwei verschie- -ίο
denen Materialien besteht, deren Temperaturgang der spezifischen Faradaydrehung von gleichem
Vorzeichen ist, und daß die Materialien in in verschiedenen Richtungen stromdurchflossenen
Spulen angeordnet sind.
6. Faradaydreher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Yttriumeisengranat
und Terbiumeisengranat vorgesehen sind.
7. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus wenigstens drei
verschiedenen Materialien / besteht, wobei neben der Summe
Die Erfindung bezieht iich auf einen magnetooptischen
Faradaydreher mn einem Körper aus magnetooptisch wirksamem Material, an den ein durch einen
elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld anlegbar ist
Es ist bekannt, daß die Polarisationsebene von linear
polarisiertem Licht beim Durchtritt durch magnetische Materialien gedreht wird. Bei vielen Anwendungen der
magnetooptischen Faradaydrehung erweist es sich jedoch als Nachteil, daß die Faradaydrehung ! iagnetischer
Materialien temperaturabhängig ist
Zur Vermeidung dieser Temperaturabhängigkeit wurde in der schweizerischen Patentschrift 5 21 600
vorgeschlagen, den Faradaydreher aus einem Gadolinium-Yttrium-Eisengrana;
aufzubauen und das Gd-Y-Substitutionsverhältnis so zu wählen, daß der Temperaturkoeffizient
der Faradaydrehung bei der vorgesehenen Betriebstemperatur verschwindet Solche gemischten
Granatkristalle sind jedoch im Handel nicht erhältlich und schwieriger herzustellen als nichtsubstituierte
Kristalle. Insbesondere erfordert jeder Temperaturbereich wieder eine andere Zusammensetzung, so
daß auch nicht zu erwarten ist daß solche Mischkristalle einmal zu einem mit nichtsubstituierten Granaten
vergleichbaren Preis zu haben sein werden.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetooptischen Faradaydreher anzugeben, der aus einfachen
Materialien besteht und so aufgebaut ist daß eine Temperaturabhängigkeit der Faradaydrehung in dem
interessierenden Temperaturbereich weitgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe *ird durch einen magnetooptischen Faradaydreher gelöst, der erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist daß der Körper aus wenigstens zwei verschiedenen, vom Lichtstrahl nacheinander durchlaufenen
Materialien aufgebaut ist, daß die Summe
Y N
der Stromkoeffizienten der Faradayiirehungen in den
einzelnen Materialien / ungleich Null ist und daß die Summe
. PJdT
der Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich gleich Null ist, wobei φ, die
Faradaydrehung im Material /bei der Stromstärke /und der Temperatur Tilt.
Vorzugsweise besteht der Körper des magnetooptischen Faradaydrehers aus zwei magnetooptischen
Materialien. Bei diesen Materialien handelt es sich vorzugsweise um Yttriumeisengranat und um Gadoliniumeisengranat.
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen magnetooptischen Faradaydrehers ergibt sich daraus, daß insbesondere
bei der Verwendung eines solchen Faradaydrehers als Meßwandler, beispielsweise zur Strommessung an
Hochspannungsanlagen, die Temperaturabhängigkeit der Stromempfindlichkeit in einem vorgegebenen
Bereich kompensiert werden kann.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren zu bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung und ihren Weiterbildungen hervor.
F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus zwei ver-
schiedenen Materialien besteht, deren Temperaturkoef- Temperatur
fizienten unterschiedliche Vorzeichen besitzen;
F i g. 2 zeigt die Temperaturabhängigkeit der spezifi- t^?i ^?a
sehen Faradaydrehung von Yttriumeisengranat und dJdT dJBT
Gadoliniumeisengranat; ■>
Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus zwei verschiedenen
Materialien besteht, deren Temperaturkoeffizienten gleiche Vorzeichen besitzen;
F i g. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der spezifisehen
Faradaydrehung von Terbiumetsengranat, Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat;
F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus drei verschiedenen
Materialien besteht
In der F i g. 1 sind die einzelnen Materialien, aus denen der magnetooptische Faradaydreher besteht mit
den Bezugszeichen 1 und 2 versehen. Diese beiden Materialien sind wenigstens teilweise innerhalb der
Spule 3 angeordnet Durch diese Spule, die beispielsweise von dem zu messenden Strom einer Hochspannungsanlage
durchflossen wird, wird das für die Faradaydrehung
notwendige Feld erzeugt. In den einzelnen Materialien 1 und 2 des magnetooptischen Fai adaydrehers
wird die Polarisationsebene der von einem 2ϊ Polarisator ausgehenden linearpolarisierten Strahlung
gedreht Der Einfachheit halber ist der Polarisator in der F i g. 1 nicht dargestellt Die Drehwinkel φ 1 und φ 2 in
den Materialien 1 und 2 sind dabei zu jedem Zeitpunkt ein Maß für den Augenblickswert des die Spule 3
durchfließenden Stromes. Der den Faradaydreher verlassende Strahl ist mit 44 bezeichnet In einem in der
Figur nicht dargestellten Analysator wird der gesamte Drehwinkel φ = φ 1 + φ 2 festgestellt
Die beiden magnetooptischen Materialien 1 und 2 3s
sind so ausgewählt daß der Winkel immer ungleich 0 ist wenn der Strom ungleich 0 ist d. h. für die Summe der
Stromkoeffizienten der Faradaydrehung muß
_ n
40
!1
PJ
Φ 0
gilt Auf diese Weise kann für die angegebenen Materialien eine störende Abhängigkeit der Faradaydrehung
von Temperaturschwankungen in einem Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis
+ 80° C mit einer Genauigkeit von etwa 1% kompensiert werden.
Die oben angegebenen Materialien sind besonders gut geeignet wenn die Strahlung eine Lichtwellenlänge
von etwa 1,2 bis 4,5 μπι besitzt In diesem Fall ist die
Absorption innerhalb der Materialien gering. Sie entspricht etwa der Absorption von Glas im sichtbaren
Spektrum. Die Faradaydrehung von Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat ist dagegen um etwa
zwei Größenordnungen größer als jene von Flintglas.
Im sichtbaren Bereich etwa bei einer Wellenlänge von 0,53 μπι ist die Absorption vo.; FeBOj und FeF3
gering, so daß gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch diese Materialien Verwendung finden können.
In der Fig.3 sind die beiden magnetooptischen
Materialien des Faradaydrehers mit 11 und 22 bezeichnet Dabei tritt bei einer Temperaturschwankung
in beiden Materialien eine zusätzliche Faradaydrehung gleicher Richtung bezüglich des Magnetfeldes auf;
die Temperaturkoeffizienten besitzen also dasselbe Vorzeichen, jedoch verschiedene Werte. Um eine solche
zusätzliche Faradaydrehung kompensieren zu können, wenden die Materialien 11 bzw. 22 in Feldern
entgegengesetzter Richtung angeordnet Aus diesem Grund wird die von dem zu messenden Strom
durchflossene und dieses Feld erzeugende Spule in die beiden Spulen 5 und 55 unterteilt. Beide Spulen sind so
miteinander verbunden, daß sie von dem zu messenden Strom in verschiedenen Richtungen durchflossen
werden. Die Summe der Stromkoeffizienteii der Faradaydrehung muß dabei wieder von NuU verschieden
sein,
gelten. Vorzugsweise besteht eines der Materialien, beispielsweise das Material 1, aus Yttriumeisengranat
und das andere Material, beispielsweise das Material 2. aus Gadoliniumeisengranat In der F i g. 2 sind die
Abhängigkeiten der spezifischen Faradaydrehung dieler Materialien von der Temperatur dargestellt. Diese
Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich besitzen verschiedene Werte, möglichst
logar entgegengesetzte Vorzeichen. Bei einer Temperaturschwankung tritt also in dem Material 1 beispielsweise
eine zusätzliche Drehung φτ\ der Polarisationsebene
des Strahls 4 in Richtung des Uhrzeigersinnes auf, während dann in dem Material 2 bei der gleichen
Temperaturänderung eine zusätzliche Drehung φτι der
Polarisationsebene in entgegengesetzter Richtung auftritt. Durch die geeignete Bemessung der Länge der
Wege, die die Strahlung in den einzelnen Materialien 1 und 2 zurücklegt, lassen sich die von Temperaturschwankungen
herrührenden zusätzlichen Drehwinkel der Polarisationsebene so beeinflussen, daß ihre Summe
φτ= φτ\ + φτι = 0
ist. Dies ist der FaM, wenn für die Summe der Ableitungen der Stromfcoeffizienten δφ/dj nach der
PJ PJ
45
50 wobei hier die verschiedenen Stromrichtungen zu berücksichtigen sind. Vorzugsweise bestehen die Faradaydreher
11 und 22 aus den Materialien Yttriumeisengranat und Terbiumeisengranat.
Für diese Materialien ist eine Kompensation der temperaturabhängigen Faradaydrehung in einem Bereich
von -30° C bis +8O0C möglich. Die Länge der
Wege, die die Strahlung 4 in den einzelnen Materialien
zi'riJc'.legt, ist wiederum so 2U bemessen, daß die
Summe der Ableitungen der Stromkoeffizienten nach der Temperatur verschwindet:
?J?T
f ?J?T
60 Bei großen Temperaturbereichen oder wenn die
zulässige Temperaturabhängigkeit besonders klein ist, kann die Krümmung
65
d2 BT2
±
dJ
der Temperaturabhängigkeit störend sein. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, diesen störenden Einfluß durch die
Kombination dreier Materialien mit entgegengesetzter oder wesentlich verschiedener Krümmung auszuschalten.
Durch Auswahl geeigneter Materialien und geeigneter Durchstrahlungslängen ist es möglich, auf
diese Weise zu erreichen, daß sowohl die erste Ableitung nach der Temperatur
P JPT PJrT ^ cJPT
als auch die zweite Ableitung
<S'I _ ^71 . '""'72
rjr'f2 ein2 rJPT2
rjr'f2 ein2 rJPT2
<"'li
PJPT
= 0
verschwindet. Als solche Materialien werden vorzugsweise Terbiumeisengranat, Yttriumeisengranat und
Gadoliniumeisengranat vorgeschlagen.
In der Fig.4 ist die Abhängigkeit des Betrages der
Sättigungs-Faradaydrehungen dieser Materialien von der Temperatur dargestellt.
Im folgenden wird ein Berechnungsbeispiel für einen wie oben beschriebenen Faradaydreher angegeben. In
der Fig. 5 ist ein Faradaydreher. der aus den Materialien 111, 222 und 333 aufgebaut ist. dargestellt.
Die Materialien sind in der Spule 9 angeordnet. Für die Faradaydrehung in den einzelnen Materialien gilt:
Viii -=J-liu\.U\u +hllt(T-Tn)+ Cu1(T-Tn)2]
•1122 = J ■ /222Γ"222 + ^222(T- Tn) + C222(T-Tn)1]
'im = J ' 'j.u[«.w + h.\n(T-Tn) +
in wobei a. b und c temperaturunabhängige Koeffizienten
sind und 7b die mittlere Arbeitstemperatur ist. Für die Bemessung der Längen /in, /22? und /333 ergibt sich dann:
Ίΐΐ'Ίπ + Ii22^222 + hi Λ ''.1.1.1 = "
Ίιι'ιιι + '222Ο22 +
Daraus folgt, daß
'222 ".ι.ι.ι'Ίιι ~ "ι 11 Ci.i.i . '.1.1.1 _
'222 ".ι.ι.ι'Ίιι ~ "ι 11 Ci.i.i . '.1.1.1 _
Ί 1 1 ^222('.1.1.1 ~ ''j-l.l'222 Ί I I
Wenn die Vorzeichen der Koeffizienten dreier gegebener Materialien sich nicht für eine Kompensation
nach den obigen Gleichungen eignen, dann sind einzelne Materialien in entgegengesetzt gewickelten Spulen
unterzubringen und die Vorzeichen in den oben angegedenen Gleichungen entsprechend zu verändern.
Hierzu 2 Blatt Zeichniineen
Claims (1)
1. Magnetooptischer Faradaydreher mit einem
Körper aus magnetooptisch wirksamem Material, an den ein durch einen elektrischen Strom erzeugtes
Magnetfeld anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Körper aus wenigstens zwei verschiedenen, vom Lichtstrahl nacheinander durchlaufenen
Materialien aufgebaut ist, daß die Summe
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722239027 DE2239027C3 (de) | 1972-08-08 | 1972-08-08 | Magnetooptischer Faradaydreher |
CH1139273A CH562453A5 (de) | 1972-08-08 | 1973-08-07 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722239027 DE2239027C3 (de) | 1972-08-08 | 1972-08-08 | Magnetooptischer Faradaydreher |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2239027A1 DE2239027A1 (de) | 1974-02-21 |
DE2239027B2 DE2239027B2 (de) | 1980-07-31 |
DE2239027C3 true DE2239027C3 (de) | 1981-03-12 |
Family
ID=5853044
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19722239027 Expired DE2239027C3 (de) | 1972-08-08 | 1972-08-08 | Magnetooptischer Faradaydreher |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CH (1) | CH562453A5 (de) |
DE (1) | DE2239027C3 (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3341265A1 (de) * | 1983-11-15 | 1985-05-23 | Phönix Armaturen-Werke Bregel GmbH, 6000 Frankfurt | Messgeraet |
US4613811A (en) * | 1984-09-04 | 1986-09-23 | Westinghouse Electric Corp. | Faraday current sensor with fiber optic compensated by temperature, degradation, and linearity |
US4612500A (en) * | 1984-09-04 | 1986-09-16 | Westinghouse Electric Corp. | Temperature stabilized Faraday rotator current sensor by thermal mechanical means |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH521600A (de) * | 1970-06-30 | 1972-04-15 | Bbc Brown Boveri & Cie | Verwendung eines Yttrium-Eisen-Granates zur Beeinflussung elektromagnetischer Strahlung durch den Faraday-Effekt |
-
1972
- 1972-08-08 DE DE19722239027 patent/DE2239027C3/de not_active Expired
-
1973
- 1973-08-07 CH CH1139273A patent/CH562453A5/xx not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2239027A1 (de) | 1974-02-21 |
DE2239027B2 (de) | 1980-07-31 |
CH562453A5 (de) | 1975-05-30 |
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Legal Events
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