DE3116149A1

DE3116149A1 - Faseroptische anordnung zur messung der staerke eines elektrischen stromes i unter ausnutzung des faraday-effekts

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Publication number: DE3116149A1
Application number: DE19813116149
Authority: DE
Inventors: Scott C. Alexandria Va. Rashleigh; Reinhard Prof. Dipl.-Phys. Dr. 2110 Buchholz Ulrich
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1981-04-23
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US4539519A; JPS5811869A

Description

3T16U9

Max-Planck-Gesellschaft P 81 25

zur Förderung der 16 03 1981

Wissenschaften e.V. ib.uj.iyai

Bunsenstr. 10
3400 Göttingen

Faseroptische Anordnung 2ur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung des Faraday-Kffekts

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit einer den Strompfad in einer Anzahl von Windungen umgebenden, einen dem Magnetfeld des Stromes ausgesetzten Lichtweg markierenden optischen Faser, in die ein Lichtstrom definierten Polarisationszustandes einkoppelbar ist, der entlang dieses Lichtweges aufgrund des Faraday-Effekts eine stromabhänyige Änderung seines Polarisationszustandes erfährt, und mit einer Polarisations-Moßeinrichtung, mit der der Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges erfaßbar und ein für die Stromstärke charakteristisches Meßsignal erzeugbar ist.

Eine solche Anordnung ist z.B. aus der DE-AS 28 35 794 bekannt.

Bei der bekannten Anordnung ist die optische Lichtleitfaser in N-Windungen um den elektrischen Leiter geschlungen, in dem der elektrische Strom I fließt,

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dessen Stärke gemessen werden soll, wobei die Windungsanordnung so getroffen ist, daß der Lichtweg in sehr guter Näherung in Richtung der den Leiter kreisförmig umgebenen Komponenten des von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes H verläuft.In die Faser wird Licht definierten Polarisationszustandes, in der Regel linear polarisiertes Licht eingekoppelt und der Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges gemessen. Das mit dem in dem Leiter fließenden Strom I verknüpfte Magnetfeld bewirkt eine Faraday-Drehung der Polarisationsebene des Lichtes, deren Betrag bei der angegebenen Windungsgeometrie und in dem angenommenen Idealfall, daß die Faser, frei von störenden Doppelbrechungseffekten ist bzw. deren störender Einfluß unterdrückt ist, durch die Beziehung

Θ = NVI

gegeben ist, wobei O die Faraday-Drehung, N die Windungszahl, I die Stromstärke und V die Verdet-Konstante des Fasermaterials bezeichnen. Die Drehung © der Polarisationsebene des am Faserende austretenden Lichtes wird optoelektronisch gemessen und ausgewertet und direkt in Einheiten der Stromstärke I zur Anzeige gebracht. Die Messung der Stromstärke ist also auf die Erfassung der Drehung Θ der Polarisationsebene des Meßlichtes zurückgeführt, die aus der entlang des Lichtweges erzeugten, Faraday-Effekt-induzierten und damit stromproportionalen zirkulären Doppelbrechung resultiert.

Zur qualitativen Erläuterung des Meßproblems sei zunächst auf die sogenannte Poincare-Kugel-Darstellung verwiesen, in der die möglichen linearen Polarisationszustände des Meßlichtes durch Punkte des Äquators, die

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beiden möglichen rein zirkulären Polarisationszustände durch den Nordpol (linkszirkulare Polarisation L) und den Südpol (rechtszirkulare Polarisation R) und die möglichen elliptischen Polarisationszustände des Meßlichtes durch die übrigen Punkte der Oberfläche einer Kugel repräsentiert sind. Eine in der optischen Faser vorhandene lineare Doppelbrechung!? ist in dieser Darstellung durch einen in der Äquatoriallinie liegenden Vektor darstellbar, dessen Richtung 2 (R _n zwei in der Äquatoriallinie einander diametral gegenüberliegende Polarisations-Eigenzustände markiert, bei deren Einkopplung in die optische Faser, über deren Länge gesehen, keine Veränderung des Polarisationszustandes auftreten würde, falls nur die durch diesen Vektor repräsentierte lineare Doppelbrechung vorhanden wäre, für deren Betrag die Länge dieses Vektors ein Maß ist. Ebenso ist eine in der optischen Faser vorhandene oder dieser auf andere Weise aufgeprägte zirkuläre Doppelbrechung wie auch eine durch den Faraday-Effekt induzierte zirkuläre Doppelbrechung o(. durch einen in Richtung der polaren Achse der Poincare-Kugel weisenden Vektor darstellbar. Wenn sowohl lineare Doppelbrechung wie auch zirkuläre Doppelbrechung existieren, d.h. insgesamt eine elliptische Doppelbrechung vorliegt, sind deren Polarisations-Eigenzustände durch die Richtung des aus der Vektorsumme des linearen Doppelbrechungs-Vektors (S und des zirkulären Doppelbrechungs-Vektors oC resultierenden Vektors OO gegeben.

In dieser Darstellung entwickelt sich, entlang des Lichtweges gesehen, der Polarisationszustand in die Faser eingekoppelten Meßlichtes, das einen anderen als den Eigen-Polarisationszuständen entsprechenden Polarisationszustand hat, entlang eines konzentrisch um die

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durch den maßgeblichen Doppelbrechungs-Vektor oc , £} oderCP markierte Richtung verlaufenden Kreises auf der Kugeloberfläche, der von dem den Polarisationszustand des eingekoppelten Lichtes repräsentierenden Punkt der Kugeloberfläche ausgeht und mit einer Kreisfrequenz durchlaufen wird, für die die "Länge" des maßgeblichen Doppelbrechungs-Vektors ein Maß ist (Fig. 4).

Ausgehend von dem Idealfall, daß die Faser keine lineare Doppelbrechung aufweise und daß das in die Faser eingekoppelte Meßlicht den H-Polarisationszustand (horizontale Polarisation) habe, entspricht in der Poincare-Kugel-Darsteilung einer entlang der optischen Faser auftretenden Faraday-Effekt-induzierten Drehung der Polarisationsebene ein von dem Η-Punkt der Poincare-Kugel ausgehender 2 Ky -Bogen des Äquators, dessen Endpunkt C_T

den Ausgangs-Polarisationszustand des Meßlichtes repräsentiert, mit dem es an dem von der Einkoppelstelle fernen Ende der optischen Faser austritt.

In der Praxis gibt es jedoch keine Lichtleitfaser,, die völlig doppelbrechungsfrei ist. Vielmehr besitzt eine reale Faser stets eine mehr oder weniger starke lineare und/oder zirkuläre bzw. elliptische Eigen-Doppelbrechung, die z.B. von Abweichungen des Faserkerns von der ideal runden Querschnittsform, einseitigen elastischen Spannungen in der Faser sowie aus einer Verdrillung der Faser herrührenden zirkulären Doppelbrechung resultieren können; die Folge ist, daß auch dann, wenn der von der Faser umgebene Leiter stromlos ist, der Ausgangs-Polarisationszustand C_T von Licht, das die Faser durchlaufen hat, nicht mit dem Eingangs-Polarisationszustand H übereinstimmt, mit dem es in die Faser eingekoppelt wurde, sondern irgendeinen durch einen oberhalb oder unterhalb des Äquators liegenden Punkt der

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Poincare-Kugel repräsentierten elliptischen Ausgangs-Polarisationszustand hat. Die auf der Poincare-Kugel den Punkt H mit dem Punkt C_T verbindende Kurve C(>;)

Ju

die die Entwicklung des Polarisationszustandes entlang der Faser von deren Einkoppelstelle, wo das Licht mit dem Polarisationszustand H eintritt bis zu deren Ende, wo das austretende Licht den "elliptischen" Polarisationszustand C₁. hat, beschreibt, weicht daher im all-

Ju

gemeinen mehr oder weniger stark vom Äquator ab, wobei infolge unvermeidbarer Irregularitäten der Faser diese Kurve C (z) gewöhnlich auch keine einfache Gestalt hat. Darüber hinaus wird sich die Polarisationsentwicklung entlang der Faser und damit die diese wiedergebende Kurve C (z) auf der Poincare-Kugel auch bei Temperaturschwankungen, Erschütterungen sowie u.U. durch eine Alterung der Faser ändern, da diese Einflüsse die Eigen-Doppelbrechung der Faser beeinflussen. Als Folge davon sind der Nullpunkt und der Eichfaktor des eine solche Faser als Lichtweg enthaltenden Strommeßgerätes Schwankungen unterworfen, da z.B. eine temperaturbedingte Verschiebung des Ausgangs-Polarisationszustandes C_L des Meßlichtes von einer Auswerte-Elektronik nicht von einer durch Faraday-Drehung der Polarisationsebene bedingten Änderung unterschieden werden kann. Die Schwankungen des Eichfaktors beruhen darauf, daß sich die Faraday-Drehung in einem Punkt Z der Kurve unterschiedlich auswirkt, je nachdem, ob der entsprechende Polarisationszustand C(z) linear polarisiert ist, d.h. auf dem Äquator der Poincare-Kugel liegt, oder elliptisch polarisiert ist (d.h. oberhalb oder unterhalb des Äquators liegt).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Empfindlichkeit begrenzende Nullpunkts-Schwankungen

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sowie Variationen des Eichfaktors so klein wie möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich des von der Einkoppelstelle entfernten Endes der optischen Faser eine Reflexionseinrichtung vorgesehen ist, die das an diesem Ende ankommende Licht mit demselben Polarisationszustand, mit dem es in die Reflexionseinrichtung eintritt, zurückwirft, und daß die Polarisations-Meßeinrichtung den Polarisationszustand desjenigen Lichtstromes erfaßt, der, nachdem er an der Reflexionseinrichtung einer Reflexion unterworfen war und den Lichtweg insgesamt zwei mal durchlaufen hat, an der Einkoppeistelie wieder austritt.

Unter "demselben Polarisationszustand" soll dabei unter der Voraussetzung, daß ein am Faserende austretender Lichtstrahl in sich selbst zurückreflektiert wird, folgendes verstanden werden:

a) Wenn das austretende Licht linear polarisiert ist, so soll das reflektierte Licht ebenfalls linear polarisiert sein und diesselbe räumliche Schwingungsrichtung besitzen, d.h. die Ε-Vektoren des am Faserende austretenden Lichtes und des in die Faser wieder eintretenden Lichtes sollen parallel sein. Diese Forderung an die Reflexionseinrichtung wird im Falle linearer Polarisation z.B. von einem ebenen Spiegel erfüllt.

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b) Im Falle einer elliptischen Polarisation soll

1. das reflektierte Licht dieselbe Elliptizität besitzen wie das einfallende, d.h. bei beiden
Lichtströmen soll das Verhältnis der großen zur kleinen Hauptachse ihrer Schwingungsellipsen
übereinstimmen,

2. die Richtung der längeren Hauptachse der Schwingungsellipse des reflektierten Lichtes mit derjenigen des auf die Reflexionseinrichtung einfallenden Lichtes zusammenfallen und

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3. der Drehsinn der Polarisation des reflektierten Lichtes mit demjenigen des einfallenden Lichtes übereinstimmen, wobei der Begriff "Drehsinn" für beide Strahlen übereinstimmend so zu verstehen ist, daß der den Drehsinn feststellende Beobachter entgegen der Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Lichtstrahles blickt. Diese Definition des Drehsinns entspricht der üblichen Definition. Bezieht man dagegen die Drehrichtungen der Polarisationen des einfallenden und des reflektierten Strahls gemeinsam auf die Ausbreitungsrichtung eines der beiden Strahlen, so müssen diese Drehrichtungen entgegengesetzt sein.

c) Wenn der Polarisationszustand des am Faserende austretenden Lichtstrahls zirkulär ist, dann entfällt die Forderung b)2.

Vorausgesetzt, daß der Polarisationszustand C_D des in die Faser zurückkehrenden, reflektierten Lichtes mit dem Polarisationszustand C₁. des am reflexionsseitigen Faserende austretenden Lichtes exakt übereinstimmt, vermittelt die erfindungsgemäße Anordnung die folgenden bedeutsamen Vorteile:

. Absolute Konstanz des Nullpunktes der Stronnessung für beliebige Warte der Faser-Eigendoppelbrechung, da die durch geometrische und/oder elastische Faser Imperfektionen bedingte Doppelbrechung reziprok ist.

2. Verdoppelung der Empfindlichkeit ®/I, da die Faraday-Drehung nichtreziprok ist und sich daher die Faraday-Drehungen auf dem "Hin"- und "Rück"-Weg des Lichtes addieren.

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Für den Fall, daß die optische Faser nur eine geringfügige lineare/ zirkuläre oder elliptische Doppelbrechung aufweist, derart, daß die Entwicklung des Polarisationszustandes des am Faseranfang (Z = 0) eingekoppelten und am Faserende (Z = L) zurückreflektierten und am Faseranfang wieder ausgekoppelten Lichtes wieder über die Kurve C (2) in unmittelbarer Nähe des Äquators der Poincare-Kugel verläuft und dies auch dann, wenn aufgrund der erwähnten Störeffekte Änderungen der Eigendoppelbrechung auftreten, kann die vorstehend genannte Forderung a mit einem ebenen Spiegel als Reflektor erfüllt werden, der am Faserende ζ - L angebracht ist. In diesem Fall ist nämlich voraussetzungsgemäß das bei ζ = L ankommende Licht in guter Näherung linear polarisiert und somit auch das vom Spiegel reflektierte Licht? und zwar mit demselben Azimuth wie das ankommende Licht. Wird der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes mit C_R bezeichnet, so gilt demgemäß C-. = C_ .

K JLj

Diese Beziehung gilt jedoch nicht allgemein, sondern nur in dem bisher vorausgesetzten Fall, daß das Meßlicht linear polarisiert ist. In dem allgemeinen Fall, daß der Polarisationszustand C₁. am Faserende ein beliebiger elliptisch polarisierter Zustand ist, bleibt bei einer Reflexion des Lichtes an einem ebenen Spiegel zwar das Azimuth der Polarisation erhalten, jedoch wird der Drehsinn (links/rechts) der Polarisation reversiert. Bezeichnet man den aus der Reflexion des Polarisationszustandes Cj. an einem ebenen Spiegel hervorgehenden Polarisationszustand mit C. , so gilt: C = C . In der Poincare-Kugel-Darstellung erhält man den Polarisationszustand C- durch Spiegelung des Polarisationszustandes C, an der Äquatorebene. Da somit beim ebenen Spiegel - und bei allen anderen Irgendwie aus spiegelnden Flächen permanent zusanwengesetzten und zeitlich unveränderlichen und somit als passiv zu bezeich-

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nenden Reflektoren - also allgemein C_n Φ C₁ gilt, so erfolgt bei der Ausbreitung des Lichtes in Rückwärtsrichtung zwangsläufig eine andere Polarisationsentwicklung als in Vorwärtsrichtung (von ζ = 0 zu ζ = L). Der bei ζ = 0 aus der Faser auskoppelbare Polarisations-Endzustand C, , der aus dem bei ζ = L reflektierten Polarisationszustand C_n = C₁. resultiert, ist im allgemeinen von dem bei ζ = 0 in die Faser eingekoppelten Anfangszustand C (0) = H verschieden, denn nur der Polarisationszustand C,. würde, bei z- - L in die Faser eingekoppelt, bei ζ = 0 wieder zu dem. dem Anfangszustand II entsprechenden Endzustand führen, über die tatsächliche Lage des Endzustandes C₁ auf der Poincare-Kugel läßt sich im allgemeinen nur so viel aussagen, daß der bei ζ = 0 auf der Poincare-Kugel gemessene Abstand vom Anfangszustand, d.h. der Winkel HC₁ ,gleich dem Winkelabstand C₁. C_n zwischen den

I Li K

die Polarisationszustände des hin- und des rücklaufenden Lichtes markierenden Punkten C_T und C_n bei ζ = L

Li K

ist, jedenfalls solange kein Strom fließt. Diese Gleichheit der Winkelabstände gilt ganz allgemein · für jedes reziproke optische System.

Im Bild der Poincare-Rugel-Darstellung wird somit deutlich, daß, wenn der End-Polarisationszustand C_L in unmittelbarer Nähe des Äquators liegt und damit der Winkelabstand C₁. C-. und damit auch der Winkelabstand HC₁

Li K I

gegen Null geht, im stromlosen Fall der am Faseranfang auskoppelbare Endpolarisationszustand C. dem dort eingekoppelten Anfangs-Polarisationszustand U entspricht.

Die Annahme, daß sich - wiederum im Bild der Poincare-Kugel-Darstellung - der Polarisationszustand C nur

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entlang und in unmittelbarer Nähe der Äquatorialebene der Poincare-Kugel ändert, ist jedoch nur für den Fall zutreffend, daß eine durch die vorstehend genannten Störungen hervorgerufene Änderung der Eigendoppelbrechung der Faser rein zirkulär ist und, z.B., nur von einer Verdrillung der Faser herrührt. Im allgemeinen liegt jedoch auch ein linearer Anteil an Eigendoppelbrechung vor, der bewirkt, daß der End-Polarisationszustand C₁. einen nicht vernachlässigbaren Winkelabstand von der Äquatorebene der Poincare-Kugel hat, so daß C_R f C wird und damit auch der End-Polarisationszustand C. des am Faseranfang auskoppelbaren Lichtes vom Polarisationszustand H deutlich verschieden ist. Wegen der Empfindlichkeit dieser Eigendoppelbrechung gegen Störungen wie z.B. Temperaturänderungen tritt dann eine NuIlpunkts-Temperaturdrift der Strommeßanordnung auf, da das elektronische Auswertungssystem durch solche Störeinflüsse bedingte Änderungen des Endpolarisationszustandes C- nicht von solchen unterscheiden kann, die von einer durch den Strom I bewirkten Änderung dieses Polarisationszustandes C₁ herrühren. Mit der Temperatur ändert sich dann auch der Eichfaktor des Strommessers, denn die Polarisationszustände C(z) durchlaufen auf dem Hin- und Rückweg des Lichtes verschiedene - temperaturabhängige - Bahnen auf der Poincare-Kugel, auf denen der Faraday-Effekt unterschiedlich wirksam ist.

Diese Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden, daß im Rahmen einer erfindungsgemäßen Anordnung eine als "aktiver" Reflektor anzusprechende Reflexionseinrichtung eingesetzt wird, die jeden am Faserende auftretenden Polarisationszustand C_L unter Erhaltung der Polarisation reflektiert, d.h. das Meßlicht mit eben diesem Polarisationszustand C_T am Faserende wieder in die Faser zurückkoppelt.

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Durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind diesbezüglich einfache Gestaltungen der erfindungsgemäßen faseroptischen Strommeßanordnung angegeben, deren Reflexionseinrichtung als aktives Element ausgebildet ist, das bei Änderungen des an der Reflexionseinrichtung ankönnenden Polarisationszustandes CL gleichsam seinen inneren Zustand modifiziert und dem geänderten Polarisationszustand C so anpaßt, daß wieder C_L = C_R gilt. Die zweckentsprechende Argleichung des Polarisationszustandes C_R des reflektierten Lichtes an denjenigen (C_T) des am Faserende ankommenden Lichtes wird dabei mittels eines Polarisations-Regelkreises erreicht, der so arbeitet, daß der End-Polarisationszustand C₁. auf lineare Polarisation stabilisiert wird, mit dem besonderen Vorteil, daß dann im Rahmen der adaptiven Reflexionseinrichtung ein - vorzugsweise ebener Spiegel als Reflexionsglied einsetzbar ist.

Voraussetzung ist natürlich, daß sich der im Rahmen der Reflexionseinrichtung vorgesehene Regelkreis hinreichend schnell auf den jeweils am Faserende ankommenden Polarisationszustand CL einstellen kann. Diese Voraussetzung ist aber bei den vorstehend genannten Störeinflüssen (Temperaturänderungen, Erschütterungen, Alterung) praktisch erfüllbar, da bei verfügbaren Polarisationsstellgliedern Einstellzeiten im Bereich von 1 ms technisch möglich sind.

Durch die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 sind unter Gesichtspunkten des einfachen Aufbaues der faseroptischen Anordnung gemäß Anspruch 3 vorteilhafte Gestaltungen des Reflexionsgliedes als teildurchlässiger Spiegel und des im Rahmen der Reflexionseinrichtung vorgesehenen Polarisations-Regelkreises angegeben,

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die auf einfache Weise gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 realisiert sein können.

Durch die Merkmale der Ansprüche 7 bis 9 sind einfache Gestaltungen von Polarisationsstellgliedern angegeben, die im Rahmen einer erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnung alternativ, gegebenenfalls auch in Kombination eingesetzt werden können, wobei sich das gemäß Anspruch 9 vorgesehene elektro-optische Stellglied durch ein besonders rasches Ansprechverhalten auszeichnet.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer bekannten faseroptischen Strommeßeinrichtung zur Erläuterung des Standes der Technik,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnung,

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnung mit adaptiver Reflexionseinrichtung,

Fig. 4 eine Poincare-Kugel zur Erläuterung der Funktion der bekannten und der erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnungen gemäß den Fig. 1, bzw. 2 und 3.

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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 Stroms I meßbar ist. Zentraler Bestandteil der Anordnung 10 ist eine optische Faser 12, die, z.B. auf einen von dem Leiter in axialer Richtung durchsetzten Spulenkörper 13 aufgewickelt, den Leiter 11 mit einer Anzahl N von eng aneinander anliegenden Windungen 14 umgibt. Die Windungen 14 sind eng aneinander anliegend so angeordnet, so daß das den Leiter 11 umgebende, durch die Pfeile 16 repräsentierte Magnetfeld H, das mit dem durch den Leiter 11 fließenden Strom I verknüpft ist, in sehr guter Näherung in Richtung des durch die Windungen 14 der Faser 12 markierten Lichtweges verläuft. Ein von einer Lichtquelle 17 ausgesandter, durch den Pfeil 18 repräsentierter Lichtstrom, der einen definierten linearen Polarisationszustand haben möge - ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei für das folgende vorausgesetzt, daß dies der Zustand horizontaler linearer Polarisation (H) sein soll - wird am Faseranfang 19, d.h. bei z=0, in die Faser 12 eingekoppelt, die, zwischen dem Faseranfang 19 und dem Faserende 21 gemessen, insgesamt die Länge L haben möge, wobei ein größte Teil dieser Länge auf die auf den Spulenkörper aufgewickelten Windungen 14 entfällt. Unter dem Einfluß des mit dem Strom I verknüpften Magnetfeldes 16 erfährt die Polarisationsebene des vom Faseranfang 19 zum Faserende 21 laufenden Meßlichts eine stromproportionale Faraday-Drehung, die mittels eines Polarisations-Analysators 22 erfaßt, in ein für den erfaßten Polarisationszustand charakteristisches elektrisches Ausgangssignal umgewandelt und mittels einer Anzeige direkt in Einheiten der Stromstärke zur Anzeige gebracht

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wird. Die optische Faser 12 sei als Festkernfaser aus Quarzglas vorausgesetzt, die mit einem nicht verschwindenden Anteil an linearer oder elliptischer Doppelbrechung S oder CJ behaftet ist.

Die in einer solchen bekannten faseroptischen Anordnung aus der Eigen-Doppelbrechung des Fasermaterials resultierenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Nullpunkts-Stabilität der Meßanordnung und damit der Empfindlichkeit derselben sind in der Beschreibungseinleitung im Bilde der Poincare-Kugel-Darstellung gemäß Fig. 4 eingehend erläutert, worauf hiermit Bezug genommen sei.

Die Fig. 2, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, zeigt eine erfindungsgemäße faseroptische Meßanordnung 30, bei der diese Schwierigkeiten zumindest für den Fall vermieden sind, daß die den Lichtweg des Meßlichts markierende, dem Strom proportionalen Magnetfeld ausgesetzte optische Faser eine derart niedrige Eigen-Doppelbrechung aufweist, daß sich - im stromlosen Fall - die Entwicklung des Polarisationszustandes des sich in der Faser ausbreitenden Lichtes in unmittelberer Nähe der Äquatorialebene 61 der

Poincare-Kugel 60 gemäß Fig. 4 vollzieht, z.B. entlang der Kurven C(z)- bzw. C(ZK.

Bei der Anordnung 30 gemäß Fig. 2 ist dieselbe Anordnung und Art der Verlegung der optischen Faser 12 auf einem Spulenkörper 13 vorgesehen, wie bei Anordnung gemäß Fig. 1, und es sind demgemäß in der Fig. 2 Bau- und Funktionsteile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, auch mit denselben Bezugszeichen belegt.

Die Anordnung 30 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß eine Rsflexionseinrichtung vorgesehen ist, die das mit dem Polarisationszustand C_L am Faserende 21 nach Durchlaufen der optischen

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Faser 12 austretende Licht mit einem Polarisationszustand C_n wieder in die Faser zurückreflektiert und daß die Analysator-Anzeigeeinheit 22, 23 im Bereich des einkopplungsseitigen Faserendes 19 angeordnet ist und als Meßlicht über einen Strahlenteiler 32 einen Teil des mit dem Polarisationszustand C₁ behafteten, durch den Pfeil 33 repräsentierten Lichtstromes empfängt, der nach zweimaligem Durchgang (Hin- und Rücklauf) durch die optische Faser 12 aus dem mit dem horizontalen Polarisationszustand C. behafteten Eingangslichstrom resultiert. Als Reflexionseinrichtung 31 ist bei der Anordnung 30 ein ebener Spiegel vorgesehen, so daß C_R = ÖL gilt.

Wenn die lineare oder elliptische Eigen-Doppelbrechung der optischen Faser 12, wie angenommen, hinreichend klein ist, ist der Polarisationszustand C₁. des nach

JLj

dem Hinlauf am Faserende 21 austretenden, durch den Pfeil 34 repräsentierten Lichtstromes in sehr guter Näherung gleich dem als linear-horizontal vorausgesetzten Polarisationszustand C„ des von der Lichtquelle ausgesandten Primärlichtstromes 18 und damit auch gleich dem Polarisationszustand C_ des von dem ebenen Spiegel

κ.

31 in die optische Faser 12 zurückreflektierten, durch den Pfeil 36 repräsentierten Lichtstromes, da durch die Reflexion an einem ebenen Spiegel ein linearer Polarisationszustand nicht geändert wird. Demgemäß ist auch der Polarisationszustand C₁ des über den Strahlenteiler 32 zum Analysator 22 geleiteten Lichtstromes 33, jedenfalls im stromlosen Zustand des Leiters 11, linear, da die durch geometrische und elastische Verformung der Faser 11 bedingte Doppelbrechung, wie einleitend bereits erwähnt, reziprok ist. Im Rahmen der angegebenen Näherung, nämlich einer tolerierbaren geringfügigen Abweichung der die Entwicklung des Polarisationszustandes C(z) des Meßlichtes beim Hin- und

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Rücklauf durch die optische Faser 12 wiedergebenden Polarisationszustandsverlaufs-Kurven C(z) vom Äquator 62 der Poincare-Kugel 60 wird eine von der Eigen-Doppelbrechung der Faser herrührende Drehung H-* C auf

JL

dem Hinweg des Lichtes durch die Drehung während des Rückweges gerade wieder aufgehoben, jedenfalls im stromlosen Zustand. Die Folge ist eine vorteilhaft erhöhte Nullpunkt-Stabilität. Der Grund hierfür ist der, daß die durch geometrische und elastische Fascr-Imperfektionen bedingte Doppelbrechung , wie einleitend bereits erwähnt, reziprok ist. Dagegen ist die durch das Magnetfeld des Stromes I bedingte Faraday-Drehung der Polarisationsebene des Meßlichtes nichtreziprok, weshalb sich die beim Hin- und Rücklauf des Meßlichtes ergebenden Faraday-Drehungen addieren und somit aus der doppelten Ausnutzung des durch die Faser 12 markierten Lichtweges eine Verdoppelung der Empfindlichkeit ®/I für die Anordnung 30 ergibt.

Die in der Fig. 3, auf deren Einzelheiten wiederum ausdrücklich verwiesen sei, dargestellte erfindungsgemäße faseroptische Anordnung 40 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch, daß ein insgesamt mit 41 bezeichneter Regelkreis vorgesehen ist, der den Polarisationszustand des am Faserende 21 austretenden Meßlichtstromes 34 auf dem linearen Polarisationszustand C_T hält, der

JLj

wiederum als der Zustand horizontaler linearer Polarisation vorausgesetzt sei. Als Reflexionsglied ist ein teildurchlässiger, wiederum ebener Spiegel 42 vorgesehen. Demgemäß hat der in die Faser 12 zurückreflektierte Lichtstrom 36 den Polarisationszustand C_R = C_L = H. Der teildurchlässige ebene Spiegel 42 habe ein Reflexionsvermögen von ca. 99 % und eine Transmission

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von ca. 1 %. Der von diesem Spiegel durchgelassene, durch den Pfeil 43 wiedergegebene Teillichtstrom hat denselben Polarisationszustand C₁. wie der am Faserende austretende Lichtstrom 34, der auf linearen Polarisationszustand stabilisiert werden soll.

Im Rahmen des Regelkreises 41 ist ein insgesamt mit bezeichnetes Polarimeter vorgesehen, das den vom Spiegel 42 durchgelassenen Teillichtstrom 43 auf einen links- bzw. rechtszirkular polarisierten Anteil hin analysiert. Dieses Polarimeter erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das bei linearem Polarisationszustand seines Eingangslichtstromes 43 verschwindet und mit zunehmender Abweichung vom linearen Polarisationszustand in positiver bzw. negativer Richtung zunimmt.

Weicht der Polarisationszustand des Eingangslichtstromes 43 des Polarimeters 44 von der linearen Polarisation ab, so wird das abweichungsproportionale Ausgangssignal des Polarimeters 44 als Fehlersignal ausgenutzt, das über einen geeigneten Regelverstärker"46 auf ein Polarisationsstellglied 47 so lange einwirkt, bis der Eingangslichtstrom 43 des Polarimeters 44 und damit der auf den Spiegel 42 auftreffende Lichtstrom und der von diesem zurückreflektierte Lichtstrom wieder linear polarisiert sind, wobei das Azimuth dieses Polarisationszustandes keine Rolle spielt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Polarimeter 44 eine Λ/4-Platte 48 und ein Wollaston-Prisma 49, deren Achsen um 45 gegeneinander verdreht sind. Dadurch entspricht die Intensität des einen der beiden Ausgangslichtstrahlen 51 und 52 des Wollaston-Prismas dem linkszirkulären polarisierten Anteil des Lichtstromes 43 und die Intensität des

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anderen Auscjanysl iclil ;;l rallies dem reuhtszirkuiui polarisierten Anteil dieses Lichtstromes 43. Die Intensitäten der beiden Ausganyslichtströme 51 und L>2 werden mit je einer Fotodiode 53 bzw. 54 gemessen und deren Ausgangsspannungen einem Differenzverstärker als Eingangssignale zugeführt, dessen Ausgangsspannung das vorstehend erwähnte Fehlersignal ist, das bei linearem Polarisationszustand C, des Eingangslichtstromes verschwindet.

Dieses Fehlersignal wird mittels des Regelverstärkers 46, der vorzugsweise ein PI-Regelverhalten aufweist, auf das Polarisationsstellglied 47 gegeben. Das Polarisationsstellglied wirkt auf den dem Faserende 21 benachbarten Endabschnitt der Faser 12 ein und erzeugt in Abhängigkeit von dem vom Regelverstärker abgegebenen Ausgangssignal eine lineare Doppelbrechung in dem Endabschnitt, mil der der Polarisationszustand des am Faserende austretenden I.ichtstromes 34 in tier gewünschten Weise modifizierbar ist.

Das Polarisationsstellglied 47 ist auf einfache Weise als elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbare Druckvorrichtung ausgebildet, mit der auf den Endabschnitt der optischen Faser 12 eine transversale Druckkraft ausübbar ist, die sich additiv aus einem konstanten Vorspannungsbeitrag und einem zum Fehlersignal des Regelverstärkers 46 proportionalen variablen Beitrag zusammensetzt, der je nach der Richtung der erforderlichen Regelung mit verschiedenen Vorzeichen behaftet ist. Als Polarisationsstellglied 47 kann z.B. ein in "Applied Physics Letters", Band 35, Seite 840 in Verbindung mit der Stabilisierung auf einen bestimmten Polarisationszustand beschriebenes

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Stellglied eingesetzt- werden. Bei der Anordnung 40 gemäß Fig. 3 ist es jedoch nicht erforderlich, auf einen genau definiertem Pularisationszustand ·/..M. den Polaritätionszustand 11 v.u stabilisieren, sondern or, genügt vielmehr, den Polarisationszustand des Licht-Stromes 34 auf lineare Polarisation beliebigen Azimuths einzuregeln. Das Polarisationsstellglied wirkt auf den dem Faserende 21 benachbarten Endabschnitt der Faser ein und erzeugt in Abhängigkeit von dem vom Regelverstärker 46 abgegebenen Ausgangssignal eine lineare Doppelbrechung, mit der der Polarisationszustand des am Faserende austretenden Lichtstromes 34 in der gewünschten Weise modifizierbar ist.

Claims

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Max-Planck-Gesellschaft
zur Förderung der
Wissenschaften e.V.
Bunsenstr. 10
Göttingen

P 81 25 16.03.1981

Patentansprüche

1J Faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung des Faraday-Effekts, mit einer den Strompfad in einer Anzahl von Windungen umgebenden, einen dem Magnetfeld des Stromes ausgesetzten Lichtweg markierenden optischen Faser, in die ein Lichtstrom definierten Polarisationszustandes einkoppelbar ist, der entlang dieses Lichtweges aufgrund des Faraday-Effekts eine stromabhängige Änderung seines Polarisationszustan-

. des erfährt, und mit einer Polarisations-Meßeinrichtung, mit der der Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges erfaßbar und ein für die Stromstärke charakteristisches Meßsignal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des von der Einkoppelstelle (19) entfernten Endes (21) der optischen Faser (12) eine Reflexionseinrichtung (31; 42) vorgesehen ist, die das an diesem Ende (21) ankommende Licht mit demselben Polarisationszustand, mit dem es in die Reflexionseinrichtung (31; 42) eintritt, zurückwirft, und daß die PolarisationsrMeßeinrichtung (22; 44) den Polarisationszustand desjenigen Lichtstromes (33; 36) erfaßt, der, nachdem er an der Reflexionseinrichtung (31; 42) einer Reflexion unterworfen war, und den Lichtweg (12) insgesamt zwei mal durchlaufen hat, an der Einkoppelstelle (19) wieder austritt.

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2. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß im Rahmen der Reflexionseinrichtung als Reflexionsglied ein Spiegel (42) vorgesehen ist, daß eine den Polarisationszustand des auf den Spiegel (42) auftreffenden oder des von diesem zurückgeworfenen Lichtes erfassende und eine für diesen Polarisationszustand charakteristisches Ausgangssignal erzeugende Analysatoreinrichtung (44) vorgesehen ist, und daß ein auf das Ausgangssignal der Analysatoreinrichtung (44) ansprechendes Polarisationsstellglied (47) vorgesehen ist, das den Polarisationszustand des auf den Spiegel (42) treffenden bzw. von diesem zurückreflektierten Lichtes linear hält.
3. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (44) als Ausgangssignal ein für den zirkulären Polarisationsanteil des am Faserende (21) auftretenden Lichtstromes (34) charakteristisches Ausgangssignal erzeugt, und daß dieses Ausgangssignal als Fehlersignal einem Regelkreis (46, 47) zugeführt ist, der den Polarisationszustand des austretenden Lichtes auf lineare Polarisation stabilisiert.
4. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (42) in unmittelbarer Nähe des Faserendes (21) angeordnet und als teildurchlässiger Spiegel mit z.B. 98 bis 99 % Reflexionsvermögen (ca. 1 % Transmission) ausgebildet ist, daß die Analysatoreinrichtung (44) den Polarisationszustand des vom Spiegel (42) durchgelassenen Lichtes erfaßt, und daß als Stellglied (47) eine auf einem Endabschnitt der Faser (12) deren

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Doppelbrechungseigenschaft beeinflussende Stellvorrichtung (47) vorgesehen ist.
5. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (44) ein erstes Ausgangssignal erzeugt, das dem linkszirkular polarisierten Anteil des Lichtes proportional ist, und ein zweites Ausgangssignal, das dem rechtszirkulär polarisierten Anteil proportional ist, und daß ein die beiden Ausgangssignale der Analysatoreinrichtung (44) als Eingangssignale empfangender Differenzverstärker (56) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal das für die Ansteuerung des Stellgliedes (47) benutzte Fehlersignal ist.
6. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Analysatoreinrichtung ein Polarimeter (44) vorgesehen ist, das eine *λ/4-Platte (48) und ein Wollaston-Prisma (49) umfaßt, deren Achsen um 45 gegeneinander verdreht sind, wobei die Λ/4-Platte (48) zwischen dem teildurchlässigen ebenen Spiegel (42) und dem Wollaston-Prisma (49) angeordnet ist, und daß zur Erfassung der Intensitäten der beiden Ausgangslichtströme (51 und 52) des Wollaston-Prismas (49) je eine Fotodiode (53 bzw. 54) vorgesehen ist.
7. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsstellglied (47) eine Druckvorrichtung ausgebildet ist, mit der die Faser (12) auf einen kurzen Endabschnitt mit einer Kraft zusammengedrückt wird, die sich additiv aus einem

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konstanten Vorspannungsbetrag und einem zum Fehlersignal des Regelverstärkers (46) proportionalen, variablen Betrag zusammensetzt.
8. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung zwei an der Faser (12) anliegende, diametral einander gegenüber angeordnete Druckbacken aufweist, auf die mittels eines Elektromagneten oder eines piezoelektrischen Stabes die fehlersignalproportionale Stellkraft ausübbar ist.
9. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsstellglied ein elektro-optisches Element mit elektrisch steuerbarer Doppelbrechung, z.B. ein LiNbO-,-Kr is tall vorgesehen ist, der mit rechtwinklig zur Ausbreitungseinrichtung des Lichtes verlaufender optischer Achse, entlang der die Ausgangsspannung des Regelverstärkers anlegbar ist, zwischen dem Faserende (21) und der Reflexions-· einrichtung (4 2) angeordnet ist.