DE3404608C2

DE3404608C2 -

Info

Publication number: DE3404608C2
Application number: DE3404608A
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Hachioji Jp Nagatsuma; Kazumasa Tokio/Tokyo Jp Takagi; Hiroyoshi Saitama Jp Matsumura
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1983-02-10
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1987-06-19
Also published as: CA1211155A; JPS59147274A; GB2135050A; US4631402A; JPH0444701B2; GB8402975D0; DE3404608A1; GB2135050B

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur optischen Messung der elektrischen Feldstärke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP-A1-0 083 196 bekannt. Dort arbeitet die Sensoreinrichtung, die den Modulationsgrad des hindurchtretenden Lichtes entsprechen der Feldstärke des anliegenden elektrischen Feldes verändert, mit einem Kristall, der neben dem elektrooptischen Pockels- Effekt als wesentliche Eigenschaft eine optische Rotationsaktivität zeigt, d. h. der das hindurchtretende Licht einer Rotationspolarisation unterwirft. Durch Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit dieser Rotationsaktivität soll dabei die Temperaturcharakteristik der Meßeinrichtung verbessert werden. Als Beispiele für die verwendeten elektrooptisch wirksamen und zugleich optisch aktiven Kristalle werden Bi₁₂GeO₂₀- und Bi₁₂SiO₂₀-Verbindungen genannt.

Da der elektrooptische Effekt und die zusätzliche optische Aktivität dieser Kristalle einander überlagern, wird der elektrooptische Effekt bei Erhöhung der Länge des Sensorelements durch die optische Aktivität periodisch ausgelöscht. Dies bedeutet, daß sich durch Vergrößerung der Länge des Sensorelements kein linearer Anstieg des Modulationsgrades und keine Erhöhung der Meßempfindlichkeit erreichen lassen.

Ferner weisen die bei der bekannten Vorrichtung verwendeten Bi₁₂Ge₂₀- und Bi₁₂SiO₂₀-Kristalle eine hohe relative Dielektrizitätskonstante (in der Größenordnung von 40 bis 60) auf, die eine niedrige Meßempfindlichkeit sowie Störungen in der Verteilung des zu messenden elektrischen Feldes und damit zu Verfälschungen des Meßergebnisses führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Messung der elektrischen Feldstärke anzugeben, die bei guter Temperaturcharakteristik hohe Meßempfindlichkeit aufweist und eine Feldstärkemessung ohne Störungen der Feldverteilung gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Der danach verwendete Kristall mit Eulytin-Struktur weisen außer dem Pockels-Effekt keine optische Aktivität und eine niedrige Dielektriztätskonstante auf. Dies bedeutet, daß der Modulationsgrad und damit die Meßempfindlichkeit proportional zur Länge des Lichtweges im Kristall ansteigen. Außerdem stört die Messung die Feldverteilung des zu messenden elektrischen Feldes nur unwesentlich.

Kristalle mit Eulytin-Struktur, insbesondere die auch erfindungsgemäß vorzugsweise eingesetzten Bi₄Ge₃O₁₂- und Bi₄Si₃O₁₂-Kristalle, sind zwar aus "Mat. Res. Bull." Band 7, (1972) Seiten 181-192 bekannt, doch beziehen sich die dort angestellten Untersuchungen weder auf den Einsatz derartiger Kristalle zur optischen Feldstärkemessung noch auf ihre optische Aktivität oder Dielektrizitätskonstante.

Die Kristallstruktur der bislang verwendeten Kristalle Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ ist der Gruppe 23 der Kristall-Symmetrieklassen zuzurechnen. Beide Kristalle weisen eine optische Aktivität von etwa 10 o/mm auf. Demgegenüber gehören elektrooptische Kristalle mit der kristallographischen Eulytin- oder Wismutblende-Struktur, wie z. B. Bi₄Si₃O₁₂, Bi₄Ge₃O₁₂ und ähnliche Verbindungen, der Gruppe 43 m an und zeigen keine optische Aktivität. Im Gegensatz zur hohen relativen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 56 und 40 von Bi₁₂SiO₂₀ bzw. Bi₁₂GeO₂₀ beträgt die relative Dielektrizitätskonstante von Bi₄Ge₃O₁₂ etwa 16, was etwa 1/3,5 bzw. 1/2,5 der Werte für Bi₁₂SiO₂₀ bzw. Bi₁₂GeO₂₀ ist. Der Wert der relativen Dielektrizitätskonstanten von Bi₄Si₃O₁₂ und von anderen elektrooptischen Kristallen mit der kristallographischen Eulytin-Struktur liegt im wesentlichen in derselben Größenordnung wie für Bi₄Ge₃O₁₂.

In der folgenden Tabelle 1 sind der Brechnungsindex n₀, die Pockels-Konstante γ₄₁, die relative Dielektrizitätskonstante ε und die optische Aktivität (Rotationspolarisation) R für die oben genannten vier Arten von Einkristallen aufgeführt.

Tabelle 1

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der anliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Grundstruktur einer Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes, die nach dem Prinzip der longitudinalen Modulation arbeitet,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Grundstruktur einer Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes, die nach dem Prinzip der transversalen Modulation arbeitet,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes für ein elektrisches Feld und dem (später definierten) Modulationsgrad für die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der elektrischen Kapazität für die mit der longitudinalen Modulation arbeitende Meßvorrichtung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der elektrischen Kapazität für die mit der transversalen Modulation arbeitende Meßvorrichtung,

Fig. 6 den Aufbau einer Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes,

Fig. 7 eine grafische Dastellung der Beziehung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Ausgangsgröße sowie dem Modulationsgrad der Meßvorrichtung nach Fig. 6,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der Ausgangsgröße der Meßvorrichtung nach Fig. 6, und

Fig. 9 eine grafische Darstellung einer Temperaturcharakteristik der Meßvorrichtung.

Die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes weist eine Lichtquelle, eine das elektrische Feld wahrnehmende Sensoreinrichtung, die ein den elektrooptischen Effekt zeigendes Material beinhaltet, das die Veränderung der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Intensität des elektrischen Feldes bewirkt, eine Meßeinrichtung zur Messung der Intensität des von der Sensoreinrichtung für das elektrische Feld ausgegebenen Lichts sowie optische Fasern auf, um die Lichtquelle, die Sensoreinrichtung für das elektrische Feld und die Meßeinrichtung miteinander optisch zu koppeln, wobei ein elektrooptischer Kristall mit der kristallographischen Eulytin-Struktur als das den elektrooptischen Effekt zeigende Material verwendet wird.

Für den elektrooptischen Kristall mit kristallographischer Eulytin-Struktur können beispielsweise Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₄Si₃O₁₂ und Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ genannt werden.

In der obigen Meßvorrichtung ist die in der Lichtfortpflanzungs- oder -ausbreitungsrichtung gemessene Länge l des in der Meßvorrichtung verwendeten elektrooptischen Kristallelementes nicht geringer als diejenige Länge des Sensorelementes (im folgenden mit L bezeichnet), bei der derselbe Modulationsgrad wie bei Anwendung des bislang bekannten elektrooptischen Kristalls mit einer Kristallstruktur entsprechend der Gruppe 23 und mit einer Elementlänge l erreicht wird.

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das einzelne elektrooptische Kristallelement mit einer Länge nicht kleiner als L durch eine Anordnung ersetzt werden, in der eine Vielzahl von elektrooptischen Kristallelementen mit einer Einzellänge kleiner als die oben definierte Länge L in der Lichtausbreitungsrichtung so angeordnet oder aneinandergereiht ist, daß die Summe der Längen der Einzelelemente in Lichtausbreitungsrichtung einen Wert ergibt, der nicht kleiner als L ist. Hierbei kann die Anordnung jedoch zumindest ein elektrooptisches Kristallelement mit einer Länge gleich oder größer als L beinhalten, um dadurch den gesamten optischen Weg und damit die Meßempfindlichkeit zu erhöhen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung derart ausgelegt werden, daß das Licht veranlaßt wird, zumindest einmal innerhalb des elektrooptischen Kristalls hin- und herzulaufen, so daß die Länge des durch den elektrooptischen Kristall verlaufenden effektiven optischen Weges nicht kleiner als die oben definierte Länge L ist.

Im folgenden wird die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes unter theoretischen Gesichtspunkten untersucht. Zuerst werden die mathematischen Ausdrücke beschrieben, die die für die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes grundlegenden Beziehungen wiedergeben. Als ein Faktor zur relativen Bestimmung der Erfassungsempfindlichkeit des Sensorelementes für das elektrische Feld wird als Grad der Modulation oder Modulationsgrad das Verhältnis von Signal-Ausgangswert zu Ruhe-Ausgangswert des Sensorelementes definiert, wobei dieses Element zwischen einem Paar von Elektrodenplatten liegt, die, verglichen mit der Länge des Sensorelementes, mit relativ großem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Zuerst wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Meßvorrichtung für das elektrische Feld des longitudinalen Modulationstyps betrachtet, in der die Lichtausbreitung in der Richtung erfolgt, in der das elektrische Feld angelegt ist. Fig. 1 zeigt einen Grundaufbau der Meßvorrichtung für ein elektrisches Feld des longitudinalen Modulationstyps, wobei E die Richtung des angelegten elektrischen Feldes wiedergibt. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Polarisator, Bezugsziffer 2 ein Viertel-Wellenlängenplättchen (λ/4- Plättchen), Bezugsziffer 3 das Sensorelement für das elektrische Feld (elektrooptisches Kristallelement) und Bezugsziffer 4 einen Analysator. Wird die Länge des Sensorelementes 3, gemessen in Lichtausbreitungsrichtung (d. h. in der Richtung, in der in diesem Beispiel auch das elektrische Feld anliegt), mit l, die Intensität des extern angelegten elektrischen Feldes mit E₀ und die Wellenlänge des verwendeten Lichts im freien Raum mit λ bezeichnet, ist die über dem Sensorelement 3 auftretende Spannung näherungsweise durch folgenden Ausdruck gegeben:

Die Spannung V _π, die erforderlich ist, um für durch das Sensorelement laufendes Licht die Phase um π zu ändern (als Halbwellenspannung bezeichnet) ist durch folgende Beziehung gegeben:

Hierbei bezeichnen ε, n₀ und q₄₁ die relative Dielektrizitätskonstante, den Brechungsindex und die Pockels-Konstante des Sensorelementes 3. Nach Fig. 1 wird zirkular polarisiertes Licht durch das Zusammenwirken des Polarisators 1 und des Viertel-Wellenlängenplättchens 2 erzeugt und in das Sensorelement 3 für das elektrische Feld eingegeben. Durch Optimierung der kristallinen Orientierung des Sensorelementes 3 für das elektrische Feld und der Richtung der Polarisation des Analysators 4 ist die Ausgangs-Lichtintensität I₀ in Antwort auf das Eingangslicht I _i durch gegeben, wobei und R die optische Aktivität (Rotationspolarisation) bezeichnet.

Wie oben definiert, ist der Modulationsgrad m in Form des Verhältnisses zwischen dem Ruhe-Ausgangswert (I₀)₀ und dem Signal-Ausgangswert (I₀)_s wie folgt gegeben:

Im folgenden wird die Vorrichtung des transversalen Modulationstyps zur optischen Messung eines elektrischen Feldes beschrieben, in der das elektrische Feld in der Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung angelegt wird. Fig. 2 zeigt einen Grundaufbau einer derartigen Meßvorrichtung, wobei die Richtung, in der das elektrische Feld anliegt, mit E bezeichnet ist. Wird die in dieser Richtung gemessene Länge des Feld-Sensorelementes 3 nach Fig. 2 mit d und die Größe des externen elektrischen Feldes mit E₀ bezeichnet, ist die über dem Sensorelement 3 auftretende Spannung näherungsweise durch folgenden Ausdruck gegeben:

Die Halbwellenspannung V _π im Falle der Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach dem transversalen Modulationstyp ist gegeben durch:

Die für die mit longitudinaler Modulation arbeitende Feld- Meßvorrichtung entwickelten Ausdrücke (3) und (4) gelten auch für die optimierte Betriebsbedingung der Vorrichtung vom transversalen Modulationstyp. Damit kann aus den Ausdrücken (6), (7), (3) und (4) der Modulationsgrad oder das Modulationsverhältnis folgendermaßen arithmetisch bestimmt werden:

Die Gleichung (8) stimmt mit der Gleichung (5) überein, was bedeutet, daß der Modulationsgrad (V/V _π) unabhängig davon gleich bleibt, ob die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes vom longitudinalen oder vom transversalen Modulationstyp ist.

Im folgenden werden die numerischen Werte der Ausdrücke f V/V _π und 2R l der Gleichung (4) vergleichend untersucht. Im Falle des keine optische Aktivität (Rotationspolarisation) zeigenden Kristalle, wie z. B. Bi₄Ge₃O₁₂, nimmt der Ausdruck 2R l den Wert Null an. Demgemäß enthält die Gleichung (4) nur den Ausdruck π · V/V _f. Unter dieser Bedingung ist der Modulationsgrad m unabhängig vom Modulationstyp durch folgende Gleichung gegeben:

Andererseits nimmt im Fall von Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ der die optische Aktivität repräsentierende Ausdruck 2R l einen Wert von etwa (20×l) Grad oder (0,35+l) rad an. Bei der gewöhnlichen Messung des elektrischen Feldes ist E₀≦10 kV/mm. Im Falle von Bi₁₂SiO₂₀ berechnet sich das Verhältnis π V/V _π für E₀ = 10 kV/mm zu etwa (0,086×l) rad. Das Verhältnis von (π V/V _π)² und (2R l)² liegt in der Größenordnung von 6/100. Es wird angenommen, daß selbst bei einer maximalen Feldstärke des zu messenden elektrischen Feldes (π V/V _f)²«(2R l)² gilt. Im Falle von Bi₁₂GeO₂₀ ist der Wert von (π V/V _π), verglichen mit Bi₁₂SiO₂₀, kleiner, was eine bessere Näherung erlaubt. Damit kann mit Sicherheit gesagt werden, daß (π V/V _π)²«(2R l)² gilt, wenn das gewöhnliche elektrische Feld mit einer Intensität nicht höher als 10 kV/mm unter Verwendung von Bi₁₂SiO₂₀ oder Bi₁₂GeO₂₀ gemessen wird. Demgemäß kann die Gleichung (4) näherungsweise folgendermaßen umgeschrieben werden:

g ≈ 2R l (10)

Auf Grundlage der Gleichungen (10) und (8) ist der Modulationsgrad m durch gegeben und bleibt unabhängig vom Modulationstyp gültig.

Als nächstes wird der unter Verwendung von Bi₄Ge₃O₁₂ erzielte Modulationsgrad m mit dem verglichen, dem man mit Hilfe der Gleichungen (9) und (11) für die Verwendung von Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ erhält. Der konkrekte Wert von m wird mit den in Tabelle 1 aufgelisteten numerischen Daten unter den Annahmen: E = 100 V/mm und λ = 0,85 µm errechnet. Die Ergebnisse der Berechnung sind grafisch in Fig. 3 dargestellt. Wie daraus deutlich wird, ist der Wert des Modulationsgrades m selbst bei Erhöhung der Länge l des Sensorelementes 3 aufgrund der optischen Aktivität (Rotationspolarisation) von Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ begrenzt. Andererseits kann im Falle von Bi₄Ge₃O₁₂, das keine optische Aktivität (Rotationspolarisation) zeigt, der Modulationsgrad m entsprechend der Erhöhung der Länge l des Sensorelementes 3 erhöht werden.

Nach Fig. 3 bestimmt sich die Länge l des Sensorelementes entsprechend den Schnittpunkten der Kurve für Bi₄Ge₃O₁₂ mit den Kurven für Bi₁₂SiO₂₀ bzw. Bi₁₂GeO₂₀, d. h. die Länge l des Sensorelementes, bei der die Gleichheit der Ausdrücke (9) und (11) gilt, zu 5,34 mm bzw. 5,40 mm. Wird in anderen Worten ein Sensorelement aus Bi₄Ge₃O₁₂ mit einer Länge nicht kleiner als die Länge L verwandt, wobei der Wert L aus der Gleichheitsbedingung zwischen den Ausdrücken (9) und (11), d. h. (9) = (11), betimmt wird, kann unabhängig vom angewandten Modulationstyp ein Modulationsgrad m erzielt werden, der größer als der mit den Sensorelementen aus Bi₁₂SiO₂₀ bzw. Bi₁₂GeO₂₀ erreichte ist, wodurch die Meßempfindlichkeit für das elektrische Feld entsprechend gesteigert werden kann. Im Falle von E = 100 V/mm und λ = 0,85 µm, sollte die Länge l des Sensorelementes gleich oder größer als 5,40 mm gewählt werden.

In der vorhergehenden Beschreibung wurde als ein typisches Beispiel des elektrooptischen Kristalls mit der kristallographischen Eulytin-Struktur Bi₄Ge₃O₁₂ gewählt. Es liegt jedoch auf der Hand, daß auch die anderen Kristalle, wie z. B. Bi₄Si₃O₁₂, Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ und ähnliche, die keine optische Aktivität zeigen, mit ähnlicher Wirkung als Material für das Sensorelement 3 verwendet werden können.

In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß ein einzelnes Sensorelement Anwendung findet, dessen Länge, gemessen in der Lichtausbreitungsrichtung, hinreichend lang gewählt ist, um die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes zu erhöhen. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können mehrere, entsprechend vorbereitete Sensorelemente in der Lichtausbreitungsrichtung aufgereiht angeordnet werden, womit ein ganz ähnlich vorteilhafter Effekt wie mit der oben beschriebenen Einzelelement-Struktur zu erzielen ist. Wird eine Vielzahl von Sensorelementen in dieser Weise verwendet, besteht eine Neigung zur Erhöhung der an den Oberflächen der einzelnen Sensorelemente erzeugten Reflexionsverluste. Ein derartiger Reflexionsverlust kann jedoch durch angemessene reflexionsverhindernde Maßnahmen vermieden werden. Die optische Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes, die eine Vielzahl von in der Lichtausbreitungsrichtung kaskadenartig angeordneten Sensorelementen umfaßt, ist dagegen in dem Punkt vorteilhaft, daß der Frequenzbereich des erfaßbaren elektrischen Feldes erweitert ist. Die erfaßbare Frequenz hängt nämlich von den Abmessungen des Sensorelementes ab, die im Falle dieser Ausführungsform klein sind. Die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes, in der eine Vielzahl der Sensorelemente entlang der Lichtausbreitungsrichtung kaskadenartig angeordnet ist, liefert einen großen Wert des Modulationsgrades m, wodurch die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes wie im Falle der oben beschriebenen Einzelelement-Struktur verbessert wird, vorausgesetzt, daß der gesamte, durch die Vielzahl der Sensorelemente definierte effektive optische Weg gleich oder größer als die Länge L gewählt ist, die durch die Gleichheitsbedingung der Ausdrücke (9) und (11) bestimmt ist.

Als nächster Punkt wird die elektrostatische Kapazität oder der elektrische Kapazitätswert des Sensorelementes betrachtet. Im allgemeinen ist eine kleinere elektrostatische Kapazität vorteilhaft, da die Störung, der die Verteilung des zu messenden elektrischen Feldes unterliegt, reduziert wird. Es werden dielektrischen Kapazitätswerte C der Sensorelemente (3) aus unterschiedlichen Kristallmaterialien unter Veränderung der in Lichtausbreitungsrichtung gemessenen Länge l der Elemente mit der Annahme berechnet, daß die Querschnittsfläche des Sensorelementes in der Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung in der Größenordnung von 5×5 mm² liegt. Die Rechenwerte sind grafisch in Fig. 4 (für die Vorrichtung vom longitudinalen Modulationstyp) und in Fig. 5 (für die Vorrichtung vom transversalen Modulationstyp) dargestellt. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, hat das Sensorelement aus Bi₄Ge₃O₁₂ einen kleineren elektrischen Kapazitätswert C als das aus Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀, da es die kleine relative Dielektrizitätskonstante 16 hat. Damit kann das Sensorelement aus Bi₄Ge₃O₁₂ mit einem elektrischen Kapazitätswert oder einer elektrostatischen Kapazität C unter 1 pF realisiert werden. Insbesondere kann im Falle der Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes vom longitudinalen Modulationstyp der elektrische Kapazitätswert C des Sensorelementes durch Erhöhung seiner Länge vorteilhaft verringert werden. Im Gegensatz dazu nimmt im Falle der Meßvorrichtung vom transversalen Modulationstyp der betreffende elektrische Kapazitätswert in Abhängigkeit von der Erhöhung der Länge des Sensorelementes entsprechend zu, was einen Nachteil mit sich bringt. Diesem Problem kann jedoch mit einem unten erläuterten Aufbau erfolgreich begegnet werden.

Ein derartiger Aufbau ist nämlich so ausgeführt, daß die Länge des wirksamen optischen Weges dadurch erhöht wird, daß das Licht mehrmals innerhalb des Sensorelementes reflektiert wird, während die tatsächliche Länge des Elementes in der Richtung senkrech zur Lichtausbreitungsrichtung auf einem kleinen Wert gehalten wird. Die Ausdrücke (6), (7) und (8) bleiben gültig, wenn l die effektive Länge des optischen Weges im oben genannten Sinne angibt. Damit kann die effektive Messung des elektrischen Feldes ohne Erhöhung des elektrischen Kapazitätswertes C ausgeführt werden. Weiterhin kann mit dem Aufbau, in dem das Licht innerhalb des Sensorelementes mehrmals reflektiert wird, so daß die effektive Länge des optischen Weges gleich oder größer als der mittels der Gleichheitsbedingung der Ausdrücke (9) und (11) bestimmte Wert von L ist, ein größerer Wert des Modulationsgrades erzielt werden, wodurch sich die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes wie im Falle der vorhergehenden Ausführungsformen erhöht.

Die nutzbringende Anwendung von Bi₄Ge₃O₁₂ als das den elektrooptischen Effekt zeigende Material wurde oben vom Standpunkt der elektrischen Kapazität durch Vergleich mit Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ beschrieben. Es muß jedoch angemerkt werden, daß auch die anderen elektrooptischen Kristalle mit der kristallographischen Eulytin-Struktur, wie z. B. Bi₄Si₃O₁₂, Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ und ähnliche, wirkungsvoll und vorteilhaft in Bezug auf den elektrischen Kapazitätswert sind.

Was die Temperaturcharakteristik anlangt, so gehören sowohl die in Frage stehenden Kristalle, d. h. Bi₄Ge₃O₁₂ und Bi₄Si₃O₁₂, als auch die bekannten Kristalle mit der gewünschten Temperaturcharakteristik, d. h. Bi₁₂GeO₂₀, Bi₁₂SiO₂₀ und andere, alle zum kubischen System, obwohl sie sich bezüglich der Punktgruppe unterscheiden und keine Doppelbrechung zeigen. Demgemäß kann mit Sicherheit gesagt werden, daß die Temperaturcharakteristik der Kristalle von Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₄Si₃O₁₂ und in Frage kommenden anderen so gut wie die der bekannten Kristalle und erheblich besser als die von LiNbO₃, LiTaO₃, KDP, ADP und ähnlichen ist, die die Doppelbrechung zeigen.

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Unter Bezugnahme auf die Figur wird eine Leuchtdiode, die eine Ausgangsleistung von 60 mW hat und so ausgelegt ist, daß sie Licht mit einer Wellenlänge von 0,8 µm emittiert, als Lichtquelle 5 verwendet. Das von der Lichtquelle 5 ausgegebene Licht wird über einen metallisierten Quarz-Lichtleiter 6-1 mit einem Außendurchmesser von 0,6 mm und eine Linse 7-1 in eine das elektrische Feld wahrnehmende Einheit oder Sensoreinrichtung A eingegeben. Diese ist aus den Linsen 7-1, 7-2 und 7-3, einem Polarisator 1, einem Viertel-Wellenlängenplättchen 2, einem das elektrische Feld wahrnehmenden Element (Sensorelement) 3 und einem Analysator (Strahlteiler für polarisiertes Licht) 40 aufgebaut, wobei alle Komponenten in einem Behältnis aus einer Glaskeramik untergebracht sind. In diesem Beispiel wird eines von drei Quadern, die von Einkristallen aus Bi₄Ge₃O₁₂ mit drei (100)-Stirnflächen in den Abmessungen 3×3×5, 3×3×10 und 3×3×15 (alle Maße in mm-Einheiten) gebildet sind, als das Feld-Sensorelement verwendet. Die Richtung, in der das elektrische Feld angelegt ist, sowie die Lichtausbreitungsrichtung sind längs zum Feld-Sensorelement gewählt. Über den Analysator 40 werden zwei linear polarisierte Komponenten ausgekoppelt und über die Linsen 7-2 und 7-3 sowie Quarz-Lichtleiter 6-2 und 6-3 auf PIN-Dioden 8-2 und 8-3 gegeben, wo eine Umwandlung in elektrische Signale P 1 und P 2 erfolgt. Diese elektrischen Signale P 1 und P 2 werden anschließend nach der Rechenvorschrift durch einen Rechner zu einem gemeinsamen Signal S zusammengefaßt.

Die Größe S ist dem oben beschriebenen Modulationsgrad m proportional. Durch diese rechnerische Verarbeitung kann eine stabile Messung durchgeführt werden, die durch Verluste auf dem Übertragungsweg und Vibrationen kaum beeinflußt ist. Mittels paralleler Plattenelektroden, die jeweils einen Durchmesser von 50 cm aufweisen und mit einem Zwischenraum von 20 cm einander gegenüberliegend angeordnet sind, wird beispielsweise ein elektrisches Wechselfeld von 50 Hz bis zu einem Maximalwert von 40 kV angelegt.

Fig. 7 verdeutlicht grafisch die Beziehungen einerseits zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Ausgangsgröße S und andererseits zwischen dem angelegten Feld und dem auf Seite des Ausgangssignals P 1 gemessenen Modulationsgrad m, wobei die aufgetragenen Daten auf Messungen zurückgehen, die unter Anwendung des Feld-Sensorelementes mit der Länge l von 10 mm durchgeführt wurden. Fig. 8 zeigt die auftretende relative Änderung im Ausgangswewrt S bei Veränderung der Länge des Feld-Sensorelementes von 5 mm auf 10 mm und danach auf 15 mm.

Fig. 7 ist zu entnehmen, daß, wie erwartet, das Ausgangssignal in einer wesentlichen Größenordnung für das angelegte elektrische Feld mit einer guten Linearität erhalten werden kann. Fig. 8 ist zu entnehmen, daß die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes proportional zur Länge l des Sensorelementes 3 für das elektrische Feld erhöht werden kann. Darüber hinaus zeigt Fig. 9 die Ergebnisse eines Experimentes zur Bestimmung der Stabilität des Ausgangssignals, wobei die Temperatur des Sensorelementes für das elektrische Feld mit einer Länge l von 10 mm unter einem konstanten elektrischen Feld von 100 V/mm von 20 auf 70°C verändert wurde. Fig. 9 zeigt, daß sich auch eine vorteilhafte Temperaturcharakteristik ergibt.

Nach einer zweiten Ausführungsform ist das im ersten Ausführungsbeispiel verwendete Sensorelement für das elektrische Feld mit den Abmessungen 3×3×15 (mm³) in drei Unterelemente mit Abmessungen von jeweils 3×3×5 (mm³) geteilt, die nach dem Polieren ihrer lichtübertragenden Stirnflächen in Ausrichtung mit dem optischen Weg angeordnet sind, so daß die durch die aufgereihten Unterelemente festgelegte Gesamtlänge des optischen Weges im wesentlichen der Länge des optischen Weges entspricht, der durch das ursprüngliche, einstückige Sensorelement vorgegeben ist. Unter diesen Voraussetzungen wurde der Modulationsgrad auf ähnliche Art wie im Falle von Beispiel 1 gemessen. Das Ergebnis der Messung zeigt, daß der Modulationsgrad im wesentlichen unverändert bleibt, unabhängig davon, ob das einzelne einstückige Sensorelement oder die Anordnung der Unterelemente Verwendung findet. Weiterhin wurde durch Messung der Frequenzabhängigkeit des Modulationsgrades für beide Fälle, d. h. das einzelne einstückige Sensorelement und den Aufbau mit geteiltem Element, die Frequenz der piezoelektrischen Vibration untersucht, die von der Länge des Feld-Sensorelementes 3 abhängt. Die entsprechende Frequenz liegt bei Anwendung des einzelnen einstückigen Sensorelementes bei etwa 130 kHz. Es wurde festgestellt, daß die Frequenz im Falle der Verwendung der geteilten Sensorelemente auf etwa 400 kHz anwächst.

Als ein drittes Ausführungsbeispiel wurde eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes hergestellt, die denselben Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel aufweist, bei der jedoch als der Kristall mit elektrooptischem Effekt ein Einkristall aus Bi₄Si₃O₁₂ mit (110), (10) und (001) Kristallflächen in einer Größe von 4×4×4 (in mm) Verwendung findet. Das elektrische Feld ist in der mit der [110]-Richtung zusammenfallenden Richtung angelegt. Unter leichter Neigung der Lichtausbreitungsrichtung gegen die [10]-Richtung, wodurch das Licht innerhalb des Kristalls einmal, zweimal bzw. dreimal reflektiert wurde, wurde der Modulationsgrad gemessen. Man fand heraus, daß der Modulationsgrad proportional zur Anzahl der innerhalb des Kristalls stattfindenden Reflexionen des Lichts trotz der Verminderung der absoluten Lichtintensität zunimmt. Der Absolutwert des Modulationsgrades, der unter Anlegung eines elektrischen Feldes von 100 V/mm gemessen wird, wobei man das Licht zwei Runden innerhalb des Kristalls umlaufen läßt, beträgt etwa 0,5%. Dieses Ergebnis stimmt im wesentlichen mit dem des ersten Ausführungsbeispiels überein.

In einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fand ein Einkristall aus Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ Verwendung, in dem 5 Mol-% von Si durch Germanium ersetzt wurden. Es wurde eine experimentelle Untersuchung ähnlich der durchgeführt, der das zweite Ausführungsbeispiel unterzogen wurde. Man erhielt Ergebnisse, die denen für Bi₄Si₃O₁₂ gleichwertig sind oder diese übertreffen.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Messung der elektrischen Feldstärke mit
einer Lichtquelle (5),
einer Sensoreinrichtung (A) für ein elektrisches Feld (E), die einen elektrooptisch wirksamen Kristall (3) aufweist, der den Modulationsgrad des von der Lichtquelle (5) erzeugten und durch die Sensoreinrichtung (A) tretenden Lichts entsprechend der Feldstärke des anliegenden elektrischen Feldes verändert,
einer Meßeinrichtung (P 1, P 2) zur Messung der Intensität des von der Sensoreinrichtung (A) abgegebenen Lichts und
Lichtübertragungswegen (6-1, 6-2, 6-3) zur optischen Kopplung der Lichtquelle (5), der Sensoreinrichtung (A) und der Meßeinrichtung (P 1, P 2)
dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrooptisch wirksame Kristall (3) eine Eulytin- Struktur aufweist, und
daß die in Lichtausbreitungsrichtung gemessene effektive Gesamtlänge (l) des optischen Weges innerhalb des Kristalls (3) nicht kleiner als die Länge (L) ist, bei der ein elektrooptischer Kristall aus der Gruppe 23 der Kristallsymmetrieklassen den gleichen Modulationsgrad hervorruft wie der verwendete elektrooptisch wirksame Kristall (3) mit Eulytin-Struktur.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung derart getroffen ist, daß von der Lichtquelle (5) zugeführtes Licht zumindest einmal innerhalb des Kristalls (3) hin- und herläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge (l) des effektiven optischen Weges innerhalb des Kristalls (3) nicht kleiner als die genannte Länge (L) ist.

4. Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der genannten Kristalle in Lichtausbreitungsrichtung hintereinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der in Lichtausbreitungsrichtung gemessenen Längen sämtlicher Kristalle nicht kleiner als die genannte Länge (L) ist.

6. Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Kristall(e) (3) aus Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₄Si₃O₁₂ oder Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ besteht (bestehen).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge (l) des effektiven optischen Weges innerhalb des Kristalls (3) nicht kleiner als 5,4 mm ist.