DE3903293A1

DE3903293A1 - Optischer magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE3903293A1
Application number: DE19893903293
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Bosselmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1989-02-03
Publication date: 1990-08-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Magnetfeldsen sor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effek tes.

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung P 37 26 411.7) ist ein faseroptischer Magnetfeldsensor bei dem die magnetfeldab hängige Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisier ten Lichtstrahls, der sich in einer Lichtleitfaser ausbreitet, gemessen wird. Dieser faseroptische Magnetfeldsensor enthält eine Lichtquelle zur Erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahls, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorge gebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert sowie eine optische Ver zweigungseinrichtung zur Aufteilung des Lichtstrahls in wenig stens einen Meßstrahl und wenigstens einen Referenzstrahl, so daß den Meßstrahlen jeweils ein Referenzstrahl zugeordnet ist. Zur Führung des Meßstrahls ist eine Lichtleitfaser vorgesehen, die zugleich als magnetfeldempfindliche faseroptische Meß strecke dient. Dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl ist jeweils eine Analysatoreinrichtung zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung zu geordnet, wobei für die Analysatoreinrichtung eines Meßstrahls und die Analysatoreinrichtung des Referenzstrahls ein gemein samer Phasendetektor vorgesehen ist. Außerdem sind noch optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen vor gesehen, welche die Lichtleitfaser in zueinander entgegenge setzten Richtungen durchlaufen.

In "Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, No. 6, 1986, Seiten 640 bis 644" wird zur Erzeugung eines linear polarisier ten Lichtstrahls, dessen Polarisationsrichtung mit einer vor gegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert, eine Lichtquelle vor geschlagen, bei der einer frequenzmodulierten Laserdiode ein Michelson-Interferometer nachgeschaltet ist. Das von der Laser diode emittierte Licht wird in die zwei Arme des Michelson- Interferometers aufgespalten. Die beiden Interferometerarme enthalten zueinander gekreuzte Polarisatoren. Die durch diese Polarisatoren erzeugten senkrecht zueinander polarisierten Lichtstrahlen erfahren entsprechend dem optischen Weglängen unterschied im Michelson-Interferometer eine Phasendifferenz. Mittels eines λ/4-Plättchens werden diese zueinander phasen verschobenen und orthogonalen Komponenten zu einem linear po larisierten Lichtstrahl zusammengesetzt, dessen Polarisations richtung sowohl vom Gangunterschied des Michelson-Interferome ters als auch von der Frequenz des von der Laserdiode emit tierten Lichtes abhängt. Durch Änderung des Injektionsstroms in der Laserdiode läßt sich die Lichtfrequenz und somit die Pola risationsebene des aus dem λ/4-Plättchens austretenden Lichtes ändern. Der Injektionsstrom in der Laserdiode wird dabei säge zahnförmig geändert, wobei die Amplitude der Stromänderung so bemessen ist, daß sich eine Drehung der Polarisationsrichtung um 180° ergibt. Die Rotationsfrequenz der Drehung der Polari sationsrichtung beträgt dann die Hälfte der Modulationsfrequenz des Injektionsstromes.

Diese bekannte Lichtquelle hat jedoch den Nachteil, daß in Ab hängigkeit vom Gangunterschied des Michelson-Interferometers ein Teil des von der Laserdiode emittierten Lichts wieder auf die Laserdiode zurückfällt. Dies führt jedoch zu Problemen bei der Modulation der Laserdiode.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Magnetfeldsensor anzugeben, bei dem der genannte Nachteil be seitigt ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk malen des Hauptanspruchs. Durch die Verwendung eines Mach-Zehn der-Interferometers ist gewährleistet, daß in die Laserdiode praktisch kein Licht mehr zurückgekoppelt wird, da bei einem Mach-Zehnder-Interferometer die Interferometer-Ausgänge mit den Interferometer-Eingängen nicht zusammenfallen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers direkt mit einer Analysator einrichtung verbunden. Dadurch wird die Anzahl der erforderli chen Strahlteiler verringert.

Als magnetooptische Bauelemente können neben Lichtleitfasern auch optische Materialien verwendet werden, die eine gegenüber Lichtleitfasern höhere Verdet-Konstante haben und somit einen verkürzten Lichtweg erfordern. Dadurch ist eine weitergehende Miniaturisierung des im Magnetfeld anzuordnenden sensitiven Teils des Magnetfeldsensors ermöglicht. Die Gestaltung und Auswahl des magnetooptischen Bauteiles richtet sich dabei nach dem jeweiligen Einsatzzweck. Anstelle der Forderung nach einer hohen Verdet-Konstante kann beispielsweise auch die Forderung nach einer möglichst kleinen Temperaturabhängigkeit im Vorder grund stehen. Als magnetooptische Bauteile sind dabei sowohl Kristalle mit hoher Verdet-Konstante, vorzugsweise Bi₁₂SiO₂₀- Einkristalle und ZnSe-Kristalle, als auch Gläser mit niedrigem Temperaturkoeffizienten, insbesondere SF6-Flintglas, geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen 7 bis 9.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur ein optischer Magnetfeld sensor gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Gemäß Fig. 1 enthält ein optischer Magnetfeldsensor eine Lichtquelle 1, die einen linear polarisierten Lichtstrahl 2 emittiert, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit um die Ausbreitungsrichtung des Licht strahls 2 rotiert. Mit einer optischen Verzweigungseinrichtung 5 wird der Lichtstrahl 2 in einen Meßstrahl 10 und einen Referenzstrahl 12, der einer Analysatoreinrichtung 22 zuge leitet wird, zerlegt. Der Meßstrahl 10 wird in ein magneto optisches Bauteil 70 eingekoppelt, das als optische magnetfeld empfindliche Meßstrecke dient. Das magnetooptische Bauteil 70 ist in einem Magnetfeld H angeordnet, wobei die Empfindlichkeit am größten ist, wenn die Ausbreitungsrichtung des Meßstrahls 10 parallel zum Magnetfeld H verläuft. Der Meßstrahl 10 wird an der Koppelfläche 73 in das magnetooptische Bauteil 70 ein gekoppelt, durchquert das magnetooptische Bauteil 70 und tritt an der gegenüberliegenden Koppelfläche 74 aus. Der Koppelfläche 74 ist ein Spiegel 9 zugeordnet, an dem der Meßstrahl 10 re flektiert und ein Meßstrahl 11 erzeugt wird, der das optische Bauteil 70 in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch wird ein nahezu reziproker Lichtweg geschaffen, durch den die intrin sischen zirkularen Doppelbrechungseigenschaften weitgehend kompensiert werden. Dieser reziproke Lichtweg kann auch durch Verspiegelung der Koppelfläche 74 erreicht werden. Mittels einer im Lichtweg zwischen der Verzweigungseinrichtung 5 und dem magnetooptischen Bauteil 70 angeordneten Verzweigungsein richtung 6 wird der Meßstrahl 11 zu einer Analysatoreinrichtung 21 weitergeleitet. Die Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 können auch in einem einzigen Strahlteiler zusammengefaßt sein. In den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 wird mit Analysatoren jeweils eine in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung polarisierte Komponente des Meßstrahls 11 bzw. des Referenzstrahls 12 her ausgefiltert. Durch in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 enthaltenen Lichtempfängern, beispielsweise Fotodioden, werden die Intensitäten dieser Komponenten in elektrische Signale umgewandelt. Diesen elektrischen Signalen ist jeweils eine Schwingung aufgeprägt, die z.B. zur Rauschunterdrückung mittels eines ebenfalls in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 je weils enthaltenen Bandpaßfilters ausgefiltert werden kann. Die am Ausgang der Analysatoreinrichtung 21 und 22 anstehenden elektrischen Signale werden einem Phasendetektor 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal proportional zur Phasendifferenz Φ zwischen diesen Signalen ist. Diese Phasendifferenz Φ enthält neben der durch den Faraday-Effekt bedingten Phasenverschiebung Φ _F auch apparativ bedingte konstante Anteile Φ _o und Φ _o′, die beispielsweise durch die Stellung der in den Analysatoreinrich tungen 21 und 22 enthaltenen optischen Analysatoren kompensiert werden können.

Als magnetooptisches Bauteil 70 sind alle Werkstoffe geeignet, die im Magnetfeld eine Faraday-Rotation der Polarisationsebene des sich in ihnen ausbreitenden Lichts zeigen. Zur Miniaturi sierung des Magnetfeldsensors sind insbesondere Gläser oder Kristalle mit großer Verdet-Konstante, beispielsweise Bi₁₂SiO₂₀ -Einkristalle oder ZnSe-Kristalle geeignet (T.Mitsui, K.Hosoe, H.Usami, S.Miyamoto, "Development of Fiber-Optic Vol tage Sensors and Magnetic-Field Sensors", IEEE Trans. on Power Delivery, 1987, Vol. 2, No. 1, Seiten 87-93).

Für Anwendungszwecke, bei denen das magneto-optische Bauteil 70 stark schwankenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, ist als Werkstoff vorzugsweise SF6-Flintglas vorgesehen (K.Kyuma, S.Tai, M.Nunoshita, T.Takioka, Y.Ida, "Fiber Optic Measuring System for Electric Current by Using a Magnetooptic Sensor", IEEE Journ. of Quantum Electr., 1982, Vol. QE18, No. 10, Seiten 1619 bis 1623).

Die Lichtquelle 1 enthält eine frequenzmodulierbare Laserdiode 50 und ein aus den Strahlteilern 52 und 55 sowie aus den Spie geln 53 und 54 bestehendes Mach-Zehnder-Interferometer. Der Strahlteiler 52 ist vorzugsweise ein Polarisationsstrahlteiler, der das von der Laserdiode emittierte Licht in zwei zueinander orthogonal polarisierte Komponenten aufspaltet, deren eine Komponente parallel zu den Spiegelflächen der Spiegel 53 und 54, in der Figur senkrecht zur Zeichenebene, orientiert ist. Anstelle eines Polarisationsstrahlteilers kann in den beiden Armen des Mach-Zehnder-Interferometers jeweils ein Polarisa tor vorgesehen sein.

Einem Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers ist ein λ/4- Plättchen 56 zugeordnet, das unter einem Winkel von 45° zu den beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten angeord net ist. Am Ausgang 57 der Lichtquelle 1 steht somit ein Licht strahl 2 an, dessen Polarisationsrichtung mit einer Winkelge schwindigkeit um seine Ausbreitungsrichtung rotiert, die halb so groß ist wie die Modulationsfrequenz der Laserdiode.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Analysatorein richtung 22 direkt mit dem zweiten Ausgang 58 des Mach-Zehnder- Interferometers optisch verbunden sein. In dieser Anordnung ist somit der Strahlteiler 5 nicht mehr erforderlich.

Ein reziproker Lichtweg kann auch dadurch bewirkt werden, daß der Lichtstrahl mittels optischer Verzweigungseinrichtungen in zwei Teillichtstrahlen zerlegt wird. Aus diesen Teillichtstrah len werden vor Eintritt in das magnetooptische Bauteil 70 mit tels weiterer Verzweigungseinrichtungen zwei Meßstrahlen er zeugt, die in Analogie zur Ausführungsform gemäß Fig. 3 des Hauptpatents an den gegenüberliegenden Koppelflächen 73 und 74 in das magnetooptische Bauteil 70 eingekoppelt werden.

Dabei sind sowohl zur Führung der Lichtstrahlen als auch zur Strahlteilung insbesondere faseroptische Bauelemente geeignet, da diese einen mechanisch unempfindlicheren Aufbau ermöglichen.

Claims

1. Optischer Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes mit

a) einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines linear polarisier ten Lichtstrahls (2), dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert, wobei
b) die Lichtquelle (1) eine frequenzmodulierbare Laserdiode (50) sowie ein Mach-Zehnder-Interferometer (52, 53, 54, 55) enthält,
c) einer optischen Verzweigungseinrichtung (5 und 6) zur Auf teilung des Lichtstrahls (2) in wenigstens einen Meßstrahl (10) und wenigstens einen Referenzstrahl (12),
d) den Meßstrahlen (10) ist jeweils ein Referenzstrahl (12) zugeordnet,
e) der Meßstrahl (10) durchquert ein magnetooptisches Bauteil (70),
f) dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl (12) ist jeweils eine Analysatoreinrichtung (21 bzw. 22) zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polari sationsrichtung zugeordnet,
g) der Analysatoreinrichtung (21) eines Meßstrahls und der Analysatoreinrichtung (22) des zugeordneten Referenzstrahls (12) ist ein gemeinsamer Phasendetektor (30) zugeordnet und es sind
h) optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen (10 und 11) vorgesehen, die das magnetooptische Bauteil (70) in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (22) mit einem Ausgang (58) des Mach-Zehnder-Interferometers (52, 53, 54, 55) optisch verbunden ist.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetooptisches Bauteil (70) eine Lichtleitfaser vorgesehen ist.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetooptisches Bau teil (70) ein Bi₁₂SiO₂₀-Einkristall vorgesehen ist.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetooptisches Bau teil (70) ein ZnSe-Kristall vorgesehen ist.

6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetooptische Bau teil (70) aus einem SF6-Flintglas besteht.

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß einer Koppel fläche des magneto-optischen Bauteils (70) ein Spiegel (9) zugeordnet ist, der den Meßstrahl (10) in das magnetooptische Bauteil (70) reflektiert.

8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß eine optische Verzweigungseinrichtung vorgesehen ist, die den Lichtstrahl in zwei Teillichtstrahlen zerlegt, denen jeweils weitere Ver zweigungseinrichtungen zugeordnet sind, die Meßstrahlen erzeugen, die an den gegenüberliegenden Koppelflächen (73 und 74) des magnetooptischen Bauteils (70) eingekoppelt werden.

9. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß als Verzwei gungseinrichtungen (5, 6) bidirektionale optische Faserkoppler vorgesehen sind.