CH659329A5 - Verfahren zur strommessung an einem elektrischen leiter durch den faraday-effekt. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strommessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus einer Reihe von drei Artikeln mit dem gemeinsamen Titel «Magneto-optical Cur-40 rent Transformer» von A. Papp und H. Harms in Appi. Optics, 15. November 1980, Nr. 19, Seiten 3729 bis 3745. Darin wird ein Verfahren zur Strommessung mit einer sogenannten optischen Spule beschrieben. Das Labormuster des instrumenteilen Stromwandlers besitzt dieGüteklase 0.2, 45 bezogen auf die VDE Norm 0414. Dabei wird Licht einer Lichtquelle mit einer sehr engen Bandbreite über einen Line-arpolarisator und eine einkoppelnde Linse einem Lichtleiter zugeführt, welcher direkt mit der optischen Spule verbunden ist. Laser-Lichtquellen erfüllen die Bedingung der Band-50 breite besonders gut, und daher werden ein He-Ne-Laser oder eine Laserdiode, z.B. ein GaAl As-Laser verwendet. Ein wegführender Lichtleiter führt das Licht über einen Linearpola-risator zu einer Detektionsanordnung. Diese Anordnung besteht aus einer Linse, welche das Licht auskoppelt, einem 55 Wollaston-Prisma als Strahlteiler, zwei Photodetektoren und einer Signalverarbeitungseinrichtung. Die Anforderungen, die an die gesamte Anordnung gestellt werden müssen, sind hoch. Die Lichtleiter müssen über ihre ganze Länge so wenig wie möglich doppelbrechende Eigenschaften aufweisen, 60 damit die Faraday-Rotation überhaupt beobachtet wird. Um die störende Doppelbrechung in den optischen Fasern zu reduzieren, werden die Fasern mechanisch in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung der Doppelbrechung gedreht und entsprechend fixiert. Das Messsystem ist grundsätzlich 65 nichtlinear, im Messbereich begrenzt und empfindlich auf Intensitätsänderungen.

Ein ähnliches Verfahren wird beschrieben von S.C. Rash-leigh und R. Ulrich in Appi. Phys. Lett. 34 (11), 1. Juni 1979,

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S. 768-770. Die dort verwendete Messanordnung besteht, in der folgenden Reihenfolge angeordnet, aus einem He-Ne-Laser, einem Linearpolarisator, einem lichteinkoppelnden Mikroskopobjektiv, einer zuführenden optischen Faser, welche mechanisch verbunden ist mit einer optischen Spule, welche ihrerseits wieder mit einer wegführenden optischen Faser verbunden ist, einem lichtauskoppelnden Mikroskopobjektiv, einem die Doppelbrechung der Fasern teilweise kompensierenden Soleil-Babinet-Kompensator, einem Wol-laston-Prisma, welches das Licht in zwei senkrecht zueinander stehende Linearpolarisationen aufspaltet, und zwei Photodetektoren, womit die Intensitäten, und indirekt die zu messende Faraday-Rotation bestimmt werden. In diesem Aufsatz werden verschiedene Probleme der Doppelbrechung auf mögliche Lösungen untersucht. Dazu wird unter anderem die Faser, aus welcher die optische Spule besteht, mechanisch gedreht und zwischen zwei Fixierpunkten festgeklemmt.

Da es sich hier um eine Absolutmessung handelt, ist es ebenfalls sehr wichtig, die systematischen Fehler so gut wie möglich zu kompensieren oder wenigstens quantitativ zu erfassen. Das System besitzt grundsätzlich die gleichen Nachteile wie die vorher beschriebene Anordnung.

Da die beschriebenen Anordnungen im wesentlichen gedacht sind für die Strommessung an Hochspannungsleitungen, liegt die optische Spule auf Hochspannungspotential. Die opto-elektronischen Elemente, d.h. die Laserlichtquellen und die Detektoren, und die Auswerteelektronik müssen dagegen auf Erdpotential liegen.

Die Nachteile der beiden Anordnungen können wie folgt zusammengefasst werden :

- Die Bestimmung der Faraday-Rotation ist abhängig vom Verhältnis der beiden gemessenen Intensitäten. Die beiden opto-elektronischen Detektionskanäle müssen deshalb genau abgeglichen sein und bleiben.

- Die Bestimmung der Faraday-Rotation ist nur für relativ kleine Drehwinkel (<6°) linear und nur bis 90° eindeutig. Elektronische Korrektur der Nichtlinearität und zusätzliche Messung mit einem um 90° verschobenen Detektionssystem sind nötig.

- Die Verwendung derselben optischen Faser für die Überbrückung der Spannungsdifferenz (Hochspannungs-Leitung) wie für die optische Spule zur Messung des Faraday-Effektes bringt das zusätzliche Problem, dass die Doppelbrechung in der Faser die Messung sehr empfindlich stört. Die Eigendoppelbrechung, eventuell kompensiert durch geeignete Torsion der Faser, beschränkt die maximale Länge der Faser und damit auch die Windungszahl der optischen Spule. Induzierte Doppelbrechung durch mechanische Spannungen muss durch äusserst sorgfältige Halterung und Verlegung der Faser vermieden werden. Diese Bedingungen sind für die Zuleitungen zur optischen Spule schwieriger zu erfüllen als für diese selbst.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die bekannten Verfahren zur Strommessung an einem elektrischen Leiter durch den Faraday-Effekt derart zu verbessern, dass die obigen Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Einige wichtige Vorteile der Erfindung werden im folgenden aufgeführt:

Anforderungen an die Polarisationseigenschaften (Doppelbrechung) der Lichtleiter für die Übertragungsstrecke.

- Die Verwendung von zwei getrennt auf Hochspannung geführten optischen Frequenzen ermöglicht die Erzeugung s eines virtuell rotierenden Polarisations-Analysators durch rein passive optische Elemente auf Hochspannungspotential.

Andere wichtige Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger anhand von Zeichnungen erläuteter Beispiele der Erfindung. Dabei zeigt:

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Fig. 1 eine Anordnung zur Strommessung an einem elektrischen Leiter durch den Faraday-Effekt,

Fig. 2 eine Ausführungsform zur Verbesserung der Phasenmessung, und ls Fig. 3 eine Variante der Ausführungsform gemäss Fig. 2.

In Fig. 1 ist der elektrische Leiter 1 dargestellt, der von einer aus einem Lichtleiter bestehenden optischen Spule 2a umschlungen wird. Die Laser-Lichtquelle 3 zur Erzeugung 20 von Lichtwellen der Frequenz coi bzw. C02 besteht mit Vorteil aus einem He-Ne-Laser oder aus einer GaAlAs-Diode.

Das Licht der Laserlichtquelle 43 gelangt getrennt über die einkoppelnden Konvexlinsen 9 in die zuführenden mono-moden Lichtleiter 10a und 10b. Diese liegen nach der Hoch-2s spannungsbereichsgrenze 12 auf Hochspannungspotential. Der Frequenzunterschied Sì — coi-coz zwischen den Frequenzen der beiden Lichtwellen liegt etwa zwischen 1 kHz und 1 MHz. Das Licht mit der Frequenz coi wird aus dem monomoden Lichtleiter 10a über eine auskoppelnde IConvex-30 linse 9 einem Linearpolarisator 6 zugeführt. Das Licht mit der Frequenz an aus dem monomoden Lichtleiter 10b wird über eine andere auskoppelnde Konvexlinse 9 dem Linearpolarisator 5 zugeführt. Die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisatoren 5 und 6 stehen senkrecht zueinander. In dem 3s Strahlteiler 4a werden die beiden Lichtwellen überlagert, und dann einerseits einem Zirkularpolarisator 7 zugeführt, und andererseits über einen unter 45° zu den Richtungen der Polarisatoren 5, 6 polarisierenden Linearpolarisator 8a und eine einkoppelnde Konvexlinse 9 dem multimoden Licht-40 leiter 10c zugeführt. Der Zirkularpolarisator 7 ist ein -^1 4-Plättchen, das die Lichtwellen mit den Frequenzen coi und 0)2 entsprechend ihren Polarisationsrichtungen in entgegengesetzt zirkular-polarisierte Wellen umwandelt. Hinter dem Zirkularpolarisator 7 und der optischen Spule 2a ent-45 steht also eine Lichtwelle, die die entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten so

A+=a+exp{i((oit+(pi+ 9)}, und A- = a- exp ■( i (q>21 + (p2 - 9)}

umfasst. Dabei sind a+ und a - die (reellen) Amplituden der rechts- bzw. linkszirkular polarisierten Wellen. 5<p = <pi-(p ist 55 die relative Phase am Eingang der optischen Spule 2a, und 9 = V.N.j die Faraday-Rotation mit der Verdet-Konstanten V, der Windungszahl N der optischen Spule 2a, und dem elektrischen Strom j, der den Leiter 1 durchfliesst. Die relative Phase der beiden zirkulär polarisierten Wellen A+ und A-60 erscheint als Phase (Acp + 29) der Schwebungsfrequenzen Q in der Intensität I (t) des Lichtes hinter einem unter 45° mit den Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 5, 6 polarisierenden Analysator 8b, nämlich

- Die Phasenmessung bringt einen linearen und unbe- 65 schränkten Messbereich für die Faraday-Rotation.

- Die Verwendung zweier getrennter Lichtleiter für die Übertragung der beiden optischen Frequenzen stellt keine

I(t)=l/2|A++A|2=l /2(a2++a2-) + a + a- cos (<pt+A(p+29).

Der Analysator 8b ist zweckmässig zwischen zwei licht-

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koppelnden Konvexlinsen angeordnet, wodurch die Lichtwelle dem wegführenden multimoden Lichtleiter lOd zugeführt wird, ohne dass eine mechanische Bindung dieses Lichtleiters lOd mit der optischen Spule 2a besteht. Die Lichtleiter 10c und lOd befinden sich nach der Hochspannungsbereichsgrenze 12 auf Erdpotential.

Die über den Lichtleiter 10c über den Photodetektor IIb zur Phasenvergleichsanordnung 13 geführte Lichtwelle ergibt als Referenzsignal

Ir = ar cos (<pt + A<p).

Die oben genannte Intensität I(t) erzeugt über den Photodetektor 1 la in der Phasenvergleichsanordnung 13 das Messsignal Im. Als Photodetektoren können z.B. Photodioden verwendet werden. Als Phasenmessanordnung kann im einfachsten Fall zum Beispiel das Phasenmeter 305 der Firma Dranetz, South Plainfield, N.J., USA verwendet werden:

Durch Vergleich der Phasen der beiden Signale, also der Phase am Eingang und am Ausgang der optischen Spule 2a, kann die Faraday-Rotation genau, unabhängig von den Amplituden a+ und a-, linar und über Winkelbereichen -180° bis +180° und 0° 360° gemessen werden.

Die Übertragung der Intensitätssignale durch die Lichtleiter 10c und lOd stellt weder Anforderungen an die Polarisationseigenschaften noch an die Verlusteigenschaften (Amplitudenänderung) der Lichtleiter auf der Übertragungsstrecke. Das einzige auf Doppelbrechung und mechanische Spannung kritische Lichtleiterstück ist die optische Spule 2a. Bei gleicher Qualität des Lichtleiters kann die Windungszahl N der optischen Spule 2a, und damit die Messempfindlichkeit, erhöht werden. Weil eine reine optische Kopplung zwischen den Lichtleitern 10a, b, c, d und der optischen Spule 2a besteht, kann nämlich die maximal verwendbare Lichtleiterlänge ausschliesslich für die optische Spule 2a benützt werden.

Wenn eine eindeutige Strommessung niit der vorstehend beschriebenen Anordnung auszuführen ist, ist es notwendig, die Phase der Faraday-Rotation absolut bestimmen zu können. Eine solche Messung der Phase kann nur vorgenommen werden mit einem Phasenmeter mit unbeschränktem Messbereich. Dabei wird im wesentlichen die Phase in einem Intervall von 180° sehr genau gemessen, und es tritt eine automatische Umschaltung des Messbereiches auf, wenn die Phase ausserhalb des ursprünglichen Messbereiches liegt. Die jeweilige Umschaltung wird positiv oder negativ gezählt, so dass die absolute Phase eindeutig bestimmt ist, wenn der Nullwert einmal vorgegeben ist. Ein solches Phasenmeter wurde von J. Mastner in der DE-OS 3 006 840 beschrieben.

Die Eingangssignale, welche diesem Phasenmeter zugeführt werden, müssen dauernd vorhanden sein, und ihre zeitlich veränderliche Phasenverschiebung muss genügend zuverlässig verfolgt werden könen, damit keine Messum-schaltungen verloren gehen. Bei der Strommessung durch den Faraday-Effekt sind diese Bedingungen möglicherweise nicht immer erfüllt, insbesondere dann nicht, wenn sehr hohe und schnelle Stromänderungen im elektrischen Leitungssystem auftreten (Kurzschlüsse).

Diese Probleme treten nicht auf, wenn ausser dem Referenzsignal Ir = ar cos fît am Eingang der optischen Spule, und dem Messsignal Im = am cos (fit + 29) am Ausgang der optischen Spule, mindestens ein zweites Messsignal I'm = a'm cos (Ci t + 2 9') zur Verfügung gestellt wird. Die Phase 29' dieses zweiten Messsignals l'm entspricht einer anderen Windungszahl N' der optischen Spule als die Phase 29 des ersten Messsignals Im. Dieses zweite Messsignal I'm kann erhalten werden durch Ableiten eines Signals bei einer anderen Windungszahl N' der optischen Spule 2c als die ursprüngliche Windungszahl N. Eine solche Möglichkeit ist dargestellt in Fig. 2. Hier wird von der optischen Spule 2c wie in Fig. 1 Licht ausgeleitet bei der Stelle I für die Windungszahl N s zusätzlich aber noch bei der Stelle II für die Windungszahl N'. Beide Wellen umfassen wiederum entgegengesetzt zirkulär polarisierte Kompqnenten. Analog Fig. 1 werden beide Wellen über koppelnde Konvexlinsen 9 und unter 45° zu den Polarisatoren 5,6 der Fig. 1 geneigte Linearpolarisatoren 8b, io 8b' zu den Lichtleitern lOdbzw. 10d' geführt. Lichtleiter lOd wird wie in Fig. 1 über einen (nicht gezeichneten) Photodetektor IIa, Lichtleiter 10d' wird wie in Fig. 1 über einen (nichtgezeichneten)Photodetektor IIa, Lichtleiter 10d' über einen weiteren (auch nicht gezeichneten) Photodetektor mit 15 der (wiederum nicht gezeichneten) Phasenvergleichsanordnung verbunden.

In Fig. 3 ist eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt. Hier wird das zweite Messignal I' durch eine zweite optische Spule 2b erhalten. Insbesondere ist die Ver-2o wendung einer grossen optischen Spule mit N Windungen und einer kleinen optischen Spule mit N' Windungen und einer kleinen optischen Spule mit N' Windungen, wobei N'<N ist, für die Bestimmung des 180°-Intervalles zweckmässig. Dazu ist nach dem ersten Strahlteiler 4a noch ein 25 zweiter 4b angeordnet. Der weitere Verlauf der Anordnungen ergibt sich unmittelbar durch ein Vergleich mit den Figuren 1 und 2.

Für die Faraday-Rotationen der beiden Signale Im und Im' gilt dann

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9= VN j, 9' = VN'j,

wobei V die verdetsche Konstante der optischen Faser und j der elektrische Strom ist. Die Windungszahl N' wird so 35 gewählt, dass die Phase 29' beim maximalen Strom jmax den Wert 90° nicht überschreitet. Damit kann jederzeit eindeutig festgestellt werden, in welchem 180°-Intervall sich das Phasenmeter befindet, weil die Phase 29' dem jeweiligen 180°Intervall eindeutig entspricht. Diese Phase wird mit 40 einem Hilfs-Phasenmeter festgestellt.

Die Bedindungen für die eindeutige Messbarkeit der Phase lauten demnach:

29'max = 2VN'jmax<90°(l)

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8y<90° • 9'max/9max< 90° • N'/N (2)

wobei Sy die Genauigkeit für die Messung der Phase 29' bedeutet.

so Die zweite Bedingung besagt, dass die Genauigkeit 8y mindestens ausreichen muss, um das entsprechende 180°-Inter-vall zu bestimmen. Z.B. für ôy = 1° des Hilfs-Phasenmeters ist bereits ein gesamter Phasenmessbereich von 29max = ± (45 x 180°) = ± 8000° abgedeckt. Die totale für die Strommes-55 sung massgebende Genauigkeit der Phasenmessung ist gegeben durch ôy = 289 des Haupt-Phasenmeters.

Als Alternative kann auch die Differenz der Windungszahlen N und N' so gewählt werden, dass die Differenz (29 -29') beim maximalen Strom jmax den Wert 90° nicht über-60 schreitet. Diese Differenz wird dann mit dem Hilfs-Phasenmeter gemessen.

Durch die parallele Verwendung von zwei Haupt-Phasen-metern für die geraden, resp. ungeraden 180°-Intervalle (keine Inversion, resp. Inversion) können zusätzlich noch die 65 Umschaltzeiten und Einschwingzeiten reduziert werden, um die Ansprechzeit der gesamten Phasenmessung möglichst klein zu machen.

Die Vorteile der Erfindung sind mannigfach. Als sehr

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wichtiger Vorteil muss betrachtet werden, dass die zu- und wegführenden Lichtleiter Störungen wie Doppelbrechung und Schwächung der Lichtamplitude aufweisen mögen, ohne dass die Empfindlichkeit der Strommessung beeinflusst wird. Der Bereich, wo die ganze Anordnung am empfindlichsten ist, beschränkt sich nunmehr auf die eigentliche Messvorrichtung, nämlich die optische Spule. Gerade bei der optischen Spule sind die Probleme der Doppelbrechung am besten zu beheben (mechanische Torsion). Ein anderer wichtiger Vorteil der Erfindung ist, dass die Anordnung im Vergleich zum konventionellen Stromwandler viel kostengünstiger und raumsparender hergestellt werden kann, und trotzdem eine sehr grosse Empfindlichkeit und somit eine s sehr genaue Strommessung aufweist. Ein anderer nicht zu vernachlässigender Vorteil ist, dass auch bei plötzlichen Stromänderungen wie Kurzschlüsse die genaue Erfassung des Stromwertes nicht behindert wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

659329 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung des Stromes (j) in einem elektrischen Leiter ( 1 ) durch den Faraday-Effekt mit

- einer den Leiter (1) umgebenden optischen Spule (2a, b, c), welche aus einem Lichtleiter besteht,

- einer Laser-Lichtquelle (3), deren Licht über einen zuführenden Lichtleiter (10a, b) zur optischen Spule (2a, b, c) gelangt, und

- einer von der Spule (2a, b, c) entfernten Empfangsanordnung ( 13,11 a, 11 b), welche über einen wegführenden Lichtleiter ( 1 Oc, 1 Od) mit der Spule (2a, b, c) in Verbindung steht,

- wobei die Drehung der Polarisationsebene des durch die Spule (2a, b, c) geleiteten Lichtes ein Mass für den durch den elektrischen Leiter (1) fliessenden Strom (j) darstellt,

dadurch gekennzeichnet, dass

- über einen ersten zuführenden Lichtleiter (10a) und einen zweiten zuführenden Lichtleiter (10b) voneinander getrennt zwei Wellen einer ersten Frequenz (cùi) und einer zweiten Frequenz (002) von der auf Erdpotential liegenden Laser-Lichtquelle (3) zu einer auf Messpotential liegenden Strahlteiler-Anordnung (4a) geführt werden,

- dass die zwei Wellen vor Eintritt in die Strahlteiler-Anordnung (4a) senkrecht zueinander linear polarisiert werden,

- dass nach Austritt aus der Strahlteiler-Anordnung (4a)

- die eine austretende Welle hinsichtlich der einen Frequenz (coi) rechts- und hinsichtlich der anderen Frequenz (002) linkszirkularpolarisiert sind, und

- die andere austretende Welle linear polarisiert wird in einer Richtung, die um 45° geneigt ist zu den Richtungen des Eintritts, und

- dass die die zirkulär polarisierten Komponenten umfassende Welle sodann durch die optische Spule (2a) geleitet wird, und

- dass sie danach auch linear polarisiert wird, und

- dass sie danach über einen ersten wegführenden Lichtleiter (1 Od) einer auf Erdpotential liegenden Phasen Vergleichsanordnung (13) zugeführt wird, und

- dass die andere die Strahlteiler-Anordnung (4a) verlassende Welle über einen zweiten wegführenden Lichtleiter (10c) unmittelbar der Phasenvergleichsanordnung (13) zugeführt wird, und

- dass mittels der Phasenvergleichsanordnung (13) die Phasendifferenz (29) der Intensitäten der beiden zugeführten Wellen als Mass für den Wert des zu messenden Stromes (j) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwebungsfrequenz (£2) als Differenz der beiden Wellenfrequenzen (coi-02) zwischen 1 kHz und 1 MHz gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der optischen Spule (2a) eine zweite Welle abgeleitet wird derart, dass die Phasendifferenz (29') zwischen den beiden entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten einer anderen Windungszahl (N') der Spule (2a) entspricht als die Phasendifferenz (29) der zirkulär polarisierten Komponenten der ersten Welle, wobei die andere Windungszahl (N') sehr viel kleiner ist als die erste Windungszahl (N) und die Phasendifferenz (29') der zweiten Welle beim maximal auftretenden Messstrom (jmax) 90° nicht überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der optischen Spule (2a) eine zweite Welle abgeleitet wird derart, dass die Phasendifferenz (29') zwischen den beiden entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten einer anderen Windungszahl (N') der Spule (2a) entspricht als die Phasendifferenz (29) der zirkulär polarisierten Komponenten der ersten Welle, wobei die massgebenden Windungszahlen (N, N') derart gewählt werden, dass die Differenz (2(9-9')) der beiden Phasendifferenzen (29,29') beim maximal auftretenden Messstrom (jmax) 90° nicht überschreitet.

s

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle mittels einer zweiten, den elektrischen Leiter (1) neben der ersten (2a) umfassenden optischen Spule (2b) abgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn-10 zeichnet, dass in der Phasen Vergleichsanordnung (13) die durch die in der zweiten Welle enthaltenen zirkulär polarisierten Komponenten bestimmte Phasendifferenz (29') zur Bestimmung des 180°-Intervalls verwendet wird, in dem die durch den zu messenden Strom (j) bewirkte Phasendifferenz ls (29) liegt, und die durch die zirkulär polarisierten Komponenten in der ersten Welle bestimmte Phasendifferenz (29) zur Messung des Wertes des Stromes (j).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Konvexlinsen (9) an den entspre-

20 chenden Ein-und Ausgängen der Lichtleiter (10a, 10b, 10c, lOd) das Licht ein- und auskoppeln.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Lichtquelle (3) ein He-Ne-Laser ist.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Lichtquelle (3) eine GaAl As-Laserdiode ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuführenden Lichtleiter 30 (10a, 10b) monomode und die wegführenden Lichtleiter (10c, lOd) monomode oder multimode Lichtleiter sind.