DE2021965C3 - Anordnung zur Minimierung des durch natürliche Doppelbrechung verursachten Meßfehlers einer Sonde - Google Patents

Description

20

25

kleiner als 0,1/2 π der Lichtwellenlänge (Ao), vorzugsweise gleich Null ist, wobei / > 2 ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß ein linear polarisiertes Lichtbündel vorgesehen ist, welches zur elliptischen Polarisierung und Einstellung der Exzentrizität der Ellipse durch ein Viertelwellenplättchen und zur Einstellung der Neigung der Hauptachsen der Ellipse durch ein J5 Halbwellenplättchen geführt wird, wobei die beiden Plättchen mit ihren. Hauptachsen bezüglich der Schwingungsrichtung des Lichtbündels verdrehbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetooptische Medium (6) aus einem ursprünglich einheitlichen, sodann in mindestens zwei Teile zerschnittenen Flintglasblock besteht und die optischen Doppelbrechungshauptachsen der Teilmedien abwechselnd zueinander um 90° verdreht sind, wobei die Summe der Dicken der Teilmedien einer Orientierung gleich der Summe der Dicken der Teilmedien der anderen Orientierung ist

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetooptische Medium (6) aus drei Teilen (6a, 6b, 6c) besteht, bei welchen die Doppelbrechungshauptachsen des ersten und des dritten Teiles (6a, 6c) parallel zueinander orientiert und die Hauptachsen des mittleren Teiles um 90° zu den anderen verdreht sind und bei welchen die Dicke des mittleren Teiles (6b) gleich der Summe der Dicken der beiden anderen Teile (6a, 6c) ist, wobei die Außenflächen der beiden äußeren Teile (6a, 6c) zur Erzielung einer Mehrfachreflexion des Lichtstrahles durch alle drei Teile (6a, 6b, 6c) verspiegelt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (I) der Teilmedien (6a, 6b, 6c ...) so dünn gewählt sind, daß der durch die Doppelbrechung in einem Teilmedium bewirkte Gangunterschied (!,nß—lin/'!) kleiner als 0,1/2 π die Vakuumlichtwellenlänge (Ao) ist

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Minimierung des durch natürliche Doppelbrechung verursachten Meßfehlers einer Sonde mit einem unter dem Einfluß eines Magnetfeldes optisch aktiven Medium, durch welches ein Lichtbündel geführt wird, dessen durch die optische Aktivität veränderter Schwingungszustand gemessen wird.

Es ist bekannt (z. B. IEEE J. of Quantum El. QE-2 [1966] S. 255), Magnetfelder insbesondere von Höchstspannungsströmen dadurch zu messen, daß ein unter dem Einfluß eines Magnetfeldes optische Aktivität ¹So entwickelnder Festkörper (Faradlay-Rotator), vorzugsweise aus Flintglas, in diesem angeordnet wird und dann die Drehung der Schwingungsebene eines durchlaufenden linear polarisierten Lichtstrahles vorzugsweise auf elektronischem Wege festgestellt wird.

Derartige Messungen sind jedoch dadurch mit einem Fehler behaftet, daß die magnetcioptischen Festkörper eine praktisch unvermeidliche Rest-Doppelbrechung aufweisen. Spannungsdoppelbrechung in der Größenordnung (η_ο—ηαο)/η_σ « 10"⁶ (η optischer Brechungsin- ω dex, ο Richtung des ordentlichen Strahles, ao Richtung des außerordentlichen Strahles) tritt auch in den besten magnetooptischen Materialien auf. Der bei Messungen der geschilderten Art hervorgerufene Fehler wird dann besonders groß, wenn man das Lichtbündel auf einem langen Weg durch den magnetooptischen Festkörper führt, was zur Erzielung einer guten Auflösung aber notwendig ist.

Die Kompensation der natürlichen Doppelbrechung bei elektrooptischen Kristallen durch einfache Serienschaltung weiterer doppelbrechender Medien bei entsprechender Orientierung ist bekannt (z. B. Proc. IEEE 53 [1965], S. 455 bis 460). Diese Methode der Kompensation ist jedoch bei magnetooptischen Medien nicht ohne weiteres anwendbar. Denn der Tensor der Dielektrizitätskonstanten ε eines magnetooptischen Festkörpers, welche mit dem Brechungsindex π ja durch η = j/ε verbunden ist, wird bei angelegtem Magnetfeld derart verändert, daß die einfachen Kompensationsbedingungen elektrooptischer Festkörper ungültig werden. Doppelbrechungsfehler magnetooptischer Festkörper sind bei anliegendem Magnetfeld daher überhaupt nur näherungsweise eliminierbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für eine Sonde, die ein unter dem Einfluß eines Magnetfeldes optisch aktives Medium aufweist, durch welches ein Lichtbündel geführt wird, dessen durch die optische Aktivität veränderter Schwingungszustand gemessen wird, eine Anordnung zu schaffen, bei welcher der durch die natürliche Doppelbrechung verursachte Meßfehler auf ein Minimum reduziert wird, wodurch sich die Meßgenauigkeit erheblich erhöht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind, mittels welcher das Lichtbündel vor seinem Eintritt in das magnetooptische Medium elliptisch polarisiert und die Exzentrizität und die Neigung der Ellipse eingestellt werden können

und/oder das magnetooptische Medium aus mindestens zwei Teilen besteh); deren Orientierungen zueinander, Brechungsindizes (Ji)₁ ¹J und/oder für die Lichtwege maßgeblichen Dicken (1) derart gewählt sind, daß die Summe über das Produkt aus der jeweiligen Lichtweglänge (I) in einem Teilmedium und der Differenz zweier in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes für zwei senkrecht zueinander liegende Schwingungsrichtungen (~.y) gemessener Brechuingsindizes

kleiner als ,* mal der Lichtwellenlänge, vorzugsweise

gleich Null ist, wobei / > 2 ist

Eine elliptische Polarisation des in das magnetooptische Medium eintretenden Lichtbündels kann man bekanntlich etwa dadurch bewirken, daß das Lichtbün- _del zunächst linear polarisiert und dann durch eine parallel zur optischen Achse geschnittene, doppelbrechende, senkrecht zum Lichtstrahl angeordnete Platte geführt wird, wodurch eine Phasendifferenz zwischen den Komponenten des Lichtbündels mit Schwingungsrichtung in den beiden Hauptachsen und eine Überlagerung zu elliptisch polarisiertem Licht eintritt.

Auf die Gestalt bzw. Exzentrizität der Schwingungsellipse kann man am zweckmäßigsten dadurch einwirken, daß man eine Platte verwendet, die einen Phasenunterschied π/2 bzw. Gangunterschied λ/4 zwischen den beiden Schwingungskomponenten erzeugt, sogenannte Viertelwellenplättchen, und diese Platte in einer Ebene senkrecht zum Lichtstrahl verdreht Es ergeben sich dann Schwingungsellipsen, deren Hauptachsen parallel zu den Hauptachsen des Viertelwellenplättchens liegen. Die Exzentrizität dieser Ellipse ändert sich derart, daß in den Extremfällen, wo die Schwingungsrichtung des Lichtes mit einer Hauptachse des Plättchens zusammenfällt, wieder linear polarisiertes Licht entsteht und in dem dazwischen liegenden Fall, wo die Schwingungsrichtung des Lichtes um 45° zu den Hauptachsen des Plättchens geneigt ist, sich zirkulär polarisiertes Licht ergibt.

Bei einer Drehung der Achsen des Plättchens um den Winkel « zur Schwingungsrichtung des einfallenden Lichtes ist das Verhältnis der Hauptachsen a, b der Ellipse zueinander a/b = tan «.

Eine andere Möglichkeit, die Exzentrizität der Schwingungsellipse zu verändern, wäre, die Dicke des Plättchens und damit den Phasenunterschied zwischen den Lichtkompoiientc'h zu ändern.

Die Neigung der f chwingungsellipse stellt man am zweckmäßigsten dadurch ein, daß man in dem Strahlengang des Lich'bündels — vor oder hinter dem beschriebenen VierteKellenplättchen — ein Halbwellenplättchen anordnet, das also einen Gangunterschied λ/2 bzw. einen Phasenunterschied π zwischen den Lichtkomponenten der Hauptachsenrichtung erzeugt, und auch dieses Plättchen in einer Ebene senkrecht zum Lichtstrahl verdrehbar macht. Halbwellenplättchen verdrehen linear polarisiertes Licht um einen Winkel ό, der gleich dem Doppelten des Winkels β ist, um den die Hauptachsen bezüglich der Schwingungsrichtung des Lichtes beim Eintritt geneigt sind, also ö = 2ß. Bei eintretendem elliptisch polarisiertem Licht werden entsprechend die Hauptachsen a, b der Ellipse in gleichem Masse geneigt.

Es ist zwar bekannt (deutsche Auslegeschrift 12 56 437), bei einer Sonde mit einem unter dem Einfluß eines Magnetfeldes optisch aktiven Medium, durch welches ein Lichtbündel geführt wsrd, dessen durch die optische Aktivität veränderter Schwingungszustand gemessen wird, das Lichtbündel mittels eines A/4-Plättchens elliptisch zu polarisieren, wobei die Exzentrizität der Ellipse veränderlich ist jedoch hat dies den Grund darin, daß der Zirkulardichroismus einer vorher von dem Lichtbündel durchlaufenen Probe kompensiert werden solL Eine Lehre für die Beeinflussung eines Doppelbrechungsfehlers in dem optisch aktiven Medium wird bei der bekannten Lösung nicht gegeben.

Eine andere Möglichkeit, die Neigung der Schwingungsellipse einzustellen, wäre, ein optisch aktives Material in den Strahlengang zu bringen und die Neigung der Schwingungsrichtung des durchtretenden Lichtes durch Veränderung der Lichtweglänge, des anliegenden magnetischen Feldes, der Lösungskonzentration usw. zu verändern.

Alternativ zu den oben angegebenen e-findungsgemäßen Maßnahmen oder, was eine ganz besonders ausgezeichnete Lösung nach dem Erfindungsgedanken ergibt, in Kombination mit diesen, wird das magnetooptische Medium besonders gestaltet Es wird aus mindestens zwei Teilmedien aufgebaut, die beispielsweise durch einen Kitt, dessen Brechungsindex in der Größenordnung des Index des magnetooptischen Mediums liegt, verbunden sind. Die Teilmedien besitzen auf Grund der inhärenten Doppelbrechung zwei

jo optische Hauptachsen. Fällt auf die Teilmedien Licht auf, so gilt für die in der einen Hauptachse schwingende Komponente der Brechungsindex n\, für die in der anderen Hauptachse, die senkrecht zur ersten liegt der Brechungsindex 112. Je nachdem sind Π\ oder Π2 die

J5 Brechungsindizes für den ordentlichen oder den außerordentlichen Strahl. Durch entsprechende Wahl der Orientierungen der Hauptachsen der Teilmedien zueinander, bei verschiedenartigen Medien der Brechungsindizes, und/oder der Weglängen L„ die der Lichtstrahl durch die Teilmedien zurücklegt kann dann erreicht werden, daß

2>,^m - ">■'"> · '■■

klein, möglichst gleich Null wird, χ und y sind dabei die zueinander senkrecht stehenden Koordinaten in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung ζ des Lichtes. Es ist zweckmäßig, aber nicht zwingend, die x- und y-Richtungen parallel zu den Doppelbrechungshauptachsen zu wählen.

Praktisch erfüllt man vorstehende Bedingung besonders einfach, indem man die Teilmedien aus einem einheitlichen, insbesondere die gleiche Vorgeschichte aufweisenden magnetooptischen Festkörper, etwa Flintglas, herausschneidet die Doppelbrechungshauptachsen der Teilmedien abwechselnd zueinander um n/2 verdreht und die Dicken der Teilmedien so wählt, daß die Summe der Dicken der Teilmedien einer Orientierung gleich der Summe der Dicken der Teilmedien der anderen Orientierung ist.

Wenn die ^-Komponente des einfallenden Lichtes parallel der einen Doppelbrechungshauptachse ist ist beispielsweise np) = n\ und nyO = m im ersten Teilmedium. Im zweiten Teilmedium ist dann π_Λί²)=Π2 und np) — n\. Insgesamt ergibt sich bei zwei Teilmedien also für die x-Komponente des Lichtes der Lichtweg

und für die /-Komponente der Lichtweg h + Π1Ι2. Es wird also

ί - 1

(»,/» - «,"·) I₁ = (U₁I₁ - n₂/, - H₂Z₂ - «, I₁).

Dieser Ausdruck wird für 1\ = I₂ gleich Null.

Der Doppelbrechungsfehler ist bei gleichzeitig vorhandenem Faraday-Effekt um so schlechter kompensierbar, je größer die totale in einem zusammenhängenden Teilmedium auftretende Doppelbrechung ist, die sich aus der Differenz der Lichtwege (nfl> — n/>)l, ergibt. Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung werden daher die Teilmedien dünn gemacht. Um trotzdem einen langen Lichtweg zu bekommen, der ja für ausreichend große Faraday-Rotation nötig ist, ohne daß allzu viele Teilmedien hintereinandergeschaltet werden müssen, werden dann die Außenflächen der äußeren Medien verspiegelt und der Lichtstrahl so geführt, daß er vielfach reflektiert wird und dabei, ohne daß er einen zu langen Lichtweg in einem einzelnen Teilmedium zurücklegen muß, dennoch insgesamt einen für gute Faraday-Auflösung ausreichend langen Lichtweg durchläuft.

Es kann gezeigt werden, daß mit einer Auswerte-Elektronik gemäß schweizerischer Patentschrift 4 33 065 oder deutscher Offenlegungsschrift 19 18 730 höchste Auflösung dann erreicht wird, wenn der durch die Restdoppelbrechung erzeugte Phasenfehler φ<0,1 bzw. der Gangunterschied

2.1 Σ ("χ"¹ -",'")/,< 0,1 Λ,

(λο Lichtwellenlänge im Vakuum) ist

Dies ist mit der Sonde nach der Erfindung leicht möglich. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden, an Hand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen.

Hierbei zeigt

F i g. 1 eine magnetooptische Sonde mit den Eingängen zur Meßelektronik,

Fig.2 eine Darstellung der Schwingungsellipse des Lichtbündels vor dem Eintritt in das magnetooptische Medium,

Fig.3 einen aus NTeilmedien aufgebauten magnetooptischen Festkörper und

F i g. 4 Meßkurven, die sich ergaben, wenn die beiden Ausgangssignale gemäß F i g. 1 auf die Koordinaten eines Oszillographen gegeben werden.

Λ\ϋ$ £ΐΠ6Γ yiicnc rnOnOCiirOmäuSCiicn L^iCiitcS, uci-

spielsweise einem Laser 1, tritt ein Lichtbündel 2 aus und läuft weiter durch einen Polarisator 3, ein Halbwellenplättchen 4 und ein Viertelwellenplättchen 5 zu dem magnetooptischen Festkörper, beispielsweise aus schwerem Flintglas 6. Da ein Laser bereits linear polarisiertes Licht liefert, kann der Polarisator 3 auch entfallen, jedoch kann durch Verdrehung des Polarisators 3 in einfacher Weise eine definierte Schwingungsrichtung des Lichtbündels 2 festgelegt werden.

Auch die Plättchen 4 und 5 sind verdrehbar. Mittels des Viertelwellenplättchens 5 kann die Exzentrizität der Schwtngungsellipse, mittels des Halbwellenplättchens 4 die Neigung der Ellipse eingestellt werden.

Das Lichtbündel 2 tritt in einem Polarisationszustand in den Flintglasblock 6 ein, wie er in Fig.2 angedeutet ist: Die Ellipse weist Hauptachsen a, b auf und ist in einer Ebene x,yum den Winkel <5 gegen die jr-Achse geneigt Parallel zu der vertikal zur jf-y-Ebene verlaufenden z-Achse ist auch die z-Achse des Flintglasblockes ausgerichtet. Das die optische Aktivität des Flintglases erzeugende Magnetfeld liegt vorteilhaft parallel zur z-Achse des Blocks.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, besteht der magnetooptische Festkörper 6 nun aus den Teilbereichen 6a, 6b und 6c, die vorzugsweise durch einen Kitt oder eine Flüssigkeit mit einem optischen Brechungsindex in der Größenordnung des Brechungsindex des Festkörpers selbst miteinander verbunden sind. Der magnetooptische Körper ist bis auf eine Eintritts- und Austrittsöffnung an seinen Endflächen verspiegelt so daß der eingetretene Lichtstrahl mehrfach durch das magnetooptische Medium hin und her reflektiert wird und schließlich an der dem Eintritt gegenüberliegenden Seite wieder austritt.

Die Summe der Dicken der Teilmedien 6a und 6c ist gleich der Dicke des Teilmediums 6b. Die Doppelbrechungshauptachsen der Teilmedien 6a, 6cliegen parallel zueinander, während die des Teilmediums 66 um 90° dazu verdreht sind. Damit gilt (unter Vernachlässigung der geringen Neigung des Lichtstrahles gegenüber der z-Achse):

und wegen

und

= 4

z ist die Zahl der Reflexionen des Lichtstrahles.

Nach seinem Austritt aus dem magnetooptischen Festkörper 6 wird der nunmehr wieder im wesentlichen linear polarisierte, bezüglich seiner Schwingungsebene proportional dem anliegenden Magnetfeld geneigte Lichtstrahl 2' dann durch einen optischen Teiler 7, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel, in zwei Teilbündel 2a, 2b, geteilt Aus diesen Teilbündeln werden durch die um annähernd 45° zueinander verdrehten Analysatoren 8, 9, zwei analog zueinander linear polarisierte Lichtsignale erzeugt, deren Amplituden-Quadrate, abgesehen von einer Kenstanten, einmal proportional dem sin 2φ und einmal proportional dem cos 2φ sind, wenn φ der dem anliegenden Magnetfeld proportionale Neigungswinkel der Schwingungsrichtung des Lichtstrahles 2' bzw. der Teilstrahlen 2a, 2b bezüglich einer Achse eines der Analysatoren 8 oder 9 ist

Die derart zueinander bezüglich des Argumentes 2φ um Tt phasenverschobenen Signale gehen dann zu Photodetektoren 10, 11, in welchen sie zur weiteren elektronischen Verarbeitung in elektrische Ströme umgewandelt werden.

In Fig.3 ist der Aufbau des magnetooptischen Festkörpers aus ATeilstücken der Länge 7,(=1,2-..N) dargestellt Die Teilstücke sind durch Kitt oder Flüssigkeitsschichten 14 miteinander verbunden, deren optischer Brechungsindex vorzugsweise in der Größe der Brechungsindizes derTeilkristalle liegt

Die Doppelbrechungshauptachsen der Teilstücke können hier beliebig zueinander liegen. Jedoch sind die Dicken /; der Teilstücke und die Brechungsindizes nfl, nj') für die x- bzw. /-Komponente des einfallenden Lichtes so, daß die oben angeführte Bedingung gemäß der Erfindung erfüllt ist.

Um zu prüfen, wann der durch die Doppelbrechung erzeugte Fehler minimal ist, und dementsprechend die Orientierung der Plättchen 4, 5 einzustellen und/oder den Aufbau des magnetooptischen Mediums 6 zu gestalten, können die elektrischen Signale aus den Fotodetektoren 10,11 auf die Koordinaten (Horizontal- und Vertikalverstärker) eines Kathodenstrahloszillographen gegeben werden. Auf dem Oszillographenschirm ergibt sich dann und nur dann ein einwandfreier Kreis 12 (Fig.4), wenn die Doppelbrechungsfehler kompensiert sind. Ist dem Faraday-Effekt aber eine Doppelbrechung überlagert, so ergeben sich je nach dem Magnetfeld die in F i g. 4 dargestellten einförmigen Gebilde 13.

Da das auf den magnetooptischen Festkörper einwirkende Magnetfeld ein Wechselfeld ist, ergeben sich je nach der Amplitude dieses Feldes ein Vollkreis bzw. mehrere kongruente Vollkreise oder nur ein Bogenstück. Zur Einstellung der Plättchen 4,5 und zum entsprechenden Aufbau des magnetooptischen Festkörpers 6 wird man daher die Amplitude groß genug wählen, so daß das Bild auf dem Bildschirm gut auf seine Kreiseigenschaft untersucht werden kann.

Es ist an dieser Stelle zu vermerken, daß zwar auch aus den eiförmigen Gebilden (Kurven 13, Fig.4) mit

ίο viel Aufwand ein Meßresultat herzuleiten ist, dieser Aufwand aber eben durch Transformation der Kurven auf einen Kreis mittels der erfindungsgemäßen Maßnahmen vermieden werden kann.
Die Kombination des Gedankens, die Schwingungsellipse des Lichtes entsprechend zu gestalten, mit dem, den magnetooptischen Festkörper geeignet aufzubauen, hat sich besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Mehrfachreflexionen gemäß F i g. 1 erwiesen, obwohl hier der Lichtstrahl nicht ganz parallel zur λ-Achse läuft.

Diese Kombination ergibt ein Höchstmaß der Auflösung des zur Messung eines Magnetfeldes dienenden Faraday- Effekts.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Minimierung des durch natürliche Doppelbrechung verursachten Meßfehlers einer Sonde mit einem unter dem Einfluß eines Magnetfeldes optisch aktiven Medium, durch welches ein Lichtbündel geführt wird, dessen durch die optische Aktivität veränderter Schwingungszustand gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4,5) vorgesehen sind, mittels welcher das Lichtbündel vor seinem Eintritt in das Medium elliptisch polarisiert und die Exzentrizität (a/b) und die Neigung (<5) der Ellipse eingestellt werden können, und/oder das magnetooptische Medium (6) aus mindestens zwei Teilen (6a, 6b...) besteht, deren Orientierungen zueinander, Brechungsindizes (Όι'Ί und/oder für die Lichtwege maßgebliche Dicken (Jj derart gewählt sind, daß die Summe über das Produkt aus der jeweiligen Lichtweglänge (1) in einem Teilmedium und der Differenz zweier in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes für zwei senkrecht zueinander liegende Schwingungsrichtungen (x, /^gemessener Brechungsindizes (nj'l), n/'K also

iß