DE2043517A1 - Electro-optical unit for rotating the plane of polarization of a linearly polarized light wave - Google Patents
Electro-optical unit for rotating the plane of polarization of a linearly polarized light waveInfo
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Description
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Aktiengesellschaft Brown, Boveri S Cie., Baden (Schmeiz)Aktiengesellschaft Brown, Boveri S Cie., Baden (Schmeiz)
Elektro-optische Einheit zur Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten Lichtwelle Electro-op tables unit for rotation de r Pola risationsebene a linearly polarized light wave
Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Einheit zur. Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten Lichtwelle und die Verwendung einer solchen Einheit als Kompensat.ionselenent zu einer Faraday-Zelle zur Messung des Stromes einer Hochspannungsleitung.The invention relates to an electro-optical unit for. Rotation of the plane of polarization of a linearly polarized light wave and the use of such a unit as Compensating element to a Faraday cell for measurement the current of a high-voltage line.
Es ist bekannt, linear polarisiertes Licht mittels eines Viertelwellenplättchens in Diagonalstellung in solches mit zirkulärer Polarisation zu verwandeln» leiter ist es bekannt, die Polarisation einer Lichtwelle mittels durch eine elektrische Spannung gesteuerter elektro-optischer Elemente, z.B. Pockels- oder Kerrzellen, zu verandtrn (z.B. Scientific American June 1968, Seite l?ff).It is known to use linearly polarized light by means of a quarter-wave plate in a diagonal position to transform circular polarization »conductor it is known the polarization of a light wave by means of electro-optical elements controlled by an electrical voltage, e.g. Pockels or Kerr cells, to be changed (e.g. Scientific American June 1968, page l? Ff).
SchliesGlich ist es bekannt, die Schv/ingungsebene einer linearFinally, it is known that the plane of oscillation of a linear
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polarisierten Lichtwelle mittels einer einem i;a;pi;etfeld unterworfenen Paraday-Zelle zu drehen, und unt'ir 'Vasnut zum? dieses Effektes den Strom auf Hochap.inr.ur^rsleitunnen potential-frei zu messen (z.B. FR-FS 1Ί3926Ο). Zur Auswertung der mittels dieser· bekannten Anordnung gewonnenen Signale hat sich eine Kompensationsnethcde bewrlhrt. v;obei der ersten Faraday-Zelle eine zweite nach^eordnet wird, die die in der ersten Zelle bewirkte Drehung wieder■rückgängig macht.polarized light wave by means of an i; a; p i; etfeld to turn subject to Paraday cell, and unt'ir 'Vasnut to the? of this effect to measure the current on high capacitance to the rsleitunnen potential-free (e.g. FR-FS 1Ί3926Ο). A compensation network has proven effective for evaluating the signals obtained by means of this known arrangement. If the first Faraday cell is followed by a second, which reverses the rotation effected in the first cell.
Die Verwendung einer zweiten Faraday-Zelle ist jedoch oftmals unerwünscht, z.B. wegen des dazu notwendigen Magnetfeldes. However, the use of a second Faraday cell is often undesirable, e.g. because of the magnetic field required for this.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Einheit zu schaffen, mit v/elcher die Polarisationsebene eir:=r linear polarisierten Lichtwelle durch Anlegen einer elek- x trischen Spannung gedreht v/erden kann. Eine solche elektro- ^ optische Einheit kann nicht nur in der erv.ulhnten Anordnung zur Messung von Hochspannungsleitungsströmen mit Vorteil zur Anwendung kommen, sondern ganz allgemein überall dort, ν,'ο die Drehung der Polarisationsebene mittels einer elektrischen ; Spannung erwünscht ist.The invention is therefore based on the object to provide an optical unit, with v / hich the polarization plane eir: r = linearly polarized light wave by applying an elec- tric x rotated voltage v / can ground. Such electro ^ optical unit can not only in the erv.ulhnten arrangement for measuring high voltage line currents with advantage for application come, but in general everywhere, ν 'ο the rotation of the polarization plane by an electrical; Tension is desired .
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgenässe elektro-optische Einheit aus εν/ei Viertelwellenplättchen und einem dazwischen angeordneten elektro-optischen Element, The object is achieved in that the electro-optical unit according to the invention consists of εν / ei quarter-wave plate and an electro-optical element arranged in between,
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beispielsweise einer- Pockels- oder Kerrzelle, besteht. Die Doppe Ibre'chuügnhaunt achsen der Viertelwellenplättonen .sind LvCeCk-TIaSSiCUr1V1OiUC zueinander parallel, un-5 unser ei.rierr. Winkel Ϊ7/Η zu den Hauptachsen des elektro-optischen Elementes geneigt.for example a Pockels or Kerr cell. The double Ibre'chuügnhaunt axes of the quarter-wave platoons are LvCeCk-TIaSSiCUr 1 V 1 OiUC parallel to each other, un-5 our egg.rierr. Angle Ϊ7 / Η inclined to the main axes of the electro-optical element.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. Hierbei zeigt: Further details of the invention emerge from the exemplary embodiment described below with reference to figures. Here shows:
.Fig. 1 Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemässen elektro-optische!! Einheit, und.Fig. 1 Structure and mode of operation of the inventive electro-optical !! Unit, and
Fig. 2 eine Anordnung zur Messung eines Hcchspannungsleitungsstrones mittels eines elektro-optischen Nullabgleiehs der Faraday-l'elle.2 shows an arrangement for measuring a high-voltage line current by means of an electro-optical zero offset of the Faraday-l'elle.
In Fig. 1 trifft eine linear polarisierte Lichtwelle der Fcrtpflanzungsrichtung 18, beispielsv/eise aus einem Laser oder auch aus einer Lichtquelle mit nachgeordnetem Polarisator, auf ein Viertelv;ellenplattchen 1. Die Schwingungsebene der Lichtuelle sei gegen die Zeichenebene um den Winkel o6 geneigt, wie in Kreis 3.2 angedeutet. Die HauptachsenVdes Viertelwellenplättchens 1 sind zur Zeichenebene jeweils um \\/U geneigt, sodass sie symmetrisch zur Zeichenebene liegen.In Fig. 1, a linearly polarized light wave of the direction of propagation 18, for example from a laser or from a light source with a downstream polarizer, hits a quarter-wave plate 1. Let the plane of oscillation of the light source be inclined to the plane of the drawing by the angle o6, as indicated in circle 3.2. The main axes V of the quarter-wave plate 1 are inclined by \\ / U to the plane of the drawing, so that they are symmetrical to the plane of the drawing.
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Wenn man die linear polarisierte Welle vor dem Viertelwellenplättchen 1 als aus zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierten Weller: einer Phasenverschiebung vzusammen·· gesetzt beschreibt j co kann rr.an sich die Welle hinter dsm Viertelwellenplättchen 1 nunnehr als aus zrei linear polarisierten, zueinander um ///2 geneigten Wellen zusammengesetzt denken, die ihrerseits unter // M zu den Hauptachsen '1,5 des Viertelwellenplättchens 1 geneigt sind und einen Phäsenunterschißd is + TC/2 aufweisen.If one describes the linearly polarized wave in front of the quarter-wave plate 1 as composed of two oppositely circularly polarized waves: a phase shift v. Think of 2 inclined waves as a composite, which in turn are inclined at // M to the main axes 1.5 of the quarter-wave plate 1 and have a phase undershoot of + TC / 2 .
Die Welle durchläuft dann eine Pockelszelle 2, deren eine Hauptachse 8 parallel zur Zeichenebene liegt. An diese Pockelszelle 2 ist über Elektroden 10, 11 eir>e elektrische Spannung V angelegt, welche eine Phasenverschiebung zwischen den Komponenten der durchlaufenden Welle in Richtung der Hauptachsen 8,9, bewirkt. Durch geeignete Wahl der Spannung V kann damit der Phasenunterschied S' kompensiert werden, sodass am Ausgang der Pockelszelle die Lichtwelle als aus W zwei in Richtung der Hauptachsen 8,9 linear polarisierten Wellen des Phasenunterschiedesfbestehend beschrieben werden kann.The shaft then passes through a Pockels cell 2, one main axis 8 of which is parallel to the plane of the drawing. An electrical voltage V is applied to this Pockels cell 2 via electrodes 10, 11, which brings about a phase shift between the components of the passing wave in the direction of the main axes 8, 9. The phase difference S ' can thus be compensated for by a suitable choice of the voltage V, so that the light wave at the output of the Pockels cell can be described as consisting of W two waves of the phase difference which are linearly polarized in the direction of the main axes 8, 9.
Das nun folgende Viertelwellenplättchen 5 ist mit seinen Hauptachsen 6,7 wieder um Il /^ zu den Hauptachsen 8,9 der Pockelszelle 2 geneigt angeordnet, befindet sich also in Diagonalstellung zu den beiden linear polarisierten Wellen.The now following quarter-wave plate 5 is again arranged with its main axes 6,7 inclined by II / ^ to the main axes 8,9 of the Pockels cell 2, is therefore in a diagonal position to the two linearly polarized waves.
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Die in Richtung der Achse 8 schwingende V/eile wird daher in eine zirkuläre V/elle einer Drehrichtung, und die in Achse 9 schwingende V/elle in eine zirkuläre Welle der entgegengesetzten Drehrichtunc umgesetzt, wobei diese beiden zirkulär polarisierten Wellen nun aber keinen Phasenunterschied mehr aufweisen, d.h. 1s ~ 0. Wie ersichtlich setzen sich die beiden zirkulär polarisierten Wellen dann wieder zu einer linear polarisierten Welle der Neigung et = 0 zur Zeichenebene zusammen.The V / elle oscillating in the direction of the axis 8 is therefore converted into a circular V / elle of one direction of rotation, and the V / elle oscillating in the axis 9 into a circular wave of the opposite direction of rotation, but these two circularly polarized waves no longer have a phase difference have, ie 1s ~ 0. As can be seen, the two circularly polarized waves then combine again to form a linearly polarized wave with an inclination et = 0 to the plane of the drawing.
Mit der beschriebenen Anordnung lässt sich selbstverständlich nicht nur ein anfänglich endlicher Winkel <& auf Null kompensiere^ sondern gpnz allgemein eine linear polarisierte, unter einem Winkel «^ geneigte V/elle in eine linear polarisierte Welle der Neigung oO + k -. V verwandeln, was im Kreis 13 der Fig. 1 angedeutet ist. k ist dabei eine durch die Pockelszelle bestimmte Apparaturkonstante.With the described arrangement, not only an initial finite angle <& course, leaves to zero compensating ^ gpnz but generally a linearly polarized, inclined at an angle "^ V / elle in a linearly polarized wave of inclination oO + k -. V transform what is indicated in circle 13 of FIG. k is an apparatus constant determined by the Pockels cell.
Wenn statt der Pockelszelle eine Kerrzelle verwendet wird, so ist der Drehwinkel proportional dem Quadrat der angelegten Spannung V, also der Neigungswinkel der austretendenIf a Kerr cell is used instead of the Pockels cell, the angle of rotation is proportional to the square of the applied Voltage V, i.e. the angle of inclination of the exiting
linear polarisierten Welle gleich d» + k'V · k1 ist wiederum eine Apparaturkonstante.linearly polarized wave equal to d »+ k'V · k 1 is again an apparatus constant.
In Fig. 2 läuft eine linear polarisierte Lichtwelle in Richtung 18 aus einem Laser 17 zu einer Faraday-Zelle 14,In Fig. 2, a linearly polarized light wave runs in Direction 18 from a laser 17 to a Faraday cell 14,
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die von einer Hochspannungsleitung 15 umwunden ist, deren zu messender Strom in der Faraday-Eelle I^ ein I-'ngnetfsld erzeugt. Die Faraduy-Zelle besteht aus schwerem Flintglar. oder einem Yttrium-Eisen-Granat und dreht die Polarisationr>ebene der Lichtwel'le proportional zum Magnetfeld des Leitungsstrones um den Winkt! <*- .which is wound around by a high-voltage line 15, the current to be measured in the Faraday cell I ^ an I-'ngnetfsld generated. The Faraduy cell is made of heavy flintglar. or a yttrium iron garnet and rotates the plane of polarization the light wave proportional to the magnetic field of the conduction current around the waves! <* -.
Die um cA geneigte Lichtwelle tritt nun in die im Gegensatz zur Faraday-Zelle l'l auf Erdpotential liegende elektro-P optische Einheit K ein, die aus einem Viertelwellenplättchen 1, einer Pockelszelle 2 und einem Viertelwellenplättchen 3j wie in Fig. 1 dargestellt, aufgebaut ist.The light wave inclined by cA now enters into the opposite to the Faraday cell l'l lying at ground potential electro-P optical unit K a, consisting of a quarter-wave plate 1, a Pockels cell 2 and a quarter wave plate 3j as shown in Fig. 1, is constructed.
Die Pockelszelle wird durch eine Spannung V derart gesteuert, dass der Neigungswinkel ^ der Lichtwelle kompensiert wird. Dazu ist ein Regelkreis vorgesehen, der ein der elektro-optischen Einheit K nachgeordnetes, als Analysator dienendes Polarisationsfilter 16, einen die dieses durchtretende Lichtstrahlung nessenden Fotodetektor 20, einen Phasendetektor 21, einen Verstärker 22 und einen Differenzverstärker 23 umfasst. Dem Differenzverstärker 23 wird einerseits das verstärkte Ausgangssignal des Phasendetektors 21, und anderseits ein Wobbelsignal «C geringer Amplitude zugeführt.The Pockels cell is controlled by a voltage V in such a way that the angle of inclination ^ of the light wave is compensated. For this purpose, a control circuit is provided which comprises a polarization filter 16, which is arranged downstream of the electro-optical unit K and serves as an analyzer, a photodetector 20 measuring the light radiation passing through it, a phase detector 21, an amplifier 22 and a differential amplifier 23. The differential amplifier 23 is supplied on the one hand with the amplified output signal of the phase detector 21 and on the other hand with a wobble signal C of low amplitude.
Für den Fall vollständigen Mullabgleichs tritt am Foto-In the event of a complete gauze adjustment, the photo
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detektor 20 nur die_ 2. Harmonische des Signals AC auf, die Frequenz der Grundv;elle verschwindet. Hei endlichem Abgleichfehler ergibt sich hingegen ein aus einem Gleichanteil und_ der Grundfrequens des Signals AC bestehender Strom, dessen Phasenlage 'für positiven und negativen Abgleichfeh]er verschieden ist. Der auf die Frequenz des Signals AC abgestimmte Phasendetektor 21 vermag somit ein Signal zu liefern, das einem Abgleichfehler eindeutig proportional ist. Dieses Signal wird im -Verstärker 22 hoch verstärkt und liefert den Anteil der Steuerspannung V für den Abgleich des Ne.igungs-Winkels ck . Da das Signal dem Neigungswinkel o-- und dieser dem zu inessende.n Strom der Hochspannungsleitung proportional ist, kann am Messinstrument 2H der Leitungsstrom gemessen werden.detector 20 only detects the 2nd harmonic of the signal AC, the frequency of the fundamental disappears. In contrast, a finite adjustment error results in a current consisting of a direct component and the fundamental frequency of the signal AC, the phase position of which is different for positive and negative adjustment errors. The phase detector 21, which is tuned to the frequency of the signal AC, is thus able to deliver a signal which is clearly proportional to an adjustment error. This signal is amplified to a high level in the amplifier 22 and supplies the portion of the control voltage V for the adjustment of the angle of inclination ck. Since the signal is proportional to the angle of inclination and this to the current of the high-voltage line to be measured, the line current can be measured on the measuring instrument 2H.
Die Reglung bnw. die angestrebte Messung des Leitungsstromos ist auch dann möglich, wenn in der elektro-optisehen Einheit K das zweite Viertelwellenplättchen 3 weggelassen wird. Dann muss die Durchlassrichtung des Analysators l6 exakt unter % zu den Achsen 8,9 des elektro-optischen Elementes 2 ausgerichtet sein. Das Ausgangssignal des Detektors 21 ist dann jedoch nicht mehr direkt proportional zum Leitungset roin, so dass eine entsprechende Eichung des Messinstrumentes 2h notwendig ist.The regulation bnw. the desired measurement of the conduction current is also possible if the second quarter-wave plate 3 in the electro-optical unit K is omitted. Then the transmission direction of the analyzer 16 must be aligned exactly below % to the axes 8,9 of the electro-optical element 2 . The output signal of the detector 21 is then no longer directly proportional to the line et roin, so that a corresponding calibration of the measuring instrument 2h is necessary.
Die Verstärkung des Regelkreises ist so gross, dasr, aufThe gain of the control loop is so great that on
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dem Potodetektor 20 ein nahezu idealer Nullabgleich stattfindet. the potentiometer 20 a nearly ideal zero balance takes place.
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