DE2835794A1

DE2835794A1 - Faseroptische anordnung zur messung der staerke eines elektrischen stromes

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Publication number: DE2835794A1
Application number: DE19782835794
Authority: DE
Inventors: Scott C Rashleigh; Reinhard Dipl Phys Dr Ulrich
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-08-16
Filing date: 1978-08-16
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2835794B2; US4255018A; GB2033601A; DE2835794C3; CH644209A5; GB2033601B

Description

Max-Planck-Gesellschaft 10.8.1978

zur Förderung der Wissenschaften e.V. P 78 71

FASEROPTISCHE ANORDNUNG ZUR MESSUNG

Belegexemplar

ELEKTRISCHEN STROMES.

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Das Prinzip,nach dem solche faseroptische Anordnungen aufgebaut sind und arbeiten,ist das folgende:

Eine optische Faser ist in einer oder mehreren Windungen um einen stromführenden Leiter herumgelegt,derart,daß mindestens Komponenten des von dem in dem Leiter fließenden Stroms"erzeugten,den Leiter umgebenden Magnetfeldes in Richtung der optischen Faser verlaufen.In die Faser wird monochromatisches Licht mit einem definierten Polarisa tionszustand eingekoppelt.Die optische Faser ist entwe der eine sogenannte Monomodefaser oder eine in der Grundmode betriebene Multimode Faser.Ein sich in Längsrichtung der Faser ausbreitender Lichtstrom kann daher durch zwei zueinander orthogonal polarisierte Lichtströme beschrieben werden.Durch das stromproportionale Magnetfeld erfährt das sich in der Faser ausbreitende Licht aufgrund des bekannten Faraday-Effekts eine Drehung seiner Polarisationsebene.Diese Drehung ist der Länge des dem Magnetfeld ausgesetzten Lichtweges und der Stärke der in Ausbreitungs richtung des Lichtstromes wirksamen Magnetfeldkomponenten proportional und somit ein Maß für die Stromstärke in dem elektrischen Leiter.Die Drehung kann mittels eines Analysatorund diesem nachgeschalteten ph'otoelektrischen Detektor-

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systems erfaßt werden,da mit der Änderung des Polarisa— tionszustandes eine Änderung des Ausgangssignals des photoelektrischen Detektorsystems verbunden ist.Beispielsweise kann man die beiden Lichtströme orthogonalen Polarisationszustandes mittels eines Wollaston-Prismas oder einer äquivalenten Anordnung voneinander trennen und räumlich getrennt voneinander angeordneten Detektoren zuführen,deren Ausgangsspannungen V. = B cos 0 und V„_= 3 sin ζ£) sind,wenn 3 die Lichtintensität und £) die Lage der Polarisationsebene relativ zur Achse des Wollaston— Prismas ist.Eine die Spannungen V. und V_ verarbeitende Auswertungselektronik kann dann ein der Änderung des Azimuths 0 und damit dem zu messenden Strom proportionales Ausgangssignal erzeugen.

Die apparative Realisierung dieses an sich einfachen Konzepts ist jedoch zum einen deshalb schwierig,weil reale optische Fasern,insbesondere Festkernfasern eine lineare Eigen-Doppelbrechung aufweisen,die daraus resultiert,daß solche Fasern zumindest nicht über ihre volle Länge mit einem ideal kreisrunden Querschnitt hergestellt werden können und es fertigungstechnisch auch schwierig ist,völlig spannungsfreie optische Fasern herzustellen.Diese Eigen Doppelbrechung,die in Verbindung mit dem sich als Rotations-Doppelbrechung O^ äußernden Faraday-Effekt zu einer elliptischen Doppelbrechung führt,kann allenfalls dann hingenommen werden,wenn der Einfluß der linearen Eigen-Doppelbre chung /j über die Länge 1 der Faser genügend klein ist,etwa dann,wenn J /3lj^<ir/2 ist.

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Daher ist für Anordnungen der eingangs genannten' Art vorgeschlagen worden ,Flüssig-Kern-Fasern zu

verwenden,die einen Festkörpermantel und einen Flüssig Kern haben.Solche Flüssig-Kern-Fasern sind einerseites mit geringen Abweichungen ihres Querschnitts von der idealen Kreisform herstellbar und zeigen auch keine Spannungs-Doppelbrechung, weil eine solche in der Flüssigkeit,die den Kern bildet,nicht auftreten kann.Flüssig-Kern-Fasern sind jedoch nicht nur aufwendig in der Herstellung son dern auch umständlich in der Handhabung,da sie spezielle Vorkerhrungen dafür erfordern,daß die den Kern bildende Flüssigkeit nicht auslaufen kann.

Da die durch den Faraday-Effekt bedingte Rotation der Polarisationsebene des Meßlichts der Länge des dem Magnetfeld ausgesetzten Lichtweges proportional ist,ist man bei Strom-Meßanordnungen der eingangs genannten Art aus Gründen der Meßgenauigkeit bestrebt,möglichst große Lichtwege in dem vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld zu realisieren.Hierzu bietet sich an,eine den Lichtweg markierende optische Faser in einer Vielzahl von unmittelbar benachbarten Windungen um einen den zu messenden Strom führenden Leiter herum zu verlegen junter dem Gesichtspunkt der bestmöglichen Ausnutzung des wirksamen Magnetfeldes ist dann die zweckmäßigste Anordnung der Faser diejenige, bei der sie in möglichst engen Wendungen in Richtung des den Stromführenden Leiter umgebenden Magnetfeldes verlegt ist.

Durch eine solche spulenförmige Anordnung der optischen Faser wird dieser aber,bedingt durch die mit der Biegung verbundenen Cuerschnittsveränderung, wieder eine erhebliche lineare Doppelbrechung aufgeprägt,die die Wirkung

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des Faraday-Effekts herabgesetzt und in ungünstigen Fällen dazu führen kann,daß der stromproportionale Faraday-Effekt nicht mehr meßbar bzw.eindeutig er kennbar ist.

Zwar ist es in Verbindung mit Flüssig-Kern-Fasern (Applied Optics,Mai 1977,3d.16,Nr.3,S.1315ff)bekannt, diese Biegungs-Doppelbrechung durch spezielle Windungsformen der optischen Faser weitgehend zu kompensieren. Die für eine Anwendung zur Strommessung relativ günstigste dieser Windungsformen ist eine schmetterlingsförmige Wicklung der Faser,bei der jeweils eine oder mehrer Windungen abwechselnd in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen der Faser verlegt sind.

Nachteilig an dieser Schmetterlingswicklung ist aber,daß sich dadurch nur die Biegungsdoppelbrechung kompensieren laßt,nicht aber auch die Eigen—Doppelbrechung,sodaß diese Windungsform allenfalls dann geeignet £st,wenn man von vornherein Fasern mit sehr geringer Eigen-Doppelbrechung hat.Nachteilig ist weiter,daß der Raumbedarf der Schmet terlingswicklung in Längsrichtung des Leiters,der mindest gleich dem y 2-fachen Windungsdurchmesser ist,verhältnismäßig groß ist und daß, -bedingt durch diese Anordnungauch das Magnetfeld des durch den Leiter fließenden Stromes nicht mit seiner vollen Stärke in Richtung der Faser wirkt,sondern nur mit einer Komponente.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,eine faseroptische Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen,bei der der störende Einfluß der Eigen- und/oder Biegungs-Doppelbrechung der Faser unabhängig von der Windungsgeometrie

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mindestens so weit eliminiert ist,daß mit Hilfe des Faraday-Effektes eine hinreichend genaue Strommessung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Hierdurch werden zumindest folgende Vorteile erzielt:

Die Wirkung der mit einem Mindestbetrag vorhandenen Zirkularen Doppelbrechung OL^r- besteht darin,daß jetzt die insgesamt vorhandene lineare Doppelbrechung /3 nur noch als eine Störung an der insgesamt vorhandenen zir kularen Doppelbrechung zu betrachten ist,sodaß sie den Faraday-Effekt nicht mehr nennenswert beeinflußt,der somit voll wirksam werden kann.Je stärker diese zirkuläre Doppelbrechung ausgeprägt ist,umso mehr wird der Einfluß der linearen Doppelbrechung,die ansonsten die durch den Faraday-Effekt induzierte zirkuläre Doppel brechung überdecken könnte,zurückgedrängt,wobei es für den praktischen Anwendungsfall durchaus schon ausreichend sein kann,wenn die zirkuläre Doppelbrechung betrags mäßig in der Größenordnung.der insgesamt vorhandenen linearen Doppelbrechung liegt.Da ein konstanter Betrag an zirkularer Doppelbrechung vorgesehen ist,stört diese bei der Messung des sich in einer variablen,weil stromproportionalen,zirkulären Doppelbrechung äußernden Faraday-Effekts nicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die erforderliche Zirkulare Doppelbrechung dadurch erreicht,daß der Kern der optischen Faser aus optisch aktivem kristallinem Material,besteht,dessen optische Achse in Richtung der Faserachse verläuft.

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Die erfindurgsgemäße Anordnung kann gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung auch mit Hilfe einer Flüssig-Kern-Faser realisiert werden,in dem man als Kernflüssigkeit eine optisch aktive Flüssigkeit verwendet oder eine optisch inaktive Flüssigkeit,der eine optisch aktive Flüssigkeit beigemischt ist.Selbstverständlich kann auch eine Lö sung eines optisch aktiven Festkörpermaterials verwendet werden.In den beiden letztgenannten Fällen hat man dann die Möglichkeit,den Betrag der zirkulären Doppelbrechung in weiten Grenzen zu variieren.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 wird bei Verwendung einer Festkernfaser die zirkuläre Doppelbrechung durch Ver drillung der optischen Faser erzielt.Auch hier kann der vorgegebene 3etrag der zirkulären Doppelbrechung durch den gewählten Verdrillungsgrad auf einfache Weise variiert werden.Diese Art der Erzeugung der zirkulären Doppel .— brechung hat den Vorteil einer besonders geringen Temperaturempfindlichkeit.

Da die solchermaßen vorgegebene zirkuläre Doppelbrechung der optischen Faser unabhängig von der Windungsgeometrie zu dem gewünschten Ergebnis führt,wenn man die im An spruch 1 angegebene Bemessungsregel,die in den Unter ansprüchen 5 und 6 für spezielle Anwendungsbeispiele näher spezifiziert ist,beachtet,ist es auch möglich,die optische Faser mit der im Anspruch 7 angegebenen Anordnung zu verlegen,die sowohl unter dem Gesichtspunkt einer be sonders raumsparenden Anordnung als auch im Hinblick auf die wirksamste Ausnutzung des den stromführenden Leiter umgebenden Magnetfeldes.optimal ist.

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Da es für die zweckgerechte Funktion der erfindungsgemäßen faseroptische Anordnung in erster Linie nur darauf an kommt,daß die durch die Eigen-Doppelbrechung bewirkten Polarisationsänderungen nicht zu weit anwachsen, genügt es im Prinzip,wenn die optische Faser zur Erzielung der zirkulären Doppelbrechung nur auf Teilen ihrer Länge verdrillt ist.Sowohl aus Gründen der mechanischen Stabilität als auch,wie sich in praktischen Versuchen gezeigt hat,aus optischen Gründen,ist es jedoch am günstigsten,wenn die Verdrillung gemäß dem Merkmal des Anspruchs 8 möglichst gleichmäßig über die Länge der Faser verteilt ist.

Eine solche,mindestens abschnittsweise gleichmäßige Verteilung der Faserverdrillung oder -torsion läßt sich auf einfache Weise durch das Verfahren gemäß Anspruch 9 er reichen.Verfährt man zusätzlich nach den Merkmalen des Anspruchs 10, gegebenenfalls ir. Verbindung mit denjenigen des Anspruchs 11,dann läßt sich auf einfache Weise auch dann eine gleichmäßige Verteilung bzw.ein Ausgleich des Verdrillungsgrades über die gesamte Länge der optischen Faser erzielen,wenn diese zuvor abschnittsweise mit unterschiedlichem Verdrillungsgrad auf einem Träger be festigt gewesen ist.

Eine gleichmäßige Verteilung der Verdrillung der Faser in einem Faserwickel läßt sich auch nach dem durch die Merkmale des .Anspruchs 12 umrissenen Verfahren erzielen, bei dem man sich auf elegante Weise die durch die Ver drillung der Faser in dieser gespeicherte potentielle Energie zu einer gleichsam spontan erfolgenden Windunqsbiidung ausnutzen kann.Eine spezielle Durchführungsart dieses Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 13 an gegeben.Durch die Merkmale des Anspruchs 14 ist ein hierzu alternatives Verfahren umrissen,bei dem die Faser verdrillt wird, wenn der Wickel schon in etwa die

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vorgesehene Spulenform hat,die Windungen aber noch hinreichend viel Spiel haben,sodaß sich die Torsionsspannungen gleichmäßig über die Wendungen verteilen können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines einfachen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.Es zeigen:

Fig.l Eine erfindungsgemäße faseroptische Anordnung zur Strommessung in schematischer Darstellung.

Fig.2 Die Ausbildung der Faserwicklung auf einen den strom-führenden Leiter umgebenden Träger und

Fig.3 eine Poincare-Kugel zur Erläuterung der bei der Anordnung gemäß Fig.l ausgenutzten Polarisationszustände des Meßlichts.

Die Fig.l zeigt den prinzipiellen,an sich bekannten Aufbau einer faseroptischen Anordnung 10,mit der unter Ausnutzung des magneto-optischen Faraday-Effekts die Stärke eines in einem Leiter 11 fließenden elektrischen Stromes I meßbar ist.

Diese Anordnung umfaßt in der aus der Fig.l ersichtlichen Zusammenstellung eine Lichtquelle 12,die ein

Lichtbündel aussendet,einen Polarisator 13,der aus diesem Lichtbündel ein Teilbündel mit definierter linearer Polarisations aussondert,eineFokussierungslinse 14,mit der das den definierten Polarisationszustand aufweisende Licht am Eingangsende 16 einer optischen Faser 17,die den zen tralen Bestandteil der Anordnung bildet,in diese einkoppel bar istjdie optische Faser 17 ist mindestens auf einem großen Teil ihrer Länge dem durch Pfeile 18 veranschaulich

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ten,mit dem durch den Leiter 11 fließenden Strom I verknüpften Magnetfeld H ausgesetzt,wobei die optische Faser 17 so um den Leiter 11 herum geführt ist,daß mindestens Komponenten des Magnetfeldes H in Längsrichtung der Faser wirken.Weiter ist eineKollimatorlinse 19 vorgesehen,mit der das mit geändertem Polarisationszustand am Ausgang 21 der optischen Faser 17 austretende Lichtbündel auf eine im wesentlichen einen Analysator 22 und ei-ri photoelektrisches Detektorsystem 23 umfassende Auswertungseinheit 24 auskoppelbar ist,die ein für den geänderten Polarisationszustand charakteristisches elektri sches Ausgar.gssignal erzeugt,das mittels eines in Ein heiten des elektrischen Stromes geeichten Meßinstruments 26 angezeigt wird.

Die optische Faser 17 ist als eine sogenannte schwach leitende Monomode-Faser ausgebildet,d.h.der die Faser durchsetzende Lichtstrom kann durch zwei orthogonal zueinander polarisierte ebene Wellen eines bestimmten Schwingungstyps beschrieben werden. ^'Schwach leitend" heißt dabei,d£.ß sich der Brechungsindex des den Lichtweg markierenden Kerns der optischen Faser und des diesen umgebenden Mantels,der den niedrigeren Brechungs index hat,nur sehr wenig voneinenader unterscheiden (größenordnungsmäßig nur um 0,5%).

Eine solche optische Faser kann beispielsweise als Festkernfaser aus Quarzglas,aber auch als Flüssig-Kern- Faser realisiert sein,bei der nur der Mantel aus Glas besteht und als Kern eine Flüssigkeit benutzt ist.

Der Faraday-Effekt äußert sich bei einer linear polarisierten ebenen Lichtwelle als eine Drehung ihrer Polari-

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sationsebene um den Winkel C*> H . 1,wobei

(Xh = VH,

und 1 die Länge des Lichtweges ist,auf dem das Licht einem in seiner Ausbreitungsrichtung weisenden Magnetfeld H ausgesetzt ist und V eine für das Medium,in dem sich das Licht ausbreitet,charakteristische Material konstanteCVerdet'sehe Konstante),die bei den üblichen Fasermaterialien klein ist.Man ist daher aus Gründen der Meßgenauigkeit an möglichst langen Lichtwegen interessiert, die sich mit einigermaßen geringem Raumbedarf nur durch ein gewundene Anordnung der optischen Faser erzielen lassen.

Bei einer solchen gewundenen Anordnung,beispielsweise der in der Fig,2 dargestellten spulenförmigen Wicklung tritt aber,zumindest als Folge der unvermeidbaren Querschnitsveränderung der Faser 17 in dieser eine lineare Doppel brechung D auf,die die '.Virkung des Faraday-Ef f ekts herabsetzt. Um diesen störenden Einfluß zu kompensieren bzw.zu unterdrücken, ist erfindungsgemäß als optische Faser 17 eine solche vorgesehen,die eine·zirkuläre Doppelbrechung^aufweist, deren Betrag zumindest in der Größenordnung des Betrages der insgesamt in der Faser vorhandenen linearen Doppelbrechung liegt,gegebenenfalls auch deutlich größer ist.

Die Wirkung dieser zusätzlichen zirkulären Doppelbrechung auf die Größe des Faraday-Effekts,der sich ja ebenfalls als eine zirkuläre Doppelbrechung äußert,wird im folgenden anhand der Fig.3,auf deren Einzelheiten audrückliqh Bezug genommen wird,näher erläutert:

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Diese zeigt eine sogenannte Poincare-Kugel 27,auf der lineare Polarisationszustande durch Punkte des Äquators 28,die beiden möglichen zirkulären Polarisationszustande durch den Nordpol 29(linkszirkulare Polarisation L) und den Südpol 31(rechtszirkulare Polarisation R) und die elliptischen Polarisationszustande durch die übrigen Punkte auf der Kugeloberfläche repräsentiert sind.

Eipe in der optischen Faser 17 vorhandene lineare Doppelbrechung ist durch einen in der Äquatorialebene 32 lie genden Vektor 33 darstellbar, dessen Richtung 20-- die durch die beiden Punkte 34 und 36 repräsentierten linearen Polarisations-Eigenzustände markiert,bei deren Ein kopplung in die optische Faser 17 über ihre Länge gese hen keine Veränderung de.s Polarisationszustandes auftreten würde,falls nur die durch den Vektor 33 repräsentierte lineare Doppelbrechung vorhanden wäre,für deren Betrag die Länge des Vektors 33 ein Maß ist.Wird in die optische Faser 17 dagegen Licht mit einem anderen Polarisations zustand,beispielsweise dem durch den Punkt 37 auf dem Äquator 28 repräsentierten Eingangs-Polarisationszustand, dann liegen die entlang der optischen Faser 17 nacheinander auftretenden Polarisationszustande auf einem Kreis 38, der entlang der optischen Faser 17 mit einer umso größeren "Winkelgeschwindigkeit" /5 _ mehrfach - durchlaufen wird,je stärker die lineare Doppelbrechung ist.

Analog kann eine der optischen Faser 17 aufgeprägte oder auf andere Weise vorgegebene zirkuläre Doppelbrechung CX. und natürlich auch die durch den Faraday-Effekt induzierte zirkuläre DoppelbrechungOC_H durch einen in Richtung der polaren Achse 39 der Poincare- Kugel 27 weisenden Vektor 41 charakterisiert werden.

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Wenn sowohl eine durch den Vektor 33 charakterisierte lineare Doppelbrechung /3 als auch eine durch den Vektor 41 repräsentierte zirkuläre Doppelbrechung OC,insgesamt also eine elliptische Doppelbrechung vorliegt,dann sind die zugeordneten,durch die Punkte 42 und 43 repräsentierten elliptischen Polarisations-Eigenzustände durch die Richtung des resultierenden Vektors 44 markiert,dessen Länge wiederum ein Maß für die elliptische Doppelbrechung CO. ist.Dieser Vektor 44 ist die Vektorsumme der Winkel geschwindigkeitsvektoren 33 und 41 der linearen und der zirkulären Doppelbrechung.Die bei Einkopplung desselben Eingangs-Polarisationszustandes 37 entlang der optischen Faser 17 nacheinander auftretenden Polarisationszustände liegen dann auf dem Kreis 46 mit dem Mittelpunkt 42.

In der Darstellung der Fig.3 äußert sich der Faraday-Effekt in einer stromproportionalen Drehung aller Polarisationszustände um die polare Achse 39,beispielsweise in Richtung des Pfeils 47,wobei diese Drehung in realistischen Fällen in der Größenordnung einer Winkelminute pro Zenti meter Faserlänge liegt.

3ei hinreichend stark ausgeprägter linearer bzw.elliptischer Doppelbrechung der optischen Faser 17 entsprechen der Änderung des Polarisationszustandes entlang der op tischen Faser eine Vielzahl von Umläufen auf den Kreisen 38 bzw.46.Wie man anhand der Fig.3 erkennt,ist die durch diese Kreise 38 bzw.46 dargestellte Änderung jeweils in der "oberen"Hälfte des Kreisumfangs der durch den Faraday-Effekt für sich allein gesehea bewirkten Änderung des Polarisationszustandes entgegegesetzt und nur in der "unteren" Kreishälfte gleichsinnig mit der durch den Faraday-Effekt bewirkten Änderung des Polarisationszustandes.Da durch tritt im Ergebnis eine Verringerung der für'die Strommessung ausnutzbaren Änderung des Polarisationszustandes ein,die bei Verwendung einer optischen Faser mit relativ

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starker linearer Doppelbrechung in einer Anordnung zur Strommessung zu einer entsprechend verminderten Empfindlichkeit führt.

Zeigt jedoch die optische Faser eine zirkuläre Doppel brechung # ,deren Betrag,wie in Fig.3 durch den Vektor veranschaulicht mit demjenigen der linearen Doppelbrechung P (Vektor 33)vergleichbar oder gegebenenfalls deutlich größer ist,sodaß die resultierenden Polarisations-Eigenzustände, die durch die Punkte 49 und 51 repräsentiert sind,"näher" bei den Polen 29 bzw.31 der Poincare-Kugel 27 liegen,dann umschließt der beispielsweise von dem Eingangs-Polarisa tionszustand 37 ausgehende,die möglichen Polarisations zustände entlang der optischen Faser 17 beschreibende Kreis 52 die polare Achse 39,und die durch die Doppelbrechungseigenschaften der optischen Faser 17 und den Faraday-Effekt bewirkten Änderungen des Polarisationszustandes haben denselben Änderungssinn. Für den Fall,daß die optische Faser 17 eine zirkuläre Doppelbrechung CC zeigt,die erheblich größer ist als ihre lineare Doppelbrechung,verlaufen die die Änderung des Polarisationszustandes beschreibenden Kreise in unmittelbarer Nähe des Äquators 28,in welchem Falle die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnung optimiert ist.

Die lineare Doppelbrechung resultiert aus einer Eigen Doppelbrechung /3. und der durch die Krümmung der Faser bedingten 3iegungsdoppelbrechung /3. .Wegen der Verdr illung der Faser 17 ändert sich die aus der Eigen-Doppel brechung fj . und der Biegungsdoppelbrechung /3, resultierende lineare Doppelbrechung ß laufend entlang der Faser, derart,daß im Mittel nur der größere der beiden Beiträge wirksam ist.

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Eine praktisch ausreichende Unterdrückung des Einflusses der linearen Doppelbrechung ß wird bereits erreicht,wenn die zirkuläre OC von derselben Gräßenordnung ist wie der größere der Beiträge ß. bzw.ß. .

Experimentell wurde festgestellt,daß die durch eine Verdrillung ^/C erzielte zirkuläre Doppelbrechung der Verdrillung proportional ist,gemäß der Beziehung:

CX_r = g -

worin t den Verdrillungsgrad in rad/m bezeichnet und g die Proportionalitätskonstante ist,die für Glasfasern zwischen 0,13 und 0,16 liegt.

Bei einem experimentellen Aufbau einer faseroptischen Anordnung 10 wurde als optische Faser 17 eine Quarzglas Faser verwendet,der die gemäß der Erfindung vorgesehene zirkuläre Doppelbrechung Oi durch Verdrillen der Faser um i"nre Längsachse aufgeprägt war.Die Faser hatte eine Länge von 8,9m und war in 47 einander unmittelbar benachbarten Windungen 53,von denen in der Fig.2 lediglich sechs repräsentative Windungen dargestellt sind,auf einen Spulenkern aus Acrylglas aufgewickelt,durch den in der aus Fig.2 ersichtlichen Weise der stromführende Leiter 11 hin durchgesteckt war.Der Durchmesser der einzelnen Win düngen 53 betrug 6cm und die Ausdehnung des Faserwikkels in Längsrichtung des Spulenkörpers 54 ca.lern,sodaß die einzelnen Windungen in praktisch rechtwinklig zur Sichtung des Stromes I verlaufenden Ebenen angeordnet waren und somit das den Leiter 11 koaxial umgebende Magnetfeld 18 praktisch mit seiner vollen,am Ort der Faserwindungen vorliegenden Stärke in Längsrichtung

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der optischen Faser 17 wirkte.Die Faser hatte eine lineare Eigen-Doppelbrechung U . von ca.zwei Radian pro Meter Faserlänge.Die aus der Biegung der Faser res resultierende,im wesentlichen der Krümmung der Win-'dungen proportionale Biegungsdoppelbrechung ß. be trug ca.4.8 rad/m.Das Ausgangsende 21 der optischen Faser 17 war gegenüber dem Eingangsende 16 um etwa 94 volle Umdrehungen gedreht.Die Verdrillung der.Faser 17 betrug also 66 rad/m und die dadurch dieser Faser künstlich aufgeprägte zirkuläre Doppelbrechung 06t-war ca. 8,6 rad/m,betragsmäßig also fast doppelt so groß wie die insgesamt vorhandene lineare Doppelbrechung 6.

Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Verdrillung im gesamten Faserwickel zu erzielen,wurde die Faser am Beginn des Faserwickels drehfest am Spulenkern 54 befestigt und sodann ein einer Umfangslänge des Kerns entsprechendes Teilstück der optischen Faser mit dem erfoderlichen Verdrillungsgrad verdrillt,um den Kern 54 herum gelegt und an seinem Ende mittels eines thermisch aufweichbaren KlebemittelsiGlykolphthalat) verdrehfest am Kern 54 be festigt.In derselben Weise wurden die weiteren Windungen mit dem erforderlichen Verdrillungsgrad ^/L auf den Spulenkern 54 aufgebracht.Lediglich am 3eginn und am Ende des Faserwickels war die optische Faser 17 absolut drehfest mit dem Kern 54 verbunden.An den weiteren,dazwischen liegenden Befestigungsstellen 56 konnte die drehfeste Befestigung der Faser 17 am Spulenkern 54 durch Erwärmen oder Entfernen des Klebstoffs mittels eines Lösungsmit tels wieder aufgehoben werden,sodaß sich etwa bestehende Unterschiede im Verdrillungsgrad der einzelnen Windungen 53 ausgleichen konnten.

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Ais Lichtquelle wurde ein Gas-Laser verwendender rotes Licht emittierte.Der Kerndurchmesser der optischen Fa ser betrug ca. 5/(.m.Der Polarisationsgrad des in die Faser eingekoppelten Lichtes war größer als 99,8%. Als Analysator wurde ein mit einem linearen Analysator kombinierter Soleil-3abinet-Kompensator verwendet.Bei dieser Anordnung ist das Ausgangssignal der Auswertungseinheit 24 cos 0 Λ-proportional,wenn 0 der Winkel ist,um den sich die Poincare-Kugel 27(Fig.3)unter dem Einfluß des stromproportionalen Hagnetfeldes in Richtung des Pfeils 47 dreht.

Die bei dieser Anordnung gemessene Proportionalität zwischen dem Drehwinkel Q und der Stromstärke betrug 0,36· 10~ rad/A.3ei einer .Stromstärke von 430 A wurde eine Drehung Q der Poincare-Kugel um ca.8,8 erzielt, was eine Drehung der Polarisationsebene um 4,4 entspricht.

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Claims

Max-Planck-Gesellschaft . P 78 71 zur Förderung der Wissenschaften e.V. ANSPRÜCHE

1. Faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung des Faraday-Effekts,wobei der Lichtweg· für das Licht,dessen Polarisationszustand durch das den stromdurchflossenen Leiter umgebende Magnetfeld beeinfluß ist,durch den Kern einer optischen Faser markiert ist,die den Leiter in einer Anzahl von Windungen umgibt,dadurch gekennzeichnet,daß als optische Faser(I7)eine solche eingesetzt ist, die eine zirkuläre Doppelbrechung oC aufweist,die mindestens in der Größenordnung einer durch den Aufbau der Faser und deren gewundene Anordnung bedingten linearen Doppelbrechung β liegt.

2. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Kern der optischen Faser(17)aus kristallinem,optisch aktivem Material besteht,dessen optische Achse in Richtung der Fa serachse weist.

3. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet,daß die optische Faser(l7) eine Flüssig-Kern-Faser ist,deren Kernflüssigkeit optisch aktiv ist oder optisch aktive Zusätze enthält.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(17) eine Festkernfaser ist,der durch Verdrillung um
ihre Längsachse die erfoderliche zirkuläre Doppelbrechung OC_n" aufgeprägt ist.

5. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,daß der Betrag der zirkulären Doppelbrechung mindestens drei Mal größer ist als derjenige der linearen Doppelbrechung der optischen Faser(17).

6. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß die axiale Verdrillung in rad/m gemäß der Beziehung

τ >ψ

gewählt ist,worin die sich aus dem Aufbau der
Faser(17)und deren gewundener Anordnung ergebende lineare Doppelbrechung in rad/m und g eine Materialkonstante ist,die für Quarzglas zwischen 0,13 und 0,16 beträgt.

7. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(17) den stromführenden Leiter(ll)in der Art einer eng gewickelten Spule umgibt,deren Windungeni53)un mittelbar nebeneinander und gegebenenfalls übereinander angeordnet sind und im wesentlichen in zur Längsachse des LeitersC lDrechtwinklig verlaufenden parallelen Ebenen angeordnet sind.

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8. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-7,

dadurch gekennzeichnet,daß die Verdrillung gleichmäßig über die Länge der optischen Faser(17)ver teilt ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-8,

dadurch gekennzeichnet,daß der optischen Faser(17) in aneinander anschließenden Teillängen ihr Ver drillungsgrad dadurch erteilt wird,daß jeweils der Beginn eines Faserabschnittes an einem Träger(54) fixiert,sodann der einseitig festgehaltene Abschnitt verdrillt und das Ende desselben wieder am Träger (54)befestigt wird und danach der sich an diesen Fixpunkt(56)anschließende Abschnitt derselben oder einer anderen Teillänge der optischen Faser(17) verdrillt und mit seinem Ende wieder drehfest am Träger(54)befestigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,daß die Befestigung zwischen der optischen Faser(17)und dem Träger(54)an den zwischen dem Anfang un dem Ende der verdrillten Faserlänge angeordneten Befestigungsstellen(56) wieder aufgehoben wird,nachdem die Faser unmittelbar an dem Träger(54)anliegend aufgebracht und an ihrem vom ersten 3efestigungspunkt entfernten Befes.t^gungspunkt am Träger drehfest fixiert ist.

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11. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,daß zur Befestigung der optischen Faser(17)an den zwischen Anfang und ihrer verdrillten Länge angeordneten Fixierungs stellen(56)ein thermisch aufweichbarer und/oder chemisch lösbarer Klebstoff verwendet wird.

12*. Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Anordnung gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8,mit einem spiralförmigen Faserwickel mit m 'Windungen und einer Verdrillung des Faserendes gegenüber dem Faseranfang von η »360°,

dadurch gekennzeic'nne t, daß die Faser ,während sie .an ihrem einen Ende-festgehalten ist,in gestrecktem Zustand an ihrem anderen Ende(n + m)-mal um 360 verdrillt und die dadurch erzielte Torsionsspannung zur Erzielung der m SpulenwindungenC53)ausgenutzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12,gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Am einen Ende eines als Stützelemente starre Stäbe,gespannte Drähte oder Fäden,die entlang der Kanten eines Prismatoids verlaufen,umfassenden ,Trägers,dessen wirksame Grund-bzw.Quer schnittsfläche durch radiales Auseinanderrücken der Stützelemente vergrößerbar ist,wird das eine Ende der optischen Fasßr derart an einem der Stützelemente befes tigt,daß die Faser an der Befestigungsstelle um eine radial zur Längsachse des Prismatoids verlaufende Achse schwenkbar,um ihre Längsachse aber unverdrehbar^%gehal ten istj

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b) bei gestrecktem Verlauf wird die Faser n-mal verdrillt und anschließend,während der kleinste Querschnitt· des Prismatoids eingestel.lt ist, die Faser schraubenförmig mit großer Gang Steigung in m Windungen um den Träger herumgelegt,wobei das freie Faserende,um der Faser die m weiteren 360 -Verdrillungen aufzuprägen,derart um den Träger herumgeführt wird,daß stets dieselbe Umfangsseite des Faserendes zum Träger hinweist;

c) das solchermaßen gegenüber dem schon am Trägerende befestigten Faserende (n+m)-mal verdrillte, freie Faserende wird nunmehr an einem entlang eines der Stützelemente verschiebbar geführten Teil wiederum so fixiert,daß dieses Faserende

. zwar einer Veränderung der Windungssteigung folgen,sich aber nicht um die Faserachse drehen kann .

d) Sodann werden unter sukzessiver Verkürzung des Abstandes der Faserenden und gleichzeitiger Vergrößerung des radialen Abstandes der Stützele mente von der Trägerlängsachse die sich in ihrem Durchmesser entsprechend vergrößernden Faser windungen bis in unmittelbare Anlage aneinander zusammengeschoben.

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Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Anordnung gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß die Faser in der vorgesehenen Anzahl von Windungen(53)um einen Kern(54) herumgeführt wird,wobei man zunächst einen Windungsdurchmesser wählt,der etwas größer ist als der Durchmesser des Kerns(54),sodann das freie Ende der FaserC17),die mit ihrem anderen Ende am Träger(54)drehfest befestigt ist,so oft verdreht,bis der erfoderliche Verdrillungsgrad entlang der FaserC 17) erreicht ist und anschließend die Faser so weit spannt,daß sie unmittelbar am Träger(54) an liegt und danach das freie Ende der Faser ebenfalls am Träger(54)drehfest fixiert.

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