DE2855337A1 - Verfahren zur kompensation des in einer bei einem magnetooptischen stromwandler verwendeten lichtleitfaser auftretenden doppelbrechungseinflusses - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation
• der in einer als Faraday-Dreher verwendeten Lichtleitfaser auftretenden Doppelbrechung.
• Es ist bereits ein magnetooptischer Stromwandler bekannt, der von einer Lichtleitfaserspule als Faraday-Dreher Gebrauch macht. Bei der Herstellung derartiger Spulen ergeben sich zwangsläufig Lichtleitfaserkrümmungen, die zu mechanischen Spannungen führen und damit den Lichtleitfaserkernzu einer Ellipse verformen, die zu einer linearen ormdoppclbrechung führt. Zur Kompensation dieser Doppelbrechungensind beim bekannten magneteoptischen Stromwandler zwei als Meßfühler ausgebildete, optisch hintereinander geschaltete und eng benachbarte Lichtleitfaserspulenvorgesehen, deren Spulenachsen nahezu senkrecht zueinander stehen. Beim Meßfühler werden durch die Hintereinanderschaltung der beiden Lichtleitfaserspulen die optischen Hauptachsen um 900 gedreht und so die Laufzeitunterschiede kompensiert (DE-OS 25 41 072).
• Mit einem derartigen Spulensystem kann zwar die krümmungsabhängige Doppelbrechung kompensiert werden, es ist jedoch nicht sichergestellt, daß es nicht innerhalb jeder einzelnen Lichtleitfaserspule zu größeren Phasenverschiebungen zwischen den Teilwellen kommt, da in einer solchen Spule die Polarisationsrichtung relativ zu den Achsen der durch die Krümmung entstandenen Formellipse des Lichtleitfaserkerns erhalten bleibt. Größere Phasenverschiebungen in Teilstrecken der Lichtleitfaserspule führen jedoch zu stark elliptisch oder zirkular polarisiertem Licht, so daß die effektive Faraday-Drehung nicht mehr als Maß für die magnetische Feldstärke und damit für die zu messende Stromstärke verwendbar ist.
• Die Herstellung der zwei Paare von Lichtleitfaserspulen ist relativ kompliziert und der benötigte technische -Aufwand beträchtlich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches in einfacher Weise ermöglicht, sowohl durch Lichtleitfaserkrümn£ungen hervorgerufene als auch herstellungsbedingte Formeffekte der Lichtleitfaser zu kompens~eren.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtleitfaser in ihrer Längsachse eine Torsion erteilt ist.
• Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß wie bisher üblich als Meßfühler nur eine einzige Lichtleitfaserspule crforderlich ist und der Einfluß der Doppelbrechung auf den Polarisationszustand innerhalb der Lichtleiterspule selbst eliminiert wird. Hat die Lichtleitfaser von Haus aus im Querschnitt Abweichungen von der Kreisform (Ellipsenform), so kann die dadurch auftretende Doppelbrechung ebenfalls kompensiert werden, indem der Faser in ihrer Längsachse eine Torsion erteilt wird.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt einer Lichtleitfaser und einer Lichtleitfaserspule, wobei weder der gestreckten Einzelfaser noch den Windungen der Spule eine Torsion erteilt ist, Fig. 2 eine Darstellung der Drehung der Formellipse der Lichtleitfaser relativ zur Polarisation0-ri ehtung ohne Torsion der Spulen-Lichtleitfaserwindungen, Fig. 3 ein Diagramm über die Phasendifferenz tv zwischen zwei Teilwellen bei Ausbildung der Lichtleitfaser ohne Torsion nach Fig. 1, Fig. 4 einen Ausschnitt einer Lichtleitfaser mit Torsion und einer Lichtleitfaserspule wobei die Windungen eine Torsion aufweisen, Fig. 5 eine Darstellung der Drehung der Formellipse der Lichtleitfaser relativ zur Polarisationsrichtung mit Torsion der Spulen-Lichtleitfaserwindungen, Fig. 6 ein Diagramm über die Phasendifferenz Aç zwischen zwei Teilwellen bei Ausbildung der Lichtleitfaser mit Torsion nach Fig. 4, Fig. 7 eine Darstellung der Drehung der Achsen der Formellipse bei konstanter räumlicher Orientierung der Polarisationsrichtung.
• In der Fig. ia ist eine gestreckte Lichtleitfaser 1 mit einem ellipsenförmigen Querschnitt 2 dargestellt, die keine Torsion aufweist, wie durch die gedachte Linie 3 auf der Oberfläche der Lichtleitfaser angedeutet ist. In der Fig. ib ist eine derartige Lichtleitfaser zu einer mehrwindigen Spule gewickelt, wobei die Windungen keine Torsion aufweisen, wie durch die gedachte Linie 3 angedeutet ist; bei der dargestellten Wickelart wird die gedachte Linie 3 stets an der äußeren Oberfläche jeder Windung entlanglaufen, wie durch die Punlcte 4 angedeutet ist.
• Im isotropen Material der Lichtleitfaser 1 tritt hier eine Doppelbrechung auf, wobei die dabei entstehenden optischen Hauptachsen mit den Achsen der Formellipse der Lichtleitfaser identisch sind, wie dies in der Fig. 2 angedeutet ist. Dargestellt sind vier jeweils um 90° versetzte Schnitte einer Lichtleitfaserwindung 5 nach Fig. 1. Die jeweiligen sich durch Krümmung der Faser ergebenden FormellSpsen der Lichtleitfaserwindung 5 sind in Fig. 2 mit 6 bis 9 bezeichnet, die Polarisationsrichtung mit 10 In den Lichtleitfaserkern eingekoppeltes linear polarisiertes Licht breitet sich in Richtung der beiden Hauptachsen mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit aus. Die Differcnz der Phasengeschwindigkeiten wird durch die numerische Exzentrizität der Formellipsen 6 bis 9 und durch die Materialeigenschaften der Lichtleitfaser bestimmt. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, wächt bei einer herkömmlich gewickelten Lichtleiterspule ohne Torsion der Faser die Phasendifferenz Oip linear mit der Länge s der Lichtleiterstrecke.
• Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird nun erreicht, daß sich zwei senkrecht zueinander orientierte, mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit ausbreitende Teilwellen nicht zu stark gegeneinander verschieben, so daß ein zirkularer Polarisationszustand des eingekoppelten linear polarisierten Lichts vermieden ist.
• In der Fig. 4a ist ein Ausschnitt einer tordierten Lichtleitfaser 1' dargestellt, wobei die erteilte Torsion wieder durch eine gedachte, auf der Oberfläche der Faser verlaufende Linie 3' angedeutet ist. Durch den Pfeil ist die Torsionsrichtung angedeutet.-In der Fig. 4b ist ein Ausschnitt einer Lichtleitfaserspule dargestellt, wobei die Lichtleitfaser 1' eine Torsion um ihre Längsachse aufweist, wie durch die Linie 3' und die dieser zugeordneten Punkte 4' angedeutet ist.
• Im Gegensatz zur Ausbildung nach der Fig. lb verläuft bei den eine Drehung von 3600. pro Windung aufweisenden Lichtleitfaserwindungen 5' die gedachte Linie 3' nicht an der äußeren Oberfläche entlang, sondern sie windet sich beispielsweise im Verlaufe einer halben Windung von der äußeren Oberfläche zur inneren Oberfläche der Windung, wie auch durch die Punkte 4, 4' angedeutet ist.
• Durch die der Lichtleitfaser nach Fig. 4a oder den Lichtleitfaserwindungen nach Fig. 4b erteilte Torsion ändert sich die Polarisationsrichtung relativ zu den Achsen der Formellipse in proportionale Weise und die Polarisationsebene wird kontinuierlich und gleichmäßig über die gesamte Faserlänge gedreht, wie in der Fig. 5 dargestellt ist.
• Wie aus der Fig. 6 ersichtlich, werden die Laufzeitunterschiede zwischen den Lichtwellen in den beiden Ellipsen-bzw. optischen Hauptachsenrichtungen klein gehalten, da durch die kontinuierliche Drehung der Polarisationsebene die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen längs der Faser das Vorzeichen wechselt.
• Bei der Lichtleitfaserspule nach Fig. 4b ist jeder Lichtleitfaserwindung 5' eine derartige Torsion erteilt, daß sich die Polarisationsebene je Lichtleitfaserwindung so stark dreht, daß die Phasendifferenz Aç unterhalb einer bestimmten Toleranzgrenze bleibt.
• Eine Lichtleitfaserspule mit Torsion der Lichtleitfaserwindungen nach Fig. b kann beispielsweise derart hergestellt werden, daß in einem ersten Schritt eine gestreckte Lichtleitfaser entsprechender Länge um ihre Längsachse tordiert wird und in einem zweiten Schritt wird dicse tordierte Lichtleitfaser in üblicher Weise zu einer Spule mit mehreren Windungen gewickelt.
• Eine Lichtleitfaserspule kann jedoch auch derart hergestellt werden1 daß die Lichtleitfaser bei fest eingespannten inden durch Zusammenschieben zu einer schraubenlinienförmig ausgedehnten Lichtleiterspule ausgebildet wird. Bei derartig hergestellten Lichtleitfaserspulen wird die Lichtleitfaser durch den Wickelvorgang selbsttätig tordiert und jede Lichtleitfaserwindung erfährt eine bestimmte Torsion in der Längsachse. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich, bleibt die räumliche Orientierung der Polarisationsrichtung erhalten, relativ u den Achsen der Formellinse jedoch ändert sie sich.
• Die Lichtleitfaserspule kann auch zu einem Torus ausgebildet sein. Bei einer derart ausgebildeten Spule können geringe Abweichungen von der Schraubenlinienform durch Verschieben der einzelnen Spulenwindungen gegeneinander vorgenommen werden, so daß ein durch die Biegung der Lichtleitfaserspule zu einem Torus auftretender Doppelbrechungsfehler kompensiert wird.
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Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Kompensation des in einer bei einem magnet ooptischen Stromwandler verwendeten Lichtleitfaser auftretenden Doppeibrechungseinflusses auf den Polarisasionszustana eines linear polarisierten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitfaser in ihrer Längsachse eine Torsion erteilt ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Lichtleitfaserspule die Lichtleitfaser elltsprechender Länge in einem ersten Schritt in ihrer Längsachse tordiert wird und daß in einem zweiten Schritt die tordierte Lichtleitfaser zu einer Spule mit mehreren Windungen gewickelt wird
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser entsprechender Länge bei nicht um ihre Längsachse beweglichen Enden durch Zusammenschieben zu einer schraubenlinienförmigen Lichtleitfaserspule gebildet ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserspule zu einem Torus ausgebildet ist.