DE3931543A1 - Polarimeteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Polarimeteranordnung zur Bestimmung der in einer optischen Meßstrecke verursachten Dre­ hung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Licht­ strahls mit einem Heterodynverfahren.

Beim Durchqueren eines optisch aktiven Mediums wird die Pola­ risationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles ge­ dreht. Der zugehörige Drehwinkel stellt dabei ein Maß für die optische Aktivität dieses Mediums dar und kann als Grundlage für die Bestimmung von Meßgrößen dienen, die in der Lage sind die optische Aktivität der durchstrahlten Substanz zu beein­ flussen. So dient beispielsweise bei der Saccharimetrie die Messung der optischen Aktivität als Grundlage für die Be­ stimmung der Zuckerkonzentration. Die durch ein Magnetfeld in vielen Substanzen induzierte optische Aktivität (Faraday- Effekt) wird für optische Sensoren zur Strom- oder Magnet­ feldmessung verwendet. Voraussetzung ist dabei eine möglichst genaue und von Fremdeinflüssen ungestörte Bestimmung des Dreh­ winkels.

Aus 1 ist beispielsweise ein faseroptischer Stromsensor be­ kannt, bei dem die Faraday-Drehung der Polarisationsebene eines sich in einer optischen Faser ausbreitenden linear polarisier­ ten Lichtstrahls ausgenutzt wird. Zu diesem Zweck ist die opti­ sche Faser um einen stromführenden Leiter in mehreren Windungen herumgelegt und bildet eine Meßspule. Bei dem bekannten faser­ optischen Stromsensor wird die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes als Phasenverschiebung eines Heterodyn-Signals ge­ messen. Der Stromsensor enthält eine Lichtquelle, die einen linear polarisierten Lichtstrahl erzeugt, dessen Polarisations­ richtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert. Dazu wird das von einer Laserdiode emittierte Licht in die zwei Arme eines Michelson-Interferometers aufgespalten. Die beiden Interferometerarme enthalten zueinander gekreuzte Polarisa­ toren. Die durch diese Polarisatoren erzeugten senkrecht zu­ einander polarisierten Lichtstrahlen erfahren entsprechend dem optischen Weglängenunterschied im Michelson-Interferometer eine Phasendifferenz. Mittels eines λ/4-Plättchens werden diese zu­ einander phasenverschoben und orthogonalen Komponenten zu einem linear polarisierten Lichtstrahl zusammengesetzt, dessen Pola­ risationsrichtung sowohl vom Gangunterschied des Michelson- Interferometers als auch von der Frequenz des von der Laser­ diode emittierten Lichtes abhängt. Durch Änderung des Injek­ tionsstroms in der Laserdiode läßt sich die Lichtfrequenz und somit die Polarisationsebene des aus dem λ/4-Plättchens aus­ tretenden Lichtes ändern. Der Injektionsstrom in der Laserdiode wird dabei sägezahnförmig geändert, wobei die Amplitude der Stromänderung so bemessen ist, daß sich eine Drehung der Pola­ risationsebene um 180° ergibt. Die Rotationsfrequenz der Drehung der Polarisationsebene beträgt dann beispielsweise die Hälfte der Modulationsfrequenz des Injektionsstromes. Dieser Lichtstrahl wird dann an einem Strahlteiler in einen Referenz­ strahl und einen Meßstrahl aufgeteilt. Der Meßstrahl wird dann in eine zu einer Meßspule gewickelten Lichtleitfaser einge­ koppelt. Die Intensität des Referenzstrahls und die Intensität des Meßstrahls nach durchlaufener Meßstrecke werden jeweils hinter einem Analysator gemessen. Den Intensitäten der aus den Analysatoren austretenden Lichtstrahlen ist eine Schwingung aufgeprägt, die der Rotationsfrequenz der Drehung des Polari­ sationsvektors entspricht. Mittels Bandpaßfilter werden diese Schwingungsanteile sowohl für den Meßstrahl als auch für den Referenzstrahl gefiltert und einem Phasendetektor zugeleitet. Im Schwingungsanteil des Meßsignals sind neben einer Phasen­ verschiebung, die durch die vom Magnetfeld induzierte zirku­ lare Doppelbrechung verursacht ist, auch noch apparativ be­ dingte Phasenverschiebungen enthalten, die beispielsweise durch die Analysatorstellungen verursacht sind. Außerdem ist dem Meßsignal noch eine Phasenverschiebung aufgeprägt, die durch die elastooptisch induzierten zirkularen Doppelbrechungs­ eigenschaften der Faser verursacht ist. Durch entsprechende Stellung der Analysatoren im Meßzweig und im Referenzzweig können diese Anteile bei verschwindendem Magnetfeld kompensiert werden, so daß am Ausgang des Phasendetektors nur der vom Magnetfeld herkommende Phasenanteil übrigbleibt. Dieser Pha­ senanteil ist dann proportional dem zu messenden Magnetfeld.

Die genannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der durch zirkulare Doppelbrechung hervorgerufene Phasenanteil noch temperatur- und torsionsabhängig ist, so daß der Abgleich der Analysatorstellungen bei einer Veränderung der Umgebungsbe­ dingungen stets von neuem durchzuführen ist.

In 2 ist deshalb eine reflexive Anordnung vorgeschlagen wor­ den, bei der der Lichtstrahl nach Durchlaufen der Faserspule reflektiert wird und die Faserspule in entgegengesetzter Rich­ tung erneut durchquert. Durch diese Maßnahme werden die durch zirkulare Doppelbrechung verursachten Phasenanteile nahezu vollständig eliminiert, so daß ein Abgleich der Analysator­ stellungen in mehr erforderlich ist.

Die bekannten Anordnungen erfordern jedoch die Verwendung von Lichtquellen, die technisch sehr aufwendige Einrichtungen zum Erzeugen der Rotation der Polarisationsebene des von ihnen emittierten Lichtes enthalten. Außerdem muß bei diesen Anord­ nungen die Phasenlage des in die Faserspule eintretenden Lich­ tes in einem separaten optischen Meßzweig gemessen werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Polari­ meteranordnung zur Bestimmung der in einer optischen Meß­ strecke verursachten Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls mit einem Heterodynverfah­ ren anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile ver­ mieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Die Erfindung macht dabei Gebrauch von der Tat­ sache, daß die Polarisationsebene linear polarisierten Lichtes beim Durchtritt durch eine Halbwellenverzögerungsplatte gedreht wird. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist dabei die Auf­ spaltung der beispielsweise aus 1 bekannten Lichtquelle in eine einfache Lichtquelle, die nur noch linear polarisiertes Licht aussendet und eine Halbwellenverzögerungsplatte deren optische Hauptachsen gedreht werden können, so daß die Polari­ sationsebene des Lichtes in eine Rotationsbewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung versetzt wird. Die Drehung der opt­ ischen Hauptachsen einer Halbwellenverzögerungsplatte kann bei­ spielsweise rein mechanisch durch eine drehbar gelagerte Glim­ merplatte erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Halbwellenplatte mit elektrooptisch drehbaren optischen Hauptachsen vorgesehen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist den elek­ trischen Mitteln zur Drehung der optischen Hauptachsen eine Einrichtung zur Ableitung eines Phasenreferenzsignales zugeord­ net. Durch dieses elektrisch abgeleitete Phasenreferenzsignal wird eine bei der bekannten Meßanordnung für die Erzeugung eines Referenzsignales zusätzliche optische Phasenanalyse­ einrichtung vermieden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 eine Polarimeteranordnung gemäß der Erfindung für einen Magnetfeldsensor anhand eines Blockschaltbildes erläu­ tert wird.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in einem Blockschaltbild eine vorteil­ hafte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Halb­ wellenplatte mit elektrooptisch drehbaren optischen Hauptachsen verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 emittiert eine Lichtquelle 1 einen linear pola­ risierten Lichtstrahl 10, der einen Strahlteiler 6 durchquert und in eine optische Meßstrecke 7 eingekoppelt wird. Nach Durchqueren der optischen Meßstrecke 7 wird der Lichtstrahl 10 in einem Spiegel reflektiert und durchquert die optische Meß­ strecke 7 erneut in entgegengesetzter Richtung. Bei der opti­ schen Meßstrecke 7 handelt es sich im Beispiel der Figur um eine Lichtleitfaser, die zur Messung eines Stromes I um einen stromführenden Leiter 8 in Gestalt einer Meßspule herumge­ wickelt ist. Anstelle einer Faserspule können dabei je nach Stärke und Geometrie des zu messenden Magnetfeldes auch ma­ gnetooptische Kristalle mit hoher Faraday-Konstante vorgesehen sein, beispielsweise Bi₁₂SiO₂₀ oder ZnSe.

Nach Durchqueren der optischen Meßstrecke 7 wird der am Spiegel 9 reflektierte Lichtstrahl 11 vom Strahlteiler 6 in eine Po­ larimeteranordnung 2a eingekoppelt. Diese Polarimeteranordnung 2 enthält eine drehbar gelagerte Halbwellenplatte 20, die von einem elektrischen Antrieb 22 in eine Rotationsbewegung ver­ setzt wird. Durch diese rotierende Halbwellenplatte 20 wird aus dem linear polarisierten Lichtstrahl 11 ein linear polarisier­ ter Lichtstrahl 12 mit rotierender Polarisationsebene erzeugt. In einer Analysatoreinrichtung 26, die einen Analysator und einen Lichtempfänger enthält, wird die Intensität des Licht­ strahls 12 gemessen und ein zugehöriges elektrisches Signal MS erzeugt, das einem Phasendetektor 28 zugeleitet wird.

Die Halbwellenplatte 20 ist beispielsweise eine Glimmerplatte. Als Antrieb 22 ist beispielsweise ein Schrittmotor vorgesehen, der die drehbar gelagerte Glimmerplatte mittels eines Trans­ missionsriemens in Rotation versetzt. Zur Steuerung des An­ triebes 22 ist eine Steuereinrichtung 24 vorgesehen, die ein Phasenreferenzsignal RS erzeugt, das die Winkelstellung der rotierenden Halbwellenplatte angibt und ebenfalls dem Phasen­ detektor 28 zugeleitet wird.

Als Antrieb 22 kann beispielsweise ein Schrittmotor vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung 24 mit Hilfe eines Takt­ signals gesteuert wird, wobei n Takte einer Umdrehung der Glimmerplatte entsprechen. Eine Umdrehung der Glimmerplatte korrespondiert dann zu zwei Umdrehungen der Polarisations­ ebene. Dem von der Analysatoreinrichtung 26 abgeleiteten Meß­ signal ist dann eine Schwingung mit der 4-fachen Frequenz auf­ geprägt. Die vom Phasendetektor 28 abgeleitete Phasenver­ schiebung Φ zwischen dem Referenzsignal RS und dem Meßsignal MS ist dann ein Maß für die innerhalb der optischen Meßstrecke 7 erzeugte Drehung der Polarisationsebene.

Die Halbwellenverzögerungsplatte 20 kann dabei an beliebiger Stelle des Strahlengangs zwischen Lichtquelle und Analysator­ einrichtung 26 angeordnet sein. Die Halbwellenverzögerungs­ platte kann sich beispielsweise auch unmittelbar am Ausgang der Lichtquelle 1 befinden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist als Halbwellenverzögerungsplatte ein elektrooptisches Element vorgesehen, dessen optische Hauptachsen mit Hilfe des elektrooptischen Effektes gedreht werden können. Solche elek­ trooptisch drehbaren Halbwellenverzögerungsplatten sind bei­ spielsweise aus 3 und 4 bekannt. Ausgangspunkt ist ein optisch einachsiger Kristall, der genau eine Achse mit zwei­ facher Symmetrie hat, beispielsweise eine Achse senkrecht zur (111) Ebene eines Zinksulfid-Kristalls. Die Fläche senk­ recht zu dieser c-Achse ist die Eintrittsfläche für den Licht­ strahl. Die Flächen senkrecht zu den a- und b-Achsen sind je­ weils poliert und mit Flächenelektroden bedampft. An jeweils gegenüberliegende Elektroden wird eine Spannungsquelle, bei­ spielsweise ein Sinusgenerator angeschlossen. Ohne angelegte Spannung verhält sich der Kristall isotrop und die Polarisa­ tionsebene des in den Kristall eintretenden Lichtstrahles 10 wird nicht gedreht. Legt man jedoch an das eine Elektrodenpaar die Spannung V_a = Acos β und an das andere die Spannung V_b=Asin β, wobei A die Spannungsamplitude und β der Winkel in einem durch die a- und b-Achse aufgespannten Koordinatensystem, so wird die Indikatrix elliptisch und der Kristall doppelbre­ chend. Ist A gleich der sogenannten Halbwellenspannung, so ver­ hält sich der Kristall wie eine Halbwellenverzögerungsplatte. Linear polarisiertes Licht erscheint an der Austrittsfläche um den Winkel -β/2 sowie um einen vom Kristall abhängigen Offset­ winkel gedreht.

Moduliert man die Spannung mit der Kreisfrequenz w, so wird das im Kristall anliegende elektrische Feld senkrecht zur Ausbrei­ tungsrichtung zeitkontinuierlich mit der gleichen Frequenz ge­ dreht. Die elektrooptisch induzierte ellipsenförmige Indikatrix wird ebenfalls zeitkontinuierlich gedreht. Diese Drehung er­ folgt jedoch in entgegengesetzter Richtung wie das elektrische Feld und mit halber Kreisfrequenz w/2. Dadurch wird eine Dre­ hung der Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahles 10 mit der Kreisfrequenz w verursacht.

In einer praktischen Ausführungsform ist ein Lithiumniobatkri­ stall mit den Abmessungen 5 mm×5 mm×40 mm vorgesehen. Die Halbwellenspannung für diesen Kristall beträgt ca. 400 V.

Die Halbwellenspannung ist dabei umgekehrt proportional zur Kantenlänge quer zur Ausbreitungsrichtung und kann durch eine entsprechende Verkleinerung dieser Kantenlänge verringert wer­ den. Die minimale Kantenlänge wird jedoch sowohl durch den Strahldurchmesser als auch durch die bei der mechanischen Be­ arbeitung des Kristalls erforderlichen Mindestabmessungen be­ grenzt. Die Halbwellenspannung wird außerdem durch eine Ver­ größerung der Kantenlänge in Ausbreitungsrichtung des Lichtes verringert.

In der Polarimeteranordnung 2b gemäß Fig. 2 ist die Halbwel­ lenverzögerungsplatte 21 zwischen der Lichtquelle 1, beispiels­ weise eine schmalbandige LED mit vorgeschaltetem Polarisator oder eine rauscharme Laserdiode, und der magnetooptischen Meß­ strecke 7 angeordnet. Die zur elektrooptischen Drehung der opt­ ischen Hauptachsen der Halbwellenverzögerungsplatte 21 erfor­ derlichen Spannungen werden von einem Oszillator 25 bereitge­ stellt, der ein mit der doppelten Kreisfrequenz 2w moduliertes Referenzsignal erzeugt.

Die Polarisationsebene des aus der Halbwellenverzögerungsplatte 21 austretenden Lichtstrahls 100 rotiert mit der Kreisfrequenz w und wird über einen Strahlteiler 6 in die optische Meßstrecke 7 eingekoppelt. Der nach Durchlaufen der optischen Meßstrecke 7 an einem Spiegel 9 reflektierte Lichtstrahl 12 durchquert die optische Meßstrecke 7 erneut und wird über den Strahlteiler 6 einer Analysatoreinrichtung, beispielsweise einer Fotodiode mit vorgeschaltetem Analysator zugeleitet. Das von der Fotodiode erzeugte elektrische Signal ist mit der Kreisfrequenz 2w mo­ duliert und wird vorzugsweise über ein Bandpaßfilter 27 einem Phasendetektor 28 zugeführt, in dem die Phasendifferenz Φ des vom Bandpaßfilter 27 bereitgestellten Meßsignals MS des vom Oszillator 25 zur Verfügung gestellten ebenfalls mit doppelter Kreisfrequenz 2w modulierten Frequenzsignales RS gemessen wird.

(1): Kersey, A.D., Jackson, D.A., Journal of Lightwave Techn., Vol. LT4, No. 6, 1986, S. 640-644
(2): DE-A-27 26 411
(3): Buhrer, C.F., Baird, D., Conwell, E.M., Appl. Phys. Lett., Vol. 1, No. 2, Okt. 1962, S. 46-49
(4): Campbell, J.P., Steier, W.H., IEEE J. Quant. Electr., Voll. QE7, No. 9, Sept. 1971, S. 450-457

Claims (5)

1. Polarimeteranordnung zur Bestimmung der in einer optischen Meßstrecke (7) verursachten Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles (10, 11) mit einem Heterodynverfahren, dadurch gekennzeich­ net, daß im Strahlengang des Lichtstrahls (10 oder 11) eine Halbwellenverzögerungsplatte (20) vorgesehen ist, der elektrische Mittel (22) zur Drehung ihrer optischen Haupt­ achsen mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit (w) zuge­ ordnet sind.

2. Polarimeteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine mechanisch drehbare Halb­ wellenverzögerungsplatte (20) vorgesehen ist.

3. Polarimeteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Halbwellenverzögerungs­ platte (21) mit elektrooptisch drehbaren optischen Hauptachsen vorgesehen ist.

4. Polarimeteranordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß den elektri­ schen Mitteln (22 bzw. 25) zur Drehung der Hauptachsen eine Einrichtung zur Ableitung eines Phasenreferenzsignales (RS) zu­ geordnet ist.

5. Optischer Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes, gekennzeichnet durch eine Polarimeteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.