DE555249C

DE555249C - Verfahren zur Erhoehung der Empfindlichkeit eines Kerrzellen-Lichtrelais

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Publication number: DE555249C
Application number: DEP62260D
Authority: DE
Original assignee: LEO PUNGS DR ING
Current assignee: LEO PUNGS DR ING
Priority date: 1931-02-06
Filing date: 1931-02-06
Publication date: 1932-07-19

Description

Der elektrooptische Kerreffekt hat in neuerer Zeit vielfach Anwendung gefunden, wenn sich die Technik vor die Aufgabe gestellt sah, einen Lichtstrom elektrisch zu steuern, z. B. in der Bildtelegraphie, für Tonfilmzwecke, zur Messung hochfrequenter Spannungen. Um eine einigermaßen beträchtliche Lichtmenge steuern zu können, benötigte man Spannungen, die für viele Fälle unbequem hoch lagen. Man hat sich meistens

»dadurch geholfen, daß man die Steuerwechselspannung einer Gleichspannung überlagerte und so die Empfindlichkeit vergrößerte, nahm jedoch damit eine Reihe von Nachteilen in Kauf.

Die vorliegende Erfindung gibt einen anderen Weg an, die Empfindlichkeit der Kerrzelle als Lichtrelais wesentlich zu erhöhen. Sie bedient sich dazu einer Vorrichtung, die geeignet ist, den Arbeitspunkt auf den steilen Teil der Lichtspannungscharakteristik zu verschieben, ohne eine Vorspannung zu verwenden. Diese Forderung wird z. B. erfüllt durch die Einschaltung eines Glimmerplättchens in den Lichtweg.

Die Kerrzelle stellt bekanntlich einen Kondensator mit der Kerrflüssigkeit —- meistens Xitrobenzol — als Dielektrikum dar. Sie wird zwischen gekreuzte Polarisatoren gebracht (s. Abb. i), deren optische Hauptachsen gegen die Richtung des elektrischen Feldes um je 45° geneigt sind. Liegt keine Spannung an der Zelle, so vermag das Licht diese Anordnung nicht zu durchsetzen.

Im elektrischen Felde wird nun die Kerrflüssigkeit doppelt brechend; die in Richtung des Feldes schwingende Lichtkomponente erhält eine andere Fortpflanzungsgeschwindigkeit als die senkrecht zum Felde schwingende. Zwischen beiden ist somit beim Austritt aus der Kerrzelle eine Phasenverschiebung δ vorhanden. Durch die optische Anordnung tritt nunmehr die Lichtmenge L, die mit δ und der Lichtmenge L₀, die im günstigsten Falle auftritt, in folgender Beziehung steht:

L =

Die Phasenverschiebung δ ist abhängig von der Feldstärke (S, der Länge { des Lichtweges zwischen den Kondensatorplatten und der Kerrkonstanten des Dielektrikums B zufolge der Beziehung

6 = 2 π · B · I · g²,

damit wird L = L_n- sin² (π · B · I · g²).

Der Lichteffekt, der von einer Steuerspannung ausgelöst und etwa auf einer Photozelle zur Wirkung gebracht wird, ist nun unschwer zu ermitteln. Es ist in Abb. 2 zunächst die Lichtmenge L in Abhängigkeit vom Quadrat der Feldstärke g² gezeichnet. Weiterhin ist das Quadrat der Feldstärke g² in Abhängigkeit von der Zeit t für eine Halbperiode einer

sinusförmigen Wechselspannung aufgetragen. Es läßt sich nun für jeden Zeitwert von S² der zugehörige Wert von L und damit die Kurve L = f (t) bestimmen, wie es in Abb. 2 durchgeführt ist.

Die graphische Auswertung macht die Mängel dieser Meßmethode sofort deutlich: Die geringe Steilheit der Kurve L = f ((S²) in der Nähe des Nullpunktes läßt nur einen kleinen Lichteffekt zu, und ihre Krümmung führt dazu, daß das Licht-Zeit-Diagramm eine verzerrte Abbildung des Feldstärke-Zeit-Diagrammes ist, daß der Mittelwert der Lichtmenge keineswegs dem Effektivwert der Feldstärke entspricht und von der Kurvenform der Wechselspannung beträchtlich abhängig ist.

Es erscheint also wünschenswert, den Arbeitspunkt in den steilen Teil der Kurve L — f ((S²) zu verlegen (Abb. 3). Zu diesem Zwecke muß dem verwendeten Licht außer der mit Hilfe der Kerrzelle erzeugten Phasenverschiebung noch eine weitere Phasenverschiebung erteilt werden, die so groß sein soll, daß sie die beabsichtigte Verlegung des Arbeitspunktes in die Mitte des ersten Anstiegs von L = f ((S²) hervorruft. Zur Erzeugung dieser Phasenverschiebung kann man sich z. B. einer doppelt brechenden Kristallplatte bedienen.

Die beiden Teilstrahlen, denen in der Kerrzelle bzw. Kristallplatte eine Phasenverschiebung erteilt ist, setzen sich beim Austritt aus dem doppelt brechenden Medium zu einem resultierenden Lichtstrahl zusammen, dessen Schwingungsrichtung im allgemeinen umläuft, während sich seine Intensität periodisch ändert (elliptisch polarisiertes Licht). Beträgt die Phasenverschiebung ο, π, 2 π (wobei 2 π der Wellenlänge des verwendeten Lichtes entspricht), so zieht sich die Schwingungsellipse zur Geraden zusammen (linear polari-

siertes Licht). Für —: — π ... wird die

^J 11

Ellipse zum Kreise (zirkulär polarisiertes Licht). Mit solchem zirkulär polarisierten Lichte haben wir es an der steilsten Stelle der Charakteristik zu tun. Die Phasenverschiebung beträgt — oder ein Viertel der Licht-

wellenlänge. Kristallplatten, die solche Phasenverschiebungen hervorrufen, sind in der Optik als Viertelwellenlängenplatten bekannt. Aus Abb. 3 werden die Vorteile ersichtlich: Die Lichtmengenänderung, die nach der Ver-Schiebung des Arbeitspunktes erreicht wird, ist wesentlich größer als zuvor, und außerdem ist L = f (t) eine unverzerrte Wiedergabe von (S² = / (i), so daß der Mittelwert L_n, dem Effektivwert entspricht und sich nicht mit der Kurvenform verschiebt. Die Anordnung unterscheidet sich grundsätzlich von der Überlagerung eines Wechselfeldes über ein Gleichstromfeld insofern, als sich hier nicht die Spannungen, sondern lediglich die Phasenverschiebungen zusammensetzen. Sie vermei-

((S₁

sin ψ) ² = Sl + 2 Y² · (S₁ · (S₂ · sin φ — Sa. cos² φ

det die beim Überlagerungs.verfahren durch auftretenden Schwierigkeiten, da die Charakteristik im Arbeitspunkt praktisch geradlinig ist.

Es ist keineswegs erforderlich, mit genau zirkulär polarisiertem Lichte zu arbeiten; in den meisten Fällen dürfte es genügen, den Arbeitspunkt auf den als ungefähr gerade anzusprechenden Teil der Charakteristik L = F ((S²) zu verschieben. In vielen Fällen dürfte es sogar vorteilhaft sein, am Beginn des steilen Anstieges von L = f ((S²) zu arbeiten. Um die Doppeltbrechung zu erzeugen, kann man auch eine zweite Kerrzelle, in der eine Gleichspannung 90⁰ Phasenverschiebung erzeugt, vor die erste setzen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit eines Kerrzellen-Lichtrelais, dadurch gekennzeichnet, daß den Teilstrahlen des verwendeten polarisierten Lichtes außer der in der Kerrzelle erzeugten, spannungsabhängigen Phasenver-Schiebung noch eine weitere unveränderliche Phasenverschiebung erteilt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zusätzlichen Phasenverschiebung eine doppelt brechende Kristallplatte in den Lichtweg geschaltet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen