DE69328525T2

DE69328525T2 - Elektrooptische Sonde

Info

Publication number: DE69328525T2
Application number: DE69328525T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Isuke Hirano; Hironori Takahashi; Tsuneyuki Urakami
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2013-08-28
Also published as: EP0586202A2; EP0586202B1; US5444365A; JPH0682490A; EP0586202A3; DE69328525D1; JP3167189B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Sonde zur Messung elektrischer Spannungen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine elektrooptische Sonde für die Messung zur Erfassung von auf lokalen Teilen von gemessenen Objekten auftretenden infinitesimalen Spannungen.

Stand der Technik

Es gibt Verfahren zur Messung von Spannungen unter Verwendung einer E-O-Sonde aus elektrooptischen Werkstoffen, wie etwa ein Verfahren zur Messung von infinitesimalen Spannungssignalen, die auf den lokalen Teilen von gemessenen Objekten auftreten, indem die Spannungsveränderungen auf den lokalen Teilen erfasst werden. Insbesondere gibt es ein Verfahren zur Erfassung von auf lokalen Teilen gemessener Objekte auftretender infinitesimaler Spannungen, die von einer Veränderung des Brechungsindexes der elektrooptischen Werkstoffe Gebrauch machen, wie sie durch eine Veränderung des in der E-O- Sonde aufgebauten elektrischen Feldes verursacht werden, welche in der Nähe eines lokalen Teiles des gemessenen Objektes angeordnet ist (vergleiche die US-Patentschrift 4 446 425).
Die Druckschrift EP-0 213 965 offenbart einen Halbleiterlaser, der an einen äußeren Resonator gekoppelt ist, damit die Spektrenlinienbreite des Lasers verschmälert wird. Die Länge des optischen Pfades in dem äußeren Resonator ist elektrisch gesteuert, so dass die Phase in dem äußeren Resonator der des inneren Resonators des Lasers angepasst ist. Zur Steuerung der Länge des optischen Pfades in dem äußeren Resonator wird ein Werkstoff zur Ausbildung des Resonators verwendet, dessen Brechungsindex elektrisch verändert werden kann.
Die Druckschrift US-4 910 454 offenbart ein elektrisches Signalmesssystem unter Verwendung eines elektrooptischen Fabry-Perot-Interferometermodulators, der empfindlich gegenüber elektrischen Feldern ist und derartige Felder in eine Intensitätsmodulation eines optischen Strahles umwandelt. Das elektrische Feld eines zu messenden elektrischen Signals verlängert oder verkürzt den optischen Pfad des optischen Resonators des Fabry-Perot- Interferometers. Dies moduliert einen durch den Fabry- Perot-Interferometer übertragenen sondierenden optischen Strahl.
Die Druckschrift EP-0 344 986 offenbart eine elektrische Signalbeobachtungsvorrichtung, welche ein optisches Signal als Sonde zur Umwandlung der zu messenden Spannungs- oder Stromwellenform in einer optische Intensitätswellenform verwendet. Die optische Intensitätswellenform wird sodann in ein Signal umgewandelt, welches durch eine Signaluntersuchungsvorrichtung verwendet werden kann.
Ein Beispiel für die Ausbildung eines bestehenden Spannungsmessungssystem mit einer E-O-Sonde ist in Fig. 10 gezeigt. Der Brechungsindex des E-O-Elements 4 variiert in Reaktion auf das auf der gemessenen Vorrichtung 2 wie etwa einer Halbleitervorrichtung aufgebaute elektrische Feld. Ein von einer Lichtquelle 6 abgestrahlter Lichtstrahl, der durch ein Ansteuerungsgerät 5 gesteuert wird, passiert eine Kollimationslinse 8, eine Polarisationsstrahlenteileinrichtung 10, ein Wellenlängenplättchen 12 und eine Fokussierlinse 14 in dieser Reihenfolge und dringt in das E-O-Element 4 ein. Lediglich die zu dem einfallenden Strahl orthogonale Komponente des durch das E-O-Element 4 reflektierten und wiedergegebenen Lichtstrahles wird durch die Polarisationsstrahlteilungseinrichtung 10 getrennt, damit sie in die Fotoerfassungseinrichtung 16 eindringt, wo die Lichtstrahlkomponente in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das elektrische Signal gibt die Veränderung in dem auf dem E-O-Element 4 ausgebildeten elektrischen Feld wieder, d. h. die Veränderung in dem an dem lokalen Teil der gemessenen Vorrichtung 2 auftretenden elektrischen Signal.
Fig. 11 zeigt einen Kurvenverlauf des Betriebsprinzips des Spannungsmessgeräts aus Fig. 10. Wenn bei der gemessenen Vorrichtung 2 eine Schaltung mit Streifen auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist und eine adäquate Signalquelle mit der Vorrichtung verbunden wird, wird das Phasenplättchen 12 vermutlich entfernt. Wie dem Kurvenverlauf zu entnehmen ist, ist der Zusammenhang zwischen der an die gemessene Vorrichtung 2 angelegte Spannung V und der durch die Fotoerfassungseinrichtung 16 erfasste Ausgabeintensität I allgemein durch die Formel I = I&sub0;sin²{(π/2)(V/Vπ)} gegeben. Die Ausgabeintensität I variiert von I&sub1; bis I&sub2;, wenn die Spannung V von V&sub1; bis V&sub2; variiert. Demzufolge kann die Spannungsveränderung bei der Schaltung der gemessenen Vorrichtung 2, in deren Nähe sich das E-O-Element 4 befindet, d. h. die Veränderung bei einem elektrischen Signal, die durch eine äußere Signalquelle den Teil der Schaltung zugefügt wird, durch die Messung der Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung 16 mit einem adäquaten Messinstrument herausgefunden werden. Das Phasenplättchen fügt optisch eine Vorspannung hinzu, und die Ausgabeintensität I sollte mit einem Phasenplättchen I&sub0;/2 betragen, wenn die Spannung V nicht angelegt ist. Die Ausgabeintensität I weicht von I&sub0;/2 ab, wenn eine Spannung anliegt.
Mit dem bekannten Gerät zur Messung von Spannung konnte jedoch keine hinreichende Erfassungsempfindlichkeit erreicht werden, weil der Aufbau zur Erfassung einer kurzen Veränderung der in dem E-O-Element 4 verursachten Brechung ausgebildet ist, indem die Veränderung in dem Polarisationszustand des in das E-O-Element eindringenden und wiederkehrenden Lichtes erfasst wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spannungsmessgerät mit einem elektrooptischen Element, einem in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld variierenden Brechungsindex, einem Lichtverstärkung ermöglichenden Lasermedium und einem Resonatoraufbau anzugeben, wobei das elektrooptische Element und das Lasermedium in dem Resonatoraufbau angeordnet sind, damit eine Veränderung in der Spannung bei einem lokalen Punkt auf einem gemessenen Objekt mit hoher Genauigkeit erfasst wird.
Außerdem wird ein Spannungsmessgerät angegeben, das zudem eine erste reflektierende Einrichtung mit Lichtdurchlässigkeit, und eine zweite reflektierende Einrichtung mit einer höheren Lichtdurchlässigkeit als die erste reflektierende Einrichtung umfasst, wobei sowohl die erste reflektierende Einrichtung als auch die zweite reflektierende Einrichtung in dem Resonatoraufbau angeordnet sind.
Weiterhin wird ein Spannungsmessgerät angegeben, bei dem die erste reflektierende Einrichtung bei der dem elektrooptischen Element gegenüberliegenden Seitenendoberfläche des Lasermediums angeordnet ist und die zweite reflektierende Einrichtung eine Hochreflexionsbeschichtung aufweist, die an der dem Lasermedium gegenüberliegenden Seitenendoberfläche des elektrooptischen Elementes angeordnet ist.
Weiterhin wird ein Spannungsmessgerät angegeben, das zudem eine Fotoerfassungseinrichtung aufweist, damit ein aus dem Resonator durch die erste reflektierende Einrichtung abgestrahltes Licht erfasst wird. Weiterhin wird ein Spannungsmessgerät angegeben, das zudem ein entlang des optischen Pfades zwischen dem elektrooptischen Element und dem Lasermedium angeordnetes Phasenplättchen aufweist.
Weiterhin wird ein Spannungsmessgerät angegeben, bei dem das Phasenplättchen eine optische Vorspannung bereitstellt, damit die Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung sich scharf verändert, wenn dem elektrooptischen Element eine Spannung zugeführt wird. Der am besten geeignete Bereich einer derartigen Spannung geht von VΠ/2 bis VΠ.
Erfindungsgemäß wird eine elektrooptische Sonde zur Messung von Spannungen bereitgestellt, mit einer ersten und einer zweiten reflektierenden Einrichtung; und einem elektrooptischen Element, das zwischen der ersten und zweiten reflektierenden Einrichtung zur Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld angeordnet ist, dabei weist das elektrooptische Element optische Eigenschaften auf, die sich in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld verändern; dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite reflektierende Einrichtung zusammen einen Resonator zur Ausgabe eines Lichtstrahles definieren, der sich in Abhängigkeit von einer Veränderung der optischen Eigenschaften des elektrooptischen Elementes verändert, und durch ein Lasermedium, das in dem Resonator zur Verstärkung des Lichtstrahles angeordnet ist. Die vorstehend angeführte elektrooptische Sonde kann eine Veränderung des einem elektrooptischen Element benachbarten elektrischen Feldes mit hoher Empfindlichkeit von außen als eine Veränderung des Resonanzzustands der durch eine Veränderung des Brechungsindexes in dem elektrooptischen Element verursachten Laserresonanz erfassen, da in dem Aufbau des Resonators das elektrooptische Element zur Erfassung des elektrischen Feldes und ein Lasermedium angeordnet sind. Dies bedeutet, dass eine durch eine Veränderung bei dem am gemessenen Objekt aufgebauten elektrischen Feld verursachte Veränderung bei dem Brechungsindex des elektrooptischen Elementes es erlaubt, die gesamten in dem Resonatoraufbau beinhalteten Resonanzbedingungen zu verändern. Zudem ist die Intensität des von dem Resonatoraufbau abgestrahlten Laserstrahles nach der Verstärkung durch das Lasermedium gegenüber der kurzen Veränderung bei dem Brechungsindex des elektrooptischen Elementes sehr empfindlich, was die Resonanzbedingungen beeinflusst. Demzufolge kann eine empfindliche Erfassung durch eine kurze Veränderung bei dem Brechungsindex des elektrooptischen Elementes oder eine Veränderung des elektrischen Potentials bei einem lokalen Teilbereich eines gemessenen Objektes und dergleichen von außerhalb ohne jeglichen Kontakt erfolgen, indem der von dem Resonanzaufbau durch die erste reflektierende Einrichtung abgestrahlte Laserstrahl mit einer adäquaten Einrichtung beobachtet wird.
Erfindungsgemäß wird zudem eine elektrooptische Sonde zur Messung von Spannungen angegeben, diese umfasst dabei eine erste und eine zweite reflektierende Einrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite reflektierende Einrichtung zusammen einen Resonator zur Ausgabe eines Lichtstrahles definieren, und durch ein Lasermedium, das in dem Resonator zur Verstärkung des Lichtstrahles und zur Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld angeordnet ist, dabei weist das Lasermedium einen elektrooptischen Werkstoff mit optischen Eigenschaften auf, die sich in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld verändern, so dass eine Veränderung bei dem aus dem Resonator ausgegebenen Lichtstrahl verursacht wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden von der Betrachtung der nachstehenden ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung klarer. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Spannungsmessgerätes;
Fig. 2 Kurvenverläufe, welche die Betriebszustände eines Spannungsmessgerätes gemäß Fig. 1 beschreiben;
Fig. 3 ein zweites Beispiel eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Spannungsmessgerätes;
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Gerätes aus Fig. 4;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes;
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes;
Fig. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes;
Fig. 9 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes;
Fig. 10 einen Aufbau eines bekannten Gerätes zur Messung von Spannungen;
Fig. 11 die Betriebszustände eines bekannten Gerätes zur Messung von Spannungen beschreibende Kurvenverläufe; und
Fig. 12 die Betriebszustände eines erfindungsgemäßen Spannungsmessgerätes beschreibende Kurvenverläufe.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Bevor die Ausführungsbeispiele beschrieben werden, wird das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektrischen Spannungsmessgerätes beschrieben.
Das erste Beispiel für den Aufbau eines elektrischen Spannungsmessgerätes ist in Fig. 1 gezeigt. Bei diesem Aufbau ist ein Paar Resonanzspiegel 55 und 57 angeordnet, zwischen denen sich ein Satz aus Lasermedium 51 und E-O- Element 53 befindet. Von dem Lasermedium 51 wird ein linear polarisiertes Licht abgestrahlt. Falls der von dem Lasermedium 51 abgestrahlte Lichtstrahl nicht linear polarisiert ist, kann er durch ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Polarisationselement linear polarisiert werden, wie etwa durch einen nach dem Lasermedium 51 angeordneter Polarisator oder ein Brewster-Fenster. Nach dem Eindringen in das E-O-Element 53 kehrt das linear polarisierte Licht zurück und wird durch den Spiegel 55 reflektiert. Wenn durch das gemessene Objekt eine Spannung auf das E-O-Element ausgeübt wird, wird entsprechend der Intensität des elektrischen Feldes eine Veränderung des Brechungsindexes in dem E-O-Element 53 verursacht, und das Licht von dem E-O-Element 53 wird elliptisch polarisiert. Insgesamt verändert sich der Resonanzzustand in dem Laserresonator in Abhängigkeit von der Spannung an dem gemessenen Objekt. Demzufolge gibt die Intensität des Ausgabelichtes, das von dem Laserresonator durch den teilweise eindringenden Spiegel 57 oder einen Spiegel mit teilweiser Durchlässigkeit abgestrahlt wird, die an dem lokalen Bereich des gemessenen Objektes existierende Spannung wieder, in deren Nähe sich das E-O-Element 53 befindet.
Die Ausgabecharakteristik des Gerätes zur Messung einer elektrischen Spannung aus Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Ausgabecharakteristik ist die, wenn die Spannungen an dem (in der Zeichnung nicht gezeigten) gemessenen Objekt V&sub1; und V&sub2; sind. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind die Schwellenwerte der Anregungsintensität und die Neigungseffizienzen (Differentialeffizienzen) jeweils verschieden, wenn die Spannungen an dem gemessenen Objekt verschieden sind. Wenn dabei die Anregungsintensität konstant bei 10 gehalten wird, variiert das Ausgabelicht hervorragend entsprechend der Veränderung bei dem elektrischen Feld, welches bei dem E-O-Element aufgebaut wird, oder einer Veränderung bei dem dem gemessenen Objekt zugeführten elektrischen Signal. Demzufolge kann die Spannung an dem gemessenen Objekt mit einem hohen S/N-Verhältnis (Signal-zu-Rauschverhältnis) durch Messung der Intensität I des Ausgabelichtes bestimmt werden.
Das zweite Beispiel für einen Aufbau des Gerätes zur Messung von elektrischen Spannungen ist in Fig. 3 gezeigt. Bei diesem Beispiel ist ein teilweise eindringender Spiegel 59 oder ein Spiegel mit teilweiser Durchlässigkeit zwischen einem Lasermedium 51 und einem E-O-Element 53 angeordnet. Das Lasermedium 51 ist in einem Hauptresonator zwischen dem Spiegel 57 und dem Spiegel 59 angeordnet, und das E-O-Element 53 ist in einem Unterresonator zwischen dem Spiegel 55 und dem Spiegel 57 angeordnet.
Das linear polarisierte Licht von dem Lasermedium 51 wird in dem Hauptresonator verstärkt. Das teilweise in den Spiegel 59 eindringende und in den Unterresonator eintretende linear polarisierte Licht kehrt nach Reflexion an dem Spiegel 55 zurück, und wird in Abhängigkeit von dem bei dem E-O-Element 53 aufgebauten elektrischen Feld in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt. Das heißt, der Resonanzzustand in dem Subresonator variiert in Abhängigkeit von der Spannung an dem gemessenen Objekt. Demzufolge gibt das Ausgabelicht von dem Hauptresonator auch die Spannung an dem lokalen Bereich des gemessenen Objektes wieder, in dessen Nähe sich das E-O-Element 53 befindet, wobei es durch den Subresonator beeinflusst wird. Die Ausgabecharakteristik muss dieselbe wie die in Fig. 2 gezeigte sein.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Spannungsmessgerät. Ein Brechungsindex des E-O-Elementes 60 variiert in Reaktion auf ein elektrisches Feld von der gemessenen Vorrichtung, wie etwa einer Halbleitervorrichtung. Ein durch eine Lichtquelleneinheit 70 abgestrahlter Lichtstrahl, der durch ein Ansteuerungsgerät 61 gesteuert wird, erreicht über eine Kollimationslinse 62 ein Phasenplättchen 63 und eine Fokussierlinse 64 in dieser Reihenfolge das E-O-Element 60.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Lichtquelle 70. Ein Ansteuerungssignal von einem Ansteuerungsgerät 61 wird auf einen Streifen eines Halbleiterlasers 71 gegeben. Ein AR-Beschichtung (Antireflexion) wird auf die Grundfläche des Halbleiterlasers 71 aufgebracht. Die obere Fläche ist eine polierte Fläche, in die teilweise Licht eindringt. Es ist möglich, das ein Eindringverhältnis oder die Transmittanz durch die Ausbildung eines Spiegels an der oberen Fläche einzustellen. Zusätzlich wird ein Hochreflexionsspiegel auf der Grundfläche des in Fig. 4 gezeigten E-O-Elementes 60 ausgebildet. Der Hochreflexionsspiegel weist einen höheren Reflexionsgrad als der Spiegel der oberen Fläche auf. Der Hochreflexionsspiegel ist oftmals aus einer Hochreflexionsbeschichtung ausgebildet. Demzufolge wird ein Laserresonator zwischen der oberen Fläche des Halbleiterlasers 71 und der Grundfläche des E-O-Elementes 60 ausgebildet. Die Intensität des von der oberen Fläche des Halbleiterlasers 71 abgestrahlten Ausgabelichtes wird durch eine Fotoerfassungseinrichtung 72 erfasst, die in dasselbe Gehäuse eingebaut ist und das Ergebnis wird auf einem Instrument angezeigt. Die Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung 72 gibt die Spannung an dem lokalen Bereich des gemessenen Objektes wieder, in dessen Nähe sich das E-O-Element 60 befindet.
Die Betriebsweise des Gerätes aus Fig. 4 wird nachstehend beschrieben. Ein linear polarisiertes Licht wird von der Grundfläche des Halbleiterlasers 71 abgestrahlt. Falls der von dem Halbleiterlaser 71 abgestrahlte Lichtstrahl nicht linear polarisiert ist, kann er durch ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Polarisationselement linear polarisiert werden, wie etwa durch einen zwischen dem Halbleiterlaser 71 und dem E-O-Element 60 angeordneten Polarisator oder Brewster-Fenster. Das linear polarisierte Licht wird in ein adäquates elliptisch polarisiertes Licht durch das Phasenplättchen 63 umgewandelt und dringt in das E-O-Element 60 ein. Wenn an das gemessene Objekt eine Spannung angelegt wird, wird eine Veränderung in dem Brechungsindex in dem E-O-Element 60 in Abhängigkeit von der Intensität des bei dem E-O- Element 60 aufgebauten elektrischen Feldes verursacht, und der Polarisationszustand des durch den Hochreflexionsspiegel an der Grundfläche des E-O- Elementes 60 reflektierten und von dem E-O-Element 60 abgestrahlten Lichtes wird verändert. Der Hochreflexionsspiegel an der Grundfläche wird an der Grundfläche des E-O-Elementes 60 ausgebildet und weist eine Hochreflexionscharakteristik auf. Das Licht passiert das Phasenplättchen 63 und sein Polarisationszustand wird erneut verändert. Das Licht dringt in eine aktive Schicht des Halbleiterlasers 71 ein, wo das Licht linear polarisiert wird und eine induzierte Emission oder eine stimulierte Emission in der aktiven Schicht gleichzeitig verursacht. Unter den Bedingungen, unter denen sich das bei dem E-O-Element 60 durch das gemessene Objekt aufgebaute elektrische Feld verändert, verändert sich der Resonanzzustand des Laserresonators. Das heißt, die Intensität des durch die Fotoerfassungseinrichtung 72 erfassten Ausgabelichtes, nachdem es von der oberen Fläche des Halbleiterlasers 71 abgestrahlt wurde, gibt die bei einem lokalen Bereich des gemessenen Objektes existierende Spannung wieder, in dessen Nähe sich die Grundspitze des E-O-Elementes 60 befindet. Demzufolge kann die Spannung an dem gemessenen Objekt mit hoher Empfindlichkeit durch die Messung der Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung 72 bestimmt werden.
Die Betriebsprinzipien des Gerätes aus Fig. 4 werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 12 näher beschrieben. Der einen Zusammenhang zwischen einer an die gemessene Vorrichtung angelegte Vorspannung V und einer Intensität I des Ausgabelichtes anzeigende Kurvenverlauf aus Fig. 12 entspricht dem aus Fig. 11. Der Kurvenverlauf zeigt eine Charakteristik (V-I) bei einem Fall, wo das Phaseplättchen 63 nicht in Position gebracht würde. Die optische Faser aus Fig. 12 bedeutet einen Phasenunterschied, der verursacht wird, wenn ein Laserstrahl ein Phasenplättchen 63 passiert, und es zeigt eine Phasendifferenz an, während der Laserstrahl das Phasenplättchen 63 zweimal passiert. Das Phasenplättchen aus Fig. 12 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Phasendifferenz und der Art des Phasenplättchen 63 an. Das heißt sozusagen, dass es einen Zwischenbezug mit der vorstehend angeführten Phasendifferenz anzeigt, wenn unterschiedliche Phasenplättchen wie etwa ein λ/8- Phasenplättchen, ein λ/4-Phasenplättchen oder dergleichen verwendet werden. Demzufolge beträgt die Phasendifferenz π/2 im Falle eines λ/8-Phasenplättchens, und π im Falle eines λ/4-Phasenplättchens, und zudem entsprechen die angelegten Spannungen V, Vπ/2 bzw. Vπ.
Nachstehend wird der vorstehend angeführte Zusammenhang zwischen einer Phasendifferenz und einem Phasenplättchen 63 näher beschrieben. Beispielsweise im Falle eines λ/8- Phasenplättchens beträgt die Phasendifferenz 2π/8 = π/4, wenn der Laserstrahl das λ/8-Phasenplättchen lediglich einmal passiert, aber sie beträgt (π/4) · 2 = π/2 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, weil das Gerät mit einem Laserresonator versehen ist, und der Laserstrahl hin- und zurückläuft. Dies ist der Grund, warum die Phasendifferenz angegeben ist, wenn der Laserstrahl das Phasenplättchen 63 zweimal passiert.
Der Zusammenhang zwischen der Spannung V an der gemessenen Vorrichtung und der durch die Fotoerfassungseinrichtung 72 erfassten Ausgabeintensität I ist durch die Formel I = I&sub0;sin² {(Π/2)(V/VΠ)} bei dem bekannten Gerät gegeben (vergleiche Fig. 11), von der sich das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel unterscheidet. Das heißt, bei der ausgeführten Erfindung ist die Ausgabeintensität I klein, wenn die gegebene Spannung V gering ist, aber die Ausgabeintensität I steigt mit steigender angelegter Spannung scharf an. Dies erfolgt aufgrund eines starken Resonanzzustandes, der erzielt wird, wenn der Gütewert des Laserresonators groß wird, wenn die angelegte Spannung ansteigt. Fig. 12 zeigt, dass eine sehr große Veränderung (I&sub4;-I&sub3;) bei der Ausgabeintensität. I erzielt werden kann, wenn die Spannung beispielsweise von V&sub3; bis V&sub4; in dem Bereich einer großen Veränderung variiert. Dabei wird das Veränderungsausmaß bei der Ausgabeintensität I mit der des in Fig. 11 gezeigten Standes der Technik verglichen. Wenn das Veränderungsausmaß bei der angelegten Spannung auf V&sub2; - V&sub1; = V&sub4; - V&sub3; eingestellt wird, beträgt das Veränderungsausmaß bei der Ausgabeintensität I&sub2; - I&sub1; < I&sub4; - I&sub3;. Das heißt sozusagen, das Veränderungsausmaß der Ausgabeintensität bei der ausgeführten Erfindung ist größer als das bei dem Stand der Technik, was experimentell bestätigt wird.
Damit ein derartiges Ergebnis erzielt wird, sollte jedoch ein geeignetes Phasenplättchen 63 vorzugsweise ausgewählt werden. Bei dem in Fig. 11 gezeigten bekannten Gerät wird ein λ/8-Phasenplättchen 12 in den Lichtpfad eingebracht, damit eine optische Vorspannung VB und eine angelegte Spannung V&sub1; auf VΠ/2 eingestellt werden. Andererseits soll bei der ausgeführten Erfindung die durch die Fotoerfassungseinrichtung 72 erfasste Ausgabeintensität durch das Einstellen einer optischen Vorspannung VB und einer angelegten Spannung V&sub3; für einen Bereich von VΠ/2 bis VΠ hoch sein, wo sich die Ausgabeintensität scharf verändert. Bei dem in Fig. 12 gezeigten Fall muss das (3/16)λ-Phasenplättchen das geeigneteste sein, falls die Einstellung VB = V&sub3; = 3 · VΠ/4 ist. Wie vorstehend angeführt wurde, wird zunächst eine vorbestimmte Spannung VB bei einem Spannungsbereich bestimmt, wo die Veränderung der Ausgabeintensität bei der V-I-Charakteristik scharf variiert. Der angemessenste Bereich für die Spannung VB liegt zwischen VΠ/2 und VΠ. Ein der Spannung entsprechendes Phasenplättchen 63 reicht von einem λ/8- Phasenplättchen bis zu einem λ/4-Phasenplättchen. Wie vorstehend angeführt wurde, ermöglicht die ausgeführte Erfindung ein großes Veränderungsausmaß bei der Ausgabeintensität, indem eine adäquate optische Vorspannung angelegt wird.
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gerätes zur Messung von Spannungen. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel benötigt dieses Ausführungsbeispiel keine Kollimationslinse, Phasenplättchen oder Fokussierlinse, und ein E-O-Element 160 wird unmittelbar an die Grundfläche des Halbleiterlasers 171 angebracht, damit sich eine integrierte Einheit ergibt. Diese Integration ermöglicht die Miniaturisierung des Gerätes zu dem vorher unerwarteten Ausmaß.
Das elektrische Feld von der gemessenen Vorrichtung verursacht eine Variation des Brechungsindexes des E-O- Elementes 160. Das zu erfassende Licht dringt in das E-O- Element 160 unmittelbar von dem Halbleiterlaser 171 ein. Da ein Resonator zwischen der oberen Fläche des Halbleiterlasers 171 und der Grundfläche des E-O- Elementes 160 ausgebildet ist, entspricht das Ausgabelicht, das durch die auf dem Halbleiterlaser 171 angebrachte Fotoerfassungseinrichtung 172 erfasst wird, der an den Bereich angelegten Spannung, in dessen Nähe sich das E-O-Element 160 befindet. Der Halbleiterlaser 171, an den das E-O-Element 160 angebracht ist, ist mit einer XYZ-Stufe 190 mit einem Unterstützungselement 180 verbunden. Mit der XYZ-Stufe 190 ist es nicht nötig, das gemessene Objekt abzutasten, und darüber hinaus kann die Spannungsverteilung auf einer kleinen gemessenen Vorrichtung wie etwa einem IC-Baustein genau zweidimensional bestimmt werden. Die XYZ-Stufe 190 weist einen Tisch auf, der ein gemessenes Objekt aufnehmen kann, und für eine dreidimensionale Bewegung gesteuert werden kann.
Die Betriebsweise des Gerätes aus Fig. 6 wird nachstehend beschrieben. Ein linear polarisiertes Licht wird von der Grundfläche des Halbleiterlasers 171 abgestrahlt. Dieses linear polarisierte Licht dringt in das E-O-Element 160 ein.
Wenn an dem gemessenen Objekt eine Spannung auftritt, wird eine Veränderung bei dem Brechungsindex des E-O- Elementes 160 in Abhängigkeit von der Intensität des elektrischen Feldes verursacht, und der Polarisationszustand des Lichtes, das durch den Spiegel an der Grundfläche des E-O-Elementes 160 reflektiert und von dem E-O-Element 160 abgestrahlt wird, wird verändert. Demzufolge entspricht die Amplitude des in die aktive Schicht des Halbleiterlasers 171 eindringenden Lichtes der Veränderung bei dem Brechungsindex des E-O-Elementes 160. Insgesamt kann der Resonanzzustand des Laserresonators entsprechend der Spannung von dem gemessenen Objekt verändert werden. Zudem gibt die Intensität des Ausgabelichtes, das durch die Fotoerfassungseinrichtung 172 erfasst wird, nachdem es von der oberen Fläche des Halbleiterlasers 171 abgestrahlt wurde, die bei einem lokalen Bereich des gemessenen Objektes existierende Spannung wieder, in deren Nähe sich das E-O-Element 160 befindet. Demzufolge kann die zweidimensionale Verteilung der Spannung mit hoher Empfindlichkeit durch die Messung der Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung 172 bestimmt werden.
Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Gerätes zur Messung von Spannungen. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des Gerätes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das gleiche Bezugszeichen wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist dem entsprechenden Teil zugewiesen und eine betreffende Beschreibung wird nicht wiederholt. Bei der Vorrichtung ist der Halbleiterlaser 271 aus dem Werkstoff GaAs. Da ein Werkstoff wie etwa GaAs selbst einen elektrooptischen Effekt aufweist, ist es nicht nötig, ihn mit einem E-O- Element zusätzlich zu versehen, wie in Fig. 6. Das heißt, der Halbleiterlaser 271 kann selbst die Funktionsweise einer E-O-Sonde ohne getrenntes E-O-Element 160 aufweisen. Die Streifenelektrode zum Zuführen eines elektrischen Stromes an den Halbleiterlaser 271 kann beispielsweise an dem Ende der Seite des gemessenen Objektes teilweise entfernt werden, damit dieses Teil einen hohen Widerstand aufweist, und demzufolge kann die Modulation der Resonanzbedingung durch das elektrische Feld von dem gemessenen Objekt oder die Modulation des zu erfassenden Ausgabelichtes von hoher Effizienz sein.
Fig. 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Gerätes zur Messung von Spannungen. Dies ist ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Gerätes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird keine Laserdiode der Bauart, die Vorteil aus einer polierten Fläche aus GaAs zieht, aber ein Oberflächenabstrahlungslaser 302 verwendet, der eine Anzahl von Lumineszenzbereichen innerhalb der Ausgabefläche aufweist, und die in Fig. 3 gezeigte Ausbildung wird angewendet. An der oberen Fläche des oberflächenabstrahlenden Lasers 302 wird ein teilweise eindringender Spiegel 304 ausgebildet, und zusätzlich eine Fotoerfassungseinrichtung 310 in der Bauart einer regelmäßigen Anordnung auf dem Spiegel angebracht. Auf die Grundseite des oberflächenabstrahlenden Lasers 302 wird ein poliertes und dünnes E-O-Element 308 angebracht. Zusätzlich wird ein Hochreflexionsspiegel 306 unter dem Element ausgebildet. Dabei bilden der teilweise eindringende Spiegel 304 und der Hochreflexionsspiegel 306 einen Resonanzaufbau aus. Jedes abstrahlende Element des oberflächenahstrahlenden Lasers 302 luminesziert gleichzeitig in Reaktion auf den elektrischen Strom des Quellenkabels 312 für die Laserdiode. Die Ausgabe von jedem erfassenden Element der regelmäßigen Anordnung von Fotoerfassungseinrichtungen führt zu einem messenden Instrument durch das Ausgabekabel 314. Wenn eine CCD- Vorrichtung (engl.: Charge Coupled Device) anstelle der regelmäßigen Anordnung von Fotoerfassungseinrichtung 310 verwendet wird, reicht lediglich ein Ausgabekabel aus.
Fig. 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Spannungsmessgerätes. Dies ist ein von dem Gerät des zweiten Ausführungsbeispiels abgewandeltes Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Faserlaser verwendet, dem eine aktivierte Substanz wie etwa Er (Erbium) hinzugefügt wird. Die Lichtausgabe von einer anregenden Lichtquelle 473 dringt in die Faser 471 durch einen dichroitischen Spiegel 474 ein. Da der Resonatoraufbau durch den Eingangsspiegel der Faser 471 und den Spiegel an der Grundfläche des E-O-Elementes 460 ausgebildet ist, kann eine induzierte Emission der aktivierten Substanz in der Faser 471 Laserresonanz verursachen. Diese Art Resonanzzustand in der Laserfaser gibt den Brechungsindex des E-O-Elementes 460 wieder. Daher entspricht das durch die Fotoerfassungseinrichtung 472 zu erfassende Ausgabelicht, nachdem es von dem Spiegel 475 abgestrahlt wurde und den dichroltischen Spiegel 474 passiert hat, dem Brechungsindex des E-O- Elementes 460, d. h. es entspricht der Spannung an dem gemessenen Objekt. Demzufolge kann die Spannungsverteilung auf dem gemessenen Objekt durch die Messung der Ausgabe der Fotoerfassungseinrichtung 472 mit einem Abtastvorgang der Unterstützungseinrichtung 480 genau bestimmt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Lasermedium kann beispielsweise ein Gas sein, wie es für Heliumneonlaser, Argonlaser oder dergleichen verwendet wird, oder ein Festkörper wie etwa Nd : YAG, Ti : Saphir, Cr : LiSAF oder dergleichen.
Mit dem erfindungsgemäßen Gerät zur Messung von Spannungen kann eine Veränderung bei dem einem elektrooptischen Element benachbarten elektrischen Feld empfindlich von außerhalb erfasst werden, wie etwa eine Veränderung bei den Resonanzbedingungen der Laserresonanz aufgrund der bei dem elektrooptischen Element verursachten Veränderung bei dem Brechungsindex, da das elektrooptische Element zur Erfassung des elektrischen Elementes und das Lasermedium in dem Resonanzaufbau angeordnet sind. Mit anderen Worten, da die Intensität des von dem Resonanzaufbau abgestrahlten Laserlichtes sehr empfindlich gegenüber selbst einer kleinen Veränderung bei dem Brechungsindex des elektrooptischen Elementes ist, kann die kurze Veränderung bei dem Brechungsindex des elektrooptischen Elementes oder die Spannungsveränderung bei einem lokalen Bereich des gemessenen Objektes oder dergleichen empfindlich von außerhalb ohne jede Berührung erfasst werden, indem das Laserlicht von außerhalb beobachtet wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass ein verbessertes Spannungsmessgerät mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit bereitgestellt wurde.
Mit dieser Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf etliche Ausführungsbeispiele ist es klar ersichtlich, dass die in Rede stehenden Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft sind, und dass Abwandlungen und Variationen wie sie dem einschlägigen Durchschnittsfachmann ersichtlich sind, ohne eine Abweichung von dem Erfindungsbereich gemacht werden können.

Claims

1. Elektrooptische Sonde zur Messung von Spannungen mit

einer ersten (57, 304) und einer zweiten (55, 306) reflektierenden Einrichtung; und

einem elektrooptischen Element (53, 60, 160, 308, 460), das zwischen der ersten (57, 304) und zweiten (55, 306) reflektierenden Einrichtung zur Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld angeordnet ist, dabei weist das elektrooptische Element (53, 60, 160, 308, 460) optische Eigenschaften auf, die sich in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld verändern;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste (57, 304) und die zweite (55, 306) reflektierende Einrichtung zusammen einen Resonator zur Ausgabe eines Lichtstrahles definieren, der sich in Abhängigkeit von einer Veränderung der optischen Eigenschaften des elektrooptischen Elementes (53, 60, 160, 308, 460) verändert, und durch

ein Lasermedium (51, 71, 171, 302, 471), das in dem Resonator zur Verstärkung des Lichtstrahles angeordnet ist.

2. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1, wobei die erste reflektierende Einrichtung (57, 304) einen Transmissionsgrad gegenüber dem Lichtstrahl aufweist, und die zweite reflektierende Einrichtung (55, 306) einen höheren Reflexionsgrad gegenüber dem Lichtstrahl als die erste reflektierende Einrichtung (57, 304) aufweist.

3. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste reflektierende Einrichtung (57, 304) an einer Endoberfläche des Lasermediums (51, 71, 171, 302, 471) angeordnet ist, und die zweite reflektierende Einrichtung (55, 306) eine Hochreflexionsbeschichtung aufweist, die an einer Endoberfläche des elektrooptischen Elementes (53, 60, 160, 308, 460) angeordnet ist, so daß das Lasermedium (51, 71, 171, 302, 471) und das elektrooptische Element (53, 60, 160, 308, 460) zwischen der ersten (57, 304) und der zweiten (55, 306) reflektierenden Einrichtung angeordnet sind.

4. Elektrooptische Sonde nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, zudem mit einer Photoerfassungseinrichtung (72, 172, 310, 472), die ein aus dem Resonator durch die erste reflektierende Einrichtung (57, 304) abgestrahltes Licht erfasst.

5. Elektrooptische Sonde nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, zudem mit einem Phasenplättchen (63), das an dem optischen Pfad des Lichtstrahles zwischen dem elektrooptischen Element (53, 60, 160, 308, 460) und dem Lasermedium (51, 71, 171, 302, 471) angeordnet ist.

6. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 5, wobei das Phasenplättchen (63) eine optische Vorspannung bereitstellt, welche in dem Bereich von VΠ/2 bis VΠ liegt.

7. Elektrooptische Sonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lasermedium (51, 71, 171, 302, 471) eine laseraktive Faser (471) aufweist, welche das elektrooptische Element (53, 60, 160, 308, 460) an eine Lichtquelle koppelt (473).

8. Elektrooptische Sonde zur Messung von Spannungen mit:

einer ersten und einer zweiten reflektierenden Einrichtung;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und die zweite reflektierende Einrichtung zusammen einen Resonator zur Ausgabe eines Lichtstrahles definieren, und durch

ein Lasermedium (271), das in dem Resonator zur Verstärkung des Lichtstrahles und zur Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld angeordnet ist, dabei weist das Lasermedium einen elektrooptischen Werkstoff mit optischen Eigenschaften auf, die sich in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld verändern, so daß eine Veränderung bei dem aus dem Resonator ausgegebenen Lichtstrahl verursacht wird.

9. Verfahren zur Messung einer Spannung unter Verwendung der elektrooptischen Sonde nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten

Anordnen der elektrooptischen Sonde in der Nähe eines Objektes, wo eine Spannung zu messen ist, und

Erfassen einer Veränderung bei der Ausgabe des Resonators.