DE69608593T2

DE69608593T2 - Magnetooptisches Element und optischer Magnetfeldfühler

Info

Publication number: DE69608593T2
Application number: DE69608593T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Ishiko; Satoshi Ishizuka; Nobuki Itoh; Hisashi Minemoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: KR100203375B1; DE69624385T2; JP3193945B2; DE69608593D1; EP0732709B1; DE69624385D1; KR960035055A; EP0935141A3; JPH08254675A; EP0935141A2; EP0732709A1; TW351773B; TW555011U; US5835257A; EP0935141B1; US5691837A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein magnetooptisches Element, das vom Faraday- Effekt Gebrauch macht, und auch einen optischen Magnetfeldsensor, der das Element verwendet.

Beschreibung des Standes der Technik

Zur Messung einer Magnetfeldintensität, die um einen fließenden Strom herum erzeugt wird, unter Verwendung von Licht sind optische Magnetfeldsensoren bekannt, die in Kombination ein magnetooptisches Element, das den Faraday-Effekt aufweist, und optische Fasern umfassen. Wegen der Vorteile, daß sie stark isolierend sind und wenig Einfluß von elektromagnetischem Induktionsrauschen erleiden, ist diese Art von magnetooptischem Sensor als ein Sensor zum Detektieren von Fehlern in Hochspannungsversorgungsleitungen auf dem Gebiet elektrischer Energie in Gebrauch gewesen. In den letzten Jahren gibt es großen Bedarf für einen Sensor, der eine bessere Leistungsfähigkeit aufweist, zur Verwendung als Magnetfeldmeßinstrument. Tatsächlich werden magnetooptische Sensoren mit einer höheren Genauigkeit und einer kleineren Größe auf dem Gebiet stark nachgefragt.
Für die Anordnung von optischen Magnetfeldsensoren, die den Faraday- Effekt ausnutzen, ist es übliche Praxis, einen Sensorkopf anzuwenden, der aus einem optischen System mit kollimiertem Strahl gebildet ist, wie es insbesondere in Fig. 1 gezeigt ist (National Technical Report, Band 38, Nr. 2, S. 127 (1992)). In der Figur ist allgemein ein Sensor S gezeigt. Der Sensor S umfaßt eine Einheit eines optischen Elements M. Die Einheit M weist ein magnetooptisches Element 1 auf, das zwischen einem Polarisator 2 und einem Analysator 3 vorgesehen ist, und einen Totalreflexionsspiegel 4, der mit dem Analysator 3 verbunden ist. Der Polarisator 2 ist optisch mit einer strahleinlaßseitigen Kollimierlinseneinheit 7a mit einer optischen Eingangsfaser 6a verbunden, wie es gezeigt ist. Der Totalreflexionsspiegel 4 ist optisch mit einer Kollimierlinseneinheit 7b verbunden, wobei eine optische Ausgangsfaser 6b sich von der Linseneinheit 7b erstreckt, wie es gezeigt ist. Die Kollimierlinseneinheiten 7a, 7b sind jeweils beispielsweise aus Linsen mit einem verteilten Brechungsindex mit Teilungen von 0,25 hergestellt.
Bei dieser Anordnung wird das magnetooptische Element in ein Magnetfeld H gesetzt. Ein Lichtstrahl, der von der optischen Faser 6a transmittiert wird, wird mittels der Kollimierlinseneinheit 7a in parallele Strahlen umgewandelt und mittels des Polarisators 2 linear polarisiert, gefolgt durch Transmission zu dem magnetooptischen Element 1. Die Polarisationsebene wird durch den Faraday-Effekt proportional zur Magnetfeldintensität, die an das Element 1 angelegt wird, gedreht. Das derart gedrehte, linear polarisierte Licht wird dann zu dem Analysator 3 geleitet, dessen Richtung des polarisierten Lichtes, das weiterzuleiten ist, sich von demjenigen des Polarisators um 45º unterscheidet. Das somit weitergeleitete Licht wird mit dem Totalreflexionsspiegel 4 reflektiert, gefolgt durch Kon vergenz durch die Kollimierlinseneinheit 7b, und auf die optische Ausgangsfaser 6b fokussiert.
Diese Art von optischem Sensorsystem beruht auf einem sogenannten nicht differentiellen Verfahren mit festem Analysator, wobei der Analysator darin fest ist und das Licht, das von dem Analysator transmittiert wird, nur als ein Port verwendet wird. Bei diesem optischen Magnetfeldsensor wird die Schwankung der Magnetfeldintensität in eine Schwankung der Lichtquantität umgewandelt, wodurch es einem ermöglicht wird, die Schwankung der Magnetfeldintensität zu messen.
Das magnetooptische Element, das in dem Sensorkopf verwendet wird, der aus einem derartigen optischen System mit kollimiertem Strahl gebildet ist, wie es oben ausgeführt ist, ist beispielsweise aus einem Seltenerdeisengranat mit der folgenden chemischen Formel in der Form von Kristallen hergestellt, wie es beispielsweise in The Technical Report of the Institute of electronics, Information and Communication Engineers, OQE92- 105 (1992) ausgeführt ist.
Bi1,3Gd0,1La0,1Y1,5Fe4,4Ga0,6O&sub1;&sub2;
Bei diesem Stand der Technik wird das magnetooptische Element, das eine gute Temperaturcharakteristik aufweist, durch Teilsubstitution von Y mit Bi und Gd realisiert.
Wenn jedoch ein magnetooptisches Element, das auf einen optischen Magnetfeldsensor angewandt werden soll, aus Seltenerdeisengranatkristallen hergestellt ist, wird das durch die Kristalle transmittierte Licht aufgrund der Magnetbereichsstruktur, die den Granatkristallen eigen ist, gebeugt. Wenn die Granatkristalle die magnetische Labyrinthbereichsstruktur aufweisen, werden die gebeugten Strahlen auf konzentrischen Kreisen beobachtet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. In der Figur wird Eingangslicht, das durch einen dicken durchgezogenen Pfeil angedeutet ist, durch das Granatelement 1 geleitet und auf einem Schirm 8 als konzentrische Kreise 9, 10, 11 und 12 in der Fraunhofer-Region beobachtet. Insbesondere sind die beobachteten Lichtstrahlen 9, 10, 11 und 12 jeweils als ein Strahl nullter Ordnung, ein Strahl erster Ordnung, ein Strahl zweiter Ordnung und ein Strahl dritter Ordnung definiert. Wenn der Sensorkopf aus dem optischen System mit kollimiertem Strahl gebildet ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wird alleine der Strahl nullter Ordnung auf der ausgangsseitigen optischen Faser 6b als das gebeugte Licht beobachtet. Demgemäß wird der Ausgang V&sub0; gemäß der folgenden Gleichung (1) gezeigt:
V&sub0; = (1/2)[cosθF + (M/Ms)sinθF]² (1)
wobei θF ein Winkel einer Faraday-Drehung in einem magnetisch gesättigten Zustand ist und als θF = F · L ausgedrückt wird, wobei F einen Koeffizienten der Faraday-Drehung darstellt, der dem verwendeten Material eigen ist, und L eine Lichtweglänge des Elements ist, M eine Magnetisierung des Materials ist, und Ms eine Sättigungsmagnetisierung ist.
Dies bringt das folgende Problem mit sich, daß, wenn eine angelegte Magnetfeldintensität zunimmt, die Nichtlinearität des Sensorausgangs groß wird, wobei die Linearität verschlechtert wird (Journal of The Magnetic Society of Japan, Band 14, Nr. 4, S. 642 (1990)).
Andererseits wird der Ausgang Van eines optischen Magnetfeldsensors, der aus einem optischen System zusammengesetzt ist, bei dem Strahlen gebeugten Lichtes aller Ordnungen detektiert werden, durch die Gleichung (2) dargestellt
Vall = (1/2)[1 + (M/Ms)sin2θF] (2)
wobei M, Ms und θF jeweils in der Gleichung (1) definiert sind. In dieser Gleichung ist kein Term einer Nichtlinearität enthalten, so daß das Ergebnis einfach proportional zum angelegten Magnetfeld ist. Jedoch ist niemals ein optischer Magnetfeldsensor, der eine geringe Größe und eine hohe Genauigkeit aufweist und in der Lage wäre, gebeugte Strahlen aller Ordnungen zu detektieren, jemals in der Technik realisiert worden.
Um das Problem der Nichtlinearität des Sensorausganges zu lösen, ist ein Versuch unternommen worden, bei dem ein optisches System mit konvergiertem Strahl unter Verwendung sphärischer Linsen 5a, 5b gebildet ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, mit dem gebeugte Strahlen einschließlich zweiter Ordnung detektiert werden, wodurch die Linearität verbessert wurde (The Technical Report of Keisoku-kenkyuukai, The Institute of Electrical Engineers of Japan, Information, Nr. IM-94-93, S. 31 (1994)). Der optische Magnetfeldsensor von Fig. 3 unterscheidet sich von dem optischen Magnetfeldsensor von Fig. 1, der das optische System mit kollimiertem Strahl verwendet, dadurch, daß die Verwendung der sphärischen Linsen 5a, 5b zur Bildung eines optischen Systems mit konvergiertem Strahl innerhalb des Kopfes führt. Eine Vielzahl von Ortskurven in Fig. 3 deutet die Ergebnisse einer Berechnung von Strahlverläufen an. Die Verwendung des optischen Systems mit konvergiertem Strahl als der Sensorkopf ermöglicht es einem, Strahlen bis zur zweiten Ordnung unter den gebeugten Strahlen in dem magnetooptischen Element zu detektieren. Es ist anzumerken, daß gleiche Bezugszeichen in Fig. 3 gleiche Bauelemente oder Teile von Fig. 1 angeben. Bei diesem Stand der Technik wird ein guter Linearitätsfehler von nicht mehr als 1,0% innerhalb eines Bereiches eines Magnetfeldes von ungefähr 2 kA/m (25 Oe) bis 24 kA/m (300 Oe) herbeigeführt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Jedoch wird der Linearitätsfehler für Messungen einer schwachen Magnetfeldintensität von nicht mehr als 2 kA/m (25 Oe) zu groß, wodurch ein Problem bei praktischen Anwendungen aufgeworfen wird.
Wenn das magnetooptische Element, das auf das optische System mit kollimiertem Strahl angewandt wird, das Granatkristalle verwendet, wie es zuvor definiert wurde, in dem optischen Magnetfeldsensor von der in Fig. 3 gezeigten Art angewandt wird, wird eine gute Linearität erhalten. Jedoch weist diese Art von Sensor das Problem auf, daß die Temperaturcharakteristik sich stark ändert, wie es insbesondere in Fig. 5 gezeigt ist. Daraus ist zu sehen, daß die Empfindlichkeit von -4,5 bis +6,3% innerhalb eines Temperaturbereiches von -20ºC bis +80ºC schwankt.
Aus der EP 0 510 621 A2 sind ein magnetooptisches Element und eine Magnetfeldmeßvorrichtung bekannt. Das magnetooptische Element ist aus einem Seltenerdeisengranatkristall mit substituiertem Wismut mit einer Formel (BiXGdYRZY3-X-Y-Z) (FeS5-WGaW) O&sub1;&sub2; hergestellt, wobei R ein Element bezeichnet, das unter Seltenerdelementen ausgewählt ist, wobei 0,8 ≤ X ≤ 1,3, 0,1 ≤ Y ≤ 0,3, 0,1 ≤ Z ≤ 0,1 und 0,3 ≤ W ≤ 0,8. Dieses magnetooptische Element weist eine konstante Empfindlichkeit auf, die kleiner als ±4,0% zwischen -50 und 100ºC um Raumtemperatur herum ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, ein magnetooptisches Element zu schaffen, das in der Lage ist, einen Linearitätsfehler für eine Magnetfeldintensität über einen weiten Bereich eines Magnetfeldes zu verbessern, und das eine gute Temperaturcharakteristik in der Nähe der Raumtemperatur mit einer guten Empfindlichkeit zeigt.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen optischen Magnetfeldsensor zu schaffen, der eine hohe Meßgenauigkeit sicherstellt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen optischen Magnetfeldsensor zu schaffen, der in der Lage ist, Strahlen nullter Ordnung bis höherer Ordnung des Lichtes zu detektieren, das mittels eines magnetooptischen Elements gebeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein magnetooptisches Element vorgesehen, das aus einem Element hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Seltenerdeisengranaten mit substituiertem Bi der folgenden chemischen Formeln (3) und (4) hergestellt ist
(BixGdyRzY3-x-y-z)(Fe&sub5;-wGaw)O&sub1;&sub2; (3)
wobei R mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anderen Seltenerdelementen als Gd besteht, und x, y, z und w derart sind, daß 1,00 ≤ x ≤ 1,30, 0,42 ≤ y ≤ 0,60, 0,01 ≤ z ≤ 0,05 und 0,40 ≤ w ≤ 0,62 und
(Bix'Gdy'Rz'Y3-x'-y'-z')FC&sub5;O&sub1;&sub2; (4)
wobei R wie oben definiert ist, und x', y' und z' derart sind, daß 1,10 ≤ x' ≤ 1,30, 1,00 ≤ y' ≤ 1,80,0 ≤ z' ≤ 0,06, vorausgesetzt, daß x' + y' ≤ 3,0.
Das magnetooptische Element gemäß der Erfindung ist besonders zur Verwendung in einem optischen System ausgebildet, das in der Lage ist, gebeugte Strahlen nullter Ordnung bis höherer Ordnung zu detektieren, und ersetzt geeignet existierende magnetooptische Elemente, die bisher bei existierenden optischen Systemen mit kollimiertem Strahl angewandt wurden. Wenn ein optisches System, das in der Lage ist, gebeugte Strahlen bis zu höherer Ordnung zu detektieren, in einem Sensorkopf eingesetzt wird, um den Linearitätsfehler im Ausgang des optischen Magnetfeldsensors zu verbessern, sind existierende magnetooptische Elemente, die dafür konstruiert sind, alleine einen Strahl nullter Ordnung zu detektieren, dadurch nachteilig, daß die Temperaturcharakteristik nicht geeignet gesteuert werden kann, z. B. die Empfindlichkeit bei höheren Temperaturen größer wird. Wie es in der Technik bekannt ist, hängt die Temperaturcharakteristik eines optischen Magnetfeldsensors direkt von der Temperaturcharakteristik des magnetooptischen Elements ab. Unter Verwendung des magnetooptischen Elements ist der resultierende optische Magnetfeldsensor in der Lage, einen gegenüber einer Temperaturänderung in der Nähe von Raumtemperatur stabilen Ausgang zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch ein optischer Magnetfeldsensor vorgesehen, der derart eingerichtet ist, daß er mit einem magnetooptischen Element gebeugte Strahlen nullter Ordnung bis höherer Ordnung detektiert, und der die Merkmale von Anspruch 7 umfaßt.
Es ist anzumerken, daß der Ausdruck "im wesentlichen" bedeuten soll, daß die erste optische Faser/ das magnetooptische Element und das magnetooptische Element/ die zweite optische Faser nicht exakt in einer axialen Anordnung liegen müssen, z. B. kann die Position des Elements axial in einem geringfügigen Grad von ±1% verschoben sein.
Da der Sensor der Erfindung eine derartige Anordnung aufweist, daß sich das magnetooptische Element und die optischen Eingangs- und Ausgangsfasern in einem konfokalen optischen System befinden, wobei die Fasern in axialer Symmetrie relativ zu dem magnetooptischen Element sind, ist ein guter Linearitätsfehler des Sensorausgangs innerhalb eines weiten Bereiches eines Magnetfeldes sichergestellt.
Das magnetooptische Element, das bei diesem Sensor verwendet wird, ist eines, das oben definiert ist. Es ist außerdem herausgefunden worden, daß der Linearitätsfehler wesentlich von der Dicke des magnetooptischen Elements abhängt. Wenn die Dicke des Elements nicht kleiner als 50 um ist, kann die Linearität in einem schwachen Magnetfeld stärker verbessert werden.
Insbesondere wird der Ablenkungswinkel α(n) eines gebeugten Strahles n- ter Ordnung durch die Gleichung (5) dargestellt
sinα(n) = nλ/p (5)
wobei λ eine Wellenlänge eines verwendeten Lichtstrahls ist, und p eine Teilung magnetischer Bereiche ist, d. h., ein Wert so groß wie das Doppelte der Breite des magnetischen Bereiches. Wenn das magnetooptische Element aus einem Seltenerdeisengranat hergestellt ist, wird im allgemeinen die Breite des magnetischen Bereiches größer, wenn das Element dicker wird. Dementsprechend gestattet eine richtige Steuerung der Dicke des magnetooptischen Elements, daß der Ablenkungswinkel der gebeugten Strahlen in den magnetischen Bereichen des Elements verändert werden kann. Zusätzlich umfassen die gebeugten Strahlen, die in der ausgangsseitigen optischen Faser detektiert werden können, diejenigen bis zu Strahlen höherer Ordnung. Somit kann der Linearitätsfehler des Ausgangs des magnetooptischen Sensors in einem schwachen Magnetfeld verbessert werden.
Das magnetooptische Element und die Spitzen der optischen Eingangs- und Ausgangsfasern sind jeweils derart eingerichtet, daß sie in einer konfokalen optischen Beziehung stehen, und die optischen Fasern sind im wesentlichen in axialer Symmetrie in bezug auf das Element angeordnet. Dadurch können auch Strahlen höherer Ordnung des gebeugten Lichts am Ende der optischen Ausgangsfaser detektiert werden, wodurch es einem ermöglicht wird, einen magnetischen optischen Sensor zu erhalten, der eine hohe Meßgenauigkeit innerhalb eines weiteren Bereiches eines Magnetfeldes aufweist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines bekannten optischen Magnetfeldsensors,
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die das Beugungsphänomen von Licht mit Seltenerdeisengranatkristallen veranschaulicht,
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung eines bekannten optischen Magnetfeldsensors und Strahlverläufe in dem Sensor zeigt,
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Linearitätsfehler und der Magnetfeldintensität eines bekannten optischen Magnetfeldsensors zeigt,
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Schwankungsrate der Empfindlichkeit und der Temperatur eines bekannten optischen Magnetfeldsensors zeigt,
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines optischen Magnetfeldsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusammen mit Strahlverläufen in dem Sensor,
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines optischen Magnetfeldsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Schwankungsrate der Empfindlichkeit und der Temperatur der optischen Magnetfeldsensoren unter Verwendung unterschiedlicher Materialarten für das magnetooptische Element zeigt,
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Linearitätsfehler und der Magnetfeldintensität für unterschiedliche Dicken eines magnetooptischen Elements zeigt, und
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Linearitätsfehler und der Magnetfeldintensität eines optischen Magnetfeldsensors unter Verwendung eines magnetooptischen Elements zeigt, das aus einem Granatfilm gemäß der Erfindung hergestellt ist.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Zunächst wird das magnetooptische Element der Erfindung beschrieben.
Das Element ist aus einem Seltenerdeisengranat in der Form von Kristallen hergestellt. Der Seltenerdeisengranat weist die Formel (3) oder (4) auf
(BixGdyRzY3-x-y-z) (Fe5-wGaw)O&sub1;&sub2; (3)
wobei R mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anderen Seltenerdelementen als Gd besteht, und x, y, z und w derart sind, daß 1,00 ≤ x ≤ 1,30, 0,42 ≤ y ≤ 0,60, 0,01 ≤ z ≤ 0,05 und 0,40 ≤ w ≤ 0,62 oder
(Bix'Gdy'Rz'Y3-x'-y'-z')Fe&sub5;O&sub1;&sub2; (4)
wobei R wie oben definiert ist, und x', y' und z' derart sind, daß 1,10 ≤ x' ≤ 1,30, 1,00 ≤ y' ≤ 1,80,0 ≤ z' ≤ 0,06, vorausgesetzt, daß x' + y' ≤ 3,0.
Die Seltenerdelemente, die durch R dargestellt sind, umfassen diejenigen Elemente aus IIIB des Periodensystems, vorzugsweise La, Ce, Pr und desgleichen. Wenn die Seltenerdelemente in Kombination verwendet werden, sind Kombinationen von La mit nichtmagnetischen Elementen wie Yb, Lu und desgleichen bevorzugt.
Der Seltenerdeisengranat wird gewöhnlich in der Form eines Films mit einer Dicke von 1 bis 100 um angewandt. Vorzugsweise ist die Dicke aus dem nachstehend beschriebenen Grund nicht kleiner als 50 um.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Seltenerdeisengranatfilm auf einem Substrat, das aus einem Granateinkristall hergestellt ist, durch epitaktisches Aufwachsen gebildet. Das Granatkristallsubstrat ist vorzugsweise aus Ca-Mg-Zr-substituiertem Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; oder Nd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; hergestellt. Eine richtige Auswahl der Seltenerdelemente, die durch R dargestellt sind, ist für eine Gitteranpassung zwischen dem Seltenerdeisengranat und dem Granatkristallsubstrat ausreichend.
Das magnetooptische Element der Erfindung weist eine solche Granatzusammensetzung auf, wie sie oben ausgeführt ist, so daß sie den Linearitätsfehler eines Sensorausgangs relativ zu einer Magnetfeldintensität verbessern kann und eine gute Temperaturcharakteristik zusammen mit einer hohen Empfindlichkeit sicherstellt.
Mit dem Granat der Formel (4) kann z' Null betragen und x' + y' kann 3,0 betragen. Dies bedeutet, daß die Bi-substituierte Stelle aus (Bi + Gd + Y) oder (Bi + Gd) hergestellt sein kann.
Das oben ausgeführte magnetooptische Element ist besonders zur Anwendung auf einen optischen Magnetfeldsensor geeignet, der in der Lage ist, Strahlen von nicht nur einer nullten Ordnung sondern auch einer höheren Ordnung zu detektieren. Tatsächlich kann das Element der Erfindung auf den in Fig. 3 gezeigten optischen Magnetfeldsensor nach dem Stand der Technik angewandt werden. Dieser Sensor weist einen Wandler auf, der einen Polarisator 1, ein magnetooptisches Element 2, einen Analysator und einen Totalreflexionsspiegel 4 umfaßt, die nacheinander in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Sphärische Linsen 5a, 5b sind jeweils an einem Ende von diesen über den Polarisator 1 mit einem Ende des Elements 2 und über den Totalreflexionsspiegel 4 und den Analysator mit dem anderen Ende des Elements 2 verbunden, wodurch ein optisches System gebildet ist. Die sphärischen oder Kugellinsen 5a, 5b sind jeweils an dem anderen Ende von diesen mit optischen Fasern 6a, 6b verbunden. Dadurch können Strahlen bis zu einer zweiten Ordnung des Lichtes, das mit dem Element 2 gebeugt wird, an der optischen Faser 6b detektiert werden. Wenn es auf diese Art von Sensor angewandt wird, ist das magnetooptische Element, das in der Lage ist, einen stabilen Ausgang in Relation zu einer Temperaturänderung in der Nähe von Raumtemperatur zu erzeugen, beim genauen Detektieren einer Schwankung der Magnetfeldintensität wirksam.
Es sei auf die begleitenden Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 6 verwiesen, die einen optischen Magnetfeldsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Dieser Sensor ist besonders zur Verwendung in Kombination mit dem Element der Erfindung geeignet, obwohl andere Arten von Elementen mit magnetischen Bereichen ebenfalls verwendet werden können.
Fig. 6 zeigt schematisch einen optischen Magnetfeldsensor 5 der einen Wandler T umfaßt. Der Wandler T umfaßt einen Polarisator 12, der beispielsweise aus Glas hergestellt ist, ein magnetooptisches Element 10, einen Analysator 13, der beispielsweise aus Glas hergestellt ist, und einen Totalreflexionsspiegel 14, die nacheinander in dieser Reihenfolge entlang der Richtung eines weiterzuleitenden Lichtstrahls angeordnet sind, so daß die optischen Achsen dieser Elemente ausgerichtet sind. Der Analysator ist derart eingerichtet, daß er die Richtung des transmittierten Lichtstrahls durch das magnetooptische Element verschieden zu derjenigen des Polarisators einrichtet.
Eine erste Linse 15a ist an einem Ende derselben über den Polarisator 12 mit einem Ende des magnetooptischen Elements 10 verbunden. Ebenso ist eine zweite Linse 15b an einem Ende derselben über den Analysator 14 mit dem anderen Ende des magnetooptischen Elements 10 verbunden. Die Linsen 15a, 15b weisen jeweils eine sphärische Form auf oder können sogenannte Kugellinsen sein.
Die ersten und zweiten Linsen 15a, 15b sind jeweils an dem anderen Ende mit optischen Eingangs- bzw. Ausgangsfasern 16a, 16b derart verbunden, daß ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) zur ersten Linse übertragen wird, und der Lichtstrahl von dem Analysator durch die sphärische Linse 15b für die optische Ausgangsfaser 16b detektiert wird. Gewöhnlich ist jede Linse gefaßt, wie in einem Gehäuse oder einer Hülse (nicht gezeigt), um die Linse in ihrer Stellung zu halten.
Bei der Ausführungsform von Fig. 6 erstrecken sich die optische Eingangsfaser 16a/erste Linse 15a und die zweite Linse 16b/zweite optische Faser 15b jeweils von dem Polarisator 12 bzw. dem Reflektor 14a, so daß sie voneinander weg und parallel zueinander gehalten sind.
Um Strahlen nullter bis höherer Ordnung des Lichtes zu detektieren, das mit dem magnetooptischen Element 10 gebeugt wird, das magnetische Bereiche aufweist, ist es wichtig, daß der optische Magnetfeldsensor derart eingerichtet ist, daß die optische Lage zwischen der optischen Eingangsfaser/ dem magnetooptischen Element und dem magnetooptischen Element/ der optischen Ausgangsfaser eine konfokale Einrichtung durch die Linsen 15a, 15b gestattet, und daß die optischen Eingangs- und Ausgangsfasern 16a, 16b im wesentlichen in axialer Symmetrie in bezug auf das magnetooptische Element 10 angeordnet sind, wie es gezeigt ist.
Obwohl irgendein magnetooptisches Element, das einen guten Linearitätsfehler und eine gute Temperaturcharakteristik aufweist, in dem Sensor von Fig. 6 verwendet werden kann, ist es bevorzugt, das magnetooptische Element zu verwenden, das aus dem Granat mit der Formel (3) oder (4) hergestellt ist, mit oder ohne irgendein Substrat, auf dem der Granatfilm getragen ist.
Eine Vielzahl von Ortskurven, die in Fig. 6 angedeutet sind, zeigt die Ergebnisse einer Berechnung von Strahlverläufen. Wie es aus Fig. 6 deutlich wird, wird vom Standpunkt praktischer Anwendungen aus nur eine einzige optische Faser jeweils eingangs- bzw. ausgangsseitig verwendet, und somit wird eine nicht differentielle Anordnung unter Verwendung eines Ports eines optischen Ausgangs angenommen. In dieser Verbindung kann jedoch, um die Linearität zu verbessern, ein optisches Sensorsystem verwendet werden, bei dem das Licht von einem festen Analysator in einem Verfahren mit festem Analysator aus zwei Ports erzeugt wird, um eine differentielle Anordnung zu bilden.
Der Vergleich zwischen den Strahlverläufen der Fig. 6 und Fig. 1 zeigt, daß in dem optischen Magnetfeldsensor der Erfindung, der den Analysator 13 verwendet, der aus einer Glaspolarisationsplatte hergestellt ist, die optische Lage zwischen der optischen Eingangsfaser 16a/ dem magnetooptischen Element 10 und dem magnetooptischen Element 10/der optischen Ausgangsfaser 16b derart eingerichtet ist, daß durch die Linsen 15a und 15b ein konfokales optisches System gebildet ist, und daß die optischen Fasern im wesentlichen in axialer Symmetrie um das magnetooptische Element herum angeordnet sind. Dies ist der Grund, warum die optische Ausgangsfaser in der Lage ist, Strahlen höherer Ordnung zu detektieren.
Im Betrieb wird ein Lichtstrahl von der optischen Faser 16a zur Linse 15a und dann zum Polarisator 12 geleitet. Das somit polarisierte Licht wird in dem Element 10 gebeugt und zum Analysator 13 geleitet, bei dem der Azimut des Analysators relativ zu dem Polarisator 45º beträgt, und mittels des Totalreflexionsspiegels 14 reflektiert, gefolgt durch eine Umwandlung durch die Linse 15b, und zur optischen Ausgangsfaser 16b geleitet. Die Lichtintensität, die durch das Element 10 transmittiert wird, ist proportional zur daran angelegten Magnetfeldintensität. Dementsprechend kann die Magnetfeldintensität als eine Änderung der Lichtintensität gemessen werden.
Ein linearer optischer Magnetfeldsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile oder Bauelemente wie in Fig. 6 angeben. Bei dieser Ausführungsform ist der Wandler T in Ausrichtung mit einer Kombination aus der optischen Eingangsfaser 16a und der sphärischen Linse 15a und auch mit einer Kombination der optischen Ausgangsfaser 6b und der sphärischen Linse 15b auf seinen entgegengesetzten Seiten angeordnet. Natürlich benötigt der Sensor S bei dieser Ausführungsform keinen Totalreflexionsspiegel, wie es gezeigt ist.
Die optische Eingangsfaser 16a/das magnetooptische Element 10 und das magnetooptische Element 10/die optische Ausgangsfaser 16b befinden sich optisch in einer konfokalen Anordnung durch die Linsen 15a und 15b wie die Ausführungsform von Fig. 6. Zusätzlich liegen die optische Faser 16a/die Linse 15a und die Linse 15b/die optische Faser 16b im wesentlichen in axialer Symmetrie um das magnetooptische Element 10 her um. Um die lineare Anordnung des Sensors herzustellen, sind der Polarisator 12 und der Analysator 13 jeweils aus einer Glaspolarisationsplatte hergestellt. Bei dieser Anordnung wird das Licht, das mit dem magnetooptischen Element gebeugt wird, bis zu Strahlen höherer Ordnung detektiert. Der Sensor dieser Ausführungsform ist gegenüber demjenigen von Fig. 6 dadurch vorteilhaft, daß kleiner bemessene Teile verwendet werden können, wie es in später auftretenden Beispielen beschrieben wird. Das Licht von der optischen Eingangsfaser wird auf eine Weise ähnlich wie bei der Ausführungsform von Fig. 6 verarbeitet.
Die in den Fig. 6 und 7 geschilderten Sensoren sollten vorzugsweise ein solches magnetooptisches Element aufweisen, wie es zuvor ausgeführt wurde.
Mit den Sensoren der Fig. 6 und 7 können die Bedingungen einer Minimierung eines optischen Sensorverlustes geeignet bestimmt werden, indem die Größen von einzelnen Elementen oder Teilen, und der Abstand zwischen der sphärischen Linse 15a und dem Polarisator 12 und der Abstand zwischen der optischen Eingangsfaser 16a und der sphärischen Linse 15a, wie es in den Beispielen 4 und 5 besonders beschrieben wird, verwendet werden.
Es ist anzumerken, daß, wenn der optische Magnetfeldsensor in Kombination mit einem mit einem Spalt versehenen Kern verwendet wird, eine optische Strommeßvorrichtung, wie ein optischer Stromtransformator, der eine hohe Meßgenauigkeit aufweist, hergestellt werden kann. Daher weisen das Element und der Sensor der Erfindung in der Industrie eine breite Anwendbarkeit auf.
Die vorliegende Erfindung wird besonders anhand von Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Ein Bi&sub2;O&sub3;-PbO-B&sub2;O&sub3;-Flux wurde dazu verwendet, einen Seltenerdeisengranatkristallfilm mit der allgemeinen Formel (3), wobei R La ist, auf einem Ca-Mg-Zr-substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat gemäß dem Flüssigphasenepitaxieverfahren zu bilden. Die Formulierungen der jeweils erhaltenen Filme sind in Tabelle 1 unten gezeigt, wobei die Bestandteile als Atomverhältnis angegeben sind.
In der Tabelle sind die Proben, die mit "#" in der Spalte Schwankungsrate der Sensorempfindlichkeit markiert sind, außerhalb des Schutzbereiches der Erfindung, und Proben, die mit "*" in der Probennummer markiert sind, sind diejenigen, deren Messungen einer Schwankungsrate der Empfindlichkeit in Relation zur Schwankung der Temperatur in Fig. 8 gezeigt sind.
Um die Temperaturcharakteristik der jeweiligen magnetooptischen Elemente zu bewerten, wurde jedes Element in einen optischen Magnetfeldsensor von der in Fig. 3 gezeigten Art unter Verwendung eines Glasanalysators und -polarisators eingebaut, gefolgt durch eine Messung einer Temperaturschwankung der Empfindlichkeit innerhalb eines Magnetfeldes, das nicht größer als ein Sättigungsmagnetfeld des magnetooptischen Elements war. Die Frequenz eines Wechselstrommagnetfeldes betrug 60 Hz.
Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1
Das magnetooptische Element ist aus einem Seltenerdeisengranat mit der oben angegebenen Formel (3) hergestellt, wobei 1 ≤ x ≤ 1,30, 0,42 ≤ y ≤ 0,60, 0,01 ≤ z ≤ 0,05 und 0,40 ≤ w ≤ 0,62, in welchem die Temperaturschwankung der Sensorempfindlichkeit nicht größer als 3% ist (d. h., nicht größer als ±1,5% bei einer Temperatur im Bereich zwischen -20ºC bis +80ºC. Dies ist in Fig. 8 besonders gezeigt, wobei gezeigt ist, daß die Zusammensetzungen (Proben Nr. 1, 2, 10 und 11) außerhalb des Schutzbereiches der Erfindung gegenüber denjenigen der Erfindung mangelhaft sind.
Der Vergleich mit der Temperaturschwankung, die in Fig. 5 gezeigt ist, des Elements nach dem Stand der Technik, das aus Bi1,3Gd0,1La0,1Y1,5Fe4,4Ga0,6O&sub1;&sub2; hergestellt ist, zeigt, daß die Temperaturcharakteristik wesentlich verbessert ist.
Da die magnetooptischen Elemente dieses Beispiels auf den optischen Magnetfeldsensor angewandt wurden, der ein optisches System mit konvergiertem Strahl verwendete, konnte die Linearität des Ausgangs bewertet werden, wobei gezeigt wurde, daß die Linearität so gut wie nicht größer als 2,0% bis zu einem Sättigungsmagnetfeld von ungefähr 500 Oe der Seltenerdeisengranatkristalle war.
Man nimmt an, daß derartige gute Ergebnisse, wie sie oben erhalten wurden, auf der folgenden grundlegenden Theorie beruhen. Optische Magnetfeldsensoren, die aus optischen Systemen gebildet sind, die in· der Lage sind, nur einen nullten Strahl eines gebeugten Lichtes zu detektieren, weisen einen Ausgang auf, der durch die oben angegebene Gleichung (1) ausgedrückt wird. Unter der Annahme, daß M = χH, wobei eine magnetische Suszeptibilität χ konstant ist, wird in Gleichung (1) H = HINsinωt in die Gleichung eingesetzt, während das Wechselstrommagnetfeld berücksichtigt wird. Der Gleichstromanteil, VODC, und der Wechselstromanteil, VOAC, des Sensorausgangs sind unten angegeben
VODC = A + (1/2)CHIN² (6)
VOAC = BHINsinωt + (1/2)CHIN²sin(2ωt - π/2) (7)
wobei die Konstanten A, B bzw. C jeweils derart sind, daß A = cos²θF/2, B = (cosθFsinθF) / Hs und C = sin²θF/2Hs². Der Modulationsfaktor mo ist als VOAC/VODC definiert und kann somit aus den Gleichungen (6) und (7) erhalten werden. Der Modulationsfaktor mo relativ zu einer Ausgangsgrundwelle ω wird gemäß der folgenden Gleichung (8) als eine Funktion der Temperatur T ausgedrückt:
mo(T) = B(T)HIN/(A(T) + C(T)HIN²/2) (8)
Andererseits weist der optische Magnetfeldsensor, der ein optisches System besitzt, das in der Lage ist, Strahlen aller Ordnungen des Lichtes zu detektieren, das von einem magnetooptischen Element gebeugt wird, einen Ausgang auf, der durch die zuvor angegebene Gleichung (2) gegeben ist. Der Gleichstromanteil VallDC des Ausgangs und der Wechselstromanteil VallAC können jeweils durch die folgenden Gleichungen (9) und (10) angegeben werden
VallDC = 1/2 (9)
VallAC = DHIN, wobei D = sin²θF/Hs (10)
Somit wird der Modulationsfaktor man als eine Funktion der Temperatur T durch die folgende Gleichung (11) ausgedrückt
mall(T) = 2D(T)HIN (11)
Gemäß den Gleichungen (8) und (11) hängt die Temperaturcharakteristik der Empfindlichkeit des optischen Magnetfeldsensors stark von den Detektionsbedingungen der gebeugten Strahlen des magnetooptischen Elements ab. Insbesondere ist die Zusammensetzung eines magnetooptischen Elements verbessert, so daß die Temperaturschwankung des Modulationsfaktors, die durch Gleichung (8) dargestellt wird, bei Anwendung auf bekannte optische Sensorsysteme, bei denen alleine ein Strahl nullter Ordnung detektiert wird, klein eingerichtet wird. Wenn dieses magnetoopfische Element auf ein optisches Sensorsystem angewandt wird, das in der Lage ist, Strahlen aller Ordnungen zu detektieren, wird der Modulationsfaktor mit Gleichung (11) in Übereinstimmung gebracht. Somit schwankt die Temperaturcharakteristik der Empfindlichkeit stark.
Wenn jedoch die Zusammensetzung des magnetooptischen Elements richtig gesteuert wird, wie in Tabelle 1, zur Anwendung auf ein optisches Sensorsystem, das in der Lage ist, Strahlen aller Ordnungen zu detektieren, schwankt der Modulationsfaktor, der mit der Gleichung (11) in Übereinstimmung gebracht worden ist, nicht in Abhängigkeit von der Temperatur, selbst wenn die Größe des angelegten Magnetfeldes HIN verändert wird. Mit anderen Worten ist es möglich, einen optischen Magnetfeldsensor mit hoher Genauigkeit zu schaffen, dessen Linearitätsfehler sich nicht abhängig von der Temperatur ändert. Mit einem optischen Magnetsensor, der nur den Strahl nullter Ordnung detektiert, enthält andererseits der Modulationsfaktor, der mit der Gleichung (8) in Übereinstimmung gebracht worden ist, das Glied des Quadrates des Magnetfeldes. Wenn die Größe des angelegten Magnetfeldes HIN verändert wird, schwankt somit die Temperaturcharakteristik.
Wenn ein optisches Sensorsystem, das in der Lage ist, Strahlen nullter bis höherer Ordnung gebeugten Lichtes zu detektieren, vorgesehen ist, um die Meßgenauigkeit eines optischen Magnetfeldsensors zu erhöhen, der ein magnetooptisches Element verwendet, das aus Seltenerdeisengranatkristallen hergestellt ist, ist es notwendig, die Zusammensetzung der Seltenerdeisengranatkristalle auf eine Weise wie bei der vorliegenden Erfindung zu verändern.
In Tabelle 1 werden die Kombinationen aus Bi + Gd + La + Y als Bi-substitutierte Stelle verwendet. Seltenerdeisengranatkristalle mit anderen Kombinationen eines Seltenerdelements oder -elementen zusammen mit anderen zusätzlichen Elementen und mindestens einem Element, das aus Ga, Al, Sc, In und Pt zur Substitution mit einem Teil von Fe ausgewählt ist, können auch dazu verwendet werden, einen optischen Magnetfeldsensor zu bilden, da sie eine verringerte Empindlichkeitstemperaturkennlinie und einen guten Linearitätsfehler aufweisen. Beispiele derartiger Kombinationen können diejenigen umfassen von Bi + Gd + Y, Bi + Gd, Bi + Tb, Bi + Yb + Tb, Bi + Eu + Ho, Bi + Nd + Tb, Bi + Ho + Tb und Bi + Er + Pb.

Beispiel 2

Es wurde herausgefunden, daß unter den obigen Kombinationen Seltenerdeisengranate mit einer Kombination von Bi + Gd + Y oder Bi + Gd und Fe, das nicht teilweise durch irgendein nichtmagnetisches Element substituiert war, für diesen Zweck geeignet sind, da sie eine starke Sättigungsmagnetkraft Hs aufweisen.
Wie bei Beispiel 1 wurden Seltenerdeisengranatkristalle der zuvor angegebenen allgemeinen Formel (4) jeweils epitaktisch auf ein Ca-Mg-Zr-substituiertes Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat unter Verwendung eines Bi&sub2;O&sub3;-PbO-B&sub2;O&sub3;- Fluxes gemäß einem Flüssigphasenepitaxieverfahren aufgewachsen.
Um die Temperaturcharakteristik des resultierenden magnetooptischen Elements zu bewerten, wurde ein optischer Magnetfeldsensor, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, wie bei Beispiel 1 zusammengesetzt. Jeder Sensor wurde einer Messung einer Temperaturschwankung der Empfindlichkeit innerhalb eines Bereiches eines Magnetfeldes, das nicht größer als das Sättigungsmagnetfeld des magnetooptischen Elements war, unterzogen. In diesem Fall betrug die Frequenz eines Wechselstrommagnetfeldes 60 Hz. Die Proben, die mit "#" in der Spalte "Schwankungsrate der Sensorempfindlichkeit" markiert sind, lagen außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Wie es aus den obigen Ergebnissen ersichtlich ist, weisen die Granatkristalle der zuvor angegebenen Formel (4), wobei 1,10 ≤ x' ≤ 1,30, 1,00 ≤ y' ≤ 1,80, 0 ≤ z' ≤ 0,06, eine Temperaturschwankung der Empfindlichkeit von nicht größer als 3% (d. h. nicht größer als ±1,5%) innerhalb eines Temperaturbereiches von -20ºC bis +80ºC auf. Der Vergleich mit Fig. 5 zeigt, daß die Temperaturcharakteristik wesentlich verbessert ist.
Da die magnetooptischen Elemente dieses Beispiels auf den optischen Magnetfeldsensor, der ein optisches System mit konvergiertem Strahl, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, verwendete, angewandt wurde, wurde die Linearität des Ausganges bewertet, wobei gezeigt wurde, daß die Linearität so gut wie nicht höher als 2,0% innerhalb eines Magnetfeldes war, das bis zu ungefähr 120 kA/m (1500 Oe) reichte, bei dem die Seltenerdeisengranatkristalle magnetisch gesättigt sind.
Bei den Beispielen 1 und 2 wurde La als ein Substitutionselement zur Gitteranpassung verwendet. Andere Seltenerdelemente können allein oder in Kombination als R in den allgemeinen Formeln (3) und (4) verwendet werden. Zu diesem Zweck sind nichtmagnetische Elemente, wie Yb, Lu und desgleichen, die die Sättigungsmagnetisierung der Seltenerdeisengranatkristalle nicht nachteilig beeinflussen, bevorzugt, um gute Ergebnisse zu erhalten.
Wenn ein Granatkristallsubstrat mit einer Gitterkonstante verwendet wird, die von derjenigen des Ca-Mg-Zr-substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrats verschieden ist, gestattet selbstverständlich eine geeignete Auswahl mindestens eines Seltenerdelements als R eine Gitteranpassung mit dem Granatkristallsubstrat, wodurch Seltenerdeisengranatkristalle gebildet werden, die einen guten Linearitätsfehler und gute Temperaturcharakteristiken aufweisen.
Es ist anzumerken, daß der Linearitätsfehler und die Temperaturcharakteristik unter Verwendung einer Lichtquelle bestimmt wurden, die in der Lage war, Licht mit einer Wellenlänge von 0,8 um zu emittieren. Die Verbesserungen des Linearitätsfehlers und der Temperaturcharakteristik wurden auch für Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen von 1,3 um und 1,5 um gefunden, die die Granatkristalle transmittieren konnten.
Außerdem betrug die verwendete Frequenz 60 Hz, und ein Magnetfeld, das im Bereich eines Gleichstrommagnetfeldes bis zu mehreren hundert kHz lag, konnte mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der Sensoren der Beispiele gemessen werden.
Ähnliche Ergebnisse wurden auch verwendet, wenn die magnetooptischen Elemente der Beispiele auf ein Nd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat anstelle des Ca-Mg-Zrsubstituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrats jedoch unter Verwendung unterschiedlicher Wachstumsbedingungen aufgewachsen wurden.
Es ist anzumerken, daß, obwohl die Flüssigphasenepitaxie bei den Beispielen 1 und 2 verwendet wurde, ein Dampfphasenwachstum auch mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden kann. In dieser Verbindung können, abhängig von den Wachstumsbedingungen von entweder der Flüssigphasen- oder Dampfphasenepitaxie die Seltenerdeisengranatkristalle, die durch die Formeln (3) und (4) definiert sind, nicht epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen, sondern als ein Polykristall abgeschieden werden. Ein derartiger Polykristall ist zur Verwendung als ein magnetooptisches Element ausreichend, obwohl der Lichtabsorptionsverlust bis zu einem geringfügigen Grad zunehmen kann.

Beispiel 3

Auf die gleiche Weise wie Beispiel 1 wurde Bi1,14Gd0,57La0,02Y1,27Fe4,53Ga0,47 (Nr. 8 von Tabelle 1) auf einem Ca-Mg-Zr-substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat gemäß dem Flüssigphasenepitaxieverfahren mit unterschiedlichen Dicken im Bereich zwischen 40 und 75 um gebildet.
Die resultierenden magnetooptischen Elemente wurde jeweils in einen optischen Magnetfeldsensor des in Fig. 3 gezeigten Typs eingesetzt. Diese Sensoren wurden einer Messung des Linearitätsfehlers bei einer schwachen Magnetfeldintensität im Bereich zwischen ungefähr 0,4 (5) bis 4,0 kA/ m (50 Oe) unterzogen. Die Abhängigkeit der Linearität von der Filmdicke ist in Fig. 9 gezeigt. Aus der Figur ist zu sehen, daß der Linearitätsfehler stark von der Filmdicke in dem Element abhängt. Wenn die Dicke zunimmt, ist insbesondere der Linearitätsfehler in dem schwachen Magnetfeld wesentlich verbessert. Wie es zuvor festgestellt wurde, ist dies der Fall, weil der Polarisationswinkel von Licht, das in dem Element gebeugt wird, verändert werden kann, indem die Dicke des magnetooptischen Elements verändert wird, so daß das gebeugte Licht, das Strahlen höherer Ordnung umfaßt, am Ende der optischen Ausgangsfaser in dem optischen System des optischen Magnetfeldsensors detektiert werden kann. Der Grund, warum der Linearitätsfehler bei einem sehr kleinen Magnetfeld in Fig. 9 zu positiv unendlich zunimmt, ist, daß der Ausgang von einer Signalverarbeitungsschaltung des optischen Magnetfeldsensors einen Rauschanteil des Schaltkreises bei einem Magnetfeld von Null enthält. Fig. 9 zeigt, daß zum Messen des Linearitätsfehlers innerhalb einer Genauigkeit von nicht höher als ±2% bei einer Magnetfeldintensität von ungefähr 0,4 (5) bis 4,0 kA/m (50 Oe), es bevorzugt ist, ein magnetooptisches Element mit einer Dicke von 50 um oder darüber zu verwenden.
Insbesondere wenn ein magnetooptisches Element, dessen Filmdicke 75 um beträgt, verwendet wird, ist die Linearität sehr gut, wobei ein Linearitätsfehler nicht größer als 2% ist. Diese Dickenabhängigkeit der Linearität wurde bei einer größeren Dicke festgestellt. Diese Dickenabhängigkeit wurde auch unter Verwendung anderer Arten von Seltenerdeisengranatmaterialien der Formeln (3) und (4) bestätigt. Man geht davon aus, daß sich die Dickenabhängigkeit entwickeln wird, wenn jene anderen Materia lien als die Materialien der Formeln (3) und (4) verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie von der Art sind, in der magnetische Bereiche vorhanden sind.

Beispiel 4

Ein optischer Magnetfeldsensor der in Fig. 6 gezeigten Art wurde hergestellt, indem einer Wandlereinheit T, die einen Glaspolarisator 12, ein magnetooptisches Element, das aus einem Granat der Erfindung hergestellt war, eine Glaspolarisationsplatte als einen Analysator 13 und einen Totalreflexionsspiegel 14 umfaßte, und zwei optische Einheiten verwendet wurden, die jeweils aus einer sphärischen Linse und einer optischen Faser bestanden und parallel zueinander angeordnet waren, während sie sich von dem Analysator 12 bzw. dem Totalreflexionsspiegel 14 erstreckten. Der Polarisator, das Element, der Analysator und der Spiegel wurden miteinander mit einem optisch transparenten Harzklebstoff verbunden.
Dadurch wurden die optische Eingangsfaser 16a/das magnetooptische Element 10 und das magnetooptische Element 10/die optische Ausgangsfaser 16b derart eingerichtet, daß ein konfokales optisches System durch die jeweiligen Linsen 15a, 15b gebildet und das konfokale optische System im wesentlichen axial symmetrisch in bezug auf das magnetooptische Element 10 war. Die axial symmetrische, konfokale Anordnung ist in der Lage, Strahlen nullter bis höherer Ordnung des Lichtes zu detektieren, das mit dem magnetooptischen Element gebeugt wird, das magnetische Bereiche aufweist.
Es wurde aus den Ergebnissen der Strahlverläufe herausgefunden, daß die Bedingungen zum Minimieren eines optischen Einführungsverlustes in das optische Sensorsystem, wobei, wenn der Polarisator 12 und der Totalreflexionsspiegel 14 jeweils auf 5 Quadratmillimeter eingestellt waren, kugelförmige Linsen 15a, 15b, die jeweils aus Glas BK 7 hergestellt waren, jeweils einen Durchmesser von 3 mm aufwiesen und ein Abstand y 1,0 mm betrug, ein Abstand x im Bereich von 1,0 bis 1,4 mm lag. Es wurde herausgefunden, daß unter dieser Bedingung der optische Einführungsverlust -13 dB betrug.
Der Linearitätsfehler des somit hergestellten optischen Magnetfeldsensors ist in Fig. 10 gezeigt. Wie es aus Fig. 10 ersichtlich ist, ist der Linearitätsfehler des Sensors über einen weiteren Bereich eines Magnetfeldes besser als derjenige, der in Fig. 4 gezeigt ist, und die bekannte Sensorstruktur verwendet. Der Linearitätsfehler im Bereich bis zu 24 kA/m (300 Oe) ist klein, wie nicht größer als 1%.
Soweit das konfokale optische System hergestellt ist, können die jeweiligen Bauteile eine kleine Größe aufweisen, um einen kleinen optischen Magnetfeldsensor herzustellen. Ein derartiger kleiner Sensor stellt die Messung einer Magnetfeldintensität mit hoher Genauigkeit sicher.

Beispiel 5

Dieses Beispiel veranschaulicht einen optischen Magnetfeldsensor, der in Fig. 7 gezeigt ist. In der Figur sind die optischen Achsen des Wandlers T und zwei optische Einheiten, die jeweils aus einer optischen Faser und einer sphärischen Linse bestehen, in einer Linie angeordnet, so daß die optische Eingangsfaser 16a/das magnetooptische Element 10 und das magnetooptische Element 10/die optische Ausgangsfaser 16b derart eingerichtet waren, daß wie bei Beispiel 4 durch die jeweiligen Linsen 15a, 15b ein konfokales optisches System gebildet und das konfokale optische System relativ exakt axial symmetrisch in bezug auf das magnetooptische Element 10 war.
Bei diesem Beispiel waren zum Herstellen eines linearen Sensors, der Polarisator 12 und der Analysator 13 jeweils aus einer Glaspolarisationsplatte hergestellt. Bei diesem Beispiel waren die jeweiligen verwendeten Teile oder Elemente kleiner als diejenigen von Beispiel 4. Insbesondere waren das magnetooptische Element 10, der Polarisator 12 und die Analysatoren 13 jeweils in der Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 2 mm vorgesehen und miteinander durch einen optisch transparenten Harzklebstoff verbunden. Die kugelförmigen Linsen 15a und 15 waren jeweils aus BK7 hergestellt und wiesen die Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 2 mm auf.
Es wurde herausgefunden, daß als Bedingungen zum Minimieren des optischen Einführungsverlustes des Sensors im Fall, daß beide Abstände zwischen der sphärischen Linse 15a und dem Polarisator 12 und zwischen dem Analysator 13 und der sphärischen Linse 15b 1,5 mm betrugen und die Abstände zwischen der optischen Eingangsphase 16a und der sphärischen Linse 15a und zwischen der sphärischen Linse 15b und der sphärischen Linse 16b 1,4 bis 1,8 mm betrugen. Es wurde herausgefunden, daß unter diesen Bedingungen der optische Einführungsverlust -13 dB betrug.

Claims

1. Magnetooptisches Element mit einem Film aus einem Bi-substituierten Seltenerdeisengranat, der ausgewählt ist aus einem Granat mit der chemischen Formel (3) oder (4)

(BixGdyRzY3-x-y-z)(Fe5-wGaw)O&sub1;&sub2; (3)

wobei R mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anderen Seltenerdelementen als Gd besteht, und x, y, z und w derart sind, daß 1,00 ≤ x ≤ 1,30, 0,42 ≤ y ≤ 0,60, 0,01 ≤ z ≤ 0,05 und 0,40 ≤ w ≤ 0,62 oder

(Bix'Gdy'Rz'Y3-x'-y'-z')Fe&sub5;O&sub1;&sub2; (4)

wobei R wie oben definiert ist und x', y' und z' derart sind, daß 1,10 ≤ x' ≤ 21,30, 1,00 ≤ y' ≤ 1,80, 0 ≤ z' ≤ 0,06, vorausgesetzt, daß x' + y' ≤ 3,0.

2. Magnetooptisches Element nach Anspruch ·1, wobei das Element aus dem Film besteht.

3. Magnetooptisches Element nach Anspruch 3, wobei R La, eine Mischung aus La und Y oder eine Mischung aus La und Lu ist.

4. Magnetooptisches Element nach Anspruch 1, das ferner ein Granatkristallsubstrat umfaßt, auf dem sich der Seltenerdeisengranat in der Form eines Films befindet.

5. Magnetooptisches Element nach Anspruch 4, wobei das Granatkristallsubstrat aus Ca-Mg-Zr-substituiertem Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; besteht.

6. Magnetooptisches Element nach Anspruch 1, wobei der Film eine Dicke von nicht kleiner als 50 um aufweist.

7. Optischer Magnetfeldsensor mit:

einem magnetooptischen Wandler mit einem Polarisator, einem magnetooptischen Element und einem Analysator, die nacheinander in dieser Reihenfolge entlang einer Richtung eines übertragenen Lichtstrahls angeordnet sind, wobei der Analysator derart vorgesehen ist, daß er die Richtung eines durch das magnetooptische Element transmittierten Lichtstrahls unterschiedlich zu derjenigen des Polarisators einrichtet, so daß eine zu messende magnetische Feldintensität als eine Ausgangslichtintensität detektiert wird, und dem magnetooptischen Element, das den in Anspruch 1 definierten Film umfaßt,

einer ersten Linse, die optisch über den Polarisator mit einem Ende des magnetooptischen Elements verbunden ist,

einer ersten optischen Faser zum Eingeben eines Lichtstrahls in die erste Linse,

einer zweiten Linse, die optisch über den Analysator mit dem anderen Ende des magnetooptischen Elements verbunden ist, und

einer zweiten optischen Faser zum Ausgeben eines Lichtstrahls aus der zweiten Linse, wobei die erste optische Faser/das magnetooptische Element und das magnetooptische Element und die zweite optische Faser optisch derart angeordnet sind, daß ein konfokales optisches System durch die erste und die zweite Linse gebildet ist, und wobei die erste und die zweite optische Faser im wesentlichen in axialer Symmetrie in bezug auf das magnetooptische Element angeordnet sind.

8. Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, der ferner einen Totalreflexionsspiegel umfaßt, der mit dem Analysator verbunden ist, wobei die erste Linse und die erste optische Faser und die zweite Linse und die zweite optische Faser voneinander weg und sich parallel zueinander erstreckend gehalten sind.

9. Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, wobei optische Achsen der ersten optischen Faser, der ersten Linse, des Wandlers, der zweiten Linse und der optischen Faser in einer Linie angeordnet sind.

10. Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, wobei der Film eine Dicke von nicht kleiner als 50 um aufweist.