DE69630186T2

DE69630186T2 - Faseroptischer Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE69630186T2
Application number: DE69630186T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hiraka-shi Ishizuka; Hisashi Otsu-shi Minemoto; Nobuki Katano-shi Itoh
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: JPH09145809A; EP0774669B1; EP0774669A1; DE69630186D1; JP3153452B2; US5742157A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen optischen Magnetfeldsensor zur Messung einer Magnetfeldintensität durch Verwendung eines magneto-optischen Kristalls, der den Faraday-Effekt besitzt.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Um elektrischen Strom, der durch eine elektrische Leitung, speziell in einem elektrischen Kraftfeld fließt zu messen, wird eine Vorrichtung zur Messung von elektrischem Strom unter Verwendung von optischen Fasem und einem magneto-optischen Kristall, der den Faraday-Effekt besitzt, zur Messung einer Magnetfeldintensität, die um die elektrische Leitung herum erzeugt wird zur praktischen Anwendung gebracht.
Ein Verfahren zur Messung einer Magnetfeldintensität um einen elektrischen Leiter, durch den ein elektrischen Strom fließt, um den elektrischen Strom zu ermitteln besitzt die Vorteile guter elektrischer Isolierung, da Licht als ein Medium verwendet wird und man erleidet keinen negativen Effekt durch elektromagnetische Induktionsstörungen. Dementsprechend wird eine Anwendung des Verfahrens bei Übertragungs- und Verteilungseinrichtungen von elektrischem Strom untersucht.
6 ist eine Ansicht, die ein Prinzip eines Verfahrens zur Messung eines Magnetfelds unter Verwendung des Faraday-Effekts zeigt. In 6 ist ein magneto-optischer Kristall 5 in einem erzeugten Magnetfeld H angebracht und Licht, das durch einen Polarisator 4 polarisiert wurde tritt in den magneto-optischen Kristall 5 ein. Die Polarisationsebene des Lichts, das in den magneto-optischen Kristall 5 eingetreten ist, wird einer Rotation θ proportional zu der Magnetfeldintensität H entsprechend dem Faraday-Effekt unterworfen. Das linear polarisierte Licht, das der Rotation unterworfen wurde, tritt durch einen Analysator 6, der angeordnet ist, um die Polarisationsrichtung des transmittierten polarisierten Lichts zu dem Polarisator 4 um 45° zu ändern. Die Intensität des Lichts, das durch den Analysator 6 getreten ist, ist proportional zu dem Faraday'schen Rotationswinkel θ. Dementsprechend kann eine Veränderung bei einem elektrischen Strom als eine Veränderung von Lichtintensität ermittelt werden.
Ein früherer optischer Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor-Typ wird nun diskutiert. 7 liefert eine Ansicht eines Aufbaus eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors entsprechend dem Stand der Technik (National Technical Report Band 36 , Nr. 2 , S.127 (1992)). In 7 bezeichnen Referenzzahlen 20 und 70 Linsen, Referenzzahl 4 einen Polarisator, 5 einen magneto-optischen Kristall, 6 einen Analysator, 60 einen Totalreflexions-Spiegel und eine Referenzzahl 90 optische Fasern. Da der Polarisator 4 und der Analysator 6 beide kubische Polarisations-Strahlteiler mit einer Kante von 5 mm verwenden, ist der Totalreflexions-Spiegel 60 auch kubisch mit einer Kante von 5 mm.
Eine Erläuterung der Wirkungsweise des Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors, der wie oben aufgebaut ist folgt. Auftreffendes Licht (a), das in die optischen Fasern 90 eintritt wird durch die Linse 20 parallelisiert und wird durch den Polarisator 4 linear polarisiert. Dann wird das linear polarisierte Licht durch den magneto-optischen Kristall 5 und den Analysator 6 transmittiert, die beide angeordnet sind, um die Polarisationsrichtung des transmittierten polarisierten Lichts zu dem Polarisator 4 um 45° zu ändern. Das Licht wird durch den Totalreflexions-Spiegel 60 reflektiert und tritt in die optischen Faser über die Linse 70 ein, um als austretendes Licht (b) transmittiert zu werden. Die Polarisationsebene des Lichts, das in den magneto-optischen Kristall 5 eingetreten ist, wird der Rotation proportional zu der Intensität N eines angewandten Magnetfeldes (nämlich ein Magnetfeld, das durch den magneto-optischen Kristall 5 in Übereinstimmung mit dem Faraday-Effekt transmittiert wird) unterworfen und es tritt durch den Analysator 6. Da die Intensität des Lichts, das durch den Analysator 6 getreten ist, proportional zu dem Rotationswinkel θ ist, kann eine Veränderung bei einem elektrischen Strom als eine Veränderung von Lichtintensität ermittelt werden. 8 erläutert den Fall, bei dem ein elektrischer Strom durch eine elektrische Leitung fließt und unter Verwendung eines solchen Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors gemessen wird. Ein Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor 24 ist in dem Spalt eines Kerns 29 angeordnet, der von einer elektrischen Leitung 30 durchdrungen wird und Licht aus einer Lichtquelle 25 tritt in den Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor 24 über eine optische Faser 26 ein. Basierend auf dem oben erwähnten Prinzip wird die Lichtintensität, die proportional zu der Änderung eines in dem Spalt erzeugten Magnetfelds verändert wurde durch einen optischen Detektor 27 über die optische Faser 26 gemessen, um dann in einer elektrischen Schaltung zur Signalverarbeitung 28 durch Messung von elektrischem Strom verarbeitet zu werden.
Es wird allgemein akzeptiert, dass in dem Fall, bei dem ein Lichtleiffaser-Magneffeldsensor in einem Kernspalt angeordnet ist, um elektrischen Strom durch Ermittlung eines, in dem Spalt erzeugten Magnetfeldes zu messen, das erzeugte Magnetfeld umso größer wird, je geringer die Spaltbreite ist. Das Ergebnis ist, dass die gesamte Empfindlichkeit des Lichtleiffaser-Magnetfeldsensors vergrößert wird entgegen der Tatsache, dass es schwierig ist, wenn die Breite groß ist, den ungünstigen Effekt eines peripheren Magnetfeldes zu vermeiden, was es unmöglich macht, das Magnetfeld, das durch den elektrischen Strom durch die elektrische Leitung erzeugt wird präzise zu messen.
9(a) und 9(b) zeigen das Verhältnis zwischen der Breite des Kemspalts und der Intensität des Magneffeldes, das in dem Spalt erzeugt wird. In 9(a) wird ein elektrischen Strom, der durch die elektrische Leitung 30 fließt durch I dargestellt, die Breite des Kemspalts 29 wird durch Lg dargestellt und Hg steht für die Intensität des Magneffeldes, das in dem Spalt erzeugt wird.
Es gilt die folgende Gleichung: Hg = (I/Lg) × 4π × 10–3 (1)
Zum Beispiel ist, wenn I = 200A und Lg = 20 mm (0,02m) das erzeugte Magneffeld gleich 10⁴ A/m (125,7 0e). 9(b) liefert Berechnungsergebnisse der Gleichung (1) in dem Fall eines angewandten elektrischen Stroms von 200 A.
Wie in 7 gezeigt ist es notwendig, um den Lichtleitfaser-Magneffeldsensor in einer Richtung anzuordnen, in der das Magneffeld in dem Kemspalt durch den magneto optischen Kristall transmittiert wird eine Spaltbreite von mindestens 15 mm zu besitzen, was eine Entfernung von dem Polarisator 3 zu dem Totalreflexions-Spiegel 60 darstellt. Als eine Folge ist es schwierig hochempfindliche und präzise Ergebnisse zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die oben erwähnten Probleme zu lösen und einen Lichtleiffaser-Magneffeldsensor mit großer Empfindlichkeit und Präzision zu ermöglichen, indem man den Kemspalt so schmal wie möglich macht.
Um das Ziel zu erreichen liefert die Erfindung einen Lichtleiffaser-Magneffeldsensor, der umfasst:
Eine Stablinse mit Gradientenindex (im Folgenden als GRIN-Stablinse bezeichnet);
Lichtleiffasern jeweils für auftreffendes Licht und für austretendes Licht, wobei die Lichtleiffasern an einem Ende der GRIN-Stablinse angeordnet sind;
eine erste und eine zweite Reflexionseinrichtung, die sich beide am anderen Ende der GRIN-Stablinse befinden; und
einen magneto-optischen Kristall, der sich zwischen der ersten und der zweiten Reflexionseinrichtung befindet.
Die obige Einrichtung ist, wie durch die verbleibenden Hauptpunkte von Patentanspruch 1 spezifiziert angeordnet.
Ein solcher Aufbau macht es möglich optische Komponenten, die einen Lichtleiffaser-Magneffeldsensor bilden innerhalb des GRIN-Stablinsen-Durchmessers anzuordnen. Wenn der Lichtleiffaser-Magnetfeldsensor in einer Richtung angeordnet wird, in der ein Magneffeld in einem Kemspalt durch einen magneto-optischen Kristall in dem Lichtleiffaser-Magneffeldsensor hindurchtritt, kann sich die Kernspaltbreite etwa im Bereich des GRIN- Stablinsen-Durchmessers befinden, was dazu führt eine Kernspaltbreite zu erhalten, die so schmal wie möglich ist und einen Lichtleitfaser-Magneffeldsensor mit einer größeren Empfindlichkeit und größeren Präzision zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht des Aufbaus eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors von einer Ausführung der Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht des wesentlichen Aufbaus des Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors (1);
3 ist eine schematische Ansicht eines transparenten Blockkörpers, der in einer Ausführung der Erfindung verwendet wird;
4 ist eine Ansicht einer Anordnung der wesentlichen Teile in dem transparenten Blockkörper,
5 ist eine vergrößerte Ansicht des Schlüsselteils eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors, der einen transparenten Blockkörper verwendet;
6 ist eine Ansicht eines Prinzips eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors;
7 zeigt den Aufbau eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors entsprechend dem Stand der Technik;
8 liefert ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors;
9(a) und 9(b) sind grafische Darstellungen, die eine Beziehung zwischen der Kemspaltbreite und dem erzeugten magnetischen Feld zeigen;
10 erläutert einen mäandrierenden Zyklus von einer GRIN-Stablinse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Eine Ausführung der Erfindung wird weiter im Folgenden beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen.
1 ist eine Aufbauansicht einer Ausführung der Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils, das in 1 gezeigt ist (Teil A aus 1). In 1 bezeichnet Referenzzahl 1 eine Lichtleiffaser für auftreffendes Licht, eine Zahl 2 eine GRIN-Stablinse, Zahl 3 einen ersten Totalreflexions-Spiegel, Zahl 4 einen Polarisator, Zahl 5 einen magneto-optischen Kristall, Zahl 6 einen Analysator, Zahl 7 einen zweiten Totalreflexions-Spiegel, Zahl 8 eine Lichtleiffaser für austretendes Licht.
Die Lichtleiffasern für auftreffendes und austretendes Licht 1 und 8 sind an einer Kante der GRIN-Stablinse 2 so angeordnet, dass Licht, das aus der Lichtleiffaser für auftreffendes Lichts 1 austritt durch die GRIN-Stablinse 2 in konvergentes Licht, wie ein Lichtstrahl, der in 1 gezeigt ist umgewandelt wird. Das konvergente Licht wird durch den ersten Totalreflexions-Spiegel 3 so reflektiert, dass die optische Achse des konvergenten Lichtes im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 ist, und dass das konvergente Licht auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 fokussiert wird.
Als Nächstes tritt das konvergente Licht durch die Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 und wird in divergentes Licht umgewandelt, das von dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 reflektiert wird, der an einer Position angeordnet ist, die in Bezug auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 symmetrisch zu dem ersten Totalreflexions-Spiegel 3 ist. Das divergente Licht wird durch die GRIN-Stablinse 2 wieder in konvergentes Licht, wie der Lichtstrahl, der in 2 gezeigt ist umgewandelt, bevor es in die Lichtleiffaser für austretendes Licht 8 eintritt. Dies bildet das optische System. Zusätzlich wird der magneto-optische Kristall 5 an einer solchen Position angebracht, an der das Licht, das durch den ersten Totalreflexions-Spiegel 3 reflektiert wird auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 konvergiert wird. Die Mittelachse, auf die das Licht reflektiert wird, ist auf oder nahe dem Zentrum des magnetooptischen Kristalls 5 positioniert. Der Polarisator 4 ist zwischen dem ersten Totalreflexions-Spiegel 3 und dem magneto-optischen Kristall 5 angebracht. Der Analysator 6 besitzt eine Transmissions-Polarisationsrichtung, die um 45° unterschiedlich von der des Polarisators 4 ist und ist zwischen dem magneto-optischen Kristall 5 und dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 angebracht. Ein Magnetfeld wird somit gemessen durch Anordnung des Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors in einer Richtung, in der das zu messende Magnetfeld durch den magneto-optischen Kristall 5 hindurchtritt. Ein Polarisator 4, ein magnetooptischer Kristall 5 und ein Analysator 6 können in der oben erwähnten Weise zwischen dem ersten Totalreflexions-Spiegel 3 und dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 angeordnet werden. Es ist auch zulässig den Polarisator 4, den magneto-optischen Kristall 5 und den Analysator 6 als einen Körper vorzufertigen im Hinblick auf eine Bearbeitbarkeit bei der Herstellung.
Um das Licht, das aus der GRIN-Stablinse 2 austritt in konvergentes Licht umzuwandeln ist es notwendig einen mäandrierenden Zyklus (eine Teilung) des Lichts in der GRIN-Stablinse 2 auszuwählen.
Die mäandrierende Teilung gibt, wie in 10 gezeigt einen Zyklus an in dem Fall, bei dem Licht, das in eine Stablinse eingetreten ist sich in der Linse ausbreitet, während Divergenz und Konvergenz des Lichts wiederholt werden. In 10 divergiert das aufteffende Licht von 0 P bis 0,25 P, konvergiert von 0,25 P bis 0,5 P, divergiert von 0,5 P bis 0,75 P und konvergiert von 0,75 P bis 1 P.
Allgemein werden die Entfernung R2 von der Mittelachse einer GRIN-Stablinse zu der Position, an der das Licht aus der GRIN-Stablinse austritt und der Winkel θ2 des austretenden Lichts durch die folgenden Gleichungen definiert: R2 = R1·cos(A·Z) + θ1·(1/N0·A)·sin(A·Z) θ2 = –R1·N0·A·sin(A·Z) + θ1·cos(A·Z) (2)
Hier stellt Z die Länge der GRIN-Stablinse, N0 den Brechungsindex auf der Mittelachse der GRIN-Stablinse, A die Brechungsindex-Verteilungskonstante der GRIN-Stablinse, R1 den Abstand von der Mittelachse der GRIN-Stablinse zu einer Auftreffposition des Lichts, das in die GRIN-Stablinse eintritt und θ1 den Auftreffwinkel des eintretenden Lichts dar.
Das Folgende beschreibt eine Ausführung, bei der eine GRIN-Stablinse von 2 mm Durchmesser, die bei 830 nm Wellenlänge verwendet wird, ein mäandrierender Lichtzyklus in einer Linse von 0,35 P, eine Brechungsindex-Verteilungskonstante von 0,243 und ein Mittelachsen-Brechungsindex von 1,557 verwendet werden. Die Länge Z der GRIN-Stablinse wird durch die folgende Gleichung erhalten: Z = (P × 2π)/A (3)
P bezeichnet einen mäandrierenden Lichtzyklus in einer Linse und dementsprechend ist die Länge Z der GRIN-Stablinse 9mm.
Die GRIN-Stablinse 2 ist so angeordnet, dass die Mittelachse der Lichtleitfaser 1 für auftreffendes Licht 0,5mm entfernt von der Mittelachse der Kantenoberfläche für auftreffendes Licht der GRIN-Stablinse 2 positioniert ist. Ein Halbwinkel von zu der GRIN-Stablinse 2 sich ausbreitenden auftreffenden Licht beträgt etwa 0,21 Rad. Und entsprechend Gleichung (2) beträgt der Austrittswinkel der optischen Achse aus der GRIN-Stablinse 2 etwa –8,84°. In 1 betragen die Austrittswinkel des oberen und unteren sich ausbreitenden Lichts aus der GRIN-Stablinse 2 jeweils etwa –15,8° und –1,9° und damit ist es einsichtig, dass das Licht konvergentes Licht ist. Dementsprechend ist es, indem man seine Aufmerksamkeit auf den Austrittswinkel des unteren sich ausbreitenden Lichts lenkt und indem man den Austrittswinkel des unteren Streulichts auf etwa 0° setzt möglich, den ersten Totalreflexions-Spiegel 3 und den zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 so anzuordnen, dass ihre Abstände von der Mittelachse der GRIN-Stablinse 2 sich innerhalb des Radius der GRIN-Stablinse 2 befinden.
Damit können der magneto-optische Kristall 5, der Polarisator 4 und der Analysator 6 auch innefialb des Radius der GRIN-Stablinse 2 angeordnet werden und die Breite eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensorteils, das in einem Spalt des Kerns 29 installiert werden soll, kann man sich innerhalb des Durchmessers der GRIN-Stablinse 2 befinden.
Auch wenn die Ausführung in Bezug auf die GRIN-Stablinse mit 0,35 P beschrieben ist, kann das, aus der GRIN-Stablinse 2 austretende Licht in konvergentes Licht umgewandelt werden unter Verwendung einer GRIN-Stablinse, die eine Teilung innerhalb des folgenden Bereichs besitzt: 0,25 < P < 0,5,wobei P ein mäandrierenden Zyklus (eine Teilung) von Licht in der GRIN-Stablinse ist.
Allgemeiner kann der Bereich von P wie folgt definiert werden: 0,25 + 0,5 n < P < 0,5 + 0,5 n (n: 0,1,2,3,...)
Das heißt, es ist notwendig, dass sich die Länge der GRIN-Stablinse innefialb eines Bereiches befindet, in dem das Licht konvergiert und dass, z. B. in dem Fall bei dem n = 0 ist, das Licht divergieren wird, wenn 0,25 ≥ P oder 0,5 ≤ P ≤ 0,75 ist.
Kür den Fall, wenn n erhöht wird, ist es möglich einen Teil der GRIN-Stablinse mit einer Funktion als Lichttransmissionspfad zu versehen.
Die Herstellung eines solchen Sensors wird relativ einfach gemacht durch Fabrizierung eines transparenten Blockkörpers 9 wie in 3 und in 4 gezeigt, indem man den ersten Totalreflexions-Spiegel 3, den Polarisator 4, den magneto-optischen Kristall 5, den Analysator 6 und den zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 an vorgegebenen Positionen bei vorgegebenen Winkeln anordnet, um ihn mit der GRIN-Stablinse zu verbinden. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils eines Lichtleitfaser-Magnetfeldsensors, der den transparenten Blockkörper 9 verwendet und wie oben wird durch diesen Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor ein erwünschter Effekt erreicht.
Um einen kleinen Licht-Refraktionswinkel zu erhalten, ist es zu bevorzugen, dass der transparente Blockkörper 9 etwa den selben Brechungsindex besitzt wie der Mittelteil der GRIN-Stablinse. In 4 ist ein Spalt zwischen der GRIN-Stablinse und dem transparenten Blockkörper 9 gezeigt.
Die GRIN-Stablinse und der transparente Blockkörper 9 sind jedoch unter Verwendung eines Klebers mit etwa dem gleichen Brechungsindex wie dem des transparenten Blockkörpers 9 geklebt. Dieser Schritt wird ausgeführt, um Reflexion und Brechung von Licht zu unterdrücken. Da es unmöglich ist, dass jedes Teil genau den gleichen Brechungsindex besitzt, werden die jeweiligen Größen durch das Lichtspurverfahren bestimmt, um weiterhin sehr kleine Fehler zu reduzieren.
Durch Verwendung des transparenten Blockkörpers 9 in der oben erwähnten Weise kann die Positionierung der ersten und zweiten Totalreflexions-Spiegel, des magneto-optischen Kristalls etc. beim Zusammenbau leicht ausgeführt werden. Es ist auch möglich, die Totalreflexions-Spiegel auf einer Oberfläche des transparenten Blockkörpers durch Gasabscheidung, Plattieren und Ähnlichem auszubilden.
Wie oben erwähnt sind, entsprechend der Ausführung der Erfindung die Lichtleitfasern für auftreffendes und austretendes Licht jeweils so an einer Oberfläche der GRIN-Stablinse angebracht, dass das Licht, das aus der Lichtleitfaser für auftreffendes Licht austritt durch die GRIN-Stablinse in konvergentes Licht umgewandelt wird. Das konvergente Licht wird durch den ersten Totalreflexions-Spiegel so reflektiert, dass die optische Achse des konvergenten Lichts nahezu senkrecht zu der Mittelachse der GRIN-Stablinse ist und dass das konvergente Licht auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse fokussiert wird. Das konvergente Licht tritt durch die Mittelachse der GRIN-Stablinse und wird in divergentes Licht umgewandelt, das durch den Totalreflexions-Spiegel, der an einer Position angeordnet ist, die symmetrisch ist in Bezug auf die erste Reflexionseinrichtung mit Hinblick auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird wieder in konvergentes Licht durch die GRIN-Stablinse umgewandelt, um ein optisches System aufzubauen, welches das Licht in die Lichtleitfaser für austretendes Licht zu leitet. Der magneto-optische Kristall ist so angeordnet, dass das Licht, das durch den ersten Totalreflexions-Spiegel reflektiert wird auf der Mittelachse der GRIN-Stablinse konvergiert und dass die Position der Mittelachse der GRIN-Stablinse, an der das reflektierte Licht konvergiert ist auf oder in der Nähe des Zentrums des magneto-optischen Kristalls positioniert ist. Einen Polarisator liegt zwischen der ersten Reflexionsrichtung und dem magneto-optischen Kristall und ein Analysator, der eine Transmissionspolarisationsrichtung besitzt, die sich um 45° von der des Polarisators unterscheidet, ist zwischen dem magnetooptischen Kristall und dem zweiten Totalreflexions-Spiegel angebracht. Der Polarisator, der magneto-optische Kristall und der Analysator sind als ein Körper angeordnet und eine GRIN-Stablinse besitzt eine Teilung innerhalb des folgenden Bereichs: 0,25 < P < 0,5 ,wobei P ein mäandrierender Zyklus (eine Teilung) von Licht in der GRIN-Stablinse ist. Der magneto-optische Kristall, der Polarisator, der Analysator, der erste Totalreflexions-Spiegel und der zweite Totalreflexions-Spiegel sind so angeordnet, dass die Abstände von der Mittelachse der GRIN-Stablinse sich innerhalb des Radius der GRIN-Stablinse befinden. Durch entsprechende Anordnung und Fixierung des ersten Totalreflexions-Spiegels, des Polarisators, des magneto-optischen Kristalls, des Analysators und des zweiten Totalreflexions-Spiegels an einer vorgegebenen Position an dem transparenten Blockkörper wird das Licht, das aus der GRIN-Stablinse austritt durch den ersten Totalreflexions-Spiegel reflektiert. Es wird dann zu dem Polarisator, dem magneto-optischen Kristall und dem Analysator transmittiert, wird durch den zweiten Totalreflexions-Spiegel reflektiert und konvergiert in die Lichtleitfaser für austretendes Licht über die GRIN-Stablinse. Es ist möglich optische Komponenten, die den Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor bilden innefialb des Durchmessers der GRIN-Stablinse anzuordnen. Die Kemspaltbreite kann in dem Fall, dass der Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor in einer Richtung angeordnet ist, in der das Magnetfeld in dem Kernspalt durch den magneto-optischen Kristall in dem Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor transmittiert wird nahezu mit dem Durchmesser der GRIN-Stablinse gleich sein. Damit kann die Kernspaltbreite so schmal wie möglich sein, was in einem Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor mit größerer Empfindlichkeit und größerer Präzision resultiert.
Bei der vorher erwähnten Ausführung befindet sich der Polarisator 4 zwischen dem ersten Totalreflexions-Spiegel 3, als erste die Reflexionseinrichtung und dem magneto-optischen Kristall 5. Der Analysator 6 ist zwischen dem magneto-optischen Kristall 5 und dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7, als die zweite Reflexionseinrichtung, angeordnet. Alternative Anordnungen sind jedoch möglich, solange wie der Polarisator 4 auf der Seite des magneto-optischen Kristalls lokalisiert ist, an der Licht eintritt, nämlich zwischen dem Teil der GRIN-Stablinse 2, wo Licht austritt und dern magneto-optischen Kristall 5 und der Analysator 6 ist auf der Seite des magneto-optischen Kristalls angeordnet, auf der Licht austritt, nämlich zwischen dem Teil der GRIN-Stablinse 2, wo Licht eintritt und dem magneto-optischen Kristall 5.
Zusätzlich überschneidet sich bei dem vorher erwähnten Ausführungsaufbau das Licht, das aus der Lichtleitfaser 1 für auftreffendes Licht angekommen ist und in die GRIN-Stablinse 2 eintritt mit Licht aus dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7, das auch in die GRIN-Stablinse 2 eintrat. Es ist jedoch als eine Alternative möglich den ersten Totalreflexions-Spiegel 3, den zweiten Totalreflexions-Spiegel 7, den Polarisator 4 und den Analysator 6 entgegengesetzt im Hinblick auf die Mittelachse des magneto-optischen Kristalls 5 anzuordnen, so dass das Licht, das in die GRIN-Stablinse 2 von der Lichtleitfaser 1 für aufteffendes Licht von dem zweiten Totalreflexions-Spiegel 7 eintritt sich in der GRIN-Stablinse 2 nicht überschneidet sondern parallel bleibt. Auch wenn diese Anordnung einen etwas größeren Durchmesser der GRIN-Stablinse 2 benötigt, kann der Kernspalt enger als bei dem konventionellen Verfahren sein.
Wie aus dem Obigen offensichtlich ist, erlaubt die Erfindung, dass optische Komponenten, die den Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor bilden innerhalb des Durchmessers der GRIN-Stablinse angeordnet werden können. Wenn der Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor in einer Richtung angeordnet ist, in der ein Magnetfeld in einem Kernspalt zu einem magnetooptischen Kristall in dem Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor transmittiert wird, kann die Kemspaltbreite nahezu gleich dem Durchmesser der GRIN-Stablinse sein und es damit möglich machen, eine optimal schmale Kemspaltbreite zu erzielen und einen Lichtleitfaser-Magnetfeldsensor mit einer höheren Empfindlichkeit und einer höheren Präzision zu erhalten.
Zusätzlich ist, da es keine negativen Effekte von unnötigen magnetischen Umgebungsfeldern gibt auf Grund einer verengten Kernspaltbreite eine Messung mit höherer Präzision möglich.

Claims

Optischer Magnetfeldsensor, der umfasst: eine GRIN-Stablinse (2); Lichtleitfaser (1) für auftreffendes Licht und Lichtleitfaser (8) für austretendes Licht, die an einem Ende der GRIN-Stablinse angeordnet sind; eine erste und eine zweite Reflexionseinrichtung (3, 7), die sich beide am anderen Ende der GRIN-Stablinse befinden; und einen magneto-optischen Kristall (5), der sich zwischen der ersten und der zweiten Reflexionseinrichtung befindet, wobei: Licht, das aus der Lichtleitfaser (1) für auftreffendes Licht austritt, durch die GRIN-Stablinse in konvergentes Licht umgewandelt wird, das konvergente Licht durch die erste Reflexionseinrichtung (3) so reflektiert wird, dass eine optische Achse des konvergenten Lichtes im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelachse der GRIN-Stablinse ist, und dass das konvergente Licht auf die Mittelachse der GRIN-Stablinse fokussiert wird, das reflektierte Licht durch die Mittelachse durchtritt und in divergentes Licht umgewandelt wird, das divergente Licht dann von der zweiten Reflexionseinrichtung (7) reflektiert wird, die an einer Position angeordnet ist, die in Bezug auf die Mittelachse symmetrisch zu der ersten Reflexionseinrichtung ist, das reflektierte divergente Licht durch die GRIN-Stablinse wieder in konvergentes Licht umgewandelt und in die Lichtleitfaser (8) für austretendes Licht eingeleitet wird.
Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei: eine Mittelposition des magnetooptischen Kristalls der Position der Mittelachse der GRIN-Stablinse entspricht, an der von der ersten Reflexionseinrichtung reflektiertes Licht konvergiert, und ein Polarisator (4) sich auf der Seite des magnetooptischen Kristalls befindet, an der Licht eintritt, und ein Analysator (6), der eine Durchlass-Polarisationsrichtung aufweist, die sich von der des Polarisators unterscheidet, an der Seite des magnetooptischen Kristalls angeordnet ist, an der Licht austritt.
Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, wobei: sich der Polarisator (4) zwischen der ersten Reflexionseinrichtung (3) und dem magnetooptischen Kristall (5) befindet, und sich der Analysator (3) zwischen der zweiten Reflexionseinrichtung (7) und dem magnetooptischen Kristall (5) befindet.
Optischer Magnetfeldsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei: die Durchlass-Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators sich um im Wesentlichen 45° unterscheiden.
Optischer Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: der Polarisator, der magnetooptische Kristall und der Analysator als ein Körper ausgeführt sind.
Optischer Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die GRIN-Stablinse eine Teilung im folgenden Bereich aufweist: 0,25 + 0,5 n < P < 0,5 + 0,5 n (n: 0, 1, 2, 3,...)wobei P ein mäandander Zyklus, d. h. eine Teilung von Licht in der GRIN-Stablinse, ist.
Optischer Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei: die erste und die zweite Reflexionseinrichtung, der Polarisator, der magnetooptische Kristall und der Analysator so angeordnet sind, dass Abstände dieser Elemente zu der Mittelachse der GRIN-Stablinse jeweils innerhalb eines Radius der GRIN-Stablinse liegen.
Optischer Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei: ein transparenter Blockkörper (9) zum Befestigen der ersten Reflexionseinrichtung, des Polarisators, des magnetooptischen Kristalls, des Analysators und der zweiten Reflexionseinrichtung an vorgegebenen Positionen vorhanden ist, so dass das Licht, das aus der GRIN-Stablinse austritt, von der ersten Reflexionseinrichtung reflektiert wird, zu dem Polarisator, dem magnetooptischen Kristall und dem Analysator weitergeleitet wird, und dann von der zweiten Reflexionseinrichtung reflektiert wird und in die GRIN-Stablinse eintritt.