IT9020433A1 - Sensore polarimetrico direzionale di campo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un sensore polarimetrico di campo.

Per la misurazione di campi, ed in particolare per la misurazione di campi elettrici o magnetici, possono essere impiegati sensori ottici polarimetrici , i quali sfruttano le variazioni dello stato di polarizzazione in cristalli birifrangenti di un segnale ottico inviato al loro interno.

Tali sensori sono particolarmente convenienti perché possono avere l’elemento sensibile, o sonda, di ridottissime dimensioni e per il fatto che possono essere realizzati in materiali dielettrici, cosi da non perturbare il campo e da non compromettere la sicurezza ad esempio in presenza di conduttori ad alto potenziale o simili.

I sensori noti, tuttavia, pur essendo sufficientemente precisi nel misurare l'intensità del campo nel punto in cui la sonda è collocata, non sono in grado di fornire indicazioni adeguate circa la direzione del campo stesso, cioè non sono in grado di rilevare e fornire indicazioni circa l'intensità del campo stesso in una o più direzioni dello spazio, correlate con la posizione della sonda.

Mentre nel caso di una configurazione definita di campo, ed in caso di una collocazione fissa della sonda, dal valore misurato e a seguito di una opportuna taratura si può risalire alla distribuzione reale del campo, in una configurazione sostanzialmente sconosciuta di campo, come ad esempio in prossimità di un corpo carico di forma irregolare o con una irregolare distribuzione di carica, la mancata conoscenza della direzione del campo misurata dal sensore non consente di ottenere indicazioni sufficienti a definire il campo di interesse.

Si presenta pertanto l'esigenza di disporre di un sensore direzionale, che cioè sia in grado di rilevare almeno una componente del campo da misurare in una ben definita direzione dello spazio, senza che tale misura sia influenzata dalle altre componenti del campo.

Scopo del presente trovato è pertanto individuare le caratteristiche di un sensore che realizzi tale misura direzionale, per una o per più componenti del campo da misurare.

E' oggetto del presente trovato un sensore polarimetrico direzionale di campo, comprendente un emettitore di un segnale di misura, un ricevitore del segnale di misura, una sonda mobile, relative fibre ottiche di collegamento della sonda all'emettitore ed al ricevitore del segnale di misura, in cui la sonda comprende un elemento otticamente sensibile, atto a modificare lo stato di polarizzazione di un segnale ottico trasmesso al suo interno in presenza del campo da misurare, essendo inoltre presenti relativi mezzi di polarizzazione del segnale di misura, caratterizzato dal fatto che l'elemento otticamente sensibile è costituito da un cristallo elettro-ottico avente una struttura cristallina tale da ammettere almeno un piano in cui la modificazione delle caratteristiche di rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel piano stesso è causata da una sola componente del campo da misurare, tagliato ed orientato nella sonda in modo che la direzione di propagazione della luce del segnale di misura al suo interno risulti normale al detto piano, i mezzi di polarizzazione essendo orientati a 45°rispetto agli assi ortogonali secondo i quali gli indici di rifrazione del cristallo sono modificati dalla componente desiderata del campo.

Con maggiore dettaglio, il cristallo elettro-ottico è scelto tra cristalli:

monoclini: classe 2 y-cut z-cut;

ortorombici: classe 222 x-cut, y-cut, z-cut e classe 2mm z-cut;

tetragonali: classe 4 z-cut, classe 4 z-cut, classe 422 x-cut e y-cut, classe 4mm z-cut, classe 42m x-cut, y-cut o z-cut; trigonali: classe 32 x-cut;

esagonali: classe 622 x-cut o y-cut, classe 6m2 x-cut o y-cut;

cubici: classe 43m x-cut, y-cut o z-cut e classe 23 x-cut, y-cut o z-cut,

con il relativo piano di taglio orientato ortogonalmente alla direzione di propagazione del segnale ottico di misura all'interno del cristallo.

Il cristallo elettro-ottico è preferibilmente scelto in un gruppo comprendente:

In una forma preferita di realizzazione il cristallo è un cristallo cubico classe 43m o classe 23, x-cut, y-cut o z-cut, la direzione di propagazione del segnale è parallela all'asse x e il polarizzatore è disposto con il suo piano di polarizzazione orientato parallelamente agli assi y o z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (Εx) del campo, parallela alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.

In una forma alternativa di realizzazione il cristallo è un cristallo esagonale 6m2, con m <-1 >y, y-cut, e il polarizzatore è disposto con asse di polarizzazione orientato a 45' dagli assi x e z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (E ) del campo, normale alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione preferita, il cristallo è un cristallo trigonale 32 x-cut, o esagonale Sm2, con m <1 >y, x-cut, e il polarizzatore è disposto con asse di polarizzazione orientato a 45’ dagli assi y e z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (Εx) del campo, parallela alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.

La sonda comprende un involucro entro il quale è alloggiata l'estremità di almeno una fibra ottica, in allineamento con la quale sono presenti almeno un mezzo di collimazione, un polarizzatore ed un cristallo elettro-ottico, recante sulla faccia opposta a quella volta verso la fibra ottica un mezzo riflettente di un segnale luminoso alimentato attraverso la fibra ottica.

Secondo una forma realizzativa la sonda comprende un cristallo elettro-ottico avente una struttura cristallina tale da ammettere tre piani incidenti in ciascuno dei quali la modificazione delle caratteristiche di rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel piano stesso è causata da una sola componente del campo da misurare, indipendente dalle altre componenti del campo, essendo presenti mezzi di immissione nel cristallo ed estrazione da esso di almeno due segnali luminosi di misura indipendenti, con direzioni di propagazione normali ad uno dì detti piani.

Preferibilmente in tale realizzazione il cristallo elettro-ottico è scelto tra cristalli:

cubici: classi 43m e 23 x-cut. y-cut, z-cut; ortonormali: classe 222 x-cut, y-cut, z-cut;

tetragonali: classe 52m x-cut, y-cut, z-cut;

con i relativi piani di taglio orientati ortogonalmente alla direzione di propagazione dei segnale ottico di misura all'interno del cristallo.

Più preferibilmente il cristallo elettro-ottico è un cristallo cubico della classe 43m o 23.

La sonda, nel caso che sia prevista l'immissione di più segnali luminosi di misura nel cristallo birifrangente, comprende un involucro entro il quale sono alloggiate le estremità di almeno due fibre ottiche, con rispettivi mezzi di collimazione, una delle quali fibre è orientata ortogonalmente ad una delle facce di taglio del cristallo elettro-ottico e l'altra o le altre sono parallele alla prima ed in allineamento con rispettivi prismi di deviazione dei segnali luminosi da esse convogliati verso corrispondenti facce del cristallo, ortogonali alla precedente e tra loro.

La sonda comprende, lungo il percorso del segnale ottico di misura, una lamina di ritardo in materiale birifrangente, atta ad impartire uno sfasamento costante di entità prefissata tra due polarizzazioni ortogonali del segnale ottico di misura stesso, orientata con i suoi assi ottici di birifrangenza sostanzialmente a 45° rispetto al piano di polarizzazione.

La lamina di ritardo può essere realizzata in un materiale birifrangente non elettro-ottico, oppure, in alternativa, in materiale birifrangente elettro-ottico, orientato in modo che le sue caratteristiche di birifrangenza siano modificate dalla stessa componente del campo cui è sensibile il cristallo elettro-ottico, scelto tra cristalli:

tetragonali : classe 4 e 4, z-cut;

ortorombici: classe 2mm, z-cut;

trigonali: classe 32, x-cut;

esagonali: classe 6m2, x-cut, y-cut.

Preferibilmente la lamina di ritardo è realizzata in quarzo x-cut.

In una sonda il cui cristallo possiede birifrangenza indotta a 45° dagli assi ottici principali ed il segnale ottico di misura o ciascun segnale ottico di misura si propaga parallelo alla componente o alle componenti del campo da misurare, la lamina di ritardo è orientata con assi y e z a 45° dagli assi ottici principali del cristallo birifrangente.

In una sonda il cui cristallo possiede birifrangenza indotta lungo i suoi assi ottici principali la lamina di ritardo è orientata con assi y e z concordi con gli assi ottici principali del cristallo birifrangente.

Il piano di taglio del cristallo birifrangente elettro-ottico possiede una tolleranza di giacitura inferiore a 5/10 di grado rispetto al plano teorico prescritto e preferibilmente inferiore a 6' rispetto al piano teorico prescritto.

Il plano di polarizzazione possiede una tolleranza inferiore ad 1° rispetto al piano teorico prescritto.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione del trovato, con riferimento ai disegni allegati, in cui si mostra:

in figura 1 uno schema generale di un sensore polarimetrico di campo elettrico;

in figura 2 uno schema di un sensore polarimetrico di

campo elettrico a riflessione;

in figura 3 la sonda del sensore di figura 2, parzialmente in sezione;

in figura 4 gli elementi della sonda del sensore rappresentati in esploso, con gli orientamenti dei componenti in una prima forma di realizzazione;

in figura 3 gli elementi della sonda del sensore rappresentati in esploso, con gli orientamenti dei componenti in una seconda forma di realizzazione;

in figura 6 gli elementi della sonda del sensore rappresentati in esploso, con gli orientamenti dei componenti in una terza forma di realizzazione;

in figura 7 uno schema della sonda di un sensore sensibile a più componenti del campo, in vista laterale;

in figura 8 uno schema di una sonda sensibile a tre componenti del campo, in vista prospettica.

Come mostra la figura 1, un sensore polarimetrico di campo elettrico è sostanzialmente costituito da una apparecchiatura 1 di emissione e ricezione del segnale ottico di misura, collegata attraverso fibre ottiche 2 ad una sonda 3 destinata ad essere immersa nel campo elettrico E generato da una qualsiasi configurazione esterna di corpi carichi 4, schematicamente rappresentata.

L'apparecchiatura 1 sostanzialmente comprende una sorgente di un segnale ottico, il quale viene introdotto in una fibra ottica di invio 2a e perviene alla sonda 3; entro tale sonda il segnale luminoso viene polarizzato per mezzo di un primo polarizzatore, attraversa un cristallo elettro-ottico, successivamente un secondo polarizzatore ed è quindi immesso entro la fibra di ritorno 2b.

Se le fibre di invio e di ritorno del segnale ottico 2a, 2b sono del tipo a mantenimento di polarizzazione i polarizzatori possono essere anche remoti, cioè collocati entro l'apparecchiatura 1 o comunque lontano dalla sonda; tale realizzazione è praticabile nel caso che non si debba temere che perturbazioni agenti sulle fibre, particolarmente se le fibre stesse sono di notevole lunghezza, producano alterazioni dello stato di polarizzazione del segnale, tali da limitare la precisione della misura.

Nel passaggio attraverso il cristallo, per effetto elettro-ottico, il segnale viene modificato nelle sue caratteristiche di polarizzazione dal campo elettrico esistente e quindi perviene nuovamente, attraverso la fibra 2b, all'apparecchiatura 1, ove il segnale di ritorno è analizzato per ricavare, in base alle modificazioni della sua intensità, dovute alla modificazione dello stato di polarizzazione introdotto entro il cristallo della sonda della presenza del campo, il valore del campo elettrico E.

In una forma alternativa di realizzazione, illustrata in figura 2, il cristallo della sonda è dotato di un rivestimento riflettente all'estremo opposto a quello di ingresso del segnale.

In tal modo il segnale inviato alla sonda viene polarizzato da un polarizzatore, immesso nel cristallo e riflesso; il segnale di misura attraversa nuovamente il cristallo in senso inverso e quindi il polarizzatore e ritorna all’apparecchiatura 1 attraverso la stessa fibra ottica 2 di mandata del segnale.

Entro l'apparecchiatura 1 il segnale di ritorno può essere separato e quindi analizzato in modo analogo al caso precedente.

Come illustrano le figure 1, 2, l'asse a della sonda 3 si può trovare orientato in modo qualsiasi rispetto alla direzione del campo elettrico E; inoltre i componenti della sonda, come discusso nel seguito, possiedono a loro volta un orientamento nello spazio e presentano un comportamento anisotropo.

Un esempio della struttura della sonda 3 è più dettagliatamente illustrato in figura 3· nel caso di una sonda operante per riflessione; essa comprende un involucro 5. convenientemente formato da due porzioni 5a, 5b, cui perviene una fibra ottica 2, alloggiata in una relativa guaina 6.

L'estremità della fibra 2 è inserita in una ferrula di supporto 7 che si trova a sua volta affacciata ad una lente 8 di focalizzazione .

Di fronte alla lente 8 è disposto un polarizzatore 9. cui fa seguito una lamina di ritardo 10 e quindi un cristallo 11, sulla cui superficie opposta alla superficie di ingresso del segnale luminoso di misura è presente un rivestimento riflettente 12.

Al fine di rendere sensibile la sonda ad una unica componente del campo, secondo il trovato il cristallo 11 è un cristallo elettro-ottico direzionale, cioè avente lina struttura cristallina tale da ammettere almeno un piano in cui la modificazione delle caratteristiche dì rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel piano stesso è causata da una sola componente del campo.

Tale cristallo è inoltre tagliato ed orientato nella sonda in modo che la direzione 1 di propagazione della luce del segnale di misura al suo interno, come indicato nelle figure 4, 5. 6, risulti normale al piano sopra individuato.

Tale condizione è individuata facendo riferimento agli assi ottici principali x-y-z dei materiali cristallini impiegati.

Come è noto, tali assi sono gli assi lungo i quali i campi E e D di un'onda elettromagnetica che sì propaga nel cristallo sono paralleli tra loro; essi formano una terna ortogonale e sono sempre univocamente determinati in ogni materiale anisotropo.

I cristalli che soddisfano la condizione suddetta sono individuabili tramite l'appartenenza ad una certa singonia e l'appartenenza ad un certo gruppo puntuale di simmetria, individuato secondo la convenzione intem azionale.

Cristalli adatti allo scopo possono essere scelti tra: cristalli monoclini: classe 2 y-cut e z-cut;

ortorombici: classe 222 x-cut, y-cut, z-cut e classe 2mm z-cut;

tetragonali: classe 4 z-cut, classe 4 z-cut, classe 422 x-cut e y-cut, classe 4mm z-cut, classe 42m x-cut, y-cut o z-cut;

trigonali: classe 32 x-cut;

esagonali: classe 622 x-cut o y-cut, classe 6m2 x-cut o y-cut;

cubici: classe 43m x-cut, y-cut o z-cut e classe 23 x-cut, y-cut o z-cut.

I piani di taglio indicati {x-cut, y-cut, z-cut) sono i piani per i quali la corrispondente direzione di propagazione luminosa che assicura la direzionalità del sensore è normale al plano stesso ed i cristalli devono essere orientati entro il sensore in modo da rispettare la disposizione di tali piani in relazione alla direzione della luce di misura.

Per i cristalli Cubici sopra indicati il piano di taglio, cioè il piano di giacitura della faccia Ila su cui viene fatto incidere ortogonalmente il segnale ottico di misura, può essere normale ad una qualsiasi delle direzioni x, y, z [cioè è un piano con indici di Miller rispettivamente (100), (010), (001)], mentre per i cristalli Tetragonali nelle classi 4, 5, 4mm è accettabile il solo piano z; nella classe 422 i piani x e y, nella classe 42m i piani x, y, z.

Con i cristalli Ortorombici nella classe 222 sono accettabili come piani di taglio i piani definiti dalle tre direzioni x, y, z, mentre nella classe 2mm è adatto il solo piano normale alla direzione z; per i cristalli Trigonali il piano di taglio impiegabile è il piano normale all'asse x; per i cristalli Esagonali il piano normale all'asse x o y; per i cristalli Monoclini il piano normale all’asse y o z.

Tra i gruppi cristallini citati sono preferiti:

I cristalli adatti all'impiego nella sonda sono cristalli per i quali si verificano le condizioni richieste, che inoltre risultino sostanzialmente trasparenti alla luce della lunghezza d'onda impiegata per il segnale di misura.

Con ciò si intende che i cristalli devono avere preferibilmente una lunghezza di dimezzamento dell'intensità luminosa al loro interno non inferiore alla lunghezza del percorso ottico previsto entro il cristallo stesso nella sonda; in talune applicazioni, peraltro, possono essere impiegati anche cristalli con attenuazione superiore a tale valore, purché l'intensità in uscita dal cristallo stesso risulti sufficiente per la misura.

In figura 4 è rappresentato schematicamente, a titolo di esempio, un cristallo cubico x-cut, in cui cioè il piano di taglio 11a è normale alla direzione x e la direzione di propagazione 1 del segnale è parallela all'asse x.

In unione con tale cristallo 11, il polarizzatore 9 è disposto con piano di polarizzazione, indicato con la freccia P, orientato parallelamente all'asse x o y, cioè a 45°rispetto agli assi ortogonali secondo i quali gli indici di rifrazione del cristallo 11 sono modificati dalla componente desiderata Εx del campo elettrico .

Nel caso di un cristallo cubico ai fini del trovato risulterebbe analogo un cristallo y-cut o z-cut per la misura della componente del campo parallela alla corrispondente direzione y o z di propagazione della luce nel cristallo.

In alternativa, usando ad esempio un cristallo di GaSe (Esagonale, classe 6m2), con m perpendicolare all'asse y e con direzione 1 di propagazione della luce nel cristallo parallela ad y (y-cut), come illustra la figura 5. ai può misurare la componente secondo x (Εx) del campo, normale alla direzione 1, disponendo il polarizzatore con asse di polarizzazione P orientato a 45° da x e z.

Tale configurazione può essere conveniente ad esempio per sonde che presentino problemi dimensionali per la loro collocazione nella zona di misura, sfruttando la loro sensibilità in direzione ortogonale alla dimensione maggiore della sonda.

In un ulteriore esempio alternativo, con riferimento allo schema di figura 6, come cristallo 11 può essere usato un cristallo di quarzo (Si02) (Trigonale, classe 32), o di seleniuro di gallio (GaSe) (Esagonale, classe 6m2); in entrambi i casi il piano di sezione Ila è perpendicolare all'asse x, cioè il cristallo è x-cut.

Il polarizzatore 9 è disposto con piano di polarizzazione P a 45° dagli assi y e z; la componente del campo misurata è la componente E , parallela all'asse x.

La lamina di ritardo 10 ha lo scopo di introdurre uno sfasamento tra due polarizzazioni ortogonali ed è impiegata con i suoi assi ottici di birifrangenza a 45° rispetto al piano di polarizzazione .

La risposta del sensore è dipendente dallo sfasamento imposto dalla lamina e pertanto attraverso la lamina 10 si può impartire un valore costante di sfasamento, che si somma a quello variabile introdotto dal campo elettrico da misurare, che permette di operare in corrispondenza ad un valore di campo elettrico desiderato, ad esempio in una zona lineare della curva di risposta.

Data la forma della curva di risposta di una sonda polarimetrica, sostanzialmente cosinusoidale, se si desidera operare con risposta lineare intorno ad un valore medio nullo del campo lo sfasamento da introdurre è pari ad un quarto d'onda; nella sonda a riflessione dell'esempio di figura 2 e 3 la lamina 10 è attraversata due volte dal segnale di misura e pertanto essa è prevista per operare uno sfasamento di un ottavo d'onda in ciascun passaggio, cosi da ottenere in due successivi attraversamenti lo sfasamento complessivo desiderato di un quarto d'onda.

In un sensore senza riflessione, secondo lo schema di figura 1, in cui cioè la lamina di ritardo 10 è attraversata una sola volta dal segnale di misura, per operare intorno ad un valore di campo nullo si impiega una lamina che operi uno sfasamento di un quarto di lunghezza d'onda.

Nel caso che la sonda debba operare in presenza di differenti valori di campo la lamina di ritardo dovrà essere scelta in corrispondenza (determinando il materiale e lo spessore necessario ad ottenere il valore di sfasamento desiderato), secondo tecniche note nel campo.

La lamina di ritardo, comunque scelto il valore di sfasamento da essa determinato, è realizzata in un materiale birifrangente; per ottenere un sensore direzionale tale lamina è realizzata o in un materiale anisotropo birifrangente non elettro-ottico, ad esempio mica, con due assi di birifrangenza lineare perpendicolari alla direzione di propagazione e posti a 45° dall'asse di polarizzazione, ovvero è realizzata con un materiale anisotropo birifrangente elettro-ottico, le cui caratteristiche di birifrangenza sono modificate dalla stessa componente del campo (e solo da quella) che agisce sull'elemento sensibile.

Nel caso che la lamina sia in materiale non elettro-ottico il suo orientamento non risulta influente ai fini della direzionalità del sensore.

Nel caso che invece sia impiegato un materiale birifrangente elettro-ottico, esso può essere scelto tra le seguenti classi cristalline:

Tetragonali :

classe 4 e 5 (z-cut)

Ortorombici :

classe 2mm (z-cut)

Trigonali :

classe 32 (x-cut)

Esagonali:

classe Sm2 (x-cut o y-cut).

Un materiale preferito per la realizzazione della lamina di ritardo è il quarzo x-cut.

La birifrangenza indotta sul quarzo x-cut da un campo elettrico E nella direzione x produce principalmente una variazione degli Ìndici di rifrazione degli assi principali y, z che dà quindi un ritardo di fase modulato dal campo elettrico; se gli assi principali della lamina di ritardo realizzata con tale materiale sono paralleli agli assi di birifrangenza indotta del cristallo sensibile 11 tale ritardo di fase si somma a quello prodotto dal campo stesso sull'elemento sensibile, contribuendo alla sensibilità della sonda nella direzione desiderata, senza che vengano rilevate componenti diverse del campo.

L'orientamento della lamina che corrisponde a tali condizioni è con assi di birifrangenza a 45" dall’asse di polarizzazione P.

Per cristalli 11 che misurano la componente del campo nella direzione di propagazione del segnale ottico di misura e in cui la birifrangenza indotta è a 45° dagli assi gli assi y e z della lamina di ritardo in quarzo devono essere posti a 45° dagli assi ottici principali del cristallo 11, come ad esempio nel caso del cristallo cubico rappresentato in figura 4.

Nel caso in cui la birifrangenza indotta è lungo gli assi principali (figura 6) gli assi della lamina di ritardo devono essere concordi con questi e l'asse P del polarizzatore a 45° da entrambi (ad esempio con GaSe x-cut).

L'impiego di una sonda contenente una lamina di ritardo diversamente orientata o in differenti materiali rispetto a quanto sopra previsto, introduce un difetto di direzionalità nel sensore, cioè una sensibilità ad altre componenti del campo oltre a quella desiderata, che può andare dal 10% fino al 100% della componente desiderata stessa; pertanto per molti impieghi, ad esempio in una sonda impiegata per ricostruire una configurazione di campo intorno ad un corpo o apparecchio ad alta tensione, in cui sia incognito non solo il valore, ma anche la direzione del campo elettrico stesso, è opportuno che anche la lamina di ritardo soddisfi i criteri di direzionalità sopra descritti, in quanto un errore nella misura porterebbe a risultati inaccettabili.

A titolo di esempio, come illustrato in figura 3, un sensore adatto a misurare una componente del campo elettrico è stato realizzato con l'impiego di un cristallo di Germanato di Bismuto

cubico, classe 43m, anche noto come BGO), di forma

prismatica, di lunghezza 10 mm e sezione 3x3 mm; il cristallo è stato tagliato in modo che la dimensione maggiore sia nella direzione z, mentre i lati minori sono nelle direzioni x e y (riferito agli assi ottici principali), come evidenziato dalla terna di riferimento rappresentata in figura.

Il segnale di misura è immesso nel cristallo secondo la direzione z del cristallo.

La lamina di ritardo è realizzata con quarzo x-cut ed ha uno spessore di 1 mm e sezione 3x3 mm; gli assi y e z della lamina sono a 45° dagli assi x e y del cristallo di BGO.

Il polarizzatore è in vetro con spessore 1 mm e sezione 3x3 mm; l'asse di polarizzazione è posto parallelamente ad uno degli assi x o y del cristallo di BGO (a 45° dagli assi y e z della lamina di quarzo).

La luce costituente il segnale di misura è fornita alla sonda attraverso una fibra 2 di tipo multimodale 50/125 ed è focalizzata attraverso una lente a indice di rifrazione variabile 8 di 2 mm di diametro.

L'involucro della sonda è realizzato interamente in materiali dielettrici .

La sensibilità della sonda è tale che si possono misurare, in unione con adatte apparecchiature di emissione, ricezione ed elaborazione del segnale, di tipo noto, campi elettrici in aria da alcuni V/mm ad alcuni kV/mm, in un campo di frequenze che va dalla tensione di rete (< 50 Hz) agli impulsi atmosferici (> 500 kHz), con un errore nella direzionalità inferiore a 1%.

Una sonda realizzata secondo la struttura indicata è pertanto sensibile ad una sola componente del campo, parallela o normale alla direzione di propagazione del segnale luminoso di misura, che convenientemente coincide con l'asse longitudinale della sonda; pertanto collocando la sonda stessa in un campo elettrico incognito ed orientandola secondo una direzione predefinita si può ottenere l'indicazione del valore della componente del campo elettrico nella stessa direzione.

Orientando successivamente la sonda in un'altra direzione, ovvero collocandola in una nuova posizione, si può quindi misurare il campo in tale nuova direzione o posizione, fino a ricostruire la configurazione di campo di interesse, in relazione alle specifiche esigenze di misura.

Nel caso che sia desiderato conoscere contemporaneamente, attraverso una unica sonda, il valore di tutte le componenti del vettore del campo, è conveniente impiegare una sonda realizzata secondo lo schema rappresentato in figura 7 in vista laterale ed in esploso in figura 8: in tale sonda un cristallo elettro-ottico 13. di forma cubica, riceve da tre fibre indipendenti 14, 15, 16 rispettivi segnali di misura orientati su tre facce a diedro tra loro; ciascuna fibra è alloggiata nella rispettiva ferrula 17 ed il fascio luminoso uscente è collimato da una rispettiva lente 18.

Al fine di avere le fibre 14, 15, 16 parallele tra loro all'uscita della sonda, convenientemente due di esse sono dotate di un prisma 19, atto a deviare di 90° il fascio luminoso.

Sul percorso ottico del segnale emesso da ciascuna fibra è quindi presente un rispettivo polarizzatore 20 ed una lamina di ritardo 21, mentre le facce del cristallo 13 opposte a quelle di ingresso dei segnali di misura sono dotate di relativi rivestimenti riflettenti 22.

Con tale struttura entro il cristallo 13 si hanno segnali dì misura nelle tre direzioni dello spazio, che permettono di ricavare la completa configurazione del campo, impiegando una sonda di dimensioni particolarmente ridotte, la quale pertanto introduce limitate perturbazioni al campo misurato ed esegue inoltre la misura delle tre componenti in un unico punto, assicurando in tal modo la necessaria precisione.

Per poter realizzare la misura nelle tre direzioni il cristallo 13 deve essere un cristallo elettro-ottico, trasparente alla o alle lunghezze d'onda dei segnali di misura nel senso già descritto in precedenza, per il quale esistono tre direzioni, ortogonali tra loro, per le quali si verifica la condizione di direzionalità, per cui la struttura cristallina ammette per ciascuna di tali direzioni un corrispondente piano in cui la modificazione delle caratteristiche di rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel plano stesso è causata da una sola componente del campo, in modo che per ciascuna direzione di propagazione si misurano rispettivamente tre componenti del campo fra loro indipendenti.

Cristalli adatti allo scopo sono:

Cubici :

classi 43m e 23 (x-cut, y-cut, z-cut)

Ortonormali :

classe 222 (x-cut, y-cut, z-cut)

Tetragonali:

classe 42 m (x-cut, y-cut, z-cut)

Preferibilmente i cristalli per sensori tridirezionali sono cristalli cubici delle classi 43m e 23; tali cristalli infatti non hanno birifrangenza naturale e posseggono uguale sensibilità nei tre assi.

Nel caso che siano desiderate le misure di due sole componenti del vettore del campo, cioè si desideri una sonda bidirezionale, la sonda stessa potrà avere una struttura analoga a quella rappresentata, ed impiegare gli stessi materiali per il cristalli 13. ma privata di una fibra e del relativi polarizzatore e lamina di ritardo.

In tutti i casi previsti, cioè sia per sensori unidirezionali sia per sensori bi o tridirezionali preferibilmente il piano di taglio del cristallo possiede una tolleranza almeno inferiore a 5/10 di grado rispetto al piano cristallografico teorico e uguale tolleranza si richiede per la direzione di incidenza del segnale luminoso con tale piano; ciò assicura un errore nella misura della direzionalità dell'ordine del 1 2%, cioè la sensibilità alle componenti del campo diverse da quella desiderata è pari a 1 2% della sensibilità nella direzione corretta, ciò che risulta accettabile per la maggioranza degli impieghi senza imporre eccessive difficoltà nella realizzazione del cristallo.

Per ottenere migliori precisioni di misura, con una direzionalità con errore inferiore a 0,1 0,3%, si deve adottare una tolleranza di taglio delle superfici e nell'angolo di incidenza del segnale luminoso tale da ammettere un errore angolare inferiore a 6'.

Per il piano di polarizzazione del polarizzatore 9 un modesto errore di inclinazione non penalizza sensibilmente la direzionalità; un valore comunemente applicabile di tolleranza è compreso tra 0,1° e 1°.

Molteplici varianti potranno essere introdotte, senza uscire dall'ambito del presente trovato nelle sue caratteristiche generali.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sensore polarimetrico direzionale di campo, comprendente un emettitore di un segnale di misura (1), un ricevitore del segnale di misura (1), una sonda mobile (3). relative fibre ottiche (2) di collegamento della sonda (3) all'emettitore ed al ricevitore del segnale di misura, in cui la sonda comprende un elemento otticamente sensibile (11, 13), atto a modificare lo stato di polarizzazione di un segnale ottico trasmesso al suo interno in presenza del campo da misurare, essendo inoltre presenti relativi mezzi di polarizzazione del segnale di misura (9, 20), caratterizzato dal fatto che l'elemento otticamente sensibile (11, 13) è costituito da un cristallo elettro-ottico avente una struttura cristallina tale da ammettere almeno un piano in cui la modificazione delle caratteristiche di rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel piano stesso è causata da una sola componente del campo da misurare, tagliato ed orientato nella sonda in modo che la direzione di propagazione della luce del segnale di misura al suo interno risulti normale al detto piano, i mezzi di polarizzazione (9· 20) essendo orientati a 45°rispetto agli assi ortogonali secondo i quali gli indici di rifrazione del cristallo sono modificati dalla componente desiderata del campo.
2. 2) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il cristallo elettro-ottico è scelto tra cristalli: monoclini: classe 2 y-cut z-cut; ortorombici: classe 222 x-cut, y-cut, z-cut e classe 2mm z-cut; tetragonali: classe 4 z-cut, classe 4 z-cut, classe 422 x-cut e y-cut, classe 4mm z-cut, classe 42m x-cut, y-cut o z-cut; trigonali: classe 32 x-cut; esagonali: classe 622 x-cut o y-cut, classe 6m2 x-cut o y-cut; cubici: classe 43 x-cut, y-cut o z-cut e classe 23 x-cut, y-cut o z-cut, con il relativo piano di taglio orientato ortogonalmente alla direzione di propagazione del segnale ottico di misura all'interno del cristallo.
3. 3) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 2. caratterizzato dal fatto che il cristallo elettro-ottico è preferibilmente scelto in un gruppo comprendente
4. 4) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il cristallo è un cristallo cubico classe 43m o classe 23 x-cut, y-cut o z-cut. la direzione di propagazione del segnale è parallela all'asse x e il polarizzatore è disposto con il suo piano di polarizzazione orientato parallelamente agli assi y o z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (Εx) del campo, parallela alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.
5. 5) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il cristallo è un cristallo esagonale 6m2, con m -<1>- y, y-cut, e il polarizzatore è disposto con asse di polarizzazione orientato a 45° dagli assi x e z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (Εx) del campo, normale alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.
6. 6) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il cristallo è un cristallo trigonale 32 x-cut o esagonale Sm2, con m <1 >y, x-cut, e il polarizzatore è disposto con asse di polarizzazione orientato a 45° dagli assi y e z del cristallo, il sensore essendo sensibile alla componente secondo x (Εx) del campo, parallela alla direzione di propagazione della luce nel cristallo.
7. 7) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sonda comprende un involucro entro il quale è alloggiata l'estremità di almeno una fibra ottica, in allineamento con la quale sono presenti almeno un mezzo di collimazione, un polarizzatore ed un cristallo elettro-ottico, recante sulla faccia opposta a quella volta verso la fibra ottica un mezzo riflettente di un segnale luminoso alimentato attraverso la fibra ottica.
8. 8) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sonda comprende un cristallo elettro-ottico avente una struttura cristallina tale da ammettere tre piani incidenti in ciascuno dei quali la modificazione delle caratteristiche di rifrazione secondo due assi ortogonali giacenti nel piano stesso è causata da una sola componente del campo da misurare, indipendente dalle altre componenti del campo, essendo presenti mezzi di immissione nel cristallo ed estrazione da esso di almeno due segnali luminosi di misura indipendenti, con direzioni di propagazione normali ad uno di detti piani.
9. 9) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il cristallo elettro-ottico è scelto tra cristalli: cubici: classi e 23 x-cut, y-cut, z-cut; - ortonormali: classe 222 x-cut, y-cut, z-cut; tetragonali: classe 42m x-cut, y-cut, z-cut; con i relativi piani di taglio orientati ortogonalmente alla direzione di propagazione dei segnale ottico di misura all'interno del cristallo.
10. 10) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il cristallo elettro-ottico è un cristallo cubico della classe 43m o 23.
11. 11) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la sonda comprende un involucro entro il quale sono alloggiate le estremità di almeno due fibre ottiche, con rispettivi mezzi di collimazione, una delle quali fibre è orientata ortogonalmente ad una delle facce di taglio del cristallo elettro-ottico e l'altra o le altre sono parallele alla prima ed in allineamento con rispettivi prismi di deviazione dei segnali luminosi da esse convogliati verso corrispondenti facce del cristallo, ortogonali alla precedente e tra loro.
12. 12) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sonda comprende, lungo il percorso del segnale ottico di misura, una lamina di ritardo in materiale birifrangente , atta ad impartire uno sfasamento costante di entità prefissata tra due polarizzazioni ortogonali del segnale ottico di misura stesso, orientata con i suoi assi ottici di birifrangenza sostanzialmente a 45° rispetto al piano di polarizzazione.
13. 13) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la lamina di ritardo è realizzata in un materiale birifrangente non elettro-ottico .
14. 14) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la lamina di ritardo è in materiale birifrangente elettro-ottico ed è orientata in modo che le sue caratteristiche di birifrangenza siano modificate dalla stessa componente del campo cui è sensibile il cristallo.
15. 15) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che la lamina di ritardo è realizzata in un materiale anisotropo birifrangente elettro-ottico scelto tra cristalli: tetragonali: classe 4 e 5, z-cut; ortorombici: classe 2mm, z-cut; trigonali: classe 32, x-cut; - esagonali: classe 6m2, x-cut, y-cut.
16. 16) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che la lamina di ritardo è realizzata in quarzo x-cut.
17. 17) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo le rivendicazioni 4. l4, caratterizzato dal fatto che in una sonda il cui cristallo possiede birifrangenza indotta a 45° dagli assi ottici principali ed il segnale ottico di misura o ciascun segnale ottico di misura si propaga parallelo alla componente o alle componenti del campo da misurare, la lamina di ritardo è orientata con assi y e z a 45° dagli assi ottici principali del cristallo birifrangente .
18. 18) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo le rivendicazioni 5, 14, caratterizzato dal fatto che in una sonda il cui cristallo possiede birifrangenza indotta lungo i suoi assi ottici principali la lamina di ritardo è orientata con assi y e z concordi con gli assi ottici principali del cristallo birifrangente .
19. 19) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il piano di taglio del cristallo birifrangente elettro-ottico possiede una tolleranza di giacitura inferiore a 5/10 di grado rispetto al piano teorico prescritto.
20. 20) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 19. caratterizzato dal fatto che il piane di taglio del cristallo birifrangente elettro-ottico possiede una tolleranza di giacitura inferiore a 6' rispetto al piano teorico prescritto.
21. 21) Sensore polarimetrico direzionale di campo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il piano di polarizzazione possiede una tolleranza inferiore ad 1° rispetto al piano teorico prescritto.