JPH02189516A - Faraday effect material and magnetic field sensor - Google Patents

Faraday effect material and magnetic field sensor

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JPH02189516A
JPH02189516A JP1010724A JP1072489A JPH02189516A JP H02189516 A JPH02189516 A JP H02189516A JP 1010724 A JP1010724 A JP 1010724A JP 1072489 A JP1072489 A JP 1072489A JP H02189516 A JPH02189516 A JP H02189516A
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cds
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Morihiko Katsuta
勝田 守彦
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Abstract

PURPOSE:To obtain Faraday effect material which exhibits a large Verdet constant value and to miniatureize the magnetic field sensor by using a CdS- MnS-ZnS series alloy as the essential component. CONSTITUTION:The Faraday effect material having the large Verdet constant is obtd. by alloy ZnS to a CdMnS alloy. Namely, the CdS-MnS-ZnS series alloy is used as the essential component of the Faraday effect material. Any materials are usable as for as the materials are the Faraday effect materials essentially consisting of the CdS-MnS-ZnS series alloy in this case; for example, elements, such as Te and Se, may be slightly incorporated therein. Sufficient sensitivity is obtd. in this way even if the crystal bod6y is not set long in the case of suing this material as the crystal body to constitute a Faraday rotating element. The magnetic field sensor which can measure magnetic fields even in a narrow place is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ファラデー効果を有する材料および送電線
や配電線に流れる電流や磁界を検知するための磁界セン
サ、あるいは探傷用磁界センサや電力量計測用磁界セン
サなどのファラデー効果材料を使用した磁界センサに関
するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] This invention relates to a material having a Faraday effect and a magnetic field sensor for detecting current or magnetic field flowing in power transmission lines or distribution lines, or a magnetic field sensor for flaw detection or electric power consumption. The present invention relates to magnetic field sensors using Faraday effect materials, such as magnetic field sensors for measurement.

[従来の技術] 鉛ガラス、Zn5e結晶、BSO結晶等の光透過性の良
い磁気光学材料に外部から磁界を与え、磁界と同じ方向
に光を透過させると、ファラデー効果により磁気光学材
料を通過中に光の偏波面が回転する現象が知られている
。偏波面の回転角θ(min)は下式により与えられる
[Prior art] When a magnetic field is applied from the outside to a magneto-optical material with good optical transparency, such as lead glass, Zn5e crystal, or BSO crystal, and light is transmitted in the same direction as the magnetic field, the Faraday effect causes light to pass through the magneto-optic material. It is known that the plane of polarization of light rotates. The rotation angle θ (min) of the polarization plane is given by the following formula.

θ5IIvHfL ここで、■はベルデ定数(mi n10e−cm)、H
は磁界の強さ(Oe)、Itはファラデー回転素子の長
さ(cm)を示す。
θ5IIvHfL Here, ■ is the Verdet constant (min10e-cm), H
represents the strength of the magnetic field (Oe), and It represents the length of the Faraday rotation element (cm).

この磁気旋光現象を利用して磁界の測定を行なうことが
できる。第7図は、ファラデー効果を利用した磁界セン
サの基本構成を示している。第7図においてミ入射光り
は、光ファイバ1およびロッドレンズ2を通り、直方体
状の偏光子3を通過して直線偏波となり、次いで同様に
直方体状のファラデー回転素子4に入射し、ここで磁界
5の影響により偏波面が角度θだけ回転されてファラデ
ー回転素子4から出る。このときの偏波面の回転角度θ
は、ファラデー回転素子4の出力側に置いた直方体状の
検光子6により光の強度に置換えられる。そして、この
光は、ロッドレンズ7および光ファイバ8を通り、出射
光10となり、この出射光の強度をフォトダイオードで
検知することにより測定することができる。
This magnetic optical rotation phenomenon can be used to measure magnetic fields. FIG. 7 shows the basic configuration of a magnetic field sensor using the Faraday effect. In FIG. 7, the incident light passes through an optical fiber 1 and a rod lens 2, passes through a rectangular parallelepiped-shaped polarizer 3, becomes a linearly polarized wave, and then enters a similarly rectangular parallelepiped-shaped Faraday rotation element 4, where it is Due to the influence of the magnetic field 5, the plane of polarization is rotated by an angle θ and exits the Faraday rotation element 4. The rotation angle θ of the plane of polarization at this time
is replaced by the intensity of light by a rectangular parallelepiped analyzer 6 placed on the output side of the Faraday rotation element 4. This light then passes through the rod lens 7 and the optical fiber 8 and becomes the emitted light 10, which can be measured by detecting the intensity of the emitted light with a photodiode.

第7図に示す磁界センサでは、ファラデー回転素子4と
して鉛ガラス、Zn5e結晶、BSO結晶(B 112
 S t 020)等の光学結晶が用いられており、そ
れらの感度はベルデ定数■で表わされ、850nmの波
長では、次の数値となる。
In the magnetic field sensor shown in FIG. 7, the Faraday rotation element 4 is made of lead glass, Zn5e crystal, BSO crystal (B 112
Optical crystals such as S t 020) are used, and their sensitivity is expressed by the Verdet constant ■, which at a wavelength of 850 nm has the following value.

鉛ガラス   0.01  m1n10e*cmBSO
結晶  0.10  minloe−cmZnSe結品
 0.1S  minloe−cm[発明が解決しよう
とする課題] しかしながら、上述の従来の光学結晶は、いずれもベル
デ定数値が小さく、このため感度が低かった。実用的な
感度を得るためには、一定の回転角度θを得る必要があ
るが、上述の弐〇−VHiから明らかなように、ベルデ
定数値が低い場合には、ファラデー回転素子の長さ止を
、たとえば5〜30mm程度の長さに設定する必要があ
った。
Lead glass 0.01 m1n10e*cmBSO
Crystal: 0.10 minloe-cm ZnSe crystal: 0.1 S minloe-cm [Problems to be Solved by the Invention] However, all of the above-mentioned conventional optical crystals had a small Verdet constant value, and therefore had low sensitivity. In order to obtain practical sensitivity, it is necessary to obtain a constant rotation angle θ, but as is clear from the above 20-VHi, when the Verdet constant value is low, the length limit of the Faraday rotator It was necessary to set the length to, for example, about 5 to 30 mm.

このため、従来のファラデー効果材料を用いた場合には
、センサが大型化し、狭い場所での磁界測定が困難にな
るという問題を生じた。
For this reason, when conventional Faraday effect materials are used, the sensor becomes large and the problem arises that it becomes difficult to measure magnetic fields in narrow spaces.

この発明の目的は、大きなベルデ定数値を示すファラデ
ー効果材料を提供するとともに、このファラデー効果材
料を用いることにより小型化を図ることのできる磁界セ
ンサを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a Faraday effect material that exhibits a large Verdet constant value, and to provide a magnetic field sensor that can be miniaturized by using this Faraday effect material.

[課題を解決するための手段およびその作用効果]本発
明者は、上記の問題点を解決するため、従来よりも大き
なベルデ定数を有するファラデー効果材料について種々
検討を重ねた結果、Cd M nS系合金に、ZnSを
合金化させることにより、ベルデ定数の大きなファラデ
ー効果材料が得られることを見出し、この発明をなすに
至ったものである。
[Means for Solving the Problems and Their Effects] In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have conducted various studies on Faraday effect materials having a larger Verdet constant than conventional ones, and have developed a CdM nS system. The inventors discovered that a Faraday effect material with a large Verdet constant could be obtained by alloying an alloy with ZnS, leading to the creation of this invention.

すなわち、この発明のファラデー効果材料は、CdS−
MnS−ZnS系合金を主成分とすることを特徴として
いる。
That is, the Faraday effect material of this invention is CdS-
It is characterized by having a MnS-ZnS alloy as its main component.

さらに、この発明のファラデー効果材料は、以下のよう
な組成範囲内にあることが好ましい。すなわち、添付の
第1図の3元系相図に示すように、cd0.5Mn0.
35ZnQ、+5”’(CdS50%、Mn835%。
Further, the Faraday effect material of the present invention preferably falls within the following composition range. That is, as shown in the ternary phase diagram of the attached Figure 1, cd0.5Mn0.
35ZnQ, +5''' (CdS50%, Mn835%.

ZnS15%) cd0.55Mn0.35z00.I 5(CdS55
%、Mn335%。
ZnS15%) cd0.55Mn0.35z00. I5(CdS55
%, Mn335%.

ZnS10%) cdo、65M’ 0.3 Z’ 0.05S(Cd 
S 65%、Mn330%。
ZnS10%) cdo, 65M' 0.3 Z' 0.05S (Cd
S 65%, Mn 330%.

Z n S 59fi) cd0.85Mn0.I Zoo、05S(CdS85
%、Mn810%。
Z n S 59fi) cd0.85Mn0. I Zoo, 05S (CdS85
%, Mn810%.

ZnS3%) cdo、85M” 0.05z00.I 5(CdS8
5%、Mn85%。
ZnS3%) cdo, 85M” 0.05z00.I 5 (CdS8
5%, Mn 85%.

ZnS10%) cd0.8Mn0.05zn0.15S(CdS80%
、Mn95%。
ZnS10%) cd0.8Mn0.05zn0.15S (CdS80%
, Mn95%.

ZnS15%) で囲まれる範囲内(境界線を含む)の組成を主成分とし
て有することが好ましい。
It is preferable that the main component has a composition within the range (including the boundary line) surrounded by ZnS (15%).

この発明においては、CdS−MnS−ZnS系合金を
主成分とするファラデー効果材料であればよく、たとえ
ばTeやSeなどのような元素が微量歯まれていてもよ
い。
In the present invention, a Faraday effect material containing a CdS-MnS-ZnS alloy as a main component may be used, and for example, a trace amount of an element such as Te or Se may be added.

また、この発明の磁界センサは、上述のファラデー効果
材料、すなわちCdS−MnS−ZnS系合金を主成分
としたファラデー回転素子を有し、このファラデー回転
素子を通過する光の偏波面の回転角の大きさから磁界を
検知する。
Further, the magnetic field sensor of the present invention has a Faraday rotation element mainly composed of the above-mentioned Faraday effect material, that is, a CdS-MnS-ZnS alloy, and the rotation angle of the plane of polarization of light passing through the Faraday rotation element is adjusted. Detects magnetic fields based on their size.

また、磁界センサは、好ましくは、添付の第1図に示す
範囲内(境界線を含む)の上記と同様の組成を有するC
dS−MnS−ZnS系合金を主成分とするファラデー
効果材料からなるファラデー回転素子を有する。
Further, the magnetic field sensor preferably has a composition similar to that described above within the range shown in the attached FIG. 1 (including the boundary line).
It has a Faraday rotation element made of a Faraday effect material whose main component is a dS-MnS-ZnS alloy.

この発明のファラデー効果材料は、大きなベルデ定数を
有しており、特に第1図に示す範囲内の組成のものは、
2.0min10e−cm以上のベルデ定数を有してい
る。したがって、従来のファラデー効果材料である鉛ガ
ラス、BSO結晶およびZn5e結晶等に比べると、1
0倍〜数10倍あるいはそれ以上の大きなベルデ定数を
有していることになる。このため、この発明のファラデ
ー効果材料を使用した磁界センサでは、ファラデー回転
素子の長さ立を従来に比べ1/10〜1/数10に小型
化することができる。このため、この発明の磁界センサ
は小型化が可能であり、狭い場所でも磁界測定が可能と
なる。
The Faraday effect material of the present invention has a large Verdet constant, and in particular, those having a composition within the range shown in FIG.
It has a Verdet constant of 2.0 min 10 e-cm or more. Therefore, compared to conventional Faraday effect materials such as lead glass, BSO crystal, and Zn5e crystal,
This means that it has a large Verdet constant of 0 times to several tens of times or more. Therefore, in the magnetic field sensor using the Faraday effect material of the present invention, the length of the Faraday rotary element can be reduced to 1/10 to 1/10 of the conventional length. Therefore, the magnetic field sensor of the present invention can be downsized and can measure magnetic fields even in narrow spaces.

[実施例コ 第2図の3元系相図中に0で示した組成の結晶を、ブリ
ッジマン法により作製した。高純度の原料であるCdS
、MnSおよびZnSをそれぞれ所定の組成比となるよ
うに、グラファイトボート中で配合し、肉厚の石英反応
管中に入れ真空封入した。この石英反応管を横形電気炉
中に入れ、原料を加熱溶融した後、約24時間保持した
。その後石英反応管を低温部へ微速で移動させることに
より、一端から結晶化させた。得られた結晶は、幅40
mm、長さ250mm、深さ15mmであり、多結晶体
であった。結晶の長さ方向の中央部から、厚さ2mmの
ウェハ試料を切出し、両面を研摩し、鏡面仕上げして厚
さimmの試料とした。
[Example 2] A crystal having the composition indicated by 0 in the ternary phase diagram in FIG. 2 was prepared by the Bridgman method. CdS, a high-purity raw material
. This quartz reaction tube was placed in a horizontal electric furnace, and after heating and melting the raw materials, the tube was held for about 24 hours. Thereafter, the quartz reaction tube was moved at a slow speed to a low temperature section to cause crystallization from one end. The resulting crystal has a width of 40
mm, length 250 mm, depth 15 mm, and was polycrystalline. A wafer sample with a thickness of 2 mm was cut from the center in the longitudinal direction of the crystal, and both sides were polished to a mirror finish to obtain a sample with a thickness of imm.

得られた結晶の構造は、分析の結果、ウルツ鉱型結晶の
単一相であった。各試料について、室温でベルデ定数を
測定した。測定波長は、730,780.850および
1300nmの光で測定した。
Analysis revealed that the structure of the obtained crystal was a single phase of wurtzite crystal. The Verdet constant was measured for each sample at room temperature. The measurement wavelengths were 730, 780.850 and 1300 nm.

第3図は、730nmの測定波長における実施例のベル
デ定数を示す3元系相図である。各組成比の結晶に対す
る測定結果は、それぞれの組成比を示す点の右上に示し
た。単位は、m1n10e会cmである。
FIG. 3 is a ternary phase diagram showing the Verdet constant of the example at a measurement wavelength of 730 nm. The measurement results for crystals of each composition ratio are shown to the upper right of the point indicating each composition ratio. The unit is m1n10ecm.

同様に、第4図、第5図および第6図は、それぞれ測定
波長780nm、850nmおよび1300nmにおけ
る測定結果を示している。第3図〜第7図に示す測定結
果から明らかなように、ベルデ定数の値は測定波長によ
って変化するが、Mn、Zn、CdおよびSの量に大き
く依存している。
Similarly, FIGS. 4, 5, and 6 show measurement results at measurement wavelengths of 780 nm, 850 nm, and 1300 nm, respectively. As is clear from the measurement results shown in FIGS. 3 to 7, the value of the Verdet constant varies depending on the measurement wavelength, but is largely dependent on the amounts of Mn, Zn, Cd, and S.

第1図に示す斜線の領域は、第3図〜第6図に示すDI
定ベルデ定数が2. 0m i n10e * Cm以
上の従来にない大きな値を示す組成範囲を示している。
The shaded area shown in Figure 1 is the DI shown in Figures 3 to 6.
The constant Verdet constant is 2. The composition range shows an unprecedentedly large value of 0min10e*Cm or more.

なおこの組成範囲は、境界線に相当する部分も含まれる
Note that this composition range also includes a portion corresponding to the boundary line.

このように、この発明に従うファラデー効果材料は、高
いベルデ定数を有するため、ファラデー回転素子を構成
する結晶体として、このファラデー効果材料を用いた場
合、結晶体の長さ廷を長く設定しなくとも、十分な感度
が得られ、狭い場所でも磁界測定が可能な磁界センサと
することができる。従来より用いられているZn5e結
晶やBSO結晶をファラデー回転素子に用いた場合、た
とえば5〜30mmの長さが必要であったとすると、こ
の発明のCdS−MnS−ZnS系合金を主成分とした
場合には、ファラデー回転素子の結晶体の長さを約0.
06mm〜2.3mm程度まで短くすることができ、磁
界センサを小型化することができる。
As described above, since the Faraday effect material according to the present invention has a high Verdet constant, when this Faraday effect material is used as a crystal body constituting a Faraday rotation element, the length of the crystal body does not have to be set long. , it is possible to obtain a magnetic field sensor that has sufficient sensitivity and can measure magnetic fields even in a narrow place. If a conventionally used Zn5e crystal or BSO crystal is used in a Faraday rotation element, for example, a length of 5 to 30 mm is required, but if the CdS-MnS-ZnS alloy of the present invention is used as the main component, For this, the length of the crystal of the Faraday rotation element is approximately 0.
The length can be shortened to about 0.6 mm to 2.3 mm, and the magnetic field sensor can be miniaturized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明の実施例において、室温で2.0m
1n10e−crn以上のベルデ定数を示す組成範囲を
示す3元系相図である。第2図は、この発明の実施例に
おいて測定した組成を示す3元系相図である。第3図は
、730nmの測定波長における実施例のベルデ定数を
示す3元系相図である。第4図は、780nmの測定波
長における実施例のベルデ定数を示す3元系相図である
。 第5図は、850nmの17定波長における実施例のベ
ルデ定数を示す3元系相図である。第6図は、1300
nmの測定波長における実施例のベルデ定数を示す3元
系相図である。第7図は、磁界センサの構成概念図であ
る。 第7図において、1は光ファイバ、2はロッドレンズ、
3は偏光子、4はファラデー回転素子、5は磁界、6は
検光子、7はロッドレンズ、8は光ファイバ、9は入射
光、10は出射光を示す。 第7図
FIG. 1 shows a 2.0 m
It is a ternary system phase diagram showing a composition range exhibiting a Verdet constant of 1n10e-crn or more. FIG. 2 is a ternary phase diagram showing the composition measured in Examples of the present invention. FIG. 3 is a ternary phase diagram showing the Verdet constant of the example at a measurement wavelength of 730 nm. FIG. 4 is a ternary system phase diagram showing the Verdet constant of the example at a measurement wavelength of 780 nm. FIG. 5 is a ternary system phase diagram showing the Verdet constant of the example at 17 constant wavelengths of 850 nm. Figure 6 shows 1300
It is a ternary system phase diagram showing the Verdet constant of an example at a measurement wavelength of nm. FIG. 7 is a conceptual diagram of the configuration of the magnetic field sensor. In Fig. 7, 1 is an optical fiber, 2 is a rod lens,
3 is a polarizer, 4 is a Faraday rotation element, 5 is a magnetic field, 6 is an analyzer, 7 is a rod lens, 8 is an optical fiber, 9 is incident light, and 10 is output light. Figure 7

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)CdS−MnS−ZnS系合金を主成分とするこ
とを特徴とするファラデー効果材料。
(1) A Faraday effect material characterized by having a CdS-MnS-ZnS alloy as its main component.
(2)前記CdS−MnS−ZnS系合金が、添付の第
1図の3元系相図に示すように、 Cd_0_._5Mn_0_._3_5Zn_0_._
1_5S(CdS50%、MnS35%。 ZnS15%) Cd_0_._5_5Mn_0_._3_5Zn_0_
._1S(CdS55%、MnS35%。 ZnS10%) Cd_0_._6_5Mn_0_._3Zn_0_._
0_5S(CdS65%、MnS30%。 ZnS5%) Cd_0_._8_5Mn_0_._1Zn_0_._
0_5S(CdS85%、MnS10%。 ZnS5%) Cd_0_._8_5Mn_0_._0_5Zn_0_
._1S(CdS85%、MnS5%、 ZnS10%) Cd_0_._8Mn_0_._0_5Zn_0_._
1_5S(CdS80%、MnS5%。 ZnS15%) で囲まれる範囲内(境界線を含む)の組成を有する、請
求項1記載のファラデー効果材料。
(2) The CdS-MnS-ZnS alloy has a Cd_0_. _5Mn_0_. _3_5Zn_0_. _
1_5S (CdS50%, MnS35%. ZnS15%) Cd_0_. _5_5Mn_0_. _3_5Zn_0_
.. _1S (CdS55%, MnS35%. ZnS10%) Cd_0_. _6_5Mn_0_. _3Zn_0_. _
0_5S (CdS65%, MnS30%. ZnS5%) Cd_0_. _8_5Mn_0_. _1Zn_0_. _
0_5S (CdS85%, MnS10%. ZnS5%) Cd_0_. _8_5Mn_0_. _0_5Zn_0_
.. _1S (CdS85%, MnS5%, ZnS10%) Cd_0_. _8Mn_0_. _0_5Zn_0_. _
1_5S (80% CdS, 5% MnS, 15% ZnS) The Faraday effect material according to claim 1, having a composition within the range (including the boundary line) surrounded by:
(3)ファラデー回転素子を通過する光の偏波面の回転
角の大きさから磁界を検知する磁界センサにおいて、 前記ファラデー回転素子がCdS−MnS−Zn系合金
を主成分として形成されていることを特徴とする磁界セ
ンサ。
(3) In a magnetic field sensor that detects a magnetic field from the rotation angle of the polarization plane of light passing through a Faraday rotator, the Faraday rotator is formed mainly of a CdS-MnS-Zn alloy. Features of magnetic field sensor.
(4)前記CdS−MnS−ZnS系合金が、添付の第
1図の3元系相図に示すように、 Cd0.5Mn0.35Zn0.15S (CdS50%、MnS35%、 ZnS15%) Cd_0_._5_5Mn_0_._3_5Zn_0_
._1S(CdS55%、MnS35%、 ZnS10%) Cd_0_._6_5Mn_0_._3Zn_0_._
0_5S(CdS65%、MnS30%、 ZnS5%) Cd_0_._8_5Mn_0_._1Zn_0_._
0_5S(CdS85%、MnS10%、 ZnS5%) Cd_0_._8_5Mn_0_._0_5Zn_0_
._1S(CdS85%、MnS5%、 ZnS10%) Cd_0_._8Mn_0_._0_5Zn_0_._
1_5S(CdS80%、MnS5%、 ZnS15%) で囲まれる範囲内(境界線を含む)の組成を有する、請
求項3記載の磁界センサ。
(4) The CdS-MnS-ZnS alloy has Cd0.5Mn0.35Zn0.15S (CdS50%, MnS35%, ZnS15%) Cd_0_. _5_5Mn_0_. _3_5Zn_0_
.. _1S (CdS55%, MnS35%, ZnS10%) Cd_0_. _6_5Mn_0_. _3Zn_0_. _
0_5S (CdS65%, MnS30%, ZnS5%) Cd_0_. _8_5Mn_0_. _1Zn_0_. _
0_5S (CdS85%, MnS10%, ZnS5%) Cd_0_. _8_5Mn_0_. _0_5Zn_0_
.. _1S (CdS85%, MnS5%, ZnS10%) Cd_0_. _8Mn_0_. _0_5Zn_0_. _
4. The magnetic field sensor according to claim 3, wherein the magnetic field sensor has a composition within a range (including the boundary line) surrounded by 1_5S (80% CdS, 5% MnS, 15% ZnS).
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