JPH07507627A - 電圧および／または電界強度の測定方法および測定センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電圧および／または電界強度の測定方法および測定センサ 本発明は、電圧および／または電界強度の測定方法および請求の範囲第１項およ び第８項の上位概念による方法を実施するためのセンサに関する。

この形式の公知の方法および相応して使用されるセンサは、種々の結晶の直線偏 光効果を利用するものである。

そのための測定方法およびセンナはすでに公知である。これらは光に対して透明 な所定の結晶の屈折率が結晶内で形成される電界強度に依存して変化するという 作用に基づくものである。このいわゆる直線偏光効果を示す結晶は例えば、ニオ ブ酸リチウムまたは燐酸二水素カリウムの結晶である。結晶小片の面に平行かつ 相互に間隔をおいて配置された２つの電極に例えば電圧測定のために測定すべき 電圧が印加され、これ（こよる屈折率の変化が印加された電圧に対する尺度とし て利用される。

屈折率を検出するためには干渉計装置または旋光計装置が公知である。第１の方 法では光波の位相が変調され基準波に重畳される。これにより出力結合される光 波の強度変化が生じる。旋光計装置では、偏光された光波の偏光度が屈折率に依 存して変化され、強度変化が偏光子により検出される。

公知の２つの装置は比較的高価な技術コストを必要とする。その他に使用すべき 材料による実現問題が生じる。材料に対する高い電気光学の要求を除いても、こ れらの装置では純粋な電気光学の他にそれぞれ圧電効果または光弾性効果が生じ 、これらの作用は純粋な電気光学と同じ様相を示す。材料の慣性は低周波領域に おいて、一方では電気光学に他方では圧電作用および弾性光学的作用に相互に重 畳される。さらに移行領域では、結晶振動に起因する共振現象が顕著である。

したがって広帯域の測定装置のためには純粋な電気光学だけをもっばら利用する ことが必要である。すなわち、相応する圧電／光弾性効果は無視できるほどでな ければならない。

旋光計装置ではこの条件が同時に２つの係数に対して満たされなければならない 。一方干渉計装置では１つの係数で十分ある。したがって広帯域旋光計装置に対 するよりも多数の材料を広帯域干渉計装置の製造のために使用することができる 。しかし干渉針の技術コストが非常に高いという問題がある。そのためにはさら に集積光学的構成素子を使用しなければならない。

これらの構成素子には所定のモード並びに所定の偏光状態の光学的出力を供給し なければならない。したがってこの技術を実際に使用する際には偏光保持光導波 特表千７−５０７６２７　（３） 体（ＨｉＢｉファイバ）の使用が必然的に必要である。

本発明の課題は、干渉針法の利点を基本的に維持することのできる、すなわちた だ１つだけの電気光学係数の評価しか必要ないという利点を維持することのでき る方法およびこの方法を実施するためのセンサを提供することである。さらに技 術的コストを次のようにして低く保持するものである。すなわち、集積光学的技 術を使用することもなく特別な光導波体を使用する必要もないようにして低く保 持するものである。

この課題は本発明により、解決される。

本発明はことに、光波が結晶だけを通過すること、すなわち入力および出力結合 されることを特徴とする。

出力結合されるべきないし出力結合された光波の偏向は簡単な手段により検出し て評価することができる。

本発明の有利な形態は従属請求項に記載されており、以下図面に示された実施例 に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明で使用される、電圧の印加される結晶の斜視図、 図２は、図１の結晶の側面図、 図３は、図１の結晶の端面の正面図、 図４は、Ｘ方向での屈折率ｎの経過を示す線図、図５は、Ｘ方向での電界強度Ｅ ｚの経過を示す線図、図６は、偏向された光波の経過を示す概略図、図７は、電 界中に設けられた２つの半球間のセンサの構成を示す概略、図である。

図１には１により結晶、例えばニオブ酸リチウムの結晶が示されている。この結 晶の両面（上側２と下側３）はＸ軸およびｙ軸方向に延在し、厚さは結晶１の２ 軸方向に延在する。これは座標系に示されているのと同じである。以下常に、” ＋）’＋Ｚ方向の座標は結晶軸を表す。２つの面２．３にはＸ方向に延在するス トリップ状の電極対５．６ないし７．８がそれぞれ設けられている。ここで電極 対の一方５．６は他方の電極対７．８に合同で対向している。２つの電極対５． ６ないし７．８は次のように電圧源９に接続されている。すなわち、それぞれ相 互に対角に対向する電極５．８および６．７がそれぞれ共通に同じ１つの極１０ または１１に接続される。これにより電極５と７の間、および電極６と８の間に は２方向に電界Ｅｚが形成される。しかしこれらの電界Ｅｚは電圧源９への接続 に相応して相互に反対方向である。したがって直線電気光学の定義によれば、例 えば結晶１の屈折率ｎは拡大または減少される（いわゆるＰｏｃｋｅ　Ｉ　ｓ効 果）。

相応して領域１２（通常は相互に平行に延在する２つの電極５．６および７．８ 間の間隔１３よりやや大きい）にはそれぞれ面２または３で図５に示すように、 Ｘ方向の所定の電界強度要素置４により連続して変化する電界強度が形成される 。相応してＸ方向の屈折率ｎも変化し、相応の勾装置５が得られる。これは図４ に示されている。

Ｘ方向に対して垂直の端面の一方１６は、２方向に偏光された光波１７の入力結 合に用いる。入力結合個所１８は実施例では端面１６に対する中心に選択されて いる。相応して他方の端面２０での出力結合個所１９を設けることができる。し かし所望の測定結果に応じて、この入力結合個所１８と出力結合個所１９を結晶 １の別の個所に選択ないし設けることもできる。

前記の装置による電圧測定ないし電界測定は次のようにして実施することができ る。

２方向に偏向された光波１７の伝播の際、結晶１の正のＸ方向には電気光学係数 ｒ３３（良好な近似で周波数に依存しないニオブ酸リチウムの唯一の係数）によ る屈折率ｎが発生する。

ｎ＝ｎｅ−１／２・ｎｅ３・ｒ３３φＥｚ　（］）ただし、ｎｅ＝２２００は異 常光屈折率であり、Ｅｚは結晶の２方向に沿った外部電界を表す。

電界強度要素Ｅｚが座標２に沿って変化するならば、屈折率は位置の関数である 。Ｘ方向に入射された光波１７の光伝播はアイコナール式により表される：Ｉｇ ｒａｄ　Φ（ｘ）ｌ”＝ｎ　（ｘ）　２　（２）ただし、Φ（ｘ）は光波の位相 関数。したがって、光波は放射式 ％式％（３） に従う。ただしＳは光路ないしビーム伝播に沿った波長であり、ｒは位置ベクト ルである。光波１７の偏向は図６に点線ないし破線により示されている。

式（３）の解から光ビームの位置関数に対して近似的に、 ｘ＝１／ａ　Ｈ（ｃｏｓｈ　（ａＹ）−１）　（４）ａ　＝　−１／２・ｎｅ” ＋３３・ｄＥ冨（ｘ）／ｄｉ　（５）が得られる。

小さな偏向角ψは、光波１７が結晶１から出射する際の屈折を考慮して、通過光 路２１ないし長さしにより推定することができる。

φ＝’−１／２・ｎｅ３・＋３３・ｄＥｚ　（ｘ）／ｄｘ−Ｌ　（６）式（６） に基づき、光波１７の電気光学的偏向に対しては電界強度Ｅｚの勾配が重要であ ることがわかる。

この種の電界強度経過は前述の４−を極構成により実現可能である。

光波１７の適切な入力結合および出力結合によって時間的な電界強度経過に相応 する、例えば強度変調された光信号を評価ユニット２２で得ることができる。

この光信号は電［ｉ＋５．６および７．８に印加される電圧ないしは相応の電界 強度に対応する。

光波１７の入力結合は、図６に示されているように、端面１６に結合された適切 な光導波体２３を介して行われ、出力結合は端面２０に結合された光導波体２４ を介して行われる。有利には出力結合側に設けられた光導波体２４のコアないし コア直径２５は偏向領域２６よりも小さい。このようにして、図示のように光導 波体２４を光導波体２３に対してセンタリングして配置すれば、光導波体２４に 入射される光出力の強度変化による偏向を識別することができる。

電界を測定するためには、図７に示すように、電界２７に２つの電位面２８と２ ９からなる装置を設ける。

この電位面は実施例では半球状に構成されており、少なくとも一方は導電材料製 である。これら電位面の間に前記のように構成された結晶１が配置される。電極 には電圧源９の代わりに電位面２８．２９が接続される。電界２７が存在する際 には電位面２８．２９に電圧が誘起される。この電圧がそこに存在する電界に対 する尺度であり、これを測定することができる。したがってこの測定装置および 測定方法ではセンサは外部電圧または電圧供給部に接続されない。したがってこ れに起因する電界の歪も発生し得ない。

出力結合されたまたは出力結合されるべき光波１７′の偏向の評価は有利には、 フォトダイオードまたはダイオードセルまたはその他の電気光学素子により、場 合により図６に示したように絞り３０を介して行う。

本発明の方法およびその際に使用される本発明のセンサは直流に対して、または 低周波および高周波電圧に対して、または相応する均一電界または交番電界に対 して使用することができる。

図１の説明かられかるように、本発明の方法およびこの方法を実施するためのセ ンナは、結晶軸Ｘとｙが図１の図示に対して９０°回転していても完全に機能す る。

ＦＩ６．７ 国際調査報告 、、、％ｌｖ、Ａｋ、、ＰＣＴ／ＤＥ９３１００１６２

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．結晶に発生する電気光学効果を使用して電圧および／または電界強度を測定 するための方法であって、 偏光された光波を結晶を通して通過させ、光路に沿って結晶の電界強度および結 晶の屈折率を電極を用いて変化させ、 ここで該電極は光路に対し平行に延在し、電圧に接続されるものであり、 屈折率の変化によリ惹起された光波の変化を電極に印加された電圧に対する尺度 として評価する方法において、 電極（５、６ないし７、８）に電圧（９；１０、１１）を印加した際、結晶中（ １）には光路（２１）を通じて光波（１７）の伝播方向（結晶（１）のｙ軸また はｘ軸の方向）に対して横方向に、電界強度（Ｅｚ）の勾配が結晶（１）のｚ軸 方向に生じ、かっ屈折率（ｎ）の勾配が生じ、 これにより結晶（１）中の光波（１７）は電圧に依存して偏向され、 当該偏向（偏向領域（２６））を測定することを特徴とする電圧および／または 電界強度の測定方法。
2. ２．小片状の結晶（１）の２つの面（２、３）は結晶軸のｘおよびｙ方向に延在 し、厚さはｚ方向に延在し、 各面（２、３）には相互に対向する１対の電極（５、６ないし７、８）が設けら れており、当該電極はｙ方向またはｘ方向に延在し、かつｘ方向またはｙ方向に は相互に間隔（１３）をおいており、 光波（１７）は、結晶の端面（１６）にあって前記間隔（１３）の領域（１２） に存在する個所（１８）にてｙ方向またはｘ方向に入射する請求項１記載の方法 。
3. ３．結晶（１）のｚ軸方向に偏光された光波（１７）を使用する請求項１または ２記載の方法。
4. ４．光波（１７）を光導波体（２３）を介して入力結合する請求項１から３まで のいずれか１項記載の方法。
5. ５．偏向された光波（１７）の出力結合を、入力結合に対向する端面（２０）に て光導波体（２４）を介して行い、 該光導波体（２４）の光導通コア（２５）は出力結合すべき光波（１７）の偏向 領域（２６）よりも小さく、 これにより偏向は出力結合される光波（１７′）の光強度の変化を生ぜしめる請 求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ６．電界強度を測定するために、電界（２７）中に２つの電位面（２８、２９） を相互に間隔をおいて設け、 結晶（１）を前記電位面間に配置し、電位面に接続する請求項１から５までのい ずれか１項記載の方法。
7. ７．電極面として球ゾンデまたは半球ゾンデ（２８、２９）を使用する請求項６ 記載の方法。
8. ８．小片状の結晶（１）からなり、 該結晶の２つの面（２、３）は結晶のｘ軸およびｙ軸方向に、厚さはｚ軸方向に 延在し、前記面（２、３）には相互に対向して１対のストリップ状の電極（５、 ６ないし７、８）が配置されており、 該電極は相互に間隔（１３）をおいてｙ方向またはｘ方向に延在し、 それぞれ相互に対角に対向する電極（５、８ないし６、７）は相互に接続されて おり、 結晶（１）のｙ方向またはｘ方向に存在する端面（１６、２０）が入力結合およ び出力結合個所として使用されることを特徴とする請求項１から７までのいずれ か１項記載の方法を実施するためのセンサ。
9. ９．結晶（１）はニオブ酸リチウムからなる請求項８記載のセンサ。