DE2010404A1

DE2010404A1 - Spiegelausbildung fur magneto optische Sensoren

Info

Publication number: DE2010404A1
Application number: DE19702010404
Authority: DE
Inventors: Francois Zurich Mottier (Schweiz) M F21v
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE
Priority date: 1969-12-04
Filing date: 1970-03-05
Publication date: 1971-06-09
Also published as: CH510266A; DE7008076U

Description

Spiegelausbildung für magneto-optische Sensoren Die Erfingung betrifft eine Sonde zur Messung magnetischer Felder mit einem auf mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten verspiegeiten magneto-optischen Medium, in welchem ein eintretender Lichtstrahl bis zu seinem Wiederaustritt mehrfach hin und her reflektiert wird.
Es ist bekannt, zur Modulation von Lichtstrahlen oder Messung von magnetischen Feldern Lichtstrahlen durch feste oder flüssige Medien zu führen, deren optisches Drehvermögen abhängig von dem auf das Medium einwirkenden magnetischen Feld ist (Faraday-Effekt). Da die Grösse des Drehwinkels auch eine Funktion des vom Lichtstrahl in dem Medium zurückgelegten Weges ist, ist man bestrebt, diesen Weg möglichst gross zu machen.
Man verpiegelt daher das Medium auf mindestens zwei gegen-Uberllegendën Seiten, so dass der eintretende Lichtstrahl bis zu seinem Wbderaustritt mehrfach hin und her reflektiert wird.
Ein Flintglasblock, der an zwei gegenüberliegenden Seiten möglichst genau parallel geschliffen und verspiegelt ist, und bei dem der Lichtstrahl, dessen Polarisation durch das auf * den Block einwirkende Magnetfeld gedreht wird, derart, dass er nach Reflexion an dem anderen Spiegel unter einem kleinen Winkel dicht neben das Eintrittsloch zurückgeworfen wird und nach weiteren Reflexionen an beiden Spiegelflächen schliesslich durch ein zweites Loch in dem ersten Spiegel aus dem Block wieder austritts ist z.B. aus Rev. Gen. de l'electricite 76, 1048, bekannt.
*durch ein Loch in einem Spiegel in den Block hineingebracht wird, Eine derartige Ausbildung des spiegelnden Flächen fär den magneto-optischen Sensor ist jedoch deshalb nachteilig, weil die zwei Löcher für den Eintritt und den Austritt des Lichtstrahles möglichst klein gehalten werden müssen, damit bei gegebenen Dimensionen des Sensor-Körpers der Strahl möglichst häufig gefaltet werden kann. Dadurch wird dann das System Lkchtquelle-Strahlumlenkung-Scsorkörper oren sehr heikel in Bezug auf mechanische Stabilität. Obendrein ist aber auch das Sensor-Volumen schlecht ausgenutzt, da der gefaltete Lichtstrahl nur in einer Ebene verlEaftX Es ist Aufgabe der Erfindung, die Verspiegelung des magnetooptischen Sensors so zu gestalten, dass das System mechanisch weniger heikel und das Sensormatorial besser ausgenützt ist, Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich die Spiegelflächen mit der Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls in Geraden schneiden, die miteinander einen kleinen, von Null verschiedenen Winkel bilden, und der sich für den in das Medium eingetretenen Lichtstrahl ergebende Brechungswinkel grösser ist als dieser Winkel.
Dann können die Ein- und die Austrittsöffnung für den Lichtstrahl neben- bzw. miteinander in derselben Spiegelfläche angeordnet werden. Die Reflexionspunkte im verspiegelten Medium liegen dann auf der Seite der Oeffnungen weit auseinander, im entgegengesetzten Teil des Mediums aber eng gedrängt beieinander. Dadurch können dann die Oeffnungen in den Spiegeln wesentlich grösser gebracht werden als bei herkömmlichen Anordnungen, wodurch das System, wie oben dargelegt, mechanisch sehr viel weniger störungsanfällig wird. Andererseits wird dennoch der Strahlengang nicht durch vorzeitiges Entweichen beschränkt.
Die gegeneinander geneigten Spiegelflächen können im einfachsten Fall als Planspiegel ausgebildet sein. Nach einer zweckmässigen Ausbildung der Erfindung können sie Jedoch insbesondere auch als Winkelspiegel mit ebenen Teilflächen ausgebildet sein, derart, dass die Schnittgeraden mit einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahls ein Parallelogramm oder eine Raute bilden. Weiterhin können die Spiegelflächen kegelförmig sein, derart, dass die Schnittlinien mit einer Ebene senkrecht zur Einfallebene des Lichtstrahls Kreisbogenstücke bilden und die Kegelachse in der Einfallsebene des Lichtstrahls liegt. Dann verläuft der gefaltete Lichtstrahl nicht mehr nur in einer Ebene, sondern durchsetzt das ganze Medium-Volumen. Bei entsprechender Wahl und Ausbildung der Spiegelflächen und des Einfallwinkels des Lichtstrahls können Ein- und Austrittsöffnung wiederum nahe benachbart angeordnet werden. Andererseits ist es aber auch möglich, die Oeffnungen zwar auf derselben Seite desselben Spiegels, aber dot weit voneinander getrennt, anzuordnen, woraus sich eine Vereinfachung des ganzen Systems ergeben kann.
Ganz allgemein kann die Aufgabe nach der Erfindung dann gelöst werden, wenn die zwei Spiegelflächen, bzw. die Schnitt linien der Spiegelflächen mit einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahls die bekannte Minimalforderung für allgemeine konfokale Resonatoren erfüllen, dass entweder der Krümmungsmittelpunkt eines Spiegels oder dieser Spiegel selbst, Jedoch nicht beide, die durch die beiden Krümmungsmittelpunkte laufende Gerade zwischen dem zweiten Spiegel und dessen Xrümniungsmittelpunkt schneiden.
Besonders zweckmässige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich, wenn die zwei Spiegelflächen bezüglich ihrer Schnittlinien mit einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene die Bedingungen eines konfokalen, eines konzentrischen bzw.
eines sphärischen oder eines hemikonzentrischen bzw. hemisphärischen optischen Resonators erfüllen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von1Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt: Fig. 1 einen Schnitt parallel zur Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls, Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls, wobei die Spiegelflächen als Winkelspiegel mit ebenen Teilflächen ausgebildet sind, Fig. 3 einen Schnitt senkrecht zur Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls, wobei die Spiegelflächen in dieser Ebend die Bedingungen eines konfokalen Resonators erfüllen, und, Fig. 4 einen Schnitt senkrecht zur Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls, wobei die Spiegelflächen in dieser Ebene die Bedingungen eines hemikonzentrischen bzw. hemisphSrischen Resonators erfflllen.
In Fig. 1 ist ein magneto-optisch aktives Medium 4, z.B. ein Flintglasblock, dargestellt, in welchen ein vorzugsweise linear polarisierter Lichtstrahl 3 eintritt. Das Medium 4 ist auf zwei gegenüber liegenden Seiten mit Spiegelflächen 1 und 2 versehen. In der Spiegelfläche 2 sind Oeffnungen zum Eintritt und auch zum Austritt des Lichtstrahls vorgesehen.
Die Oeffnungen für den Ein- und Austritt können in einer einzigen Aussparung der Spiegelfläche 2, aber auch getrennt voneinander ausgebildet sein. Der austretende Lichtstrahl ist mit 5 bezeichnet.
Der Lichtstrahl 3 wird in dem als optisch dichter angenommenen Medium 4 zum Einfallslot 11 hin unter den Winkel ß0 gebrochen.
An der Spiegelfläche 1 erleidet er eine erste Reflexion unter dem Winkel 1 bezüglich des zu dieser Fläche 2 gefällten Lotes 12 Da die Lote 11, 12 wie die zugehörigen Flächen 1,2 unter dem Winkel # gegeneinander geneigt sind, ist Bei der n-ten Reflexion (n ganze Zahl) ist Der Strahl läuft zurück, wenn n## BO. Um möglichst viele Reflexionen zu erzielen, ist es also zwechnSssig, 60 gross und # klein zu machen. Andererseits muss ß0 3edenfalls grösser als # sein, da sonst der Lichtstrahl in die falsche Richtung läuft.
In Fig. 2 ist eine Ausführung der Spiegelflächen 1,2 als Winkeispiegel mit den ebenen Teilflächen la, lb und 2a, 2b dargestellt. Es ist ersichtlich, wie der Strahl 3, dessen Einfallsebene senkrecht zur Bildebene verläuft, aus dieser heraus im ganzen Volumen des Mediums 4 hin und her reflektiert wird, bevor er wieder in den Bereich der Einfallsebene zurückgelenkt wird und als Strahl 5 austritt.
Gemäss Fig. 3 erfüllen die Spiegelflächen ic, 2c bezüglich ihrer Schnittlinien mit der zur Einfallsebene des Strahls 3 senkrechten Bildebene die Bedingungen eines konfokalen Resonators, d.h. in einem beliebigen Schnitt senkrecht zur Einfallsebene sind die Krümmungsradien Rl> R2 der zwei Kegelflächen lc, 2c gleich, und der Quotient aus dem grössten Abstand L der Kegelflächen lc und 2c voneinander und dem Wert des Radius R1 oder R2 ist gleich Eins.
Eine andere, ähnliche und deshalb nicht eigens dargestellte Ausbildungsform der Erfindung besteht darin, den grössten Abstand der zwei kegelförmig ausgebildeten Spiegelflächen gleich dem doppelten Krümmungsradius zu machen,so dass also die Krümmungsmittelpunkte der Spiegelflächen auf der Kegelachse liegen, bz. die Spiegelflächen Teile des gleichen Rotationskegels darstellen. Es werden dann die Bedingungen eines sphärischen bzw. konzentrischen optischen Resonators erfüllt.
In Fig. 4 ist eine die Bedingungen eines hemikonzentrischen bzw. hemisphärischen Resonators errUllende Spiegelflächen-Ausbildung dargestellt: eine plan-Spiegelfläche ld liegt gegenüber einer Kegelspiegelfläche 2d des Radius R2 in deren Krümmungsmittelpunkt.

Claims

P a t e n ta n s p r ü c h e

1. Sonde zur Messung magnetischer Felder in einem auf mindestens zwei gegenüber-liegenden Seiten verpiegelten magneto-optischen Medium, in welchem ein eintretender Lichtstrahl bis zu ,einem Wiederaustritt mehrfach hin und her reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spiegelflächen (1, 2) mit der Einfallsebene des eintretenden Lichtstrahls (3) in Geraden schneiden, die miteinander einen kleinen, von Null verschiedenen Winkel ( ) bilden, und der sich für den in das Medium (4) eingetretenen Lichtstrahl ergebende Brechungswinkel ( ) grösser ist als dieser Winkel ( ).

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen als Planspiegel ausgebildet sind,

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen als Winkelspiegel mit ebenen Teilflächen (1a, lb, 2a, 2b) ausgebildet sind derart, dass die Schnittgeraden mit einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahls ein Parallelogrcmm bilden.

4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittgeraden eine Raute bilden.

5. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen kegelförmig ausgebildet sind &erar» , dass d Schnittlinien mit einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahls Kreisbogenstücke (1c, 2c) bilden und die Kegelachse in der Einfallsebene des Lichtstrahls (3) verläuft.

6. Sonde nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der Krümmungsmittelpunkt eines Spiegels oder dieser Spiegel selbst, jedoch nicht beide, die durch die beiden Krümmungsmittelpunkte laufende Gerade zwischen dem zweiten Spiegel und dessen Krümmungsmittelpunkt schneiden.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche als Kagel (1c, 2c) in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahles gleichen Krümmungsradien (R1, R2, aus @@ le sind sere@@@ grösster Austand (I) voneinander einem oder dem @@ Amper den Radius (R1, R2) gleich ist.

8. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche als Kegelfläche (2d) und die andere als Planspiegel (1d) ausgebildet ist, wobei in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene des Lichtstrahls der grössen Abstand der Planspiegelfläche (1d) von der Regelfläche R'1) gleich dem Krümmungsradius R'2) derselben ist.

L e e r s e i t e