DE2010404A1

DE2010404A1 - Mirror training for magneto-optical sensors

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: DE7008076U; CH510266A

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.Mirror training for magneto-optical sensors a probe for measuring magnetic fields with one on at least two opposite one another Sides mirrored magneto-optical medium in which an incoming light beam is reflected back and forth several times until it emerges again.

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.It is known to modulate light rays or measure magnetic fields to guide light rays through solid or liquid media, whose optical rotation depending on the magnetic acting on the medium Field is (Faraday effect). Since the size of the angle of rotation is also a function of the is the path covered by the light beam in the medium, one strives to achieve this To make the way as big as possible.

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.The medium is therefore mirrored on at least two opposing sides Sides, so that the incoming light beam up to its exit multiple times is reflected back and forth.

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.A flint glass block on two opposite sides if possible is sanded exactly parallel and mirrored, and where the light beam, its Polarization is rotated by the magnetic field acting on the block, in such a way that that after reflection on the other mirror at a small angle close to it the entrance hole is thrown back and after further reflections on both mirror surfaces finally exits the block again through a second hole in the first mirror is known e.g. from Rev. Gen. de l'electricite 76, 1048.

*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.* is brought into the block through a hole in a mirror, Such a design of the reflective surfaces for the magneto-optical sensor however, it is disadvantageous because the two holes for entry and exit of the light beam must be kept as small as possible, so with given dimensions of the sensor body, the beam can be folded as often as possible. This will Then the system of light source-beam deflection-sensor body is very tricky in relation to it mechanical stability. On top of that, the sensor volume is also bad exploited, since the folded light beam only travels in one plane. It is a task of the invention to design the mirror coating of the magneto-optical sensor so that the system is mechanically less delicate and the sensor material is better utilized, the The object is achieved in that the mirror surfaces are aligned with the plane of incidence of the incoming light beam intersect in straight lines that form a small, form an angle different from zero, and which is appropriate for that which has entered the medium The angle of refraction resulting from the light beam is greater than this angle.

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.Then the entry and exit openings for the light beam be arranged next to or with one another in the same mirror surface. The reflection points in the mirrored medium are then far apart on the side of the openings, in the opposite part of the medium, however, closely packed together. This allows then the openings in the mirrors are made much larger than with conventional ones Arrangements whereby the system, as stated above, mechanically much less becomes susceptible to failure. On the other hand, the beam path is not through premature Limited escape.

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.The mutually inclined mirror surfaces can in the simplest case be designed as a plane mirror. According to an expedient embodiment of the invention However, they can in particular also be designed as angled mirrors with flat partial surfaces be such that the line of intersection with a plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam form a parallelogram or a diamond. Furthermore, the Mirror surfaces be conical in such a way that the intersection lines with one Form plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam and the arc pieces Cone axis lies in the plane of incidence of the light beam. Then the folded one goes Light beam is no longer just in one plane, but penetrates the entire volume of the medium. With the appropriate choice and design of the mirror surfaces and the angle of incidence of the light beam, the inlet and outlet openings can in turn be arranged closely adjacent will. On the other hand, it is also possible to have the openings on the same Side of the same mirror, but dot far apart, to arrange what from a simplification of the whole system can result.

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.In general, the object can be achieved according to the invention, if the two mirror surfaces, or the intersection lines of the mirror surfaces with one In the plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam, the known minimum requirement for general confocal resonators meet that either the center of curvature of a mirror or that mirror itself, However not both of those by the two The straight line running through the centers of curvature between the second mirror and its center of the curve cut.

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.Particularly useful embodiments of the invention result when the two mirror surfaces are perpendicular with respect to their intersection lines with a plane to the plane of incidence the Conditions of a confocal, a concentric respectively.

eines sphärischen oder eines hemikonzentrischen bzw. hemisphärischen optischen Resonators erfüllen.a spherical or a hemispherical or hemispherical meet optical resonator.

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 the following, the invention is illustrated by means of exemplary embodiments explained in more detail. 1 shows a section parallel to the plane of incidence of the incoming light beam, FIG. 2 shows a section perpendicular to the plane of incidence of the incoming light beam, the mirror surfaces as angled mirror with flat Partial surfaces are formed, Fig. 3 shows a section perpendicular to the plane of incidence of the incoming light beam, the mirror surfaces in this Ebend the conditions of a confocal resonator, and, FIG. 4 shows a section perpendicular to the plane of incidence of the incoming light beam, whereby the mirror surfaces in this plane the conditions of a hemispherical or hemispherical resonator.

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.In Fig. 1 a magneto-optically active medium 4, e.g. a flint glass block, shown, in which a preferably linearly polarized light beam 3 enters. The medium 4 is on two opposite sides with mirror surfaces 1 and 2 Mistake. In the mirror surface 2 there are openings for entry and exit of the light beam provided.

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.The openings for entry and exit can be in a single Recess of the mirror surface 2, but also be formed separately from one another. The emerging light beam is denoted by 5.

Der Lichtstrahl 3 wird in dem als optisch dichter angenommenen Medium 4 zum Einfallslot 11 hin unter den Winkel ß0 gebrochen.The light beam 3 is assumed in the medium assumed to be optically more dense 4 broken towards the incidence perpendicular 11 at the angle β0.

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.At the mirror surface 1 it undergoes a first reflection at the angle 1 with respect to the perpendicular 12 felled to this surface 2 Since the perpendiculars 11, 12, like the associated surfaces 1, 2, are inclined to one another at the angle # At the nth reflection (n integer) is The beam returns when n ## BO. In order to get as many reflections as possible, it makes sense to make 60 big and # small. On the other hand, ß0 3 must be greater than #, otherwise the light beam will run in the wrong direction.

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.In Fig. 2 is an embodiment of the mirror surfaces 1, 2 as an angled mirror shown with the flat partial surfaces la, lb and 2a, 2b. It can be seen how the ray 3, the plane of incidence of which runs perpendicular to the image plane, from this plane out in the whole volume of the medium 4 is reflected back and forth before it again is deflected back into the area of the plane of incidence and emerges as beam 5.

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.According to FIG. 3, the mirror surfaces ic, 2c meet with regard to their intersection lines with the image plane perpendicular to the plane of incidence of the beam 3, the conditions of a confocal resonator, i.e. in any section perpendicular to the plane of incidence the radii of curvature Rl> R2 of the two conical surfaces lc, 2c are equal, and the Quotient of the greatest distance L between the conical surfaces lc and 2c from one another and the The value of the radius R1 or R2 is equal to one.

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.Another, similar and therefore not specifically shown form of training the invention consists in the greatest distance of the two conical Make mirror surfaces equal to twice the radius of curvature, so that the centers of curvature of the mirror surfaces lie on the cone axis, or the mirror surfaces are parts of the same Represent a cone of revolution. The conditions of a spherical resp. concentric optical resonator met.

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.In Fig. 4, one is the conditions of a hemispheric Resonator's performing mirror surface training is shown: a flat mirror surface ld lies opposite a conical mirror surface 2d of the radius R2 in its center of curvature.

Claims

P a t e n ta n s p r ü c h e

1. Probe for measuring magnetic fields in one on at least two opposite sides mirrored magneto-optical medium in which a incoming light beam up to, a re-exit reflected back and forth several times is, characterized in that the mirror surfaces (1, 2) with the plane of incidence of the incoming light beam (3) cut into straight lines that form a small, form an angle () different from zero, and which is for the in the medium (4) The angle of refraction () resulting from the incident light beam is greater than this angle ().

2. Probe according to claim 1, characterized in that the mirror surfaces are designed as plane mirrors,

3. Probe according to claim 1, characterized in that that the mirror surfaces as angled mirror with flat partial surfaces (1a, lb, 2a, 2b) are designed such that the straight lines of intersection with a plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam form a parallelogram.

4. Probe according to claim 3, characterized in that the straight lines of intersection form a diamond.

5. Probe according to claim 1, characterized in that the mirror surfaces are conical & erar »that the intersection lines with a plane perpendicular to the plane of incidence of the Light beam form circular arc pieces (1c, 2c) and the cone axis runs in the plane of incidence of the light beam (3).

6. Probe according to claim 2 or 5, characterized in that either but not the center of curvature of a mirror or that mirror itself both, the straight line running through the two centers of curvature between the second Intersect the mirror and its center of curvature.

7. Probe according to claim 6, characterized in that the mirror surface as a Kagel (1c, 2c) in a plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam equal radii of curvature (R1, R2, from @@ le are sere @@@ largest distance (I) from each other one or the @@ Amper the radius (R1, R2) is equal.

8. Probe according to claim 6, characterized in that a mirror surface is designed as a conical surface (2d) and the other as a plane mirror (1d), wherein the greatest distance in a plane perpendicular to the plane of incidence of the light beam the plane mirror surface (1d) from the ruled surface R'1) equal to the radius of curvature R'2) is the same.

L e r s e i t e