JPH0123067B2 - - Google Patents

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JPH0123067B2
JPH0123067B2 JP57127658A JP12765882A JPH0123067B2 JP H0123067 B2 JPH0123067 B2 JP H0123067B2 JP 57127658 A JP57127658 A JP 57127658A JP 12765882 A JP12765882 A JP 12765882A JP H0123067 B2 JPH0123067 B2 JP H0123067B2
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electric field
linearly polarized
birefringence
phase difference
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Mitsuo Matsumoto
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
    • G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
ａ 技術分野 本発明はポツケルス効果等の電気光学効果を用
いて電界、電圧等を計測する装置に係り、特に電
気光学効果の複屈折位相差を検出する複屈折測定
装置に関する。 ｂ 発明の技術的背景及びその問題点 高電圧機器の電圧を計測するため、被測定電圧
により生じた電界を利用し、この電界の強よさに
よつて電気光学物質の複屈折の位相差が変化する
現象を把えて電圧を検出する技術がある。 この技術は従来の計器用変成器による電圧検出
に比し、絶縁性が優ぐれ、電界を乱だしたりする
こともなく、又、周波数特性が優ぐれていると云
う特長がある。 しかしながらら、従来の複屈折の変化を検出す
る方法は光強度の振幅で検出しており、光路中の
損の影響を受け、又計測電圧に比例した検出量が
得られない欠点がある他に、光強度振幅をフオト
ダイオード等の光電気変換器で電気信号に変換す
る過程で、温度等のドリフトの影響で高精度の検
出が、困難な状況である。 こゝで、従来、最も利用されている電気光学効
果の複屈折の変化を検出する方式を第１図によつ
て説明し、その欠点を述べる。 第１図のレーザ光源１は単一周波数ωで、光電
磁波の電界E1が、ｘ軸から45゜の方位角を持つ偏
波面内で振動する直線偏光E1を出射し、その光
線はｚ軸方向に進み、電気光学効果物質２を通
り、λ／４波長板４を通り、検光子５を通りフオト ダイオード６に達する。今、第１図のようなｚ軸
と直交する直角座標軸ｘ，ｙ軸とする。 電気光学物質２に第１図に示すように測定電圧
３の電圧ｖを加わえると、図示のようにｚ軸方向
に電界ez＝Ｖ／Ｌが発生する。こゝでＬは物質２
のｚ軸方向の長さである。この電界ezにより、物
質２は複屈折性を示しｘ軸方向の電界成分Exを
持つ直線偏光Exに対する屈折率nxがｎ＋Δn／２
に、ｙ軸方向の電界成分Eyを持つ直線偏光Eyに
対する屈折率nyがｎ―Δn／２となる。こゝでｎ
は電界ez＝０のときの物質２の屈折率でこのとき
nx＝nyとなる。Δnは物質２がポツケルス効果を
持つとき電界ezに比例し、Δn＝kezとなる。尚、
比例定数ｋはポツケルス効果物質２の材料で決ま
る定数である。 したがつて、直線偏光Exと直線偏光Eyが長さ
Ｌの物質２を通過すると、ExとEy間で次の位相
差γが生ずる。 γ＝2π／λ（nx―ny）Ｌ ＝2π／ｘΔnL ＝2π／ｘkezＬ ＝2πk／λＶ ……(1) (1)式のλはレーザ１の出力光の波長である。か
くして、位相差γを測ることによつて、電界ezま
たは電圧Ｖを以下に述べる方法により計測するこ
とができる。 今レーザ光源の直線偏光E1の振幅をａ、光の
周波数をωとすれば、E1＝aej〓tで方位角45゜の偏
波面内を振動している。このE1のｘ，ｙ軸成分
Ex，Eyは で与えられる。このような電界成分Ex，Eyがポ
ツケルセル２を通ると、この複屈折作用により、
次の位相差γを発生する行列の作用を受け、出力
側のｘ軸、ｙ軸方向の電界Ex′，Ey′がセル２の
出射面に生ずる。 したがつてEx′，Ey′は位相差がγだけあるの
で、第１図に示すようにEx′，Ey′は隋円偏光波
となる。 このEx′，Ey′が入／４波長板４を通過すると、次 の位相差90゜を発生する行列の作用を受けた、出
力側のｘ軸、ｙ軸方向の電界Ex″，Ey″を入／４板４ の出射面に出力する。すなわち、 したがつて、Ex″，Ey″は位相差がγ＋π／２であ るので、第１図に示すような隋円偏光波となる。
検光子５はこのEx″，Ey″成分の中、ｘ軸から45゜
の方位角の偏波面の電界成分E45゜のみを通過させ
る。したがつてE45゜は、 この電界成分E45はフオトダイオード６に入射
する。フオトダイオード６は光強度｜E45｜2に
比例した電気信号に変換する 即ち、検出量は次式で与えられる。 ＝｜E45｜2＝a2cos2（γ／２＋π／４） ＝a2／２（１―sinγ） ……(6) (6)式より、第１図の方式では、検出量はγに
比例せず、(1)式の測定電圧Ｖに比例するγを求め
るためにはγ＝sin-1（１―２／a2）なる計算によ つてγを求めるような計算機構を必要とする欠点
を持つ。またγが360゜変化する毎に検出量Ｉが同
じ値をとるので、γの検出範囲が±18゜以内しか、
測定できない欠点を持つ。 第１図の最も重大な込点は光強度｜E45｜2を
フオトダイオード６で電気信号に変換する過程で
ドリフトが発生することである。一般にフオトダ
イオード６の暗電流が(6)式のＩに加わり、該暗電
流が温度と共にドリフトし、測定誤差を発生す
る。又、(6)式のγが一定の時でもレーザ光源１の
振幅ａが変化すると(6)式よりＩが変化するので、
レーザ光源の出力は一定でなければ誤差を発生す
る。又光路中の光損失の変化も誤差を発生する。 ｃ 発明の目的 本発明の目的は上記従来方式の欠点を克服する
ために検出方式に光ヘテロダイン方式を用い、検
出電気信号の位相が計測電界等に比例することか
ら光伝送損失及び光電気変換器のドリフトに無関
係に電界等の検出ができる高精度の複屈折測定装
置を提供することにある。 ｄ 発明の概要 本発明は五周波数のレーザによる第１の周波数
の直線偏光波と、これと直交する第２の周波数の
直線偏光波を、電界等により複屈折位相差を持つ
複屈折物質を介して通過させ、その通過光の所定
の方位角の直線偏光成分を抽出する検光子と、前
記直線偏光成分を第１の電気信号に変換する光電
変換器と、前記第１の電気信号から前記電界等の
複屈折位相差により位相変調された前記第１の周
波数と前記第２の周波数の差の周波数の第２の電
気信号を得る手段と、前記第２の電気信号から前
記複屈折位相差に比例した前記電界等の信号を得
る検出手段を設けたことを特徴とする複屈折測定
装置である。 ｅ 発明の実施例 本発明の光学系の構成を第２図に示す。二周波
数レーザ７は第２図に示すようにｘ軸方向に直線
偏光した光周波数ω＋Δωの電界Exとｙ軸方向に
直線偏光した光周波数ωの電界Eyを持つ光線を
ｚ軸方向に出射する。 このような二周波数レーザ７としてはゼーマン
効果を利用したものが市販されて居り、Δωは2π
×1.2×106（vad／ｓ）程度であるので高速のフオ
トダイオードはこのΔωの周波数に十分応答でき
る。またゼーマン効果以外の二周波数レーザとし
ては普通の横方向単一モードレーザの縦モードが
二周波数ω＋Δωの光を発振し、ωとω＋Δωの
周波数の光が互いに直角に直線偏光している事実
を利用できる。または、単一周波数ωのレーザ光
からブラツグセル等の光周波数シフターでω＋
Δωの周波数を作る方法を採用することも可能で
ある。 以上述べたような方法の直線偏光が互いに直交
した二周波数レーザ７の光線はｚ軸方向に進み、
ビームスプリツタ８で２分され、一方は第２図の
電界成分Ex，Eyとなつて電気光学効果を持つポ
ツケルセル１１を通過し、検光子１２を通つてフ
オトダイオード１３に達する。他方の光線はビー
ムスピリツタ８から検光子９を通つてフオトダイ
オード１０に達する。 ビームスプリツタ８から出た一方の光線の電界
成分Ex，Eyの振幅が共に
【式】とすれば、Ex， Eyは(7)式で与えられる。 (7)式の電界成分Ex，Eyが複屈折位相差γを持
つポツケルセル１１を通過すると、その出射側の
ｘ軸方向、ｙ軸方向の電界成分Ex′，Ey′は次式
で与えられる。 検光子１２はこのEx′，Ey′成分の中、ｘ軸か
ら45゜の方位角の偏波面の電界成分E45のみを通過
させる。したがつてE45は が得られる。 この電界成分E45はフオトダイオード１３に入
射する。フオトダイオード１３は光強度｜E45｜
２に比例した電気信号Ixに変換する。したがつて
電気信号Ixは Ix＝｜E45｜2＝a2／２｛１＋cos（Δωt＋γ｝ ……(10) このIxのΔω周波数成分を電気フイルタで抽出
すれば、複屈折位相差γで位相変調された周波数
Δωの電気信号が得られる。このように光の二周
波数ωとω＋Δωより差周波数Δω成分を取り出
す技術は光スパーヘテロダイン検出と云われてい
る。 第２図のビームスプリツタ８から検光子９に向
う他方の光線も第２図のEx，Eyと同じように、
直線偏光が互いに直交した二周波数レーザで、検
光子９はｘ軸から45゜の方位角の直線偏光を通過
するように配置する。 したがつて検光子９から出射する直線偏光の電
界Erefは次式で与えられる。 この電界Erefの光線はフオトダイオード１０に
入射する。フオトダイオード１０は光強度｜Eref
｜2に比例した電気信号Irefに変換する。したが
つてIrefは Iref＝｜Eref｜2＝a2／２｛１＋cosΔωt｝ ……(12) このIrefのΔω周波数成分のみ抽出すれば基準
位相の周波数Δωの電気信号が得られる。 次に本発明の電子回路系を第３図に示す。また
そのタイミング図を第４図に示す。第２図のフオ
トダイオード１０，１３を再び第３図のフオトダ
イオード１０，１３によつて示す。(12)式で与えら
れるフオトダイオード１０の基準信号Irefの周波
数成分Δωがフイルタ１４で抽出され、その出力
ａは第４図ａのような直流分のない完全な正弦波
となる。この出力ａはシユミツトトリガ１６で波
形整形され、出力ａが0vを負から正に横切る時点
で３段カウンタ１８をトリガする。３段カウンタ
１８は第４図ｂに示すように、トリガされる毎に
１，２，３の状態をくり返えし、状態が、３から
１に変化する時第４図ｃに示すような出力Ｃを出
す。この出力Ｃはフリツプフロツプ２０をリセツ
トする。 一方、(10)式で与えられる位相が複屈折位相差γ
で位相変調されたフオトダイオード１３の電気信
号IxのΔω周波数成分がフイルタ１５で抽出され
その出力ｄは第４図ｄの正弦波となる。該該出力
ｄはシユミツトトリガ１７で出力ｄが0vを負から
正に横切る時点で３段カウンタ１９をトリガす
る。このカウンタ１９も第４図ｅに示すように、
トリガされる毎に１，２，３の状態をくり返え
し、状態が３から１に変化する時、第４図ｆに示
すような、出力ｆを出し、この出力ｆはフリツプ
フロツプ２０をセツトする。 したがつて、第４図ｇに示すように、フリツプ
フロツプ２０がリセツトしている期間は4π―
γ(rad)セツトしている期間は2π＋γ(rad)となる。 このフリツプフロツプ２０の出力ｇは第４図ｇ
に示す如く、セツトしている時、2V0の電圧を、
リセツツトトしている時、―V0の電圧を出力し
RCより成る低域通過フイルタ２１を介して平均
直流電圧ｖを出力し、これが検出値となる。 直流平均電圧ｖは ｖ＝2V0（2π＋γ）―V0（4π―γ）／6π＝V0／2π ……（13） となり、完全に複屈折位相差γに比例した電圧が
検出値ｖとして得られる。 （13）式より、本発明の方式ではヘテロダイン
差周波数Δωが変化しても検出値ｖに誤差を生じ
ない長所がある。 又、第３図の構成に於いては電気信号Iref，Ix
の直流分はフイルタ１４，１５でカツトされるの
で、フオトダイオード１０，１３のドリフトは精
度に影響しない。また(10)，(12)で与えられるIref，
IxのΔω成分の振幅a2／２の大きさに無関係にシユ ミツトトリガ１６，１７がOv点を検出するので
レーザ７の光出力変動は誤差とならない。又光路
中の光損失の変動も誤差とならない。 また、第３図の構成では位相差γが±3πradの
範囲の検出能力を持つ。検出範囲は第３図のカウ
ンタ１８，１９の段数を増やすことにより、いく
らでも増加できる。 本発明はポツケルス効果に限らず複屈折位相差
と相関関係を有する物理量の測定装置に応用する
ことが可能である。 ｆ 他の実施例 第５図に本発明の他の実施例を示す。第５図は
温度、圧力、歪電界、磁界、電圧、電流等の種々
の諸物理量を計測する装置である。 二周波数レーザ７は直線偏光が互いに直交した
二周波数の光線を出し、この光線はビームスプリ
ツタ８で２分され一方はレンズ系２２を通つて、
光フアイド２４へ入射する。この入射光線はフア
イバ２４を通つて、他のレンズ系２３を通り検光
子１２を通つてフオトダイオード１３へ達し、電
気信号Ixに変換される。ビームスプリツタ８より
の他方の光線は、検光子９を通り、フオトダイオ
ード１０に達し、基準位相信号Irefに変換され
る。第５図中のレーザ７、ビームスプリツタ８、
検光子９，１２、フオトダイオード１０，１３は
第３図の同一番号の構成要素と同じ作用をするの
で説明を省略する。 さて、光フアイバ２４は単一モードフアイバ、
マルチモードフアイバー、偏波面保存フアイバ等
を使うことができる。これらのフアイバはフアイ
バに影響を与える外囲温度、フアイバに応用、歪
を発生させる圧力、歪、あるいは、フアイバ材に
磁歪物質、電歪物質をコートすることにより磁
界、電界等の諸計測物理量によつて、複屈折が生
じることがわかつている。したがつてこの複屈折
位相差γを第５図の構成で検出すればフアイバに
影響を与えている諸物理量が計測できる。 本発明の検出原理は振幅の変動に無関係に検出
するので、フアイバ２４の損失が増加しても検出
誤差が生じない。したがつてフアイバ２４を長距
離にして、この間に分布する物理量の総和を計測
する応用に利用できる。 ｇ 発明の効果 本発明の複屈折測定装置によれば複屈折位相差
による位相変調を利用するので光伝送路の伝送損
失が精度に影響せず長距離伝送が可能となり、従
来の方式の様な複雑な計算が不要となり、検出の
応答特性の良い高精度の複屈折測定装置を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のポツケル効果、複屈折位相差を
測定する装置の構成図、第２図は本発明の光学系
の構成図、第３図は本発明の電子回路系の構成
図、第４図は第３図のタイミング図、第５図は本
発明の他の実施例を示す図。 １……単一周波数レーザ、２，１１……電気光
学効果物質、４……λ／４波長板、５，９，１２… …検光子、６，１０，１３……フオトダイオー
ド、７……二周波数レーザ、８……ビームスプリ
ツタ、１４，１５……電気フイルタ、１６，１７
……シユミツトトリガ、１８，１９……カウン
タ、２０……フリツプフロツプ、２４……光フア
イバー。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 第１の周波数の直線偏光波と、これと直交す
    る第２の周波数の直線偏光波を、電界等により複
    屈折位相差を持つ複屈折物質を介して通過させ、
    その通過光の所定の方位角の直線偏光成分を抽出
    する検光子と、前記直線偏光成分を第１の電気信
    号に変換する光電変換器と、前記第１の電気信号
    から前記電界等の複屈折位相差により位相変調さ
    れた前記第１の周波数と前記第２の周波数の差の
    周波数の第２の電気信号を得る手段を設けたこと
    を特徴とする複屈折測定装置。
JP57127658A 1982-07-23 1982-07-23 複屈折測定装置 Granted JPS5918923A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP57127658A JPS5918923A (ja) 1982-07-23 1982-07-23 複屈折測定装置
GB08318712A GB2125543B (en) 1982-07-23 1983-07-11 Birefringence type measuring device
US06/514,658 US4629323A (en) 1982-07-23 1983-07-18 Birefringence type measuring device
DE19833326555 DE3326555A1 (de) 1982-07-23 1983-07-22 Messvorrichtung mit doppelbrechung

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JP (1) JPS5918923A (ja)
DE (1) DE3326555A1 (ja)
GB (1) GB2125543B (ja)

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