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JPH0760164B2 - 光電圧電界センサ - Google Patents
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JPH0760164B2 - 光電圧電界センサ - Google Patents

光電圧電界センサ

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JPH0760164B2
JPH0760164B2 JP62014347A JP1434787A JPH0760164B2 JP H0760164 B2 JPH0760164 B2 JP H0760164B2 JP 62014347 A JP62014347 A JP 62014347A JP 1434787 A JP1434787 A JP 1434787A JP H0760164 B2 JPH0760164 B2 JP H0760164B2
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JP
Japan
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optical
wave plate
comp
field sensor
single crystal
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登 二上
隆夫 沢田
千恵 長尾
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、Bi12GeO20単結晶の電気光学効果(Pockels
効果)を応用した光電圧電界センサに関し、特にその温
度特性の改善に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、この種の装置として第1図に示すものがあった。
図において、(1)は偏光子、(2)は電場を検知する
電気光学材料、(3)は波長板すなわちこの例では四分
の一波長板、(4)は検光子、(5)は電気光学材料
(2)に印加される交流電圧V、(6)は電気光学材料
(2)の両面に設けた透明電極、(7)は光、(8)は
偏光子(1)を通過した光(7)の偏光方向を示す矢
印、(9)は検光子(4)を通過した光(7)の偏光方
向を示す矢印、(10)は光検出器、(11)は波長板の軸
方向を示す矢印、(12)は電気光学効果による複屈折軸
方向を示す矢印である。
次に動作について説明する。偏光子(1)を通過した光
(7)は矢印(8)で示す偏光面を有するが、この光
(7)が電気光学材料(2)および四分の一波長板
(3)を通過した時に検光子(4)の方向(9)と垂直
になるように調整すると、検出器(10)に入る光(7)
は最少になる。次に、電気光学材料(2)に交流電圧
(5)を印加すると、四分の−波長板(3)を通過した
光(7)の偏光状態が変化して検光子(4)を通過する
光の量が増加し、その増加量を光検出器(10)で検知す
ることができる。この時、電気光学材料(2)上の電極
(6)に印加する電圧(5)が変化すると、検光子
(4)を通過する光の量が変化し、その変化は、電気光
学材料(2)としてBi12GeO20単結晶(以下BGOと略す)
を用いた場合、光量Iは次式で与えられる。
I=(1/2)Io{1+Γ/φ)sinφ} ただし、 φ=Γ+(2θ1)1/2 であり、Io:偏光子出射光量 Γ:BGOの電気光学効果による直線複屈折 φ:BGO旋光能 1:BGO光路長 λ:使用波長 no:BGO屈折率 r41:BGO電気光学係数 V:印加電圧 である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の光電圧電界センサは以上のように構成されてお
り、偏光子出射光量Ioの変化による誤差および光量Iの
光検出器(10)までの伝送損失による誤差を取り除くた
め、光量の直流成分IDcと交流成分IAcを検出して割算を
行なって印加交流電圧を検出していた。しかしながら、
BGOの電気光学効果を表わすno 3γ41および旋光能θは温
度変化し、これらの温度変化は光電圧電界センサの検出
誤差となるという問題点があった。
また、四分の一波長板(3)は位相差90゜の波長板であ
るが、これも温度変化をする。さらに、波長板(3)の
位相差が90゜でない場合にも、この位相差をΔとする
と、光量Iは、 I=(1/2)Io{1−cosΔcosφ +(Γ/φ)sinΔsinφ} で示され、したがって、波長板(3)の温度変化によっ
ても誤差を生じるという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、BGOの光路長による旋光角、または波長板の
位相差を調整する事により、光電圧電界センサの感度I
AC/IDCの温度係数を小さくして高精度の光電圧電界セン
サを得る事を目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る光電圧電界センサは、Bi12GeO20単結晶
を電気光学材料として用い、偏光子と、上記電気光学材
料と、波長板と、検光子とにより構成した光電圧電界セ
ンサにおいて、上記波長板の位相差Δを、上記Bi12GeO
20単結晶の光路による旋光角φに対して次の条件 cosΔ=cosφ − または (但しαは波長板の複屈折の温度係数 βはBi12GeO20単結晶の旋光能の温度係数) を満たすΔの値をΔcompとした時、 Δcomp−0.35ラジアン〜Δcomp+0.35ラジアン の範囲に設定するか、または、上記旋光角φを上記位相
差Δに対して上記式または式を満たすφの値をφ
compとした時、 φcomp−0.35ラジアン〜φcomp+0.35ラジアン の範囲に設定するものである。
〔作用〕
この発明においてはBGOの光路による旋光角φに対して
条件式または cosΔ=cosφ − を満たす波長板の位相差Δの値をΔcompとした時、位相
差Δが Δcomp−0.35ラジアン〜Δcomp+0.35ラジアン の範囲にある波長板を用いる事により、光電圧電界セン
サの感度の温度係数を小さくする事ができる。
又、波長板の位相差Δに対して、上記条件式または
式を満たすBGOの旋光角φの値をφcompとした時、BGOの
光路長を使用光源の波長を考慮しつつ調整する事によ
り、旋光角φを調整し、φの値を φcomp−0.35ラジアン〜φcomp+0.35ラジアン の範囲に設定する事により、上記センサ感度の温度係数
を小さくする事ができる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。構成
は次の点を除き第1図に示す従来のものと同一である。
すなわち、従来の四分の一波長板(3)のかわりに位相
差Δの調節可能な波長板(3)を組み合わせて光電圧電
界センサを構成している。この時、透過光量Iは、 I=(1/2)Io{1−cosΔcosφ +(Γ/φ)sinΔsinφ} ただし、 φ=Γ+(2θ1)1/2 であり、Io:偏光子出射光量 Γ:BGOの電気光学効果による直線複屈折 φ:BGO旋光能 1:BGO光路長 λ:使用波長 no:BGO屈折率 r41:BGO電気光学係数 V:印加電圧 である。
今、印加電圧Vが一定の時、Γ、Δ、θの温度変化をそ
れぞれ、 Δ=Δ(1+αT) θ=θ(1+βT) Γ=Γ(1+γT) とする。ただし、Δ、θ、Γはそれぞれ使用中心
温度における波長板位相差、旋光能、および一定電圧値
におけるBGOの直線位相差である。また、T=t−to
あり、tは使用温度、toは使用中心温度を示す。さらに
α、β、γはそれぞれにおける温度係数であり、β=−
250ppm/℃、γ=−250ppm/℃、αは水晶製の波長板
(3)の場合−116ppm/℃である。
光電圧電界センサでは、これらの光学系検出部へ光ファ
イバ等により光を伝送して入射し、また、出射光を光フ
ァイバで返送して計測を行なうのが一般的である。した
がって、それらの光伝送損失による誤差が生じるため、
光量の交流変化分IACと直流変化分IDCとを分離し、割算
を行なうことによりこれらの誤差を除いている。微小交
流電圧分においては、 IDC=(1/2)Io(1−cosΔcosφ) IAC=(1/2)Io(Γ/φ)sinΔsinφ となり、割算後の感度ηは、 となる。ここで、温度係数を代入すると、 η=η(1+δT) ただし、 φ=2θo1, である。例えば式にθ=0.183ラジアン/mm=10.5゜
/mm、1=1mm、およびα、β、γを代入し、Δによる
δの変化を求めて結果を第2図に示す。この図より、従
来例のように波長板の位相差Δを90゜とした場合すな
わち四分の一波長板を用いた場合、δは−80ppm/℃とな
るが、Δを115゜とすると温度係数δが零となること
がわかる。
なお、上記実施例では位相差Δを115゜にとったが、9
0゜を超え130゜までの範囲であれば温度係数が改善され
ることが第2図より分かる。
また、波長板(3)は単板タイプのものでも貼り合せタ
イプのものでもよく、位相差Δが上記範囲内であれば
温度変化は同様であり、特性が改善される。
また、式によると、φ=2θo1を決めると、温度係
数が零となるΔの値が2個ある事がわかる。ここで、
φ=2θo1は電気光学材料(2)の光路長1および旋
光能θに依存し、旋光能は使用光の波長により変化す
る。今、横軸に旋光角2θo1をとり、縦軸に波長板位相
差Δをとって温度係数の等高線を表したものを第3図
に示す。式において、たまたま、γ−β=0であるた
め、温度係数零の条件は、 cosΔ=cos(2θo1) − または である。
ここで、温度係数零の条件式は波長板(3)の材質に
関与せず成立する。また、温度係数零の条件式は、 ただしφ=2θo1 となり、波長板(3)の複屈折の温度係数αと、Bi12Ge
O20単結晶の旋光能θの温度係数βに依存する。この
場合βは−250ppm/degである。波長板(3)として水晶
を用いる場合、αは−116ppm/degであるので、β/αは
2.198となる。また、波長板(3)としてAl2O3単結晶を
用いる場合およびMgF2単結晶を用いる場合、αはそれぞ
れ−137ppm/degおよび−49ppm/degでありβ/αはそれ
ぞれ1.825および5.102となる。
なお、第3図より波長板の位相差Δは、上記温度係数
零の条件より±0.35ラジアン≒20゜程度の範囲内で変化
させても、温度係数が±80ppm/deg以下になり、実用的
にさしつかえない事がわかる。なお、第3図は波長板
(3)が水晶である場合について示しているが、Al2O3
単結晶やMgF2単結晶の場合でも同様である。また、第3
図より、旋光角φの値を上記温度係数0の条件より±0.
35ラジアン≒20゜程度の範囲内で変化させても温度係数
±80ppm/deg以下になり、実用的にさしつかえないこと
がわかる。なお旋光角φの調整は、BGOの光路長を使用
光源の波長を考慮しつつ調整することによりなされる。
また、Bi12GeO20単結晶(2)を分割して配置した場
合、もしくは反射層あるいはプリズム等を設けて1回以
上反射させる方式の光学系とした場合においても、Bi12
GeO20単結晶の全光路長の合成旋光角を2θo1としてΔ
を求めれば同様の効果が得られる。
さらに位相差Δがπ/2の場合すなわち四分の一波長板
を使用する場合は条件式より、φ=π/2において上記
温度係数が0であり、旋光角φをπ/2−0.35ラジアン〜
π/2+0.35ラジアンの範囲に設定する事により上記温度
係数を小さくする事ができる。なお波長板として位相差
90゜の四分の一波長板では位相差ΔがΔ=N×360
゜±90゜(N:整数)のものについては、Nの値が異なっ
ても波長板として同等の機能をもつが、温度特性は異な
る。温度補償の条件式、では、実際の位相差を代入
する事となる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、Bi12GeO20単結晶を
電気光学材料として用い、偏光子と、上記電気光学材料
と、波長板と、検光子とにより構成した光電圧電界セン
サにおいて、上記波長板の位相差Δを、上記Bi12GeO20
単結晶の光路による旋光角φに対して次の条件 cosΔ=cosφ − または (但しαは波長板の複屈折の温度係数 βはBi12GeO20単結晶の旋光能の温度係数) を満たすΔの値をΔcompとした時、 Δcomp−0.35ラジアン〜Δcomp+0.35ラジアン の範囲に設定するか、または、上記旋光角φは上記位相
差Δに対して上記式または式を満たすφの値をφ
compとした時、 φcomp−0.35ラジアン〜φcomp+0.35ラジアン の範囲に設定するので、センサ感度の温度係数を実質的
に零とすることができ、高精度の光電圧電界センサが得
られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例および従来例による一般的
な光電圧電界センサを示す構成図、第2図は水晶の波長
板の位相差Δとセンサ感度の温度係数との関係を示す
特性図、第3図はBi12GeO20単結晶の旋光角2θo1およ
び波長板の位相差Δに対する温度係数の等高線を示す
特性図である。 図において、(1)は偏光子、(2)はBi12GeO20単結
晶、(3)は波長板、(4)は検光子、(5)は印加交
流電圧、(6)は電極、(7)は光路、(8)は偏光子
の偏光方向、(9)は検光子の偏光方向、(10)は光検
出器、(11)は波長板の軸方向、(12)は電気光学効果
による複屈折軸方向である。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Bi12GeO20単結晶を電気光学材料として用
    い、偏光子と、上記電気光学材料と、波長板と、検光子
    とにより構成した光電圧電界センサにおいて、 上記波長板の位相差Δを、上記Bi12GeO20単結晶の光路
    による旋光角φに対して cosΔ=cosφ − を満たすΔの値Δcompを用いて、 Δcomp−0.35ラジアン〜Δcomp+0.35ラジアン の範囲に設定することを特徴とする光電圧電界センサ。
  2. 【請求項2】Bi12GeO20単結晶を電気光学材料として用
    い、偏光子と、上記電気光学材料と、波長板と、検光子
    とにより構成した光電圧電界センサにおいて、 上記波長板の位相差Δを、上記Bi12GeO20単結晶の光路
    による旋光角φに対して (但しαは波長板の複屈折の温度係数 βはBi12GeO20単結晶の旋光能の温度係数) を満たすΔの値Δcompを用いて、 Δcomp−0.35ラジアン〜Δcomp+0.35ラジアン の範囲に設定することを特徴とする光電圧電界センサ。
  3. 【請求項3】Bi12GeO20単結晶を電気光学材料として用
    い、偏光子と、上記電気光学材料と、波長板と、検光子
    とにより構成した光電圧電界センサにおいて、上記Bi12
    GeO20単結晶の光路による旋光角φを、上記波長板の位
    相差Δに対して cosΔ=cosφ − を満たすφの値φcompを用いて、 φcomp−0.35ラジアン〜φcomp+0.35ラジアン の範囲に設定することを特徴とする光電圧電界センサ。
  4. 【請求項4】Bi12GeO20単結晶を電気光学材料として用
    い、偏光子と、上記電気光学材料と、波長板と、検光子
    とにより構成した光電圧電界センサにおいて、上記Bi12
    GeO20単結晶の光路による旋光角φを、上記波長板の位
    相差Δに対して (但しαは波長板の複屈折の温度係数 βはBi12GeO20単結晶の旋光能の温度係数) を満たすφの値φcompを用いて、 φcomp−0.35ラジアン〜φcomp+0.35ラジアン の範囲に設定することを特徴とする光電圧電界センサ。
  5. 【請求項5】波長板が水晶である場合、β/αは2.198
    である特許請求の範囲第2項または第4項記載の光電圧
    電界センサ。
  6. 【請求項6】波長板がAl2O3単結晶である場合、β/α
    は1.825である特許請求の範囲第2項または第4項記載
    の光電圧電界センサ。
  7. 【請求項7】波長板がMgF2単結晶である場合、β/αは
    5.102である特許請求の範囲第2項または第4項記載の
    光電圧電界センサ。
  8. 【請求項8】波長板の位相差Δがπ/2である時、旋光角
    φを の範囲に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第3
    項記載の光電圧電界センサ。
JP62014347A 1987-01-23 1987-01-23 光電圧電界センサ Expired - Lifetime JPH0760164B2 (ja)

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