DE69320398T2

DE69320398T2 - Magnetooptischer Sensorkopf

Info

Publication number: DE69320398T2
Application number: DE69320398T
Authority: DE
Inventors: Mitsuzo C/O Mitsubishi Gas Chemica Katsushika-Ku Tokyo 125 Arii; Toshihiro C/O Mitsubishi Gas Chemical Katsushika-Ku Tokyo 125 Shinbo; Kazushi C/O Mitsubishi Gas Chemica Katsushika-Ku Tokyo 125 Shirai; Norio C/O Mitsubishi Gas Chemical Katsushika-Ku Tokyo 125 Takeda
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-05-05
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: EP0568992A3; US5493222A; EP0568992B1; EP0568992A2; DE69320398D1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetooptischen Sensorkopf, der den Faraday-Effekt eines Bismutsubstituierten Eisengranats verwendet bzw. ausnützt, und insbesondere die Konstruktion eines magnetooptischen Sensorkopfes, der die Intensität eines magnetischen Feldes registriert bzw. mißt und preiswert, von kleiner Größe, von leichtem Gewicht und geeignet für die Massenproduktion ist.

Stand der Technik

Heutzutage enthalten viele der konventionellen industriellen Vorrichtungen und Konsumgütergeräte rotierende Vorrichtungen oder rotierende Mechanismen wie z. B. Motoren und Getriebe. Die Fortschritte in Wissenschaft und Technologie haben es möglich gemacht, Vorrichtungen für industrielle Zwecke wie z. B. Flugzeuge und Schiffe und Konsumgütervorrichtungen wie z. B. Kraftfahrzeuge präzise zu steuern, um die Probleme wie z. B. die Erhaltung der globalen Umwelt und das Energiesparen anzugehen. Um eine Steuerung bzw. Regelung höherer Ordnung und größerer Präzision für rotierende Vorrichtungen zu implementieren, müssen deren Rotationsgeschwindigkeiten sowohl kontinuierlich als auch präzise gemessen werden. Diese Messung erfordert präzise Meßgeräte, die einfach sind, wenig wiegen, und ohne weiteres zu niedrigen Kosten und in großer Menge verfügbar sind. Die Messung von Rotationsgeschwindigkeiten umfaßt eine Vielfalt von Methoden. Zum Beispiel ist ein Rotationsgeschwindigkeitsmeßgerät wie es in Fig. 1 gezeigt ist, das elektromagnetische Induktion verwendet, zum Messen der Rotationsgeschwindigkeiten von Motoren für Flugzeuge und Kraftfahrzeuge entwickelt und verwendet worden (Sensor Gijutsu, Seite 68, Dezember 1986). Ein anderer Weg zum Messen von Rotationsgeschwindigkeiten ist vorgeschlagen worden, welcher einen magnetooptischen Sensorkopf verwendet, der auf dem Faraday-Effekt von magnetooptischen Materialien basiert (Applied Optics, Vol. 28, Nr. 11, Seite 1, 992, 1989).
Die Sonde eines Rotationsgeschwindigkeitsmeßgerätes für die Motoren von Flugzeugen und Kraftfahrzeugen basiert auf elektromagnetischer Induktion. Dieser Typ von Rotationsgeschwindigkeitsmeßgerät ist empfindlich gegenüber elektromagnetischem Rauschen, das durch die Kabel hereinkommt, die die Sonde und den Hauptkörper des Meßgerätes verbinden. Weiterhin, da elektrische Schaltkreise involviert sind, muß dieser Typ von Rotationsgeschwindigkeitsmeßgerät so entwickelt bzw. konstruiert sein, daß die elektrischen Schaltkreise keine Explosion verursachen werden, wenn er in einer Umgebung verwendet wird, wo entzündliche Materialien wie z. B. organische Lösungsmittel verwendet oder gelagert werden.
Ein magnetooptischer Sensorkopf auf der Grundlage des Faraday-Effektes eines magnetooptischen Materials verwendet die Rotation der Polarisationsebene des Materials in Reaktion auf die Anwesenheit und Abwesenheit eines magnetischen Feldes (oder Magnetes), wenn ein Permanentmagnet (oder Magnetfeld) sich dem magnetooptischen Material nähert. Das heißt, die Rotation der Polarisationsebene eines Lichtes, das durch ein magnetooptisches Material hindurch übertragen wird, das in einem magnetooptischen Sensorkopf enthalten ist, wird in Änderungen der Lichtintensität umgewandelt, und die Anzahl der Änderungen wird gezählt, um die Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen (National Technical Report, Vol. 29, Nr. 5, Seite 70, (1983)).
Fig. 1 zeigt einen allgemeinen Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Transmissionstyp. In Fig. 1 tritt ein Licht, daß von einer Lichtquelle 1 wie z. B. einem Halb leiterlaser emittiert wird, in einen Polarisator 2 in der Form eines, z. B., Kalkspates ein. Das Licht, das aus dem Polarisator austritt, ist ein linear polarisiertes Licht, bei dem die Polarisationsebene in einer Richtung liegt, und tritt in einen Faraday-Isolator bzw. Faraday-Rotator 3 ein, der üblicherweise aus einem magnetooptischen Material wie z. B. Zinkselenid (ZnSe) besteht.
Die Polarisationsebene des Lichtes, das aus dem Faraday-Rotator 3 austritt, ist um einen Winkel ΘF in Übereinstimmung mit einem angelegten äußeren Magnetfeld Hex gedreht worden. Das aus dem Faraday-Rotator 3 austretende Licht tritt dann in einen Analysator 4 ein, der aus, z. B., Kalkspat besteht.
Die Intensität P des Lichtes von dem Analysator 4 ist gegeben durch
P = k cos² (φ - ΘF) (1)
wobei φ ein Winkel des Polarisators 2 relativ zu dem Analysator 4, ΘF ein Winkel, um den die Polarisationsebene rotiert, und k eine Proportionalitätskonstante ist. Mit der Annahme, daß φ gleich 45 Grad ist, kann Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:
P = k (1 + sin2ΘF)/2 (2)
Weiterhin, falls ΘF hinreichend klein ist, kann Gleichung (2) wie folgt angenähert werden:
P = k (1 + 2ΘF)/2 (3)
Gleichung (3) zeigt, daß die Intensität des Lichtes proportional zu ΘF wird, falls φ so gewählt wird, daß es 45º ist. Mit anderen Worten, der Rotationswinkel ΘF der Polarisation infolge des angelegten externen Magnetfeldes Hex kann mittels der Verwendung des Analysators 4 in Begriffen bzw. Termen der Intensität des Lichtes detektiert oder gemessen werden.
Verschiedene Vorschläge inbezug auf die Systeme und Konfigurationen eines Magnetfeld-Sensorkopfes sind gemacht worden. Sie können in Transmissionstyp und Reflexionstyp gruppiert werden. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Typ von Sensorkopf müssen aufgrund der Natur der strukturellen Elemente die Elemente in einer geraden Linie ausgerichtet sein, so daß sich das Licht geradeaus fortbewegt. Somit kann der magnetooptische Sensorkopf nicht richtig bzw. ordnungsgemäß plaziert werden, falls etwaige Hindernisse im Weg des Lichtes angeordnet sind.
Inzwischen offenbart Japanese Patent Preliminary Publication Nr. 56-55811 einen magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp, der die Mängel des Transmissionstyps überwindet. Fig. 2 zeigt den allgemeinen Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp. In Fig. 2 geht ein Signallicht durch eine optische Faser 5a hindurch und dann durch eine Linse 6a hindurch zu einem Polarisator 7, der, z. B., aus einem Rutil-Einkristall besteht. Das Licht von dem Polarisator 7 tritt in einen Faraday-Rotator 8 und dann in ein rechteckiges Prisma 9 ein, daß das Licht zurück zu dem Faraday-Rotator 8 reflektiert. Das Licht von dem Faraday-Rotator 8 fällt dann auf den Analysator 10 ein und wird dann über eine Linse 6b in eine optische Faser 5b eingekoppelt.
Der Aufbau des Reflexionstypes in Fig. 2 unterscheidet sich vom Transmissionstyp dadurch, daß das rechteckige Prisma 9 bereitgestellt ist, um das Signallicht zu reflektieren. Bei einem in Fig. 2 gezeigten magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp ist das optische Eingangskabel parallel mit dem optischen Ausgangskabel ausgerichtet. Mit anderen Worten, der Faraday-Rotator 8 ist am Spitzenendbereich des Sensorkopfes angeordnet. Somit ist ein magnetischer Sensorkopf vom Reflexionstyp vorteilhaft in der Hinsicht, daß der Sensorkopf in einem engen Raum installiert werden kann, wo ein magnetooptischer Sensorkopf vom Transmissionstyp nicht installiert werden kann. Jedoch ist der Sensorkopf vom Reflexionstyp von Matsui et al. nachteilhaft in der Hinsicht, daß die Linse 6a in Reihe mit dem Polarisator 7 sein muß, die Linse 6b in Reihe mit dem Analysator 10 sein muß, und diese zwei Reihenverbindungen parallel miteinander sein müssen. Diese Anforderung an das Ausrichten der Elemente legt dem automatischen Montagebetrieb des gesamten Systems Beschränkungen auf und ist nicht kosteneffektiv.
Fig. 3A zeigt die japanische Patentveröffentlichung Nummer 3-22595 (Matsumura et al.), die eine Konfiguration vorschlägt, bei der der Polarisator 7 und der Analysator 10 durch einen einzelnen Polarisator ersetzt sind. Diese Konfiguration überwindet die Nachteile des von Matsui et al. vorgeschlagenen magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp.
In Fig. 3A geht das Licht, das von einer Lichtquelle 11 wie z. B. einem Halbleiterlaser emittiert wird, durch eine Linse 12 und einen halbdurchlässigen Spiegel 13 hindurch. Das Licht tritt dann in eine optische Faser 14 ein. Der halbdurchlässige Spiegel 13 gestattet es dem Licht, teilweise hindurchzugehen, und reflektiert teilweise das Licht, das auf ihn einfällt, so daß das reflektierte Licht in einen Lichtweg 1 eintritt. Ein Fotodetektor oder Intensitätsmeßgerät 18, daß in dem Lichtweg 1 angeordnet ist, dient dazu, die Variationen in der Intensität des von der Lichtquelle 11 emittierten Lichtes zu messen. Das zu der optischen Faser 14 geleitete Signallicht geht durch einen Polarisator 15 hindurch, der, z. B., aus einem Rutil-Einkristall besteht, und einen Faraday-Rotator 16, der aus einem magnetooptischen Material besteht, zu einer reflektierenden dünnen Schicht 17. Die reflektierende dünne Schicht 17 besteht üblicherweise aus einem metallischen dünnen Film.
Das Licht, das die reflektierende dünne Schicht 17 erreicht hat, wird dann zu dem Faraday-Rotator 16 und dann zu dem Polarisator 15 zurückreflektiert. Das durch den Polarisator 15 hindurch zurückkehrende Licht tritt in die optische Faser 14 ein. Das zurückkehrende Licht, das aus der optischen Faser 14 austritt, tritt in den halbdurchlässigen Spiegel 13 ein, der das Licht teilweise in einen Lichtweg 2 reflektiert. Das durch den Lichtweg 2 hindurchgehende Licht tritt dann in den Fotodetektor 19 ein, der die Intensität des Lichtes mißt.
Matsumara et al. verwendeten einen Yttrium-Eisengranat (Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2;), der üblicherweise als YIG bezeichnet wird, als einen mittels der Flußschmelztechnik hergestellten Faraday- Rotator. Der YIG ist vorteilhaft als ein Faraday-Rotatorelement in der Hinsicht, daß der Faraday-Drehungskoeffizient (Grad/cm) in YIG größer als in paramagnetischem Glas und Zinkselenid ist. Die Verwendung des von Matsumara et al. vorgeschlagenen YIGs ist ein Weg, den Nachteil des von Matsui et al. vorgeschlagenen magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflektionstyp zu überwinden.
In der Tat ist die Verwendung von YIG attraktiv in Begriffen der Leichtigkeit der Herstellung. Jedoch kann YIG als ein Faraday-Rotator nicht anwendbar sein, da es gut bekannt ist, daß YIG Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit einer Wellenlänge länger als 1,1 um durchläßt und Licht in einem 0,8 um-Band absorbiert.
Konventionellerweise verwendet ein optischer Sensorkopf eine Lichtquelle wie z. B. einen Halbleiterlaser (LD) oder Leuchtdioden (LED) mit mittleren Wellenlängen im Bereich von 0,78-0,85 um. Halbleiterlaser und Leuchtdioden werden als eine Lichtquelle für einen Fotodetektor verwendet, da sie in dem obigen Wellenlängenbereich sehr preisgünstig sind ebenso wie Fotodetektoren mit einer guten Empfindlichkeit in dem Bereich. Somit ist es am vorteilhaftesten, Lichtquellen zu verwenden, die auf dem Markt verfügbar sind, und es ist der beste Weg, preiswerte magnetooptische Sensorköpfe bereit zu stellen, die den Anforderungen des Benutzers entsprechen.
Die hohe Lichtabsorption von YIG impliziert, daß die Detektion des Lichtes schwierig sein kann, falls eine Lichtquelle verwendet wird, die auf dem Markt verfügbar ist, d. h., YIG ist als ein Faraday-Rotator inhärent mangelhaft.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten viele andere Materialien, um den Nachteil von YIG zu überwinden. Die Erfinder kamen zu dem Schluß, daß ein Bismutsubstituierter Eisengranat als ein magnetooptisches Material verwendet werden kann. Die Bismut-substituierten Eisengranate können ziemlich leicht mittels LPE (Liquid Phase Epitaxial) hergestellt werden und führen selber zur Massenproduktion. Bismut-substituierte Eisengranate werden mittels einer chemischen Formel (RBi)&sub3;(FeA)&sub5;O&sub1;&sub2; repräsentiert, wobei R Yttrium Y oder Seltenerdelemente und A Aluminium Al und Gallium Ga repräsentiert.
Der Faraday-Drehungskoeffizient eines Bismut-substituierten Eisengranates, d. h. der Rotationswinkel der Polarisationsebene pro Einheitsschichtdicke bei der Sättigungsmagnetisierung ist mehrere Male so groß wie jener von YIG, ungefähr zehnmal so groß im 0,8 um-Band. Dies zeigt, daß die Schichtdicke mit einem zunehmenden Faraday-Drehungskoeffizienten für denselben magnetooptischen Effekt kleiner sein kann, wodurch geringere Lichtabsorptionsverluste und kleinere Abmessungen bzw. Größen erreicht werden. Die Schichtdicke eines Elementes kann in Bismut-substituierten Eisen granaten kleiner als in YIG sein, was eine geringere Lichtabsorption anzeigt. Somit sind Bismut-substituierte Eisengranate nützlich beim Implementieren eines magnetooptischen Sensorkopfes mit einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge im 0,8 um-Band.
Die magnetische Sättigung eines Bismut-substituierten Eisengranats reicht von 500-1200 OE (1 Oe = 10³ / 4π · A / m), was ungefähr die Hälfte jener von YIG (ungefähr 1800 Oe) ist. Dies zeigt, daß die Bismut-substituierten Eisengranate ebenfalls verwendet werden können, um schwache Magnetfelder zu messen. Die Fähigkeit, schwache magnetische Felder zu messen, impliziert, daß die Distanz bzw. Entfernung zwischen dem Permanentmagneten und dem magnetooptischen Sensorkopf länger sein kann. Dies stellt mehr Flexibilität und einen höheren Grad an Freiheit beim Installieren des magnetooptischen Sensorkopfes bereit und legt weitere Anwendungsbereiche für magnetooptische Sensorköpfes nahe.
Aufgrund der zuvor erwähnten Untersuchung glaubten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, daß magnetooptische Sensorköpfe vom Reflexionstyp durch die Verwendung eines Bismut-substituierten Eisengranats als einem Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator entwickelt werden können. Auf der Grundlage der Offenbarung in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-22595 bauten die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Arbeitsmodell eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp wie in Fig. 3B gezeigt unter Verwendung eines Faraday-Rotators aus einem Bismut-substituierten Eisengranateinkristall anstelle von YIG.
In Fig. 3B geht das Licht, das von einer Lichtquelle 51 wie zum Beispiel einem Halbleiterlaser emittiert wird, durch eine Linse 52 hindurch, die das Licht sammelt, und dann durch einen halbdurchlässigen Spiegel 53 hindurch, der das Licht teilweise reflektiert und den Rest des Lichtes überträgt bzw. durchläßt. Das Licht tritt dann in eine optische Faser 54 ein. Das zu der optischen Faser 54 geleitete Licht wird mittels einer Linse in der Form von, z. B., einer Gradientenstablinse in ein paralleles Licht umgewandelt bevor es in den Polarisator 56 eintritt, der das Licht in ein linear polarisiertes Licht umwandelt. Das linear polarisierte Licht tritt in einen Faraday-Rotator 57 ein, der aus einem Bismut-substituierten (111)-Eisengranat besteht, und ein Teil des Lichtes wird durch den Faraday-Rotator 57 hindurch zu einer reflektierenden dünnen Schicht 58 übertragen, die z. B. aus einem metallischen dünnen Film besteht. Das bei der reflektierenden dünnen Schicht 58 angekommene Licht wird dann zurückreflektiert und tritt in den Faraday-Rotator 57 und dann den Polarisator 56 ein. Das aus dem Polarisator 56 austretende Licht wird dann über die Linse 55 in die optische Faser 54 eingekoppelt. Das Licht geht durch die optische Faser 54 hindurch in den halbdurchlässigen Spiegel 53, der das Licht teilweise zu einem Fotodetektor 59 oder Intensitätsmeßgerät reflektiert, das die Lichtintensität bestimmt bzw. mißt.
Dann, unter Verwendung des so aufgebauten magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp führten die Erfinder eine Vielfalt von Experimenten für verschiedene magnetische Feldstärken durch. Jedoch versagte der Sensorkopf dabei, irgendein Lichtsignal zu detektieren, unabhängig davon, ob der Sensorkopf mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird.
Folglich führten die Erfinder verschiedene Experimente durch, um herauszufinden, warum der magnetooptische Sensorkopf vom Reflektionstyp gemäß Fig. 3B dabei versagte, die Lichtsignale zu detektieren. Nachdem sie viele Experimente durchgeführt hatten, erkannten die Erfinder schließlich, daß der Sensorkopf infolge der magnetischen Domänenstruktur des Faraday-Rotators bzw. Faraday-Isolators dabei versagte, Licht zu detektieren. Die Erfinder erkannten, daß ein magnetooptischer Sensorkopf vom Reflexionstyp der Konstruk tion wie in Fig. 3B Lichtsignale nicht detektieren bzw. erfassen kann, falls der Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator aus einem Multidomänenelement besteht wie z. B. einem Bismut-substituierten Eisengranat, der eine Vielzahl von magnetischen Domänen besitzt.
Das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erhaltene Ergebnis stimmte nicht mit den von Matsumara et al. erhaltenen experimentellen Ergebnissen überein, die YIG als einen Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator verwendeten, welcher ebenfalls eine Multidomänenstruktur wie in einem Bismut-substituierten Eisengranat besitzt. Die Erfinder fragten sich, warum ein Bismut-substituierter Eisengranat mit Multidomänen in dem magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp, der gemäß der Konstruktion in Fig. 3B ähnlich zu dem YIG in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3- 22595 gebaut wurde, nicht ordnungsgemäß bzw. richtig als ein Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator funktionierte, obwohl ein YIG mit denselben Multidomänen in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-22595 richtig bzw. ordnungsgemäß als ein Faraday-Rotator funktionierte.
Nachdem die Erfinder die vorerwähnten experimentellen Ergebnisse überprüft und weitere grundlegende Experimente durchgeführt hatten, fanden sie heraus, daß ein magnetooptischer Sensorkopf vom Reflexionstyp aus einer reflektierenden dünnen Schicht einem Bismut-substituierten (111)-Eisengranateinkristalls, einen Polarisator und Lichteingangs- /Lichtausgangswegen konstruiert bzw. aufgebaut werden kann. Desweiteren werden die Lichteingangs-/Lichtausgangswege in zwei Lichtwege aufgeteilt: einen Lichteingangsweg für das Licht, daß von einer Lichtquelle in den Polarisator gelangt, und einen Lichtausgangsweg für das Licht, das den Polarisator verläßt und zurück zu der Lichtquelle gelangt. Die zwei Lichtwege werden so ausgerichtet, daß sie in Bezug aufeinander einen Winkel bilden, der größer als fünf Grad ist. Die Erfinder setzten weiterhin die Untersuchungen von magnetooptischen Sensorköpfen fort und entwickelten einen magnetooptischen Sensorkopf vom Reflektionstyp unter Verwendung eines Faraday-Rotators bzw. Faraday-Isolators, der aus einem Bismut-substituierten Eisengranat wie in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 4-90976 offenbart besteht.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 4-90976 offenbart ist. In Fig. 4 liegt ein Polarisator 20 in der Form von, z. B., POLARCORE (Handelsnahme) vor, der von CORNING verkauft wird, und ein Faraday-Rotator 21 besteht aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranats, der ganz einfach in einer Richtung senkrecht zu der Dünnschichtoberfläche magnetisiert werden kann. Der Faraday-Rotator 21 wird einem magnetischen Feld ausgesetzt, das gemessen werden soll. Eine reflektierende dünne Schicht 22 liegt in der Form, z. B., der Vielfachschicht eines dielektrischen Materials vor. Ein optischer Wellenleiter 23 für das hereinkommende Licht ist auf Glas oder einem Polymer ausgebildet, oder liegt in der Form einer optischen Faser vor. Das von einer Lichtquelle 26 wie z. B. einem Halbleiterlaser emittierte Licht wird durch eine Linse 25 hindurch in den Lichteingangsweg 23 geleitet bzw. gelenkt. Das aus dem Lichtweg 23 austretende Licht geht dann durch den Polarisator 20, den Faraday-Rotator 21 zu der reflektierenden dünnen Schicht 22 hindurch. Das Licht wird dann von der reflektierenden dünnen Schicht 22 durch den Faraday-Rotator 21 hindurch, dem Polarisator 20, den Lichtweg 24 zu einem Fotodetektor 27 zurückreflektiert, der das Licht als ein Lichtsignal detektiert. Bei den magnetooptischen Sensorkopf vom Reflektionstyp in Fig. 4 besitzt der Lichteingangs- /Lichtausgangsteil zwei unabhängige Wege 23 und 24, die in Bezug aufeinander einen Winkel α bilden, der größer als fünf Grad ist.
Der vorerwähnte magnetooptische Sensorkopf vom Reflexionstyp, der einen Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator aus einem Bismut-substituierten Eisengranat verwendet, erfüllt die Anforderung für einen magnetooptischen Sensorkopf. Jedoch müssen die zwei Lichtwege, wie in Fig. 4 gezeigt, so ausgerichtet sein, daß sie inbezug aufeinander einen Winkel α bilden, der größer als fünf Grad ist. Diese Konstruktion ist nachteilig beim Implementieren einer Sensorsonde mit einem Durchmesser kleiner als fünf Millimetern. Folglich kann der Sensor nicht zum Messen eines Magnetfeldes in einem sehr engen Raum wie z. B. einem Zylinder verwendet werden, der in den rotierenden Wellen von Gyroskopen oder Turbinen bereitgestellt wird, wo die Durchmesser in der Größenordnung von einigen Millimetern liegen. Weiterhin besitzt der Sensor von Fig. 4 den Nachteil, daß die Kosten für die optischen Fasern ein Problem werden können, falls die Entfernung zwischen der Sonde (magnetooptischer Sensorkopf) und dem Fotodetektor (Magnetfeldmeßgerät) lang ist.
EP-A-0 046 298 offenbart einen magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp mit einer optischen Faser. An einem Ende davon ist ein Magnetfelddetektionsteil des Kopfes angeordnet, wobei der Magnetfelddetektionsteil einen Polarisator, eine Faraday-Rotator und eine reflektierende dünne Schicht gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 aufweist.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein magnetooptischer Sensorkopf vom Reflexionstyp wie in Anspruch 1 definiert. Die entsprechenden strukturellen Elemente sind in der Reihenfolge Lichtquelle, Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg, Polarisator, Faraday-Rotator und reflektierende dünne Schicht ausgerichtet. Der Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator besteht aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranates. Der Faraday-Rotator ist so angeordnet, daß eine optische Achse des auf die Oberfläche des Faraday-Rotators einfallenden Lichtes mit einer Achse, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Rotators steht, einen Winkel von 10 bis 70 Grad bildet. Der Sensorkopf kann des weiteren zwei identische rechteckige Prismen aufweisen, die so angeordnet sind, daß der Faraday-Rotator zwischen den schrägen Oberflächen der Prismen eingeschlossen ist. Der Sensorkopf weist desweiteren ein erstes rechteckiges Prisma und ein zweites rechteckiges Prisma auf, wobei die ersten und zweiten Prismen miteinander identisch sind. Jedes der Prismen besitzt eine erste Oberfläche, eine zweite Oberfläche, die orthogonal zu der ersten Oberfläche ist, und eine schräge Oberfläche. Die ersten und zweiten rechteckigen Prismen sind so angeordnet, daß der Faraday-Rotator zwischen den zwei schrägen Oberflächen eingeschlossen ist und die ersten Oberflächen der zwei rechteckigen Prismen parallel zueinander und die zweiten Oberflächen der ersten und zweiten rechteckigen Prismen parallel zueinander sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale und weitere Aufgaben der Erfindung werden offensichtlicher aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden, in denen:
Fig. 1 schematisch das Prinzip eines magnetooptischen Sensorkopfes auf der Grundlage eines Faraday-Effektes zeigt;
Fig. 2 den Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp zeigt, der in der Japanischen Patentvorveröffentlichung Nr. 56-55811 offenbart ist;
Fig. 3A den Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp zeigt, der in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-22595 offenbart ist;
Fig. 3B den Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp zeigt, der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Offenbarung der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-22595 gebaut wurde;
Fig. 4 den Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp zeigt, der in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 4-90976 offenbart ist;
Fig. 5 einen wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsform eines magnetooptischen Sensorkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 die Positionsbeziehung zwischen dem Lichtweg und den magnetischen Domänen zeigt, wenn ein Faraday-Rotator aus einer dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)- Eisengranates mit dem Lichtweg einen Winkel bildet;
Fig. 7 ein Beispiel eines allgemeinen Aufbaus eines magnetooptischen Sensorkopfes auf der Grundlage eines magnetooptischen Sensorkopfes gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 8 einen allgemeinen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines magnetooptischen Sensorkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 einen wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsform eines magnetooptischen Sensorkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10 eine geometrische Beziehung eines in der zweiten Ausführungsform von Fig. 9 verwendeten rechteckigen Prismas zeigt; und
Fig. 11 einen allgemeinen Aufbau der zweiten Ausführungsform eines magnetooptischen Sensorkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfinder setzten ihre Forschungen fort, um einen universellen miniaturisierten magnetooptischen Hochleistungssensorkopf vom Reflexionstyp zu entwickeln. Dieser magnetooptische Sensorkopf vom Reflexionstyp kann leicht mittels Flüssigphasenepitaxieverfahren (LPE-Verfahren) hergestellt werden und löst die Nachteile eines Faraday-Rotators bzw. Faraday-Isolators, der aus einem Bismut-substituierten Eisengranat besteht, welcher gute optische Eigenschaften besitzt. Die Erfinder kamen zu dem Schluß, daß sogar falls ein einzelner Lichtweg anstelle eines unabhängigen Lichteingangsweges und Lichtausgangsweges verwendet wird, Lichtsignale immer noch detektiert werden können, indem man den Faraday-Rotator aus einem Bismut-substituierten Eisengranat so positioniert bzw. anordnet, daß der Faraday-Rotator inbezug auf die Oberflächen des Polarisators und der reflektierenden dünnen Schicht einen Winkel bildet.
Der magnetooptische Sensorkopf vom Reflektionstyp auf der Grundlage eines Bismut-substituierten Eisengranates gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg, einem Polarisator, einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates (Faraday-Rotator) und einer reflektierenden dünnen Schicht konstruiert. Eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates meint hier eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranates.
Fig. 5 zeigt einen magnetooptischen Sensorkopf vom Reflektionstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die jeweiligen strukturellen Elemente in der Reihenfolge Lichtquelle, Lichteingang-/Lichtausgangswege, Polarisator, ein kristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates (Faraday-Rotator) und reflektierende dünne Schicht ausgerichtet bzw. angeordnet sind. Die einkristalline dünne Schicht des Bismut-substituierten Eisengranates ist so positioniert bzw. angeordnet, daß die optische Achse des auf die dünne Schicht einfallenden Lichtes mit einer Achse, die senkrecht auf der Dünnschichtoberfläche steht, einen Winkel β von 10 bis 70 Grad bildet, d. h., die Magnetisierungsrichtung der Dünnschicht aus dem Bismutsubstituierten Eisengranat bildet mit der Ausbreitungsrichtung des Lichtes einen Winkel β von 10 bis 70 Grad.
In Fig. 5 besteht ein Polarisator 28 zum Beispiel aus POLARCORE. Ein Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator 29 besteht aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranats und ist so angeordnet, daß die Achse, die senkrecht auf der Dünnschichtoberfläche steht, mit der optischen Achse des Lichtweges einen Winkel von β bildet. Eine reflektierende dünne Schicht 30 besteht aus einem metallischen Film. Ein Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 31 liegt beispielsweise in der Form einer optischen Faser oder eines optischen Wellenleiters vor. Zur Miniaturisierung eines magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp kann der Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 31 so angeordnet werden, daß er das von der reflektierenden dünnen Schicht 30 reflektierte Licht verzweigt oder trennt um einen Teil des reflektierten Lichtes in den Fotodetektor zu lenken bzw. zu leiten.
Wie oben erwähnt wurde, muß bei einem magnetooptischen Sensorkopf vom Reflexionstyp auf der Grundlage eines Faraday-Rotators aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranats mit Multidomänen das Licht durch verschiedene magnetische Domänen hindurch gehen, d. h., magnetische Domänen und magnetische Domänen während seiner Ausbreitung bzw. Fortbewegung von dem Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 31 durch die einkri stalline dünne Schicht 29 des Bismut-substituierten Eisengranates hindurch zu der reflektierenden dünnen Schicht 30 und zurück zu dem Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 31 durch die einkristalline dünne Schicht 29 des Bismutsubstituierten Eisengranates hindurch. Fig. 6 zeigt, daß der Faraday-Rotator 29 so gekippt ist, daß sich das Licht in einer Richtung fortbewegt bzw. ausbreitet, die einen Winkel β mit der Achse bildet, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Isolators 29 steht. Diese Anordnung ermöglicht es, daß das Licht, das von der reflektierenden dünnen Schicht 30 zurückkehrt, durch magnetische Domänen hindurchgeht, die verschieden von denen sind, durch die das Licht, das sich in Richtung der reflektierenden dünnen Schicht 30 ausbreitet, hindurchgeht.
Wenn ein Magnetfeld mittels der Verwendung eines magnetooptischen Sensorkopfes detektiert bzw. gemessen wird, wird die Genauigkeit bzw. Präzäsion der Messung durch die Fluktuationen der Intensität der Lichtquelle ebenso wie durch Licht, das von anderen Oberflächen als der der reflektierenden dünnen Schicht reflektiert wird, beeinflußt. Solche Oberflächen umfassen die Oberflächen des Polarisators und des Bismut-substituierten Eisengranateinkristalls. Somit erfordert eine präzise Messung die Differenz ΔP in der Intensität der Lichtsignale, wenn der Sensorkopf nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird und wenn der Bismutsubstituierte Eisengranat im wesentlichen magnetisch gesätigt ist (Japanische Patentanmeldung Nr. 4-90976).
In der vorliegenden Erfindung wird die Differenz ΔP in der Intensität größer als 2dB, wenn die optische Achse des auf die einkristalline dünne Schicht des Bismut-substituierten (111)-Eisengranates einfallenden Lichtes mit der Achse, die senkrecht auf der Oberfläche der dünnen Schicht steht, einen Winkel β größer als 10 Grad bildet. Die Differenz ΔP wird größer mit zunehmenden Winkel β. Jedoch bewirkt ein zu großer Winkel β, daß die einfallenden Licht strahlen von der Oberfläche des Bismut-substituierten (111)-Eisengranates totalreflektiert werden, oder führt zu einer längeren effektiven Entfernung bzw. Distanz zwischen dem Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg und der reflektierenden dünnen Schicht. Diese längere Entfernung bewirkt wiederum eine niedrigere Intensität des Lichtes, das von der reflektierenden dünnen Schicht zurückreflektiert wird. Folglich sollte der Winkel β im Bereich von 10 bis 70º liegen, und vorteilhafter Weise im Bereich von 20 bis 45º.
Obwohl der Polarisator irgendein konventioneller Polarisator sein kann, ist ein dichroitischer Polarisator wegen seiner kleinen Dicke und seinem hohem Extinktionsverhältnis vorteilhaft.
Wenn ein magnetischer Sensorkopf gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, gibt es keine besondere Einschränkung in Bezug auf die Zusammensetzung des Bismutsubstituierten Eisengranates. Jedoch ist es vorteilhaft, Eisengranateinkristalle auszuwählen, die durch eine allgemeine Gleichung gegeben sind:
R3-xBixFe5-zAzO&sub1;&sub2;
wobei R wenigstens eines der Elemente Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu bezeichnet, und A wenigstens eines der Elemente Ga, Sc, Al und In bezeichnet, wobei 0,3 ≤ X < 2,0 und 0 ≤ Z ≤ 1,0 ist.
Obwohl ein Bismut-substituierter Eisengranateinkristall durch irgendeinen gut bekannten Prozeß hergestellt werden kann, ist ein LPE-Prozeß (Thin Solid Films, Vol. 114, Seite 33 (1984)) vorteilhaft, da der Prozeß einfache Operationen bereitstellt und selber zur Massenproduktion des Kristalls führt. Im LPE-Prozeß kann jedes bekannte Substrat verwendet werden und wird üblicherweise aus der Gruppe der nichtmagnetischen Granate [(GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2;] mit einer Git terkonstante im Bereich von 12,490 bis 12,515 Angström ausgewählt, was auf dem Markt als SGGG-Substrat bezeichnet wird.
Das nicht-magnetische Substrat, auf dem der dünne Film des Bismut-substituierten Eisengranates ausgebildet wird, muß nicht entfernt werden. Das nicht-magnetische Substrat kann vorteilhafter Weise als ein Träger zurückgelassen werden, um die mechanische Stärke zu erhöhen, falls der dünne Film aus der einkristallinen dünnen Schicht des Bismutsubstituierten Eisengranates so dünn wie mehrere 10 um ist.

Erste Ausführungsform

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben werden.

Beispiel 1-1

Fig. 8 zeigt einen allgemeinen Aufbau einer ersten Ausführungsform. In Fig. 8 geht das Licht einer Wellenlänge von 0,786 um, daß von einem Halbleiterlaser 39 emittiert wird, durch eine Linse 40, einen halbdurchlässigen Spiegel 41 und eine optische Faser 43 mit einer Wellenlänge von 400 um, eine Linse 44, einen Glas-Polarisator (Handelsname ist POLACORE), der von CORNING verkauft wird, hindurch. Ein Faraday-Isolator bzw. Faraday-Rotator 46 ist so positioniert, daß die optische Achse des einfallenden Lichtes mit der Achse, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Rotators 46 steht, einen Winkel β von 10 Grad bildet. Eine reflektierende dünne Schicht 47 liegt in der Form von Glas vor, auf dem ein metallischer Aluminiumfilm abgelagert ist.
Der Faraday-Rotator 46 wurde auf die folgende Weise hergestellt. Ein 500 ml-Platintiegel wurde auf einen LPE- Ofen plaziert, wobei der Platintiegel darin ein Bleioxid (PbO, 4N) von 843 Gramm, ein Bismut-Oxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4N) von 978 Gramm, ein Eisenoxid (FE&sub2;O&sub3;, 4N) von 128 Gramm, ein Boroxid (B&sub2;O&sub3;, 5N) von 38 Gramm, ein Terbiumoxid (Tb&sub4;O&sub7;, 3N), von 4,0 Gramm und ein Holmiumoxid (Ho&sub2;O&sub3;, 3N) von 9,0 Gramm enthielt. Der Inhalt des Tiegels wurde auf eine Temperatur von 1000 Grad aufgeheizt, so daß der Inhalt schmilzt. Der geschmolzene Inhalt wurde für eine homogene Mischung hinreichend geklopft und wurde dann auf eine Schmelztemperatur von 770 Grad abgekühlt, um eine Schmelze zum Wachsen eines Bismut-substituierten Eisengranateinkristalls herzustellen.
Dann wurde unter Verwendung einer bekannten Prozedur ein Zwei-Inch-Substrat (1 Inch = 25,4 mm) eines Granateinkristalls (GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2; mit einer Dicke von 480 um und einer Gitterkonstante von 12,497 ± 0,002 Angström auf der Oberfläche der so hergestellten Schmelze für 2,0 Stunden zum epitaktischen Wachsen plaziert während die Schmelztemperatur bei 770 Grad gehalten wurde. Ein erhaltener Kristall war eine einkristalline dünne Schicht eines Bismutsubstituierten (111)-Eisengranates mit einer Zusammensetzung von Ho1,1Tb0,6BI1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2; [(HoTbBiIG)-Einkristall] und mit einer Schichtdicke von 46 um. Dieser Kristall zeigte eine Faraday-Drehung ΘF von 42,5º bei einer Wellenlänge von 786 nm mit gesättigter Magnetisierung.
Eine dünne Entspiegelungsschicht wurde auf die zwei gegenüberliegenden Längsenden der optischen Faser 43, der Linse 44, des Polarisators 45 und des Faraday-Rotators 46 aufgebracht. Die Differenz der Lichtintensität wurde wie folgt gemessen: Das von der Lichtquelle 39 imitierte Lichtsignal wurde über die Linse 40 und den Spiegel 41 in die optische Faser 43 eingekoppelt. Dann wurde das Licht dem Sensorkopf ausgesetzt, der aus dem Polarisator 45, dem Faraday-Rotator 46 und der dünnen reflektierenden Schicht 47 aufgebaut war. Dann wurde ein Teil des Lichtes, das von dem Sensorkopf zurückkehrte, von dem halbdurchlässigen Spiegel 41 zu dem Fotodetektor 42 reflektiert, welcher die Intensität des zurückgekehrten Lichtes bestimmte. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 2,5 dB zwischen dem Fall, wenn der Sensorkopf nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt war, und dem Fall, wenn der Sensorkopf mit einem Magnetfeld von 1500 Oe beaufschlagt war, was genügend ist, damit der Faraday-Rotator 46 gesättigt ist.

Beispiel 1-2

Der Aufbau war derselbe wie in Beispiel 1-1 mit der Ausnahme, daß die optische Achse des Lichtweges 43 einen Winkel von 20º mit der Achse bildete, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Rotators 46 steht. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 4,9 dB zwischen dem Fall, wenn der Sensorkopf mit keinem Magnetfeld beaufschlagt war, und dem Fall, wenn der Sensorkopf mit einem Magnetfeld von 1500 Oe beaufschlagt war, was genügt, damit der Faraday-Ratator 46 gesättigt ist.

Beispiel 1-3

Der Aufbau war derselbe wie in Beispiel 1-1 mit der Ausnahme, daß die optische Achse des Lichtweges einen Winkel von 30º mit der Achse, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Rotators 46 steht, bildete. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 5,9 dB zwischen dem Fall, wenn der Sensorkopf nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt war, und dem Fall, wenn der Sensorkopf mit einem Magnetfeld von 1500 Oe beaufschlagt war, was hinreichend ist, damit der Faraday-Rotator gesättigt ist.

Vergleich 1

Der Aufbau war derselbe wie in Beispiel 1-1 mit der Ausnahme, daß die optische Achse des Lichtweges 46 einen Winkel von 5º mit der Achse, die senkrecht auf der Ober fläche des Faraday-Rotators 46 steht, bildete. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 1,1 dB zwischen dem Fall, wenn der Sensorkopf mit keinem Magnetfeld, beaufschlagt war, und dem Fall, wenn der Sensorkopf mit einem Magnetfeld mit 1500 Oe beaufschlagt war, was genügt, damit der Faraday-Rotator 46 in der Sättigung ist.

Zweite Ausführungsform

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 beschrieben werden.
Fig. 9 zeigt den allgemeinen Aufbau bzw. Konstruktion eines magnetooptischen Sensorkopfes einer zweiten Ausführungsform und Fig. 10 zeigt die geometrischen Beziehungen eines rechteckigen Prismas, das in der zweiten Ausführungsform von Fig. 9 verwendet wird. Fig. 11 zeigt einen allgemeinen Aufbau eines magnetooptischen Sensorkopfes der zweiten Ausführungsform.
Im magnetooptischen Sensorkopf vom Reflektionstyp der ersten Ausführungsform muß eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranats so positioniert bzw. angeordnet werden, daß die Achse, die auf der Oberfläche der dünnen Schicht senkrecht steht, einen vorbestimmten Winkel β mit der optischen Achse des Lichtstrahlbündels bildet, das auf die dünne Schicht einfällt. Diese Anforderung bedingt eine gewisse Schwierigkeit sowohl bei der Montage als auch der Justierung des Sensorkopfes.

Beispiel 2-1

In Fig. 9 umfaßt eine magnetooptische Meßvorrichtung der zweiten Ausführungsform einen Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 62, eine Linse 63, einen Polarisator 64, ein erstes rechteckiges Prisma 66, eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengra nates (Faraday-Rotator 65), ein zweites rechteckigen Prisma 68 und eine reflektierende dünne Schicht 67. Diese strukturellen Elemente werden nach einer Lichtquelle, nicht gezeigt, in der vorerwähnten Reihenfolge angeordnet. Die einkristalline dünne Schicht des Bismut-substituierten Eisengranates wird zwischen den abgeschrägten Oberflächen des ersten rechteckigen Prismas und des zweiten rechteckiges Prismas eingeschlossen, und der Polarisator wird orthogonal zu der optischen Achse des Lichteingangsweges/Lichtausgangsweges in Kontakt mit einer ersten Oberfläche des ersten rechteckigen Prismas angeordnet, und die dünne reflektierende Schicht wird parallel zu der ersten Oberfläche in Kontakt mit einer zweiten Oberfläche des zweiten rechteckigen Prismas angeordnet. Die Achsen, die auf den abgeschrägten Oberflächen der rechteckigen Prismen senkrecht stehen, bilden mit der optischen Achse des Lichteingangsweges/Lichtausgangsweges einen Winkel von 10 bis 70 Grad. Man sollte beachten, daß, wie in Fig. 9 gezeigt, der Winkel γ (Gamma) des rechteckigen Prismas im wesentlichen gleich dem Winkel β in der ersten Ausführungsform ist, falls die einkristalline dünne Schicht des Bismut-substituierten (111)-Eisengranates eine Magnetisierungsrichtung besitzt, die im wesentlichen diesselbe ist wie die Achse, die auf der Oberfläche der dünnen Schicht senkrecht steht. Eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranates, die mittels eines bekannten Prozesses hergestellt wird, besitzt eine Magnetisierungsrichtung, die im wesentlichen diesselbe ist wie die Achse, die auf der Oberfläche der dünnen Schicht senkrecht steht. Somit kann es in der Praxis angenommen werden, daß der Winkel γ gleich dem Winkel β ist.
In Fig. 9 liegt ein Polarisator 64 in der Form, z. B., von POLARCORE (Handelsname) vor. Ein Faraday-Rotator bzw. Faraday-Isolator 65 besteht aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranates und ist zwischen einem ersten rechteckigen Prisma 66 und einem zweiten rechteckigen Prisma 68 eingeschlossen. Die Prismen 66 und 68 können aus jenen ausgewählt werden, die auf dem Markt verfügbar sind, gemäß einem speziellen Design des Sensorkopfes. Eine reflektierende dünne Schicht 67 besteht, z. B., aus einem metallischen dünnen Film. Eine Linse 63 liegt in der Form, z. B., einer Gradientenstablinse vor. Ein Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 62 liegt in der Form von optischen Fasern oder optischen Leitern vor. Zur Miniaturisierung des magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp kann der Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 62, der als ein Lichtweg fungiert, so angeordnet werden, daß er dazu dient, das von der reflektierenden dünnen Schicht 67 reflektierte Licht zu verzweigen oder zu trennen, um das reflektierte Licht zu dem Fotodetektor zu lenken bzw. zu leiten.
In der zweiten Ausführungsform wird die Differenz ΔP in der Lichtintensität größer as 2 dB wenn rechteckige Prismen verwendet werden, derart, daß die optische Achse des auf die Oberfläche der einkristallinen Schicht des Bismutsubstituierten (111)-Eisengranates einfallenden Lichtes einen Winkel γ im Bereich von 10 bis 70 Grad mit der Achse bildet, die auf der Oberfläche der einkristallinen dünnen Schicht des Bismut-substituierten (111)-Eisengranates senkrecht steht. Die Differenz ΔP wird größer mit zunehmendem Winkel γ. Jedoch bewirkt ein zu großer Winkel die Totalreflexion des einfallenden Lichtstrahles durch die Oberfläche des Bismut-substituierten (111)-Eisengranates, oder macht es zu schwierig, die Prismen herzustellen. Folglich sollte der Winkel γ im Bereich von 10 bis 70 Grad liegen, und vorteilhafter Weise im Bereich von 20 bis 45 Grad.

Beispiel 2-1

Eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranats wurde mittels desselben Prozesses bzw. Verfahrens wie in der ersten Ausführungsform herge stellt. Dann, unter Verwendung einer bekannten Technik, wurde die dünne Schicht in eine vorbestimmte Größe (2,5 mm mal 2,5 mm) zerschnitten und eine dünne. Reflexionsschicht wurde auf jeder Seite der dünnen Schicht aufgebracht und auf diese Weise ein Faraday-Isolator bzw. Faraday-Rotator hergestellt. Unter Verwendung eines bekannten Verfahrens wurde Aluminium auf der reflektierenden Oberfläche des zweiten rechteckiges Prismas 68 (von Sigma Koki hergestelltes 45º-Prisma) abgelagert bzw. aufgebracht, d. h., der Oberfläche, auf der das einfallende Licht senkrecht steht. Dann wurde die schräge Oberfläche mit einer dünnen Entspiegelungsschicht beaufschlagt. Gleichermaßen wurde das erste rechteckige Prisma 66 mit einer dünnen Entspiegelungsschicht auf der Oberfläche beaufschlagt, auf der der Lichtweg senkrecht steht. Die ersten und zweiten Prismen 66 und 68 wurden relativ zueinander so positioniert bzw. angeordnet, daß ihre schrägen Oberflächen wie in Fig. 9 gezeigt zusammenkommen. Zwischen den zwei Oberflächen wurde ein Faraday-Rotator 65 eingeschlossen gehalten. Der Faraday-Rotator 65 wurde mit einem Epoxidklebstoff verklebt. Dann wurde ein Polarisator 64 (POLARCORE, von CORNING hergestellt) mit einer darauf aufgebrachten dünnen Entspiegelungsschicht auf der Oberfläche des ersten rechteckigen Prismas angebracht, auf der das einfallende Licht senkrecht steht, wodurch ein rechteckiger Prisma-Faraday-Rotator- Klotz fertiggestellt wurde. Auf eine konventionelle Weise wurde eine Gradientenstablinse 63 (der Handelsnahme war SELHOCK, hergestellt von Nippon Itagarasu) mit einer dünnen Entspiegelungsschicht auf der Oberfläche beaufschlagt, auf der das einfallende Licht senkrecht steht. Dann wurde eine polymerbeschichtete optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 400 um als ein Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg 62 mit der Gradientenstablinse 63 zusammenmontiert und so ein Linsenklotz gebildet. Der Linsenklotz und der rechteckige Prisma-Faraday-Rotator-Klotz wurden wie in Fig. 9 gezeigt in einen magnetooptischen Sensorkopf zusammenmontiert. Wie in Fig. 11 gezeigt, wurde dieser magnetooptische Sensorkopf 63 bis 68 anstelle des magnetooptischen Sensorkopfes 15 bis 17 des in Fig. 3A gezeigten magnetooptischen Sensorkopfes vom Reflexionstyp verwendet. Dann wurde der magnetooptische Sensorkopf 63 bis 68 in einer Magnetfeldbeaufschlagungsvorrichtung (der Handelsnahme ist MAGNET, hergestellt von Magnetic) angeordnet bzw. plaziert. Ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge von 0,786 um wurde von einer Lichtquelle 69 (Modell LTD024MD/PD SEMICONDUCTOR LASER, hergestellt von Sharp) ausgegeben. Das Licht wird durch die Linse 60, den halbdurchlässigen Spiegel 61, den Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg (optische Faser) 62, die Linse 63, den Polarisator 64, das erste rechteckige Prisma 66, den Faraday-Rotator 65 und das zweite rechteckige Prisma 68 hindurch zu der dünnen reflektierenden Schicht 67 übertragen und wird dann von der reflektierenden dünnen Schicht 67 zurückreflektiert. Das von der reflektierenden dünnen Schicht 67 reflektierte Licht wird dann durch das zweite rechteckige Prisma 68, den Faraday-Rotator 65, das erste rechteckige Prisma 66, den Polarisator 64, die Linse 63 und den Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg (optische Faser) 62 hindurch zu dem halbdurchlässigen Spiegel 61 übertragen, der die Richtung des zurückkehrenden Lichtes verändert, um das Licht zu einem Fotodetektor 70 (Model AQ-1111. POWER METER, hergestellt von Ando Electric Ltd.) zu lenken bzw. zu leiten, welcher wiederum die Intensität des Lichtes mißt. Der Faraday-Rotator 65 war magnetisch gesättigt, wenn er mit einem Magnetfeld von 1000 Oe beaufschlagt wurde. Die Differenz ΔP in der Lichtintensität zwischen dem Fall, wenn der Faraday-Rotator 65 nicht mit einem Magnetfeld von 1000 Oe beaufschlagt wurde, und dem Fall, wenn er beaufschlagt wurde, betrug 7,3 dB.

Beispiel 2-2

Die Konstruktion bzw. der Aufbau war derselbe wie in Beispiel 2-1 mit der Ausnahme, das rechteckige 20º-Prismen anstelle von 45º-Prismen verwendet wurden. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 4,6 dB.

Beispiel 2-3

Der Aufbau war derselbe wie im Beispiel 2-1 mit der Ausnahme, daß rechteckige 10º-Prismen anstelle der 45º- Prismen verwendet wurden. Die Differenz ΔP betrug 2,3 dB.

Beispiel 2-4

Der im Beispiel 2-1 verwendete magnetooptische Sensorkopf wurde mit dem Lichteingangs/Lichtausgangsweg (optische Faser) 32 eines Lichtteilers zusammenmontiert, der aus einem polymeren optischen Leiter bestand, wie der, der in Fig. 7 gezeigt ist. Im Beispiel 2-4 wurde ein Lichtteiler verwendet, der von Mitsubishi Gasu Kagaku hergestellt wurde, wobei das Modell 200S-D2 einen optischen Faserkern von 200 um besitzt.
Eine Halbleiterlaserlichtquelle (hergestellt von Kette System Service, Stabilized LD light source, Modell KLD-780, die Wellenlänge ist 0,783 um) wurde mit der optischen Faser 30 zusammenmontiert, und die optische Faser 34 wurde mit dem Fotodetektor (der Handelsnahme ist Modell AQ-111, POWER METER, hergestellt von Ando Electric) zusammenmontiert. Der magnetooptische Sensorkopf wurde in einer Magnetfeldbeaufschlagungsvorrichtung (der Handelsname ist MAGNET, hergestellt von Magnetic) installiert.
Unter verschiedenen Bedingungen inbezug auf das Magnetfeld, mit dem der magnetooptische Sensorkopf beaufschlagt wurde, wurde die Intensität eines Signallichtes mit dem Fotodetektor 35 unter Verwendung eines Lichtstrahles mit einer Wellenlänge von 0,783 um, der von der Lichtquelle 29 ausgegeben wurde, gemessen. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 6,9 dB für ein Magnetfeld von 1000 Oe zwischen dem Fall, wenn der Faraday-Rotator mit einem Magetfeld beaufschlagt wurde, und dem Fall, wenn der Faraday-Rotator nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt wurde.

Beispiel 2-5

Der Aufbau war dasselbe wie im Beispiel 2-4 mit der Ausnahme, daß der optische Sensorkopf von Beispiel 2-2 anstelle des in Beispiel 2-1 verwendeten verwendet wurde. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 4,6 dB.

Beispiel 2-6

Der Aufbau war derselbe wie im Beispiel 2-4 mit der Ausnahme, daß der optische Sensorkopf des Beispieles 2-3 anstelle des magnetooptischen Sensorkopfes vom Beispiel 2-1 verwendet wurde. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 2,3 dB.

Beispiel 2-7

Der Aufbau war derselbe wie in Beispiel 2-4 mit der Ausnahme, daß die Leuchtdiode (Wellenlänge 0,85 um, Model HK-5105 LED stabilized light source, hergestellt von Shimazu Seisakusho) anstelle einer Halbleiterlaserlichtquelle von 0,783 um (hergestellt von Kette System Service) verwendet wurde. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 5,8 dB.

Beispiel 2-8

Eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates wurde auf die folgende Weise hergestellt. Ein 500 ml-Platintiegel wurde auf einem LPE-Ofen angeordnet bzw. plaziert, wobei der Platintiegel darin an Bleioxid (PbO, 4N) von 843 Gramm, ein Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4N) von 978 Gramm, ein Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4N) von 128 Gramm, ein Boroxid (B&sub2;O&sub3;, 5N) von 38 Gramm, ein Europiumoxid (Eu&sub2;O&sub3;, 3N) von 4,2 Gramm, und ein Holmiumoxid (Ho&sub2;O&sub3;, 3N) von 9,0 Gramm enthielt. Der Inhalt des Tiegels wurde auf eine Temperatur von 1000 Grad aufgeheizt, so daß der Inhalt schmilzt. Der geschmolzene Inhalt wurde für eine homogene Mischung hinreichend geklopft und wurde dann auf eine Schmelztemperatur von 766 Grad abgekühlt, um eine Schmelze zum Wachsen eines Bismut-substituierten Eisengranateinkristalls herzustellen.
Dann, unter Verwendung eines bekannten Prozesses, wurde ein Zwei-Inch-(111)-Substrat eines Granateinkristalls (GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2; mit einer Dicke von 480 um und einer Gitterkonstanten von 12,497±002 Angström auf der Oberfläche der so hergestellten Schmelze für 2,0 Stunden für epitaktisches Wachsen plaziert während die Schmelztemperatur auf 766 Grad gehalten wurde. Ein erhaltener Kristall war eine dünne einkristalline Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranats mit einer Zusammensetzung von Ho1,1Eu0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2; [(HoEuBiIG)] und mit einer Schichtdicke von 40 um. Dieser Kristall zeigte eine Faraday-Drehung ΘF von 44,4º bei einer Wellenlänge von 786 nm mit einer gesättigten Magnetisierung bei 1200 Oe. Dann wurde ein Faraday-Rotator wie in Beispiel 2-1 hergestellt, um mit ihm einen magnetooptischen Sensorkopf aufzubauen.
Der Aufbau war derselbe wie im Beispiel 2-1 mit der Ausnahme, daß der vorerwähnte magnetooptische Sensorkopf (Faraday-Rotator: H1,1EU0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2;-Einkristall) anstelle des magnetooptischen Sensorkopfes verwendet wurde. Die Differenz ΔP in der Intensität betrug 6,0 dB.

Beispiel 2-9

Eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates wurde auf die folgende Weise hergestellt. Ein 500 ml-Platintiegel wurde auf einem LFE-Ofen plaziert, wobei in dem Platintiegel ein Bleioxid (PBO, 4N) von 843 Gramm, ein Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4N) von 978 Gramm, ein Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4N) von 120 Gramm, ein Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;, 5N) von 4,5 Gramm, ein Boroxid (B&sub2;O&sub3;, 5N) von 38 Gramm und ein Gadoliniumoxid (Gd&sub2;O&sub3;, 3N) von 6,5 Gramm und ein Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;, 3N) von 4,0 Gramm darin enthalten war. Der Inhalt des Tiegels wurde auf eine Temperatur von 1000 Grad augeheizt, so daß der Inhalt schmilzt. Der geschmolzene Inhalt wurde für eine homogene Mischung hinreichend geklopft und wurde dann auf eine Schmelztemperatur von 773 Grad abgekühlt, um eine Schmelze zum Wachsen einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten Eisengranates herzustellen.
Dann, unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wurde ein Zwei-Inch-(111)-Substrat eines Granateinkristalls (GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2; mit einer Dicke von 480 um und einer Gitterkonstante von 12,497±0,002 Angström auf der Oberfläche der so hergestellten Schmelze für 2,5 Stunden für epitaktisches Wachsen plaziert während die Schmelztemperatur auf 773 Grad gehalten wurde. Ein erhaltener Kristall war eine einkristalline dünne Schicht eines Bismut-substituierten (111)-Eisengranates mit einer Zusammensetzung von Gd0,9Y0,9Bi1,2Fe4,8Ga0,2O&sub1;&sub2; und mit einer Schichtdicke von 40 um. Dieser Kristall zeigte eine Faraday-Drehung ΘF von 39,8º bei einer Wellenlänge von 783 nm bei gesättigter Magnetisierung. Der Kristall war magnetisch gesättigt bei 600 Oe.
Dann wurde ein Faraday-Rotator wie im Beispiel 2-1 hergestellt, um damit einen magnetooptischen Sensorkopf zu bauen. Der Aufbau war derselbe wie im Beispiel 2-4 mit der Ausnahme, daß der vorerwähnte optische Sensorkopf (Faraday- Rotator: Gd0,9Y0,9Bi1,2Fe4,8Ga0,2O&sub1;&sub2;-Einkristall) anstelle des im Beispiel 2-1 verwendeten magnetooptischen Sensorkopfes verwendet wurde. Die Differenz ΔP der Intensität betrug 3,2 dB.

Vergleich 1

Der Aufbau war derselbe wie im Beispiel 2-4 mit der Ausnahme, daß ein rechteckiges 5º-Prisma anstelle eines rechteckigen 45º-Prismas, das in Beispiel 2-4 verwendet wurde, verwendet wurde. Die Messung wurde genau wie im Beispiel 2-4 durchgeführt, und die Differenz ΔP in der Intensität betrug 1,0 dB.

Claims

1. Ein magnetooptischer Sensorkopf vom Reflexionstyp mit:

einem Lichteingangsweg/Lichtausgangsweg (31; 43; 62) zum Leiten eines Lichtes;

einem Polarisator (28; 45; 64), durch den das Licht, das aus dem Lichtweg (31; 43; 62) austritt, hindurchgeht;

einem Faraday-Rotator (29; 46; 65), durch den das Licht, das aus dem Polarisator (28; 45; 64) austritt, hindurchgeht, wobei der Faraday-Rotator aus einer einkristallinen dünnen Schicht eines Bismut-substituierten (111)- Eisengranats gemacht ist, und wobei der Faraday-Rotator so positioniert ist, daß eine optische Achse des auf eine Oberfläche des Faraday-Rotators einfallenden Lichtes mit einer Achse, die senkrecht auf der Oberfläche des Faraday-Rotators steht, einen Winkel von 10 bis 70 Grad bildet;

einer reflektierenden dünnen Schicht (30; 47; 67) zum Reflektieren des aus dem Faraday-Rotator austretenden Lichtes,

dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende dünne Schicht so positioniert ist, daß eine optische Achse des aus dem Faraday-Rotator (29; 46; 65) austretenden Lichtes senkrecht zu einer reflektierenden Oberfläche der reflektierenden dünnen Schicht ist, worin der Faraday-Rotator (29; 46; 65), der Multidomänen aufweist, einen Winkel mit Bezug auf die Oberflächen des Polarisators (28; 45; 64) und der reflektierenden dünnen Schicht (30; 47; 67) bildet.

2. Der magnetooptische Sensorkopf vom Reflexionstyp nach Anspruch 1, worin der Sensorkopf (63-68) des weiteren ein erstes rechteckiges Prisma (66) und ein zweites rechteckiges Prisma (68) aufweist, wobei das erste (66) und das zweite (68) Prisma miteinander identisch sind, und wobei jedes der Prismen eine erste Oberfläche, eine zweite Oberfläche, die orthogonal zu der ersten Oberfläche ist, und eine schräge Oberfläche besitzt, und wobei das erste und zweite rechteckige Prisma so angeordnet sind, daß der Faraday-Rotator (65) zwischen den schrägen Oberflächen eingeschlossen ist und die ersten Oberflächen des ersten (66) und zweiten (68) rechteckigen Prismas parallel zueinander sind und die zweiten Oberflächen des ersten (66) und zweiten (68) rechteckigen Prismas parallel zueinander sind.

3. Der magnetooptische Sensorkopf (63-68) vom Reflexionstyp nach Anspruch 2, worin jedes der ersten (66) und zweiten (68) rechteckigen Prismen so angeordnet ist, daß eine optische Achse des aus dem Polarisator (64) austretenden Lichtes mit einer Achse, die senkrecht auf der schrägen Oberfläche des ersten Prismas (66) steht, einen Winkel im Bereich von 10 bis 70 Grad bildet.