DE102013004385B4 - Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Abstract

Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays mit wenigstens zwei Messkanälen (➀, ➁), wobei jeder Messkanal (➀, ➁) des Arrays aus einem Intensitätsmodulator (IM), einer Optik (O) zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts und einer Messzelle (M), die vom Licht einer Laserlichtquelle (L) durchstrahlt wird, welches von einem photoelektrischen Empfänger (PD) erfasst, von einem Verstärker (V) verstärkt und mittels eines Lock-in-Verstärkers (LI), der mit dem Intensitätsmodulator (IM) über einen Generator (G) verbunden ist, zur Auswertung gebracht wird, besteht, wobei die Eingänge sämtlicher Intensitätsmodulatoren (IM) der unterschiedlichen Messkanäle (➀, ➁) ausschließlich mit Licht einer einzigen Laserlichtquelle (L) gespeist sind, wobei ein einzelner Messkanal (➀, ➁) zusätzlich zur Messzelle (M) eine Referenzzelle (R) beinhaltet, wobei die Referenz- und die Messzelle der gleichen Intensitätsmodulation des durchstrahlten Lichtes unterworfen sind, indem sie vom beiden Zellen zugeordneten einen Intensitätsmodulator (IM) mit Licht durchstrahlt werden, jedoch vor der Referenzzelle (R) Mittel (FB) zur vollständigen Depolarisation des Lichts vorgesehen sind und für die Intensitätsmodulatoren (IM) jeweils ein Mach-Zehnder-Interferometer auf der Basis von optischen Wellenleitern eingesetzt ist.

Description

• Optisch gepumpte Magnetometer nutzen die Veränderung des Spin-Systems von Atomen durch die Einwirkung eines äußeren Magnetfelds B₀ aus, um die Größe dieses Magnetfeldes zu messen. Üblich ist die Verwendung von Alkali-Atomen, da sie ein einzelnes Elektron auf der äußeren Elektronenschale besitzen, das dadurch leicht manipulierbar ist und durch die voll besetzte darunter liegende Elektronenschale gut vom Atomkern und seinen Einwirkungen auf das Elektron abgeschirmt ist. Es ist aber auch üblich, in Helium-Atomen durch HF-Entladung ein Elektron auf ein höheres Energieniveau heben, wo es dann genauso; wie das von vornherein existierende einzelne Elektron von Alkali-Atomen; mit dem Magnetfeld wechselwirkt. Um die Einwirkung des zu messenden Magnetfeldes B₀ auf das Spin-System des Alkali-Atoms zu messen, werden in optisch gepumpten Magnetometern drei Verfahrensschritte vollzogen. Zum ersten wird das Spin-System der Atome präpariert, indem die Spins durch Bestrahlung mit zirkular polarisiertem Licht in Richtung dieses Pumplichtstrahls ausgerichtet werden. Durch die Einwirkung des Messfeldes B₀ präzedieren die Spins dann um dessen Richtung mit der Larmor-Frequenz f_L= γ·B₀ (γ ist der gyromagnetische Faktor – eine Materialkonstante). Um diese Präzession messen zu können, werden in einem zweiten Verfahrensschritt die Phasen der einzelnen Spins synchronisiert. Daraus resultiert eine Modulation des Pumplichts, mit dem die Messzelle durchstrahlt wird, bei der Larmor-Frequenz. Im dritten Verfahrensschritt wird dann diese Modulation möglichst genau gemessen. Bekannte Realisierungsvarianten optischer Magnetometer unterscheiden sich in der Art und Weise wie bzw. in welcher Kombination insbesondere die zweite und dritte Aufgabe gelöst werden. Damit unterscheiden sie sich aber auch noch insbesondere darin, welche Möglichkeit sie zur Realisierung von Array-Anordnungen aus möglichst identischen Magnetometern bieten. Solche Anordnungen werden beispielsweise zur ortsaufgelösten Messung von Magnetfeldquellen (wie etwa dem Magnetfeld des menschlichen Herzens) oder zur Bildung von Gradiometern (die als Differenz der Signale zweier Magnetometer nur noch den örtlichen Unterschied zwischen Magnetfeldern messen und so bei wirklich identischen Magnetometern ortsunabhängige Störungen eliminieren) benötigt.
• Die gängigste Variante, optisch gepumpte Magnetometer zu betreiben, ist die M_x-Methode (z. B. A. L. Bloom, Applied Optics 1, 61–68, 1962; E. B. Alexandrov et al., Laser Physics 6, 244–251, 1996; S. Groeger et al., Eur. Phys. J. D 38, 239–247, 2006). Dort wird nach der Ausrichtung der Spins mittels zirkular polarisierten Pumplichts die Phasensynchronisation mit Hilfe eines sogenannten B₁-Magnetfeldes durchgeführt. Wenn dieses Zusatzfeld mit der Larmor-Frequenz moduliert wird, präzedieren alle Spins mit gleicher Phase. Dies bewirkt eine Amplitudenmodulation des Lichtes nach dem Durchgang durch die Messzelle mit dem Alkalidampf. Nach Aufnahme des Lichts mittels einer Photodiode und geeigneter Verstärkung des Signals wird dieses mittels phasenselektiver Gleichrichtung (Lock-in-Verfahren) ausgewertet. Das Quadratursignal dieser phasenselektiven Gleichrichtung, das gegenüber dem B₁-Magnetfeld eine Phasenverschiebung um 90° aufweist, ist im Bereich um die Larmor-Frequenz dem zu messenden Magnetfeld B₀ proportional. Die M_x-Methode hat mehrere Nachteile. Zum einen ist jedes Magnetometer mit einer separaten Spule zur Erzeugung des B₁-Magnetfeldes auszustatten. Dies ist eine technische Herausforderung, insbesondere weil, bei nicht vollständiger Kolinearität von Pumplicht und B₁-Feld, Messfehler entstehen. Zum anderen ist beim Aufbau von Arrays aus optisch gepumpten Magnetometern ein Übersprechen zwischen benachbarten Zellen über ihre B₁-Felder unvermeidlich, woraus weitere Messfehler entstehen.
• Die 1961 von Bell und Bloom entwickelte und nach ihnen benannte Methode zur Magnetfeldmessung mit optisch gepumpten Magnetometern (W. E. Bell and A. L. Bloom, Phys. Rev. Lett. 6 (6), 280–281, 1961) verwendet ebenfalls zirkular polarisiertes Pumplicht zur Ausrichtung der Spins. Die Synchronisation ihrer Phasen erfolgt durch Modulation der Intensität des Pumplichtes. Dies wird allerdings nicht phasenselektiv ausgelesen, sondern es wird die reine Veränderung der mittleren Transmission der Messzelle gemessen, die dann eintritt, wenn die Modulationsfrequenz der Pumplichtintensität die Larmor-Frequenz trifft. Die Magnetfeldauflösung dieser Methode ist dementsprechend schlecht.
• Bekannt ist außerdem eine Modifikation der ursprünglichen Bell-Bloom-Methode. Sie beseitigt deren Nachteil der schlechten Magnetfeldauflösung, indem das phasenselektive Auslesen (wie bei der M_x-Methode) zusätzlich eingeführt wird. Im Gegensatz zum originalen Bell-Bloom-Magnetometer wird aber die Phasensynchronisation der Spins erreicht, indem das Pumplicht anstatt in seiner Intensität in seiner Wellenlänge mit der Larmor-Frequenz moduliert wird (R. Jimenez-Martinez et al., Trans. Instrum. Measur. 59 (2), 372–378, 2010). Diese Methode hat mehrere Nachteile, insbesondere, wenn es um den Aufbau von Magnetometer-Arrays geht. Da die Phasensynchronisation der Spins über die Modulation der Wellenlänge des Pumplichtes geschieht, kann der Laser zur Erzeugung dieses wellenlängenmodulierten Lichtes nur zum Betreiben einer einzigen Magnetometerzelle eingesetzt werden, denn die Frequenz, mit dem die Wellenlänge moduliert wird, hängt von dem am Ort der Zelle vorliegenden Messfeldes B₀ ab. Beim Aufbau eines Magnetometer-Arrays wäre also für jedes Magnetometer ein eigener Pump-Laser erforderlich. Dies wiederum würde der Forderung widersprechen, alle Magnetometer des Arrays unter möglichst gleichen Arbeitsbedingungen zu betreiben.
• Weiterhin ist aus: Cassimi, A. u. a.: ⁴He optical pumping with intensity modulated laser light, Journal de Physique II, 1991, Vol. 1, S. 123–133 ein optisches Magnetometer bekannt, das auch in vorliegender Erfindung verwendete Baugruppen beinhaltet, nicht jedoch ein Magnetometer-Array mit wenigstens zwei Messkanälen, wobei die Eingänge sämtlicher Intensitätsmodulatoren der unterschiedlichen Messkanäle ausschließlich mit zirkular polarisiertem Licht einer einzigen Laserlichtquelle gespeist werden, wie in vorliegender Erfindung. In genannter Veröffentlichung sind keine ausdrückliche zirkulare Polarisation und auch keine mehrkanalige Anordnungen beschrieben oder entnehmbar. Darüber hinaus ist ein Magnetometer nach dieser Veröffentlichung nur im Labormaßstab einsetzbar, weil für transportable Einrichtungen die dort eingesetzten Modulatoren wesentlich zu voluminös sind.
• Abseits vorliegender Erfindung offenbart US 2007/0 167 723 A1 mehrere optische Magnetometer, die von einem gemeinsamen Laser durchstrahlt werden, nicht jedoch deren unterschiedliche Ansteuerung mit unterschiedlich betreibbaren Intensitätsmodulatoren, sondern mittels Änderung des B1-Feldes, also einer Methode deren sich vorliegende Erfindung bewusst nicht bedient, da die B1-Feld-Modulation zum Übersprechen führt, wie weiter oben bereits ausgeführt wurde.
• Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, optisch gepumpte Magnetometer zu schaffen, die es gestatten, hiermit Arrays aufzubauen, bei denen keine wechselseitige Beeinflussung der einzelnen Magnetometer auftritt und bei denen eventuelle Fehlereinflüsse auf die einzelnen Magnetometer (wie z. B. Rauschen der Pumplichtquelle) möglichst identisch sind, so dass sie durch geeignete Kombination von Magnetometern des Arrays wieder eliminiert werden können, und die all dies mit einem möglichst einfachen, wenige Komponenten beinhaltenden Aufbau, ermöglichen.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils nachgeordneten Ansprüche.
• Der Hauptvorteil und Lösungsansatz der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass zunächst eine Anordnung vorgeschlagen wird, die nur einen einzigen, von einer Quelle kommenden Lichtstrahl erfordert, der alle eingangs genannten Aufgaben übernimmt nämlich:
• a) die Präparierung des Spin-Systems, d. h. die Ausrichtung der Spins in Richtung des Pumplichtstrahls,
• b) die Phasensynchronisation der Spins und
• c) das Auslesen der Magnetfeldinformation über die Messung der Modulation des Lichtes nach seinem Durchtritt durch die Messzelle. Im Rahmen der Erfindung wird hierfür das Pumplicht a) zirkular polarisiert, b) in seiner Intensität bei der Larmor-Frequenz moduliert und c) das nach dem Durchtritt durch die Alkali-Messzelle in seiner Amplitude modulierte Licht mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers ausgewertet. Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung die Intensität des Lichtstrahls bei der Larmor-Frequenz derart moduliert werden, dass sie individuell für jede Messkammer des Arrays angepasst werden kann, obwohl für alle Arrays nur eine Lichtquelle vorgesehen ist.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen nachfolgende Ausführungsbeispiele dienen. Es zeigen:
• 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung anhand eines einzelnen Magnetometer-Messkanals,
• 2 eine beispielhafte Anordnung zweier Magnetometer als erste Realisierung eines Arrays,
• 3a, b, c drei beispielhafte Intensitätsmodulation bei unterschiedlichen Modulationsverläufen des Pumplichts,
• 4 eine beispielhafte Messsignaländerung, wenn das Tastverhältnis V_T variiert wird,
• 5 unterschiedliche Lichtmodulationstiefen und deren Auswirkung auf das Messsignal,
• 6 Beispiele für unterschiedliche Pumplichtformen,
• 7a und b Auswirkungen zweier unterschiedlicher Pumplichtformen auf das Messsignal,
• 8 eine Erweiterung eines erfindungsgemäßen Messkanals um eine Referenzzelle und
• 9 ein beispielhaftes Signal bei einer rechteckförmigen zeitlichen Modulation des Pumplichts mit 100% Modulationstiefe in Abhängigkeit vom relativen Verstärkungsfaktor VR von Referenzkanal zu Messkanal.
• 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung anhand eines einzelnen Magnetometers. In diesem Messaufbau wird die Strahlung eines Lasers L über Lichtleitfasern F durch einen Intensitätsmodulator IM geleitet. Nach Auskopplung aus der Faser wird das Pumplicht PL vermittels einer Optik O zirkular polarisiert (z. B. durch Aufeinanderfolge eines linearen Polarisators und eines λ/4-Plättchens) und durchstrahlt die den Alkalidampf beinhaltende Messzelle M. Nach der Messzelle M wird die Intensität des Lichts mit einem photoelektrischen Empfänger, hier einer Photodiode PD gemessen. Der durch die Photodiode PD erzeugte Photostrom wird mit einem Verstärker V in elektrische Spannung umgewandelt und verstärkt. Dieses Signal wird mit einem Lock-in-Verstärker LI gemessen, der seine Referenzfrequenz von einem Generator G erhält, der auch die Frequenz und andere Modulationsparameter (wie Modulationstiefe, Tastverhältnis) für den Intensitätsmodulator IM liefert. Als Ausgangssignal U des Lock-in-Verstärkers wird vorteilhaft das Quadratursignal verwendet. In erweiterten Ausführungsformen kann diese Anordnung in an sich üblicher Weise durch einen Regelkreis komplettiert werden. Hierfür wird das Ausgangssignal U über einen PID-Regler geführt (PID = Proportional, Integral, Differentiell) und der Generator von der Ausgangsspannung dieses Reglers in seiner Frequenz so geregelt dass er der aktuellen Larmor-Frequenz der Atome in der Messzelle folgt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung und das Verfahren zu deren Betrieb haben mehrere Vorteile gegenüber den bekannten Realisierungsvarianten optisch gepumpter Magnetometer: Alle Aufgaben [vgl. oben a) bis c)] werden von einem einzigen Lichtstrahl übernommen. Das heißt das Ausrichten der Spins, die Synchronisation ihrer Phasen und die Bereitstellung der Messinformation durch Amplitudenmodulation des Strahls nach dem Durchgang durch die Messzelle. Es gibt somit per se keine Fehlorientierung zwischen Pumplicht und Phasensynchronisation, wie das bei der erforderlichen Verwendung eines B₁-Feldes für die Phasensynchronisation nach dem Stand der Technik der Fall ist, da im Rahmen vorliegender Erfindung beides durch den gleichen Lichtstrahl bewirkt wird. Diese mögliche Quelle von Messfehlern ist durch die erfindungsgemäße Anordnung damit bereits vollständig beseitigt.
• Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Vorteilen speziell bei der Realisierung von Arrays aus mehreren Magnetometerzellen. 2 zeigt ein Beispiel solch einer Array-Anordnung, wobei das Minimum für ein Array im Beispiel, ohne Beschränkung der Erfindung, durch zwei Kanäle dargestellt ist. Hier wird für alle Magnetometerzellen, wie durch die Erfindung maßgeblich vorgeschlagen, die Strahlung eines gemeinsamen Pumplasers L verwendet und im Beispiel über einen Fasersplitter FS auf die zwei Messkanäle ➀ und ➁ aufgeteilt. Die notwendige individuelle Phasensynchronisation der Spins bei der jeweils herrschenden Larmor-Frequenz (den jeweiligen zu messenden Magnetfeldern B₀ ⁽¹⁾ rund B₀ ⁽²⁾ entsprechend) wird dann durch individuelle, jeder Zelle zugeordneten Intensitätsmodulatoren IM bewirkt, die von den zellenzugehörigen Generatoren G mit der entsprechenden Frequenz betrieben werden. Die Differenz ΔU der beiden Messspannungen U₁ und U₂ zwischen den Einzelzellen des Arrays ist, wegen der Proportionalität der Messspannung zum Messfeld, ein Maß für den Magnetfeldgradienten G = [B₀ ⁽¹⁾ – B₀ ⁽²⁾]/[x⁽¹⁾ – x⁽²⁾], also dem Unterschied zwischen den Magnetfeldern am Ort x₁ und x₂. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird in diesem Beispiel jeglicher Einfluss unterschiedlicher Eigenschaften oder von Rauschen separater Pumplaserquellen (wie sonst nach dem Stand der Technik unvermeidbar) vermieden. Vorteilhaft bei Array-Anordnungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben von optisch gepumpten Magnetometern ist weiterhin, dass ein Übersprechen zwischen verschiedenen Magnetometermesszellen ausgeschlossen ist. Der Magnetometer-Messkopf ist auch im Array komplett optisch ausgeführt, so dass magnetische Störungen, z. B. durch elektrische Leitungen, von vornherein ausgeschlossen werden können. Auch das Übersprechen der Magnetfelder von B₁-Spulen des einen Kanals auf den anderen, wie es in der M_x-Methode unvermeidlich ist, existiert bei vorliegender Erfindung nicht, da derartige Spulen hier nicht erforderlich sind. Jede Messzelle eines Magnetometer-Arrays ist separat über die ihr zugehörige Intensitätsmodulation ansprechbar, obwohl alle Messzellen vom gleichen Laser gepumpt werden. Letzteres garantiert identische Arbeitsbedingungen für alle Messzellen; eine wichtige Voraussetzung für deren Zusammenwirken in Mess-Arrays, die selbstverständlich aus mehr als nur zwei Messzellen und den diesen zugehörigen Baugruppen bestehen können.
• Die Güte der Magnetfeldmessung hängt von der Güte der Intensitätsmodulation ab. Besonders vorteilhaft ist es im Rahmen der Erfindung, als Intensitätsmodulator ein integriertes Mach-Zehnder-Interferometer auf der Basis von Wellenleitern einzusetzen, das die elektro-optische Modulation des Lichtes als Wirkprinzip verwendet. Ein solches Interferometer kann mit niedrigen Spannungen moduliert und einfach über Lichtleitfasern in den übrigen optischen Aufbau integriert werden. Gegenüber anderen möglichen Bauelementen ermöglicht diese Art von Interferometern einen kompakten Aufbau des gesamten Arrays und vergleichbar geringe Kosten zu seiner Herstellung. Solche Art der in vorliegender Erfindung eingesetzten Interferometern werden von der Fa. JENOPTIK nach Kundenwunsch gefertigt, wie auch zur Umsetzung vorliegender Erfindung geschehen. (vgl.: http://www.jenoptik.com/cms/jenoptik.nsf/res/information%20about%20waveguide%20modulators.pdf/$file/information%20about%20waveguide%20modulators.pdf).
• Für die im Rahmen der Erfindung geforderte Intensitätsmodulation sind grundsätzlich vielerlei Modulationsverläufe einsetzbar. Das Pumplicht kann zu jeder Periode der Larmor-Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, oder es bleibt über mehrere Perioden angeschaltet. In den 3 ist dies beispielhaft an drei unterschiedlichen Beispielen verdeutlicht. 3a zeigt dies für den Fall, dass jede Periode, jede zweite Periode (3b) oder jede dritte Periode (3c) das Licht angeschaltet wird. Hier ist T das Triggersignal, welches vom Generator G (vgl. 1) für die Larmor-Periode bereitgestellt wird, P zeigt hier den zeitlichen Verlauf der Pumplichtintensität und S das Messsignal nach Verstärkerausgang V (vgl. wiederum 1). Das längere Anschalten des Lichtes, wie in 3b + 3c dargestellt, hat den Vorteil, dass das Messsignal längere Zeit zur Verfügung steht. Allerdings wird die Modulation des Lichtes schnell kleiner (vgl. insbesondere 3c), weil die Polarisation der Atome, aufgrund von Relaxationsprozessen in der Messzelle M, abnimmt. Es ist deshalb eher vorteilhaft, die Intensität des Pumplichts innerhalb jeder Periode der Larmor-Frequenz ein- und auszuschalten, wie in es 3a dargestellt ist.
• Auch bei Ein- und Ausschalten des Pumplichtes zu jeder Periode der Larmor-Frequenz kann die Pumplichtintensität auf verschiedene Art und Weise moduliert werden. In 4 ist dargestellt, wie sich das Messsignal S ändert, wenn das Tastverhältnis V_T, worunter im Rahmen der Erfindung die prozentuale Zeitdauer der Larmor-Periode verstanden wird, bei der das Pumplicht angeschaltet ist, variiert wird. Aus 4 ist ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, ein Testverhältnis um 50% herum zu wählen, weil dort die Modulation des Messsignal S am deutlichsten ausgeprägt ist.
• Während bei den vorstehend beschriebenen Modulationen ein vollständiges Ein- und Ausschalten des Pumplichtes und dessen Auswirkungen auf das Messsignal betrachtet wurden, zeigt 5 die Auswirkung auf das Messsignal S bei verschiedenen Modulationstiefen M_T, erzeugt durch den Intensitätsmodulator IM. M_T wurde zwischen 10% (d. h. das Licht wird zwischen 100% und 90% Beleuchtungsstärke geschaltet) und 100% (das Licht wird komplett ein- und ausgeschaltet) variiert. Es zeigt sich an diesem Beispiel deutlich, dass ein volles Durchmodulieren (entsprechend der Darstellung in den 3a bis 3c) am vorteilhaftesten ist, weil hier das Messsignal S am klarsten ausgeprägt ist.
• Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass neben solch einem rechteckförmigen Schalten, wie es bisher beschrieben wurde, auch andere Formen der Pumplichtmodulation im Rahmen der Erfindung verwendet werden können. Dazu ist in 6 das Ergebnis von drei verschiedenen Pumplichtformen gezeigt, wobei stets ein Tastverhältnis V_T von 50% und ein Modulationstiefe M_T von 100% verwendet wurde. Bei P:R wird, wie bisher, mit rechteckförmigen Pumplichtverlauf gepumpt, bei P:V wurde dieses Rechteck leicht verschliffen und bei P:S ist dieses Verschleifen bis zu reinem Sinussignal getrieben worden. Alle Formen bringen ein klar akzentuiertes Messsignal hervor, was in 7a für das rechteckförmige und in 7b für das verschliffene Pumpen beispielhaft gezeigt wird. Die jeweils dargestellten Kurvenscharen zeigen weiterhin die Abhängigkeiten bei Variation der Pumpfrequenz PF um ±10 kHz um die Larmor-Frequenz LF herum. Bei LF tritt in jedem Falle das Signal klar akzentuiert hervor, wie es durch den jeweils in den Liniendicken stärker ausgeführten Graphen verdeutlicht sein soll. Es können daher für die Intensitätsmodulation des Pumplichtes alle möglichen Signalformen zwischen rechteck- und sinusförmigem Pumpen verwendet werden. Von der technischen Realisierbarkeit ist die rechteckförmige Modulation aber besonders vorteilhaft, weil dann der integrierte Modulator IM nur zwischen zwei Steuerspannung geschaltet werden muss.
• Zusätzlich zu der in 2 dargestellten Anordnung zweier einzelner Magnetometer in einem Array, die im Beispiel zu einem Gradiometer verschaltet sind, sollen auch solche Array-Anordnungen im Rahmen der Erfindung verstanden werden, bei denen eine Zelle (Referenzzelle R) verwendet wird, um das Rauschen der anderen Zelle (Messzelle M) zu vermindern. Insbesondere soll dadurch das vom Pumplaser L verursachte Rauschen eliminiert werden. Anders als in DE 10 2010 020 863 A1 , wo dies dadurch geschieht, dass nur die Messzelle M mit einem Wechselfeld B₁-Feld beaufschlagt wird, das zur Phasensynchronisation der Spins der einzelnen Atome dient, werden hier beide Zellen mit identisch in der Intensität moduliertem Pumplicht bestrahlt. 8 zeigt diese Erweiterung der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier wird das vom Intensitätsmodulator IM modulierte Laserlicht über einen Fasersplitter FS auf die Messzelle M und die Referenzzelle R aufgeteilt. Allerdings wird nur im Messzweig das Licht mit der Optik O zirkular polarisiert, um die Spins für die Messung zu präparieren. Im Referenzzweig wird das Licht hingegen vollständig depolarisiert, indem die Faser in einem Faserbündel FB eng gewickelt wurde. Nach Verstärkung der von den Photodioden PD aufgenommenen jeweiligen Signale wird das der Referenzzelle von dem der Messzelle subtrahiert. Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verstärker V des Referenzkanals in seinem Verstärkungsfaktor variiert werden kann, um das Rauschen des Lasers L, das beiden Kanälen in gleicher Weise aufgeprägt wird, aus dem subtrahierten Signal zu eliminieren. Es erweist sich, wie gefunden wurde, als besonders vorteilhaft, die Verstärkung V des Referenzkanals R kleiner als die des Messkanals M zu wählen. In 9 ist dazu das Signal bei einer rechteckförmigen zeitlichen Modulation des Pumplichts mit 100% Modulationstiefe in Abhängigkeit vom relativen Verstärkungsfaktor VR von Referenzkanal zu Messkanal dargestellt. Eine relative Verstärkung von etwa 0,6 ergibt hier besonders vorteilhafte Signale und ermöglicht die vollständige Eliminierung des Laserrauschens aus dem Messsignal. Es muss nicht gesondert betont werden, dass mehrere Anordnungen, wie in 8 dargestellt, zu komplexeren Messkonfigurationen zusammengeschaltet werden können, zum Beispiel so, wie nach 2 zu einem Gradiometer. Insofern stellt 8 eine erweiterte Ausführung von 1 dar, von denen sich je nach Messanforderung mehrere Zellen zu einem rein optischen Magnetometer-Array verbinden lassen.
• Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
• Bezugszeichenliste

• L

  – Laserlichtquelle

  IM

  – Intensitätsmodulator

  O

  – Optik

  PL

  – Pumplicht

  M

  – Messzelle

  R

  – Referenzzelle

  PD

  – photoelektrischer Empfänger (Photodiode)

  V

  – Verstärker

  LI

  – Lock-in-Verstärker

  G

  – Generator

  FS

  – Fasersplitter

  F

  – Lichtleitfaser

  B₀ ⁽¹⁾

  – Magnetfeld am Ort x1

  B₀ ⁽²⁾

  – Magnetfeld am Ort x2

  ➀, ➁

  – Messkanäle

  B₀

  – äußeres Magnetfeld

  FB

  – Mittel zur vollständigen Depolarisation des Lichts

  U

  – Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers

  T

  – Triggersignal

  P

  – zeitlichen Verlauf der Pumplichtintensität

  S

  – das Messsignal nach dem Verstärkerausgang

  U₁, U₂

  – Messspannungen an den Einzelzellen des Arrays

  VR

  – relativer Verstärkungsfaktor von Referenzkanal zu Messkanal

  V_T

  – Tastverhältnis

  M_T

  – Modulationstiefe

Claims (11)

1. Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays mit wenigstens zwei Messkanälen (➀, ➁), wobei jeder Messkanal (➀, ➁) des Arrays aus einem Intensitätsmodulator (IM), einer Optik (O) zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts und einer Messzelle (M), die vom Licht einer Laserlichtquelle (L) durchstrahlt wird, welches von einem photoelektrischen Empfänger (PD) erfasst, von einem Verstärker (V) verstärkt und mittels eines Lock-in-Verstärkers (LI), der mit dem Intensitätsmodulator (IM) über einen Generator (G) verbunden ist, zur Auswertung gebracht wird, besteht, wobei die Eingänge sämtlicher Intensitätsmodulatoren (IM) der unterschiedlichen Messkanäle (➀, ➁) ausschließlich mit Licht einer einzigen Laserlichtquelle (L) gespeist sind, wobei ein einzelner Messkanal (➀, ➁) zusätzlich zur Messzelle (M) eine Referenzzelle (R) beinhaltet, wobei die Referenz- und die Messzelle der gleichen Intensitätsmodulation des durchstrahlten Lichtes unterworfen sind, indem sie vom beiden Zellen zugeordneten einen Intensitätsmodulator (IM) mit Licht durchstrahlt werden, jedoch vor der Referenzzelle (R) Mittel (FB) zur vollständigen Depolarisation des Lichts vorgesehen sind und für die Intensitätsmodulatoren (IM) jeweils ein Mach-Zehnder-Interferometer auf der Basis von optischen Wellenleitern eingesetzt ist.
2. Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (G) die Frequenz und andere Modulationsparameter, wie insbesondere die Modulationstiefe und das Tastverhältnis, für den Intensitätsmodulator (IM) bereitstellt.
3. Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle lichtleitenden Wege, beginnend von der Laserlichtquelle (L) bis zum photoelektrischen Empfänger (PD), durch Lichtleitfasern (F), erforderlichenfalls aufgeteilt durch Fasersplitter (FS), gebildet sind.
4. Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Depolarisation des in die Referenzzelle (R) eintretenden Lichts mit Hilfe eines eng gewickelten Lichtleitfaserabschnitts (FB) der Lichtleitfaser (F) erfolgt.
5. Optisch gepumpte Magnetometer-Arrays nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Referenzzelle (R) nachgeordneten photoelektrischen Empfänger (PD) ein in seinem Verstärkungsfaktor variierbarer Verstärker (V) nachgeordnet ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines optisch gepumpten Magnetometer-Arrays, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messzelle (M) eines jeden Messkanals (➀, ➁) von zirkular polarisiertem Licht einer einzigen und derselben Lichtquelle (L) durchstrahlt wird und Modulationen des Lichts durch einen jedem Messkanal (➀, ➁) eingangsseitig zugeordneten Intensitätsmodulators (IM) und dessen bezüglich der Modulationsfrequenz, des Tastverhältnisses und der Modulationstiefe vorgebbarer und veränderbarer Ansteuerung vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht in seiner Intensität bei der Larmor-Frequenz der Atome in der jeweiligen Messzelle (➀, ➁) moduliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Pumplichts bevorzugt innerhalb jeder Periode der Larmor-Frequenz ein- und ausgeschaltet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tastverhältnis V, worunter die prozentuale Zeitdauer der Larmor-Periode verstanden wird, bei der das Pumplicht angeschaltet ist, vorteilhaft um 50% gewählt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten der Spins der Atome in der Messzelle, die Synchronisation der Phasen der Spins und die Bereitstellung der Messinformation durch Amplitudenmodulation des Lichtstrahls nach dem Durchgang durch die Messzelle (M) durchgängig rein optisch vorgenommen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige individuelle Phasensynchronisation der Spins der Atome in den Messzellen (M) bei der jeweils herrschenden Larmor-Frequenz, entsprechend den jeweiligen zu messenden Magnetfeldern (B₀ ⁽¹⁾ und B₀ ⁽²⁾), durch individuelle, jedem Messkanal (➀, ➁) zugeordneten optischen Intensitätsmodulatoren (IM) und deren wahlweise vorgebbare und veränderbare Ansteuerung vorgenommen wird.

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