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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung zweier relativ
zueinander frequenzstabiler Lichtquellen. Die Erfindung betrifft
weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere
zur Vermessung von Magnetfeldern zumindest hinsichtlich der Magnetfeldstärke, gegebenenfalls auch
der Richtung.
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Zwei
relativ zueinander frequenzstabile Lichtwellen, beispielsweise Laserstrahl-Lichtwellen, werden
oftmals für
spektroskopische oder sonstige messtechnische Anwendungen benötigt. Dabei kommt
es neben einer gewünschten
Bandbreite, insbesondere einer gewünschten Schmalbandigkeit der verwendeten
Laserstrahlen insbesondere darauf an, dass die beiden Laserstrahlen
zueinander einen gewünschten
Frequenz- bzw. Wellenlängenabstand
mit möglichst
hoher Genauigkeit einhalten. Dabei kann es insbesondere vorgesehen
sein, die beiden zueinander frequenzstabilen Lichtwellen beispielsweise für messtechnische
Aufgaben zu verwenden oder aber eine in bzw. mit den Lichtwellen
verbundene Information, insbesondere der Frequenz- bzw. Wellenlängenabstand
zwischen den Lichtwellen in messtechnischen Anwendungen zu vermessen,
besonders dann, wenn dieser Abstand durch von außen aufgeprägte Umstände veränderlich ist und so aus diesem
Abstand Messinformationen bezüglich
bestimmter, zu untersuchender Größen zu gewinnen.
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Übliche Verfahren
zur Erzielung von zwei Lichtwellen, insbesondere Laserlichtwellen
mit festem Frequenzabstand zueinander, bedingen neben der zunächst grundsätzlichen
Erzeugung des Laserlichtes weitere technische Maßnahmen, um das Frequenzspektrum
hinsichtlich Bandbreite und Lage kontrollieren zu können. Dabei
wird beispielsweise auf resonatorinterne Maßnahmen zurückgegriffen, wie z. B. die
Modenselektion, Modenkopplungsmechanismen etc.
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Als
nachteilig wird es bei derartigen Maßnahmen empfunden, dass alle
diese Maßnahmen
durch äußere Randbedingungen
beschränkt
sind, wie z. B. Auflösungsvermögen, technische
Justagemöglichkeiten
etc. Ideale, lediglich durch natürliche
Effekte beschränkte
Auflösungen
bzw. Genauigkeiten können
jedoch grundsätzlich
mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht erzielt werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Generierung zweier relativ
zueinander frequenzstabiler Lichtwellen, wie beispielsweise Laserstrahlen
zur Verfügung
zu stellen, ebenso wie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens, insbesondere zum Zweck der Vermessung von Magnetfeldern
bereitzustellen, mit denen eine möglichst hohe Frequenzstabilität der Lichtwellen,
insbesondere Laserlichtwellen, zueinander erzielt wird, die in besonders
bevorzugter Ausgestaltung lediglich beschränkt ist durch zugrunde liegende
physikalische Effekte bzw. Naturgesetzmäßigkeiten, insbesondere jedoch nicht
durch technische Beschränkung.
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Die
Aufgabe wird für
das Verfahren dadurch gelöst,
dass mit einem Kontroll-Lichtstrahl
und einem ersten Signal-Lichtstrahl eine Ansammlung von Teilchen
eines Lambda-Systems beleuchtet wird, wobei der Kontroll-Lichtstrahl
und der Signal-Lichtstrahl in der jeweiligen Wellenlänge und
relativen Wellenlängendifferenz
zueinander auf den Bereich einer Dunkelresonanz der Teilchen des
Lambda-Systems abgestimmt werden und sich ein kohärenter Dunkelzustand
der Teilchen des Lambda-Systems ausbildet, wonach erfindungsgemäß der Kontroll-Lichtstrahl und
der erste Signal-Lichtstrahl abgeschaltet werden und nach einer
Beleuchtungspause der Kontroll-Lichtstrahl wieder eingeschaltet
wird und die Teilchen des Lambda-Systems mit dem Kontroll-Lichtstrahl
beleuchtet werden, wobei durch die Beleuchtung mit dem Kontroll-Lichtstrahl
ein zweiter Signal-Lichtstrahl von den Teilchen des Lambda-Systems generiert
wird, der relativ zum Kontroll-Lichtstrahl eine Frequenzdifferenz
aufweist, die der Frequenzdifferenz der beiden Grundzustände der
Teilchen des Lambda-Systems entspricht.
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Es
wird hier unter einem Lambda-System eine solche Ansammlung von Teilchen
verstanden, die ein Dreiniveausystem ausbilden mit zwei energetisch
aus einander insbesondere nur leicht auseinander liegenden Grundzuständen und
einen angeregten Zustand. Die Teilchen des Lambda-System können gebildet
werden z. B. von Atomen, Ionen oder auch Molekülen.
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Es
kann damit mit einem ersten Lichtstrahl, dem sogenannten Kontroll-Lichtstrahl,
ein optisches Pumpen stattfinden, um Elektronen aus dem einen Grundzustand
in das angeregte Niveau zu übertragen,
wobei sodann das angeregte Niveau statistisch zerfällt und
dabei einige der Elektronen in den Ausgangszustand zurückkehren
bzw. in den eingangs genannten anderen Grundzustand.
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Mit
einem zweiten Lichtstrahl, insbesondere dem hier genannten ersten
Signal-Lichtstrahl,
kann eine Anregung aus dem zweiten Grundzustand in den angeregten
Zustand erfolgen, wobei ebenso statistisch ein Zerfall aus diesem
angeregten Zustand erfolgt, entweder in den Ausgangszustand zurück oder
in den jeweils anderen Grundzustand. Aufgrund dieser Niveauübergänge zwischen
den Grundzuständen
und der Einschaltung des angeregten Zustandes spricht man hinsichtlich
einer bildlichen Darstellung dieser Zusammenhänge von einem Lambda-System,
da die Verbildlichung der Übergänge dem
griechischen Buchstaben Lambda ähnelt.
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Werden
beide Lichtstrahlen, nämlich
hier Kontroll-Lichtstrahl und Signal-Lichtstrahl gleichzeitig in
ein solches Lambda-System eingestrahlt, so kann der Effekt einer
Dunkelresonanz auftreten, welcher besagt, dass das Licht weder des
Kontrolllichtstrahls noch des Signal-Lichtstrahls absorbiert wird.
Eine solche Resonanz wird als Dunkelresonanz bezeichnet, da aufgrund
mangelnder Absorption keinerlei Fluoreszenzerscheinung unter dieser
Bedingung entsteht.
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Der
Zustand einer Dunkelresonanz bildet sich dabei aus unter der Bedingung,
dass beide Lichtstrahlen so abgestimmt werden, dass zum einen mit
diesem die jeweilige Anregung aus einem der Grundzustände in den
angeregten Zustand erfolgen kann und dass andererseits weiterhin
die Wellenlängen
bzw. Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Signal-Lichtstrahlen
im Bereich der Größe der Energiedifferenz
zwischen den beiden Grundzuständen liegt.
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Dabei
ist festzuhalten, dass eine solche Dunkelresonanz nicht nur auftritt,
wenn mit der Energiedifferenz von Kontroll- und Signal-Lichtstrahl
exakt die Energiedifferenz zwischen den beiden Grundzuständen getroffen
wird, sondern auch in einem Bereich darum herum. Ein dunkelresonanter
Zustand, der auch als kohärenter
Dunkelzustand der Teilchen des Lambda-Systems bezeichnet wird, stellt
sich also auch ein, wenn eine Abstimmung der beteiligten Laserstrahlen
lediglich ungefähr
im richtigen Wellenlängenbereich
bzw. in der richtigen Wellenlängendifferenz
gegeben ist. Es bedarf daher keiner besonderen Stabilisationsmaßnahmen,
um die beiden eingangs verwendeten Lichtstrahlen abzustimmen, so dass
Frequenz- bzw. Wellenlängenfluktuationen
für die
Erzeugung einer Dunkelresonanz einer solchen Ansammlung von Teilchen
eines Lambda-Systems im Wesentlichen unbeachtlich sind.
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Ein
so erreichter Zustand wird auch als kohärenter Dunkelzustand der Teilchen
des Lambda-Systems bezeichnet, da sich unter der Bedingung der Einstrahlung
beider Lichtstrahlen für
alle betroffenen Teilchen des betrachteten Systems, die den Lichtstrahlen
ausgesetzt sind, eine feste Population der beteiligten Grund-Zustände ergibt,
die im Wesentlichen von der Intensität der beiden beteiligten Lichtstrahlen,
insbesondere Laserstrahlen, abhängt.
Die beiden Grundzustände
der Teilchen eines solchen Lambda-Systems sind demnach aneinander über den
angeregten Zustand gekoppelt, so dass alle Teilchen des betrachteten
Systems denselben Zustand aufweisen und demnach ein solcher Zustand
als kohärent bezeichnet
wird gegenüber
den ansonsten vorherrschenden Zuständen, bei denen nach einer Anregung
mit lediglich einem der Lichtstrahlen das angeregte Niveau spontan
und statistisch zerfällt.
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Die
Erfindung macht sich nun zunutze, dass in einer Beleuchtungspause,
bei welcher sowohl Kontroll-Lichtstrahl als auch Signal-Lichtstrahl
abgeschaltet werden bzw. zumindest nicht mehr die Ansammlung von
Teilchen durchleuchten, der erhaltene kohärente Dunkelzustand zeitlich
stabil erhalten bleibt, insbesondere sofern interne, insbesondere thermische
Prozesse und Relaxationsprozesse in der Teilchenansammlung vernachlässigt werden.
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Nach
einer Beleuchtungspause, wenn der Kontroll-Lichtstrahl wieder eingeschaltet
wird bzw. wieder die Ansammlung von den Teilchen des Lambda-Systems
durchleuchtet, wird durch die Beleuchtung mit dem Kontroll-Lichtstrahl
ein zweiter Signal-Lichtstrahl von den Teilchen des Lambda-Systems
selbst generiert, der an die Wellenlänge des Kontroll-Lichtstrahls
aufgrund der kohärenten
Zustände
aller Teilchen gekoppelt ist und relativ zum Kontroll-Lichtstrahl
eine Frequenzdifferenz aufweist, die exakt der Frequenzdifferenz
der beiden Grundzustände
der Teilchen des Lambda-Systems entspricht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird demnach eine Frequenzstabilität der beiden ausgehenden Lichtwellen
erreicht, nämlich
zwischen dem Kontroll-Lichtstrahl,
der zum einen in das System hineingeleuchtet wird und auch dieses
wieder verlässt sowie
dem erzeugten zweiten Signal-Lichtstrahl erzeugt, die zumindest
im Wesentlichen nicht mehr durch äußere Umstände, wie Justagemöglichkeiten, Konstruktionen
oder sonstige mechanische Grenzen beschränkt ist, sondern sich im Wesentlichen
exakt durch den physikalisch gegebenen energetischen Unterschied
zwischen den Grundzuständen
ergibt.
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Dabei
ist festzustellen, dass bei einer Änderung der Wellenlänge des
Kontroll-Lichtstrahls
der Abstand des erzeugten zweiten Signal-Lichtstrahls zu diesem
Kontroll-Lichtstrahl unverändert
bleibt, somit also die Zentralfrequenz des zweiten Signalstrahls
verändert
werden kann durch eine Veränderung
der Frequenz bzw. Wellenlänge
des Kontroll-Lichtstrahls. Es besteht so auch die Möglichkeit der
Abstimmung der Lichtwellen unter Beibehaltung der Frequenzstabilität relativ
zueinander.
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Als
ein mögliches
Lambda-System können beispielsweise
thermische oder auch abgekühlte
Alkaliatome eingesetzt werden, die zwei Grundzustände aufweisen,
insbesondere die durch eine Hyperfeinstrukturaufspaltung erzeugt
sind und weiterhin einen angeregten Zustand haben. Beispiele hierfür sind Rubidium
und Caesium, die besonders bevorzugt eingesetzt werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird besonders bevorzugt derart durchgeführt, dass die eingangs genannte
Beleuchtungspause eine Mikrosekunde bis eine Millisekunde dauert.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die Beleuchtungspause
zu 10–50
Mikrosekunden gewählt.
Dabei wird insbesondere durch die Beschränkung der Beleuchtungspause
auf 50 Mikrosekunden dem Umstand Rechnung getragen, dass Relaxationsprozesse
sowie auch thermische Bewegungen der Teilchen des Lambda-Systems
innerhalb dieser zeitlichen Bereiche vernachlässigbar bleiben. Das Verfahren
kann jedoch auch mit Pausen kürzer
als 1 Mikrosekunde bzw. länger
als 1 Millisekunde durchgeführt
werden. Grundsätzlich
kann die Pause im Bereich von einigen Nanosekunden bis zu einer
Sekunde sein.
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Insbesondere
um eine thermische Bewegung der Teilchen des Lambda-Systems zu begrenzen,
kann es auch vorgesehen sein, die Teilchen dieses Lambda-Systems innerhalb
eines Puffergases in einer Gaszelle zu verwenden, um so die mittlere
freie Weglänge
der Teilchen des Lambda-Systems herabzusetzen und somit die Verweilzeit
dieser Teilchen in dem räumlichen Überlagerungsgebiet
von Kontroll- und Signal-Lichtstrahl zu vergrößern.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es vorgesehen sein, dass der Kontroll-Lichtstrahl und der erste
Signal-Lichtstrahl generiert werden durch Strahlteilung eines Laser-Lichtstrahls,
insbesondere von einer Laserdiode, wobei wenigstens einer der Teilstrahlen, bevorzugt
der Signal-Lichtstrahl,
einen akustooptischen Modulator oder einen elektrooptischen Modulator
durchläuft,
wobei als erster Signalstrahl sodann ein Strahl einer Beugungsordnung
des verwendeten Modulators verwendet wird.
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Bevorzugterweise
handelt es sich um einen Strahl der ersten Beugungsordnung, der
zur nullten Ordnung und damit gleichzeitig zur Wellenlänge des anderen
Teilstrahls, also des Kontroll-Lichtstrahls, einen Frequenzabstand
aufweist, welcher der Modulationsfrequenz entspricht, mit welcher
der Modulator angesteuert wird, um das Beugungsgitter innerhalb des
Modulators zu erzeugen. Es besteht hier also die Möglichkeit,
durch eine Frequenzabstimmung des Modulators die Wellenlänge der
gewählten
Beugungsordnung, insbesondere der ersten Beugungsordnung und damit
des ersten Signal-Lichtstrahls, relativ zum Kontroll-Lichtstrahl
einzustellen.
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Es
besteht so eine einfache Möglichkeit, durch
Abstimmung der verwendeten Laserlichtquelle, hier besonders bevorzugt
einer Laserdiode, die ausgehende Wellenlänge so einzustellen, dass sie dem Übergang
zwischen einem der Grundzustände und
dem angeregten Zustand der Teilchen des Lambda-Systems entspricht,
wohingegen dann im zweiten Teilstrahl mit Hilfe des genannten Modulators durch
Beugungseffekte ein Signal-Lichtstrahl erzeugt wird, der um die
Frequenz des Modulators relativ zum Kontroll-Lichtstrahl verschoben
ist. Es kann so durch Abstimmung der Modulator-Frequenz zum einen
der Signal-Lichtstrahl eingestellt werden, um die Absorption vom
zweiten Grundzustand in denselben angeregten Zustand zu erreichen
und gleichzeitig durch Wahl der Differenz zwischen den beiden Wellenlängen die
geforderte Bedingung einer Dunkelresonanz bei dem betrachteten Lambda-System
zu erfüllen.
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Alternativ
können
auch durch Modulation des Lasers, z. B. Diodenlasers Seitenbänder im
Frequenzraum aufgeprägt
werden. In dieser Form würde der
Träger
als Kontroll-Lichtstrahl und das erste Seitenband als Signal-Lichtstrahl dienen.
Durch Veränderung
der Modulation kann hier die Abstimmung der beiden Strahlen zueinander
erfolgen.
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Grundsätzlich ist
festzuhalten, dass eine Dunkelresonanz, wie sie in konkreten Lambda-Systemen,
wie beispielsweise Rubidium und Caesium auftritt, nicht unendlich
schmalbandig ist, sondern eine natürliche Breite aufweist, so
dass für
die beiden in das Lambda-System eingestrahlten Lichtwellen keine
besondere Exaktheit an die Einstellung der Wellenlänge und
Wellenlängendifferenz
gefordert ist, solange lediglich sich die Differenz zwischen den
beiden betrachteten Wellen innerhalb der Linienbreite der Dunkelresonanz
befindet, um so in den Teilchen des betrachteten Lambda-Systems
den kohärenten Dunkelzustand
zu erzeugen.
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Es
wird demnach für
die Erfindung als besonders vorteilhaft empfunden, dass keine besondere
Genauigkeit an die Abstimmung der Eingangslaserstrahlen zu stellen
ist, solange lediglich die Dunkelresonanz innerhalb von deren Linienbreite
erfüllt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass unabhängig von den eingestrahlten
Laserstrahlen das Laserlicht bzw. die Lichtwellen, die das System
verlassen, eine feste natürliche
Kopplung aufweisen, die durch das verwendete Lambda-System selbst
gegeben ist.
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Es
besteht die Möglichkeit,
das hier beschriebene Verfahren in verschiedene Richtungen weiter
zu bilden bzw. anzuwenden.
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So
besteht einerseits die Möglichkeit,
die das Lambda-System verlassenden Lichtwellen, insbesondere Laserstrahlen,
von denen der zweite Signal-Lichtstrahl vom System selbst erzeugt
ist, für
weitere Aufgaben zu verwenden, wie beispielsweise messtechnische
Aufgaben, bei welchen beide Lichtstrahlen oder zumindest der Signal-Lichtstrahl
zum Einsatz kommt.
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Darüber hinaus
besteht in anderen Anwendungen die Möglichkeit, die Frequenzdifferenz
zwischen Kontroll-Lichtstrahl und Signal-Lichtstrahl zu ermitteln
und so messtechnische Aufgaben vorzunehmen unter Einbezug des Lambda- Systems. Insbesondere
kann in einer möglichen
Anwendung die exakte Energiedifferenz zwischen den beteiligten Grundzuständen des
betrachteten Lambda-Systems vermessen werden.
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Dabei
besteht insbesondere auch die Möglichkeit,
Energiedifferenzen zu vermessen mit diesem Verfahren, wenn sich
die Energieniveaus der Grundzustände
des betrachteten Lambda-Systems durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise Magnetfelder, ändern.
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Unter
Berücksichtigung
unverschobener Grundzustände
kann beispielsweise die Frequenzdifferenz zwischen den Grundzuständen verwendet werden,
um als ein Zeitmaß für Uhren,
sogenannte Atomuhren, zu dienen. Insbesondere die Energiedifferenz
der Caesiumatome in den beiden Grundzuständen ist als Zeitmaß für Atomuhren
standardmäßig verwendet
und kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders
hoher Genauigkeit festgestellt werden.
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Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
das betrachtete Lambda-System äußeren Magnetfeldern auszusetzen,
d. h. Magnetfeldern, die zusätzlich
zum Erdmagnetfeld wirken oder aber auch das Erdmagnetfeld selbst
auszumessen unter Berücksichtigung der
sogenannten Zeemann-Aufspaltung der Grundzustände des Lambda-Systems innerhalb
des betrachteten Magnetfeldes.
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In
einer möglichen
Anwendung, bei welcher eine magnetfeldbedingte Grundzustandsaufspaltung des
betrachteten Lambda-Systems unbeachtet bleiben soll, kann es vorgesehen
sein, den Kontroll-Lichtstrahl und den ersten Signal-Lichtstrahl in jeweils
linearer, insbesondere gleichorientierter Polarisation, räumlich in
den Teilchen des Lambda-Systems zu überlagern, wodurch sich ein
Frequenzabstand zwischen Kontroll- und erzeugtem zweiten Signal-Lichtstrahl
ergibt, der exakt der Energiedifferenz der beteiligten Grundzustände ohne
Berücksichtigung
eines eventuellen Magnetfeldes entspricht. Gerade bei dieser Art
der Durchführung
des Verfahrens besteht die Möglichkeit,
eine ermittelte Frequenzdifferenz zwischen Signal- und Kontroll-Lichtstrahl
als Zeitmaß für Uhren
zu verwenden.
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In
einer anderen Anwendung, bei welcher Kontroll-Lichtstrahl und erster
Signal-Lichtstrahl
in entgegengesetzt zirkularen Polarisationen die Teilchen eines
Lambda-Systems durchlaufen, wird durch die Zirkularität der Polarisationen
bewirkt, dass aufgrund eines Magnetfeldes Zeemann-aufgespaltete Grundzustandsniveaus
durch Wahl der Wellenlängen
und Wellenlängendifferenz
zwischen Kontroll-Lichtstrahl und Signal-Lichtstrahl ausgewählt und
in Dunkelresonanz ein kohärenter
Dunkelzustand unter Einschluss dieser ausgewählten Grundzustände erzeugt
werden kann, so dass sich nach Ermittlung der Frequenzdifferenz
zwischen Kontroll-Lichtstrahl und erzeugtem zweiten Signal-Lichtstrahl
eine Information über
die Stärke
des wirkenden Magnetfeldes ermitteln lässt unter Zugrundelegung der
Kenntnis der Grundzustandsaufspaltung in Abhängigkeit des Magnetfeldes.
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Um
hier eine entgegengesetzte zirkulare Polarisation der beiden beteiligten
einfallenden Lichtstrahlen zu erzeugen, besteht z. B. die Möglichkeit, diese
Lichtstrahlen aus einem ursprünglichen
Laser-Lichtstrahl einer Laserdiode mittels eines polarisierend wirkenden
Strahlteilerwürfels
abzuspalten, wodurch sich zwei Teillichtstrahlen mit senkrecht zueinander
stehender Polarisation ergibt, woraufhin die beiden überlagerten
Strahlen im weiteren Strahlverlauf noch vor den Teilchen des Lambda-Systems
eine Lambda-Viertelplatte durchlaufen und so bei korrekter Einstellung
dieser Lambda-Viertelplatte entgegengesetzte zirkulare Polarisationen
dieser Strahlen erzielt werden.
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Es
besteht darüber
hinaus bei einer solchen Anordnung auch die Möglichkeit der späteren räumlichen
Trennung von Signal- und Kontroll-Lichtstrahl durch eine erneute
Anordnung von Lambda-Viertelplatte und polarisierend wirkendem Strahlteiler.
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Um
die Frequenzdifferenz zwischen Kontroll-Lichtstrahl und erzeugtem
zweiten Signal-Lichtstrahl ermitteln zu können, kann es in einer bevorzugten
Ausführung
des Verfahrens vorgesehen sein, dass der Kontroll-Lichtstrahl und
der zweite Signal-Lichtstrahl auf einem Intensitätsdetektor überlagert werden.
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Es
wird so mit dem Intensitätsdetektor
ein elektrisches Signal erzeugt, welchem ein Sinussignal mit der
Frequenzdifferenz von Kontroll- und Signal-Lichtstrahl überlagert
ist. Durch weitere messtechnische Maßnahmen, wie beispielsweise
Fouriertransformation, Frequenzzähler
etc. besteht so die Möglichkeit,
messtechnisch eine genaue Information darüber zu erhalten, wie groß exakt
die Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Strahlen ist, indem nämlich die
Frequenz der überlagerten
Sinusschwingung vermessen wird. Diese Information kann sodann weiter
verwendet werden, beispielsweise wie eingangs genannt als Uhrenzeitmaß oder aber
auch als ein Messwert in Abhängigkeit
eines wirkenden Magnetfeldes, sofern die Messung, wie zuvor beschrieben,
an Zeemannaufgespalteten Grundzustandsniveaus durchgeführt wurde.
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In
einer anderen Anwendung kann es auch vorgesehen sein, dass das Verfahren
eingesetzt wird zur Energiekonversion zwischen wenigstens zwei ersten
Signal-Lichtwellen
unterschiedlicher Wellenlänge,
die jeweils mit einem Kontroll-Lichtstrahl
eine Dunkelresonanz und ein Lambda-System ausbilden. Es besteht
hier also die Möglichkeit,
nicht nur einen Signal-Lichtstrahl, wie eingangs beschrieben zu
verwenden, sondern mehrere.
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Unter
mehreren Signal-Lichtstrahlen wird auch verstanden, wenn diese von
ein- und derselben Lichtquelle
stammen, diese jedoch hinsichtlich der longitudinalen Moden nicht
stabilisiert ist, demnach also keine Frequenz- bzw. Wellenlängenstabilität dieser
Lichtwelle gegeben ist. Eine solche Lichtwelle strahlte demnach
eine Vielzahl von Signal-Lichtwellen im Sinne der Erfindung aus
bzw. eine Signal-Lichtwelle mit hoher Bandbreite in den Fluktuationen.
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Hier
wird erzielt, dass nach einer Beleuchtungspause und Wiedereinschaltung
des Kontroll-Lichtstrahls ein einziger zweiter Signal-Lichtstrahl
erzeugt wird, der wie eingangs beschrieben die in der Frequenz feste
Korrelation zum Kontroll-Lichtstrahl
aufweist und weiterhin aber auch die Energie der ersten Signal-Lichtstrahlen zumindest
teilweise in sich vereint.
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Es
besteht so gerade die Möglichkeit,
insbesondere dann, wenn die Signal-Lichtstrahlen von mehreren Signallichtquellen
stammen, die Energien dieser einzelnen Lichtstrahlen in einem erzeugten zweiten
Signal-Lichtstrahl zu konzentrieren, was ebenso weitere Anwendungsfelder
erschließt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin wie eingangs genannt eine Vorrichtung
zur Durchführung
des eingangs beschriebenen Verfahrens, insbesondere zur Magnetfeldvermessung.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung dadurch
gelöst,
dass eine solche Vorrichtung eine in einem ersten Gehäuse aufgenommene
Lichterzeugungseinheit umfasst mit wenigstens einer Laserlichtquelle,
insbesondere einem Diodenlaser, wobei in dieser Lichterzeugungseinheit
zwei Lichtstrahlen zur Bildung eines Kontroll-Lichtstrahls und eines
ersten Signal-Lichtstrahls erzeugbar
sind und wobei der Kontroll-Lichtstrahl und der erste Signal-Lichtstrahl
in ihrer Wellenlänge und
ihrer relativen Wellendifferenz auf eine Dunkelresonanz von Teilchen
eines gewählten
Lambda-Systems abgestimmt sind oder zumindest abstimmbar sind und
beide Lichtstrahlen gemeinsam und/oder einzeln an- und abschaltbar
sind.
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Hierbei
wird – so
wie auch zuvor – unter
an- und abschaltbar im Sinne der Erfindung verstanden, dass wahlweise
beeinflusst werden kann, ob die Strahlen die Teilchen des Lambda-Systems
durchleuchten bzw. eine Zelle durchleuchten, in welcher die Teilchen
eines betrachteten Lambda-Systems angeordnet sind.
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Es
bedarf hier nicht zwingend der Tatsache, dass die betrachteten Strahlen
nach einer Abschaltung nicht mehr erzeugt werden, sondern lediglich dem
Umstand, dass die Strahlen die Teilchen des Lambda-Systems nicht
erreichen. Dies kann durch physikalische Schaltmechanismen oder
einfaches Abblocken der Strahlen erzielt werden.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung wenigstens eine in einem zweiten Gehäuse aufgenommene
Messzelleneinheit auf, die eine Messzelle umfasst, in welcher die
Teilchen des Lambda-Systems angeordnet sind, z. B. innerhalb eines
Puffergases und die von dem Kontroll-Lichtstrahl und dem ersten Signal-Lichtstrahl in räumlicher Überlagerung
durchleuchtbar ist.
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Dabei
ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass
eine Messzelleneinheit bzw. in bevorzugter Ausführung auch mehrere Messzelleneinheiten
mit einer Lichterzeugungseinheit über Freistrahlkopplung oder
durch wenigstens einen Lichtwellenleiter verbunden ist, mittels
dem der Kontroll-Lichtstrahl und/oder der erste Signal-Lichtstrahl
von der Lichterzeugungseinheit zu einer Messzelleneinheit geleitet ist.
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Es
besteht hierbei die Möglichkeit,
sowohl für den
Kontroll-Lichtstrahl als auch für
den Signal-Lichtstrahl jeweils einen Lichtwellenleiter einzusetzen bzw.
einen gemeinsamen für
beide Strahlen.
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Es
ist weiterhin bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Signalerfassungseinheit
vorgesehen, die einen Intensitätsdetektor
umfasst, auf dem der Kontroll-Lichtstrahl und ein in der Messzelle
erzeugter zweiter Signal-Lichtstrahl überlagert
sind und mit dem ein von der Intensität der überlagerten Strahlen abhängiges elektrisches
Signal erzeugbar ist. Dieses elektrische Signal kann an einer Signalerfassungseinheit
abgegriffen und einer weiteren elektronischen Signalauswertung zugeführt werden,
beispielsweise um die Differenzfrequenz aus der Sinusüberlagerung
des erfassten elektrischen Signals zu bestimmen und so auf die Energiedifferenz
zwischen den Grundzuständen
des betrachteten Lambda-Systems zu schließen.
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Hierbei
kann es, insbesondere dann wenn nur eine einzige Messzelleneinheit
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen ist, weiterhin vorgesehen sein, dass die Signalerfassungseinheit
räumlich
auch im Gehäuse
einer Messzelleneinheit angeordnet ist, wodurch das System besonders kompakt
ist.
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Hierbei
wird dann weiterhin durch die flexible Anordnung über Lichtwellenleiter
zwischen Lichterzeugungseinheit und Messzelleneinheit die Möglichkeit
geschaffen, die Lichterzeugung und den Ort der Vermessung eines
Magnetfeldes beliebig zu wählen und
demnach die Messzelleneinheit an einem gewünschten Ort zu platzieren,
z. B. wenn in bevorzugter Ausführung
ein Magnetfeld ausgemessen werden soll.
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Dabei
kommt es, wie bereits eingangs genannt bei der Beschreibung des
Verfahrens, zu einer Zeemann-Aufspaltung der Grundzustandsniveaus aufgrund
des Wirken des Magnetfeldes, so dass der Betrag der Zeemann-Aufspaltung,
d. h. die Differenz zwischen den Energieniveaus durch die Frequenzdifferenz
zwischen den erhaltenen Strahlen ermessen werden kann.
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Dabei
wird, wie eingangs bei der Beschreibung des Verfahrens genannt,
bevorzugterweise eine Messzelleneinheit mit zirkular polarisiertem Licht
durchleuchtet, wobei das Licht des Signal-Lichtstrahls und Kontroll-Lichtstrahls
entgegengesetzt zirkular polarisiert ist. Diese Polarisierung kann
z. B. bereits in der Lichterzeugungseinheit erzeugt sein.
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In
einer Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung
zur Magnetfeldmessung mehrere Messzelleneinheiten umfasst und jede
der Messzelleneinheiten über
Freistrahlkopplung oder wenigstens einen Lichtwellenleiter mit derselben
in einem Gehäuse
angeordneten Signalerfassungseinheit verbunden ist, wobei über den
wenigstens einen Lichtwellenleiter der Kontroll-Lichtstrahl und/oder
der erzeugte zweite Signal-Lichtstrahl
geleitet ist.
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Auch
hier besteht wiederum die Möglichkeit für Kontroll-
und Signal-Lichtstrahl einen gemeinsamen Lichtwellenleiter oder
aber getrennte Lichtwellenleiter zu verwenden. Wesentlich ist für diese
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Vorrichtung weiterhin, dass mehrere Messzelleneinheiten vorgesehen sind.
Es kann demnach ein wirkendes Magnetfelds an verschiedenen Positionen
messtechnisch quasi gleichzeitig erfasst werden kann. Es erschließen sich dabei
beispielsweise Anwendungen zur Vermessung des Magnetfeldes, welches
vom Herzen eines Menschen erzeugt wird.
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Die
einzelnen Messzelleneinheiten können dabei
beispielsweise am Körper
eines Menschen an verschiedenen Positionen angeordnet werden oder befinden
sich beispielsweise in einer festen räumlichen Konfiguration zueinander,
zu der relativ ein Mensch positioniert wird, so dass durch das zuvor beschriebene
Verfahren insbesondere unter Einsatz der beschriebenen Vorrichtung
eine einfache Möglichkeit
geschaffen wird, Herzuntersuchungen bei Patienten durchzuführen, bei
denen aufgrund der Vermessung des wirkenden Magnetfeldes, gegebenenfalls
auch der zeitlichen Abhängigkeit
des Magnetfeldes, auf Herzkrankheiten geschlossen werden kann.
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Dabei
kann es vorgesehen sein, dass die verschiedenen Messzelleneinheiten
in einer Magnetfeldabschirmung angeordnet sind, um Einflüsse durch
das äußere Magnetfeld
auszuschließen.
Ebenso kann es möglich
sein, Magnetfeldeinwirkungen durch das äußere Magnetfeld rechnerisch
zu kompensieren, da diese Einflüsse
zeitlich konstant sind.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, Messzelleneinheiten
für eine solche
Anwendung z. B. auf oder in einer Mantelfläche einer zylinderförmigen Anordnung
zu positionieren, wobei eine zu untersuchende Position innerhalb einer
solchen Messröhre
bzw. Zylinderanordnung positioniert werden kann und somit das Herz
einer solchen Person von mehreren Messzelleneinheiten umgeben ist.
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Unabhängig, jedoch
in möglicher
Kombination mit dem Vorgenannten kann es vorgesehen sein, dass das
elektrische Signal der Signalerfassungseinheit, von welcher in bevorzugter
Ausführung
nur eine vorgesehen ist (wobei selbstverständlich zu jeder Messzelleneinheit
auch eine separate Signalerfassungseinheit vorhanden sein kann),
dass bei der Ausführung
mit einer einzigen Signalerfassungseinheit für die verschiedenen Messzelleneinheiten
diese Signale im Zeitmultiplexing erfassbar und/oder auswertbar
sind.
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Beispielsweise
kann es vorgesehen sein, dass bei mehreren vorhandenen Messzelleneinheiten
im Lichtweg zwischen der Lichterzeugungseinheit und den Messzelleneinheiten
wenigstens eine schaltbare Lichtweiche angeordnet ist, mittels der
der von der Lichterzeugungseinheit erzeugte Kontroll-Lichtstrahl
und/oder erzeugte erste Signal-Lichtstrahl wahlweise einer der Messzelleneinheiten
zuführbar
ist.
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Es
kann demnach durch die wenigstens eine Lichtweiche, die von außen z. B.
durch eine Datenverarbeitungsanlage oder eine Steuereinheit angesteuert
ist, wahlweise einer der Messzelleneinheiten das Licht zugeführt werden,
um sodann mit ein- und derselben Signalerfassungseinheit das Kontrolllicht und
erzeugte zweite Signallicht auszuwerten und zu speichern. Dies kann
zeitlich nacheinander, d. h. im sogenannten Zeitmultiplexing, für alle Messzelleneinheiten
erfolgen.
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Dabei
besteht grundsätzlich
die Möglichkeit, mit
einer Lichtweiche beispielsweise lediglich den Kontroll-Lichtstrahl
mit der Lichtweiche zu schalten, so dass die Erzeugung kohärenter Dunkelzustände in allen
Messzelleneinheiten zum Einleiten einer Messphase gleichzeitig erfolgt,
jedoch sodann zeitlich nacheinander der Kontroll-Lichtstrahl auf
die einzelnen Messzelleneinheiten aufgeschaltet wird, um ebenso
zeitlich nacheinander die zweiten erzeugten Signal-Lichtstrahlen
zu erhalten und zeitlich nacheinander der Signalerfassungseinheit
zuzuleiten. Der erste Signal-Lichtstrahl kann z. B. zentral geschaltet sein,
beispielsweise in der Lichterzeugungseinheit. Dieser erste Signal-Lichtstrahl
kann dann nach der Beleuchtungspause ausgeschaltet belieben, lediglich der
Kontroill-Lichtstrahl wird nacheinander durch die Messzellen geleitet.
In Abhängigkeit
einer Ansteuerung der Lichtweiche kann sodann das elektrische Signal
der Signalerfassungseinheit mittels einer Datenverarbeitungsanlage
erfasst, gespeichert und gegebenenfalls ausgewertet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Energieschema eines Lambda-Systems, hier am Beispiel des Caesiumsatoms
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2 die Änderung
des Absorptionskoeffizienten in der Umgebung einer Dunkelresonanz
des betrachteten Lambda-Systems
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3 eine
Messanordnung zur Vermessung äußerer Magnetfelder
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4 eine
Messanordnung zur Vermessung des energetischen Abstandes von Grundzustandsniveaus
unter Ausschaltung von Magnetfeldaufspaltungen
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5 eine
Anordnung zur Energiekonversion
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6 eine
Vorrichtung in schematischer Darstellung zur Erfassung von Magnetfeldern
an verschiedenen Orten
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Die 1 zeigt
das Termschema eines typischen Dreiniveausystems, hier als Beispiel
anhand des Caesiumsatoms mit zwei Grundzuständen, die eine energetische
Differenz von ca. 9,2 Gigahertz aufweisen. Das Caesiumatom weist
weiterhin einen angeregten Zustand auf, so dass die Möglichkeit
besteht, mit einem Kontrollstrahl 3 und einem Signal-Lichtstrahl 4 eine
Dunkelresonanz zu erzeugen, bei welcher die Caesiumatome für den Fall
der gleichzeitigen Einstrahlung beider Lichtwellen keine Absorption
zeigen.
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Dies
ist als Beispiel in Form einer Messkurve in der 2 dargestellt,
bei welcher über
die Frequenzverschiebung der beiden Strahlen zueinander der Absorptionskoeffizient
von Caesium dargestellt ist. Erkennbar ist hier, dass in dem Fall,
wenn die Frequenzdifferenz zwischen Kontroll- und Signal-Lichtstrahl
exakt dem energetischen Abstand der Grundzustände entspricht, keine Absorption
im Caesium bei gleichzeitiger Beleuchtung mit beiden Strahlen festzustellen
ist. Es tritt ein resonanter Dunkelzustand auf, der aufgrund der
Tatsache, dass er für
alle beteiligten Caesiumatome während
der Beleuchtung gilt, auch als kohärenter Dunkelzustand bezeichnet wird.
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Im
Rahmen der Erfindung wird mit dem beschriebenen Verfahren ein solcher
kohärenter
Dunkelzustand für
sämtliche
Teilchen des betrachteten Lambda-Systems,
hier beispielsweise des Caesiumsatoms oder auch andere Alkaliatome,
wie dem Rubidiumatom, erzeugt.
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Durch
Abschalten und Wiedereinschalten nach einer Beleuchtungspause des
Kontroll-Lichtstrahls 3 wird dann bewirkt, dass aus dem
kohärenten
bestehen gebliebenen Zuständen
der betrachteten Teilchen des Lambda-Systems ein Signal-Lichtstrahl 11 erzeugt
wird, der zum Kontroll-Lichtstrahl exakt eine Frequenzdifferenz
aufweist, die der Grundzustandsdifferenz der beteiligten Grundzustände entspricht.
Beim Caesiumatom also eine Energiedifferenz von 9,192 Gigahertz.
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Die 3 zeigt
in schematischer Übersicht eine
mögliche
Vorrichtung. Diese Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle 1,
wie beispielsweise eine Laserdiode, mit deren Ausgangsstrahl ein
polarisierend wirkender Strahlteilerwürfel 2 beleuchtet
wird, der den Strahl aufspaltet in einen Kontroll-Lichtstrahl 3 einer
ersten linearen Polarisation, nämlich
hier einer Polarisation in der Papierebene und einem ersten Signal-Lichtstrahl 4 mit
einer zweiten, dazu senkrechten Polarisation, nämlich hier senkrecht zur Papierebene.
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Hier
durchläuft
der erste Signal-Lichtstrahl 4 einen akustooptischen Modulator 5,
der mit einer Radiofrequenz angesteuert ist, um ein Beugungsgitter zu
erzeugen, wodurch Beugungsordnungen des Lichtstrahls 4 erzeugt
werden. In bevorzugter Ausführung
wird die erste Beugungsordnung gewählt und mittels eines Spiegels 6 und
eines polarisierend wirkenden folgenden Strahlteilerwürfels 7 räumlich dem
Kontroll-Lichtstrahl 3 überlagert.
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Beide
Strahlen 3/4 durchlaufen eine Lambdaviertelplatte 8,
um die beiden senkrechten Polarisationen in entgegengesetzte zirkulare
Polarisationen zu ändern.
Beide Strahlen 3 und 4 durchleuchten eine Zelle 9,
die mit Teilchen eines gewünschten Lambda-Systems,
beispielsweise Caesium- oder Rubidiumatomen mit einem Puffergas
gefüllt
ist. Die Zelle 9 befindet sich in einem Magnetfeld, beispielsweise
dem Erdmagnetfeld oder, sofern dieses abgeschirmt ist, entweder
physikalisch oder durch rechnerische Kompensation, in einem externen
auszumessenden Feld, wodurch die Grundzustände des beteiligten Lambda-Systems eine Zeemannaufspaltung aufweisen,
die aufgrund der zirkularen Polarisation der beiden beteiligten
Lichtwellen gezielt ausgewählt werden
können,
um das Lambda-System unter Einbezug des angeregten Zustandes zu
bilden.
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Bei
entsprechender Abstimmung sowohl der Zentralfrequenz mit einer Abstimmung
der Laserdiode 1 sowie auch der ersten Beugungsordnung
mit dem akustooptischen Modulator 5, um den Frequenzabstand
von Kontroll- und Signallicht zu erzielen, kann ein dunkelresonanter
Zustand bei allen beteiligten Teilchen des Lambda-Systems in der
Zelle 9 erzielt werden.
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Es
ist sodann vorgesehen, sowohl Kontroll-Lichtstrahl 3 als
auch ersten Signal-Lichtstrahl 4 auszuschalten,
beispielsweise durch Ausschalten der Laserdiode, wobei ebenso der
akustooptische Modulator 5 ausgeschaltet wird. Nach einer
Beleuchtungspause, nach welcher die Leuchtdiode wieder eingeschaltet
wird, findet lediglich der Kontroll-Lichtstrahl seinen Weg in die
Zelle, da aufgrund mangelnder Ansteuerung des akustooptischen Modulators keine
erste Beugungsordnung entsteht und somit kein Signallicht in die
Zelle 9 trifft.
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Innerhalb
der Zelle 9 wird aufgrund der gespeicherten kohärenten Dunkelzustände jedoch
bei Beleuchtung mit dem Kontrolllicht 3 eine Signallichtwelle 11 erzeugt,
die dem Kontrolllicht räumlich überlagert
ist, wobei es hier vorgesehen ist, mit einem Intensitätsdetektor 10,
beispielsweise einer Photodiode, die Intensität der überlagerten Strahlen zu erfassen.
Es ergibt sich dabei ein elektrisches Signal, welchem eine Sinusmodulation überlagert
ist, die exakt dem Frequenzabstand der beiden ausgewählten betrachteten
Grundzustände
entspricht. Da dieser Frequenzabstand wiederum abhängig ist
von der Zeemannaufspaltung und somit von der Stärke des Magnetfeldes, besteht
demnach die Möglichkeit,
aus der gemessenen Frequenz unter Rückrechnung mit Berücksichtigung
des Zeemanneffektes auf die wirkende Magnetfeldstärke am Ort
der Messzelle zu schließen.
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Die 4 zeigt
demgegenüber
eine leicht abgewandelte Anordnung, bei welcher die polarisierend
wirkenden Strahlteilerwürfel 2 und 7 durch
lediglich einfache, nicht polarisierend wirkende Strahlteiler ersetzt
sind und ebenso die Lambdaviertelplatte 8 entfallen ist.
Dies bedeutet bei ansonsten gleicher Ausgestaltung und auch verfahrensmäßiger Durchführung, dass
in der Messzelle 9 keine Grundzustände selektiv ausgewählt werden
können,
die aufgrund einer Zeemannaufspaltung entgegengesetzt verschoben
sind. Es kann daher in dieser Messanordnung eine Ausmessung des
Grundzustandsniveaus bzw. von deren Energiedifferenz unabhängig von äußeren Magnetfeldern
erreicht werden. Ansonsten ist die Anordnung der Vorrichtung identisch
mit der der 3, d. h. es wird wiederum aus
dem überlagerten Intensitätssignal
beider Strahlen auf die Frequenzdifferenz geschlossen.
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Bei
den Vorrichtungen, insbesondere denen der 3 und 4 kann
es zur Vereinfachung des Schaltens sowie der besseren Kontrolle
kleiner Differenzfrequenzen weiterhin auch vorteilhaft sein, wenn sowohl
der Signal-Lichtstrahl
als auch der Kontroll-Lichtstrahl in deren jeweiligen Strahlengang
je einen Modulator (akustisch oder elektrisch) durchlaufen. In den
Figuren ist diese Variante gestrichelt dargestellt.
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Die 5 zeigt
eine Ausführungsform
mit mehreren Laserlichtquellen, von denen die Laserlichtquelle 1 einen
Kontroll-Lichtstrahl 3 bildet und die Laserlichtquelle 1' einen Signallaserstrahl.
Hier kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der hier dargestellten
Signallaserlichtquelle 1' gegebenenfalls noch
weitere Signallaserlichtquellen 1'' realisiert sind.
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Durch
die Spiegel- bzw. Strahlteiler 2 werden die ersten Signallaserstrahlen 4' bzw. gegebenenfalls 4'' räumlich mit dem Kontroll-Laserlichtstrahl 3 überlagert
und in eine Zelle 9 geleitet, welche die Teilchen eines
Lambda-Systems, gegebenenfalls zusammen mit einem Puffergas, umfasst.
Hier werden die Wellenlängen
der verwendeten Laserstrahlen sowie die jeweiligen Wellenlängendifferenzen
der einzelnen Signal-Lichtstrahlen relativ zu dem gemeinsamen Kontroll-Lichtstrahl 3 derart
eingestellt, dass eine Dunkelresonanzbedingung bezüglich des
ausgewählten Lambda-Systems
erfüllt
ist.
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Nach
einem Abschalten aller Laserstrahlen und einem Wiederanschalten
des Kontroll-Lichtstrahls 3 nach einer Beleuchtungspause
wird aus den zeitlich stabilen kohärenten Dunkelzuständen des Lambda-Systems
heraus ein neuer zweiter Signal-Lichtstrahl 11 generiert,
der weiterhin räumlich dem
Kontroll-Lichtstrahl 3 überlagert
ist, nun aber, wie bereits eingangs geschrieben, in seiner Wellenlänge fest
zum Kontroll-Lichtstrahl korreliert ist mit einer festen Wellenlängen- bzw.
Frequenzdifferenz, die sich durch die Energiedifferenz der im Lambda-System
beteiligten Grundzustände
ergibt. Diese Versuchsanordnung ergibt eine Möglichkeit, die Energie von
verschiedenen ersten Signallaserlichtstrahlen in einen erzeugten
zweiten Signallaser-Lichtstrahl 11 zumindest teilweise
zu kombinieren.
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Dabei
spielt die relative Wellenlängenlage der
einzelnen ersten Signal-Laserlichtstrahlen
keine bzw. nur eine untergeordnete Rolle, lediglich die Dunkelresonanzbedingung
muss zusammen mit dem Kontroll-Lichtstrahl realisiert sein.
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Durch
einen polarisierenden Strahlteilerwürfel kann der erzeugte zweite
Signal-Lichtstrahl 11 von dem
Kontroll-Laserlichtstrahl 3 separiert werden, unter der
Voraussetzung, dass vor der Zelle 9 eine räumliche Überlagerung
der einzelnen Signal-Laserlichtstrahlen mit dem Kontroll-Laserlichtstrahl
unter verschiedenen, insbesondere senkrechten Polarisation zueinander
stattgefunden hat. Dies kann auch bei den anderen Anordnungen realisiert
sein.
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Die 6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Magnetfeldmessvorrichtung zur Vermessung eines Magnetfeldes
an mehreren Orten in schematischer Darstellung.
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Erkennbar
ist hier, dass die Vorrichtung zur Vermessung von Magnetfeldern
eine Lichterzeugungseinheit 20 aufweist, die z. B. als
Laserdiode ausgebildet sein kann. Hier kann es vorgesehen sein, dass
mit dieser Lichterzeugungseinheit zwei Teillichtstrahlen erzeugbar
sind, die den Kontroll-Lichtstrahl und einen ersten Signal-Lichtstrahl
bilden, wobei diese so abgestimmt sind, dass sie eine Dunkelresonanzbedingung
für das
gewählte
Lambda-System erfüllen.
Beide Lichtstrahlen können
hier in bevorzugter Ausführung
in entgegengesetzter Richtung zirkular polarisiert sein und durch
eine polarisationserhaltende Lichtleitfaser 21 einer Lichtweiche 22 zugeführt sein,
die von außen
z. B. durch eine Steuereinheit 23, wie beispielsweise einer
Datenverarbeitungsanlage, angesteuert werden kann, um in Abhängigkeit
von dieser Ansteuerung die beiden Lichtstrahlen bzw. zumindest den
Kontroll-Lichtstrahl wahlweise auf eine von mehreren Messzelleneinheiten 9a bis 9e weiterzuleiten.
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Von
diesen Messzelleneinheiten sind im vorliegenden Beispiel nur fünf dargestellt,
wobei jedoch die Anzahl grundsätzlich
keine Beschränkung
aufweist. Jede der Messzelleneinheiten umfasst eine Messzelle mit
Teilchen, z. B. Atomen, Molekülen
oder Ionen eines gewählten
Lambda-Systems, die einem Magnetfeld am Ort einer gewünschten
Messstelle ausgesetzt sind. Aufgrund der optischen Verbindung zwischen
Lichtweiche und den einzelnen Messzellen durch Lichtleiter, insbesondere
polarisationserhaltende Faseroptiken 24 ergibt sich die
Möglichkeit,
die einzelnen Messzellen 9a bis 9e an beliebigen
gewünschten
Orten zu platzieren.
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Wie
zum Verfahren eingangs beschrieben, werden die Messzellen bzw. die
darin angeordneten Teilchen eines Lambda-Systems mit Kontroll- und erstem
Signallicht, je nach wahlweiser Schaltung der Lichtweiche 2 beaufschlagt,
um kohärente
Dunkelzustände
der Teilchen des Lambda-Systems in den Messzellen zu erzielen. Dabei
kann es gegebenenfalls vorgesehen sein, dass alle Messzellen gleichzeitig
angesteuert sind, also zeitgleich die kohärenten Dunkelzustände in allen
angeschlossenen Messzellen 9a eingestellt werden. Ebenso
besteht hier die Möglichkeit,
dies durch Ansteuerung der Lichtweiche 22 zeitlich aufeinanderfolgend
stattfinden zu lassen.
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Nach
einer Beleuchtungspause für
alle Messzellen bzw. bei der anderen Ausführung zumindest für die zuvor
angesteuerte Messzelle wird durch Ansteuerung der Lichtweiche 22 der
Kontroll-Lichtstrahl in eine der Messzellen 9a bis 9e geleitet,
um hierdurch einen zweiten Signal-Lichtstrahl zu erzeugen, der wiederum
von der jeweils betrachteten Messzelle 9a bis 9e durch
einen Lichtwellenleiter 25 zu einer gemeinsamen Signalerfassungseinheit 26 geleitet
wird.
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Diese
Signalerfassungseinheit kann beispielsweise einen Intensitätsdetektor
umfassen, auf dem sich das Kontrolllicht sowie das erzeugte zweite Signallicht überlagern
und ein elektrisches Signal erzeugen, welches ebenso durch die Datenverarbeitungsanlage 23,
die auf den Lichtwellenleiter 22 ansteuert oder durch eine
separate Messwerterfassungsvorrichtung erfasst und ausgewertet werden können. Es
besteht hier durch Ansteuerung der Lichtweiche 22 die Möglichkeit,
die einzelnen Messzellen zeitlich nacheinander, d. h. im Zeitmultiplexing,
mit Kontrolllicht zu beaufschlagen und demnach Signallicht zu erzeugen,
so dass ebenso zeitlich nacheinander auch das elektrische Signal
von der Signalerfassungseinheit 26 abgefragt werden kann.
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Es
kann bei dieser Ausführungsform
ebenso vorgesehen sein, für
Kontroll-Lichtstrahlen
und Signal-Lichtstrahlen getrennte Lichtwellenleiter zu verwenden
statt, wie in dieser Darstellung, jeweils gemeinsame Lichtwellenleiter.
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Mit
einer hier dargestellten Anordnung besteht beispielsweise die Möglichkeit,
die Zeemannaufspaltung von Grundzustandsniveaus des betrachteten
Lambda-Systems an
verschiedenen Orten zu messen, nämlich
dadurch, dass die verschiedenen Messzellen 9a bis 9e oder
auch weitere, an verschiedenen Messpositionen platziert werden.
Es besteht hier beispielsweise die Möglichkeit, das Magnetfeld zu
erfassen, welches vom Herzen eines Menschen oder auch sonstigen
Lebewesens erzeugt wird.
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Dafür können beispielsweise
die einzelnen Messzelleneinheiten 9a bis 9e an
grundsätzlich
beliebigen Positionen am Körper
einer zu untersuchenden Person positioniert werden, es kann jedoch
auch ebenso vorgesehen sein, diese Messzellen in einer bestimmten
festgelegten räumlichen
Konfiguration zueinander anzuordnen und die Gesamtanordnung relativ
zu der zu untersuchenden Person zu positionieren. Beispielsweise
können
die Messzellen auf einem Gürtel
aufgereiht sein und an der Brust einer zu untersuchenden Person
befestigt werden.
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Aufgrund
der Tatsache, dass an den einzelnen Positionen der verschiedenen
Messzelleneinheiten 9a bis 9e unterschiedliche
Magnetfelder wirken, ergeben sich dementsprechend auch verschieden starke
Zeemann-Aufspaltungen der Grundzustände, die wiederum durch das
eingangs beschriebene Verfahren detektiert werden können. So
ergibt das Messsignal insbesondere eine dem Intensitätssignal überlagerte
Sinusschwingung ein Maß für den energetischen Frequenzabstand
der betrachteten Niveaus, der in dem vorliegenden Fall für die einzelnen Messzellen
unterschiedlich sein kann.
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Es
besteht so die Möglichkeit,
ortsaufgelöste Messungen
vorzunehmen. Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit,
eine Triggerung der Durchführung
des Verfahrens, also beispielsweise der Abschaltung, Einhaltung
einer Beleuchtungspause und Wiederanschaltung des Kontroll-Lichtstrahls
in Abhängigkeit
von einem Herzschlag einer zu untersuchenden Person durchzuführen. Es
besteht so ebenfalls dann die Möglichkeit,
durch Verschiebung der Triggerzeitpunkte relativ zum festgestellten
Herzschlag zeitaufgelöst
die Magnetfelder zu vermessen, die durch das Herz erzeugt werden.
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Die
zuvor genannten Verfahrensaspekte gelten dabei nicht nur für die hier
konkret dargestellte Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der 6,
sondern grundsätzlich
auch allgemein bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie
es eingangs beschrieben wurde.