DE102018000118B4 - Quantum chaotic magnetic field sensor and method for measuring a magnetic field - Google Patents
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Abstract
Magnetfeldsensor (100) zur Messung eines Magnetfelds (B), umfassend:eine Messzelle (1), welche einen Atomdampf (2) umfasst, wobei der Atomdampf (2) ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist;eine optische Manipulations-Einrichtung, welche ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand (AZ) zu polarisieren und während eines Messvorgangs des Magnetfelds (B) durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls (KP) einen Zustand des Spin-Systems zu ändern,wobei der mindestens eine optische Kickpuls (KP) eine chaotische Dynamik des Spin-Systems erzeugt; undeine Sensoreinrichtung, umfassend:- eine optische Sonde (4), welche ausgelegt ist, einen optischen Teststrahl (TS) durch den Atomdampf (2) zu emittieren, und- einen optischen Detektor (3), welcher ausgelegt ist, eine Transmission des optischen Teststrahls (TS) durch den Atomdampf (2) zu messen.Magnetic field sensor (100) for measuring a magnetic field (B), comprising: a measuring cell (1) which comprises an atomic vapor (2), the atomic vapor (2) having a spin system of spins of individual atoms; an optical manipulation device, which is designed to polarize the spin system in an initial state (AZ) by emitting light and to change a state of the spin system during a measurement process of the magnetic field (B) by emitting at least one optical kick pulse (KP), the at least one optical kick pulse (KP) generates a chaotic dynamic of the spin system; anda sensor device comprising: - an optical probe (4) which is designed to emit an optical test beam (TS) through the atomic vapor (2), and - an optical detector (3) which is designed to transmit the optical test beam (TS) to be measured by the atomic vapor (2).
Description
Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldes.The invention relates to a magnetic field sensor and a method for measuring a magnetic field.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik, insbesondere auf dem Gebiet der quantenmechanischen Messtechnik und der Messtechnik für die Messung magnetischer Felder.The invention is in the field of measurement technology, in particular in the field of quantum mechanical measurement technology and measurement technology for measuring magnetic fields.
Einige der genausten Magnetometer basieren auf der Technik optischer Atomdampf-Magnetometer. Diese Magnetometer umfassen typischerweise einen Dampf von Alkali-Atomen (Rubidium Rb, Cäsium Cs oder Kalium K) in einem Behältnis, zum Beispiel einem Glaskolben. Alkali-Atome haben einen von Null verschiedenen Kernspin I und ein einzelnes Elektron in ihrer Valenzschale. Ihr Grundzustand spaltet sich insbesondere in Hyperfeinstruktur-Niveaus auf, die sich durch einen Gesamtdrehimpuls (Spin) von j = I ± 1/2 auszeichnen. Mit Hilfe eines angelegten Laserstrahls können die Atome in einen gewünschten Zustand gebracht werden. Insbesondere bedeutet dies, dass durch optisches Pumpen der Atomdampf in dem Behältnis polarisiert wird und dadurch ein orientiertes magnetisches Moment aufweist. Ein anliegendes bzw. ein zu messendes Magnetfeld bewirkt eine Präzession des magnetischen Moments des Atomdampfes. Nach einer gewissen Messzeit, in der sich das magnetische Moment im Magnetfeld B dreht bzw. präzediert, wird die Orientierung des magnetischen Moments ausgelesen. Dazu misst man die Transmission (Intensität oder Polarisation) eines Teststrahls durch den Atomdampf. Hierdurch können Informationen über die aktuelle Ausrichtung des Magnetfeldes gewonnen werden, wodurch eine Messung des Magnetfeldes möglich ist. Die Genauigkeit der Messung ist, neben dem Schrotrauschen durch das optische Auslesen, durch quantenmechanische Effekte typischerweise wie folgt beschränkt (Standardabweichung) [siehe
Hierbei gilt:
- µB
- Bohrsche Magneton
- g
- Lande-Faktor
- ℏ
- Planck'sches Wirkungsquantum
- TMess
- Messzeit
- N
- Anzahl der Atome des Atomdampfes
- M
- Anzahl der Wiederholungen der Messung
- µ B
- Bohr's Magneton
- G
- Landing factor
- ℏ
- Planck's quantum of action
- T meas
- Measurement time
- N
- Number of atoms in atomic vapor
- M.
- Number of repetitions of the measurement
Für die Messung sehr kleiner Magnetfelder (~10-8T ; zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld ist um mehr als drei Größenordnungen größer) ist es außerdem möglich in einem Regime zu messen, in dem die negativen Effekte der Spin-Relaxation unterdrückt sind. Für solche „spin-exchange-relaxation-free“ (SERF) Magnetometer kann eine Genauigkeit von δB = 10-15T/Hz1/2 erreicht werden.For the measurement of very small magnetic fields (~ 10 -8 T; for comparison: the earth's magnetic field is more than three orders of magnitude larger) it is also possible to measure in a regime in which the negative effects of spin relaxation are suppressed. For such “spin-exchange-relaxation-free” (SERF) magnetometers, an accuracy of δB = 10 -15 T / Hz 1/2 can be achieved.
US 2008 / 0 106 261 A1 beschreibt ein hochfrequenzabstimmbares Atommagnetometer zur Detektion der Kernquadrupolresonanz (NQR) aus Festkörpern bei Raumtemperatur, einschließlich des Nachweises stickstoffhaltiger Sprengstoffe, die außerhalb einer Sensoreinheit angeordnet sind. Ein Kalium-Hochfrequenz-Magnetometer mit einer Empfindlichkeit von 0,24 fT / Hz1/2 ist vorgesehen, das bei 423 kHz arbeitet. Magnetfelder niedriger Intensität werden unter Verwendung eines Alkalimetalldampfes gemessen, indem die magnetische Polarisation des Dampfes erhöht wird, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen, dann die magnetische Polarisation des Dampfes untersucht wird, um eine Ausgabe zu erhalten, und Eigenschaften des Magnetfelds niedriger Intensität aus der Ausgabe bestimmt werden.US 2008/0 106 261 A1 describes a high-frequency tunable atomic magnetometer for the detection of nuclear quadrupole resonance (NQR) from solids at room temperature, including the detection of nitrogen-containing explosives which are arranged outside a sensor unit. A high frequency potassium magnetometer with a sensitivity of 0.24 fT / Hz 1/2 is provided, operating at 423 kHz. Low intensity magnetic fields are measured using an alkali metal vapor by increasing the magnetic polarization of the steam to increase its sensitivity, then examining the magnetic polarization of the steam to obtain an output, and determining properties of the low intensity magnetic field from the output become.
US 2005 / 0 206 377 A1 beschreibt ein hochempfindliches Atommagnetometer und Verfahren zum Messen von Magnetfeldern niedriger Intensität bereit, die sich auf die Verwendung eines Alkalimetalldampfes und eines Puffergases beziehen; Erhöhen der magnetischen Polarisation des Alkalimetalldampfes, wodurch die Empfindlichkeit des Alkalimetalldampfes gegenüber einem Magnetfeld geringer Intensität erhöht wird; Untersuchen der magnetischen Polarisation des Alkalimetalldampfes, wobei das Untersuchungsmittel eine Ausgabe von dem Alkalimetalldampf liefert, wobei die Ausgabe Eigenschaften enthält, die sich auf das Magnetfeld geringer Intensität beziehen; und Messmittel, die die Ausgabe empfangen, die Eigenschaften des Magnetfelds niedriger Intensität bestimmen und eine Darstellung des Magnetfelds niedriger Intensität bereitstellen.US 2005/0 206 377 A1 describes a highly sensitive atomic magnetometer and method for measuring magnetic fields of low intensity, which relate to the use of an alkali metal vapor and a buffer gas; Increasing the magnetic polarization of the alkali metal vapor, thereby increasing the sensitivity of the alkali metal vapor to a low intensity magnetic field; Investigate the magnetic polarization of the alkali metal vapor, wherein the assay means provides an output from the alkali metal vapor, the output including properties related to the low intensity magnetic field; and measuring means receiving the output, determining the properties of the low intensity magnetic field, and providing a representation of the low intensity magnetic field.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldes mit verbesserter Messgenauigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.It is therefore the object of the present invention to provide a magnetic field sensor and a method for measuring a magnetic field with improved measuring accuracy. This object is achieved by a magnetic field sensor according to
Ein Aspekt betrifft einen Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfelds. Der Magnetfeldsensor umfasst eine Messzelle, welche einen Atomdampf umfasst, wobei der Atomdampf ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist, und eine optische Manipulations-Einrichtung, welche ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren und während eines Messvorgangs des Magnetfelds durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls einen Zustand des Spin-Systems zu ändern, wobei der mindestens eine optische Kickpuls eine chaotische Dynamik des Spin-Systems erzeugt. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner eine Sensoreinrichtung, welche eine optische Sonde, welche ausgelegt ist, einen optischen Teststrahl durch den Atomdampf zu emittieren, und einen optischen Detektor, welcher ausgelegt ist, eine Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf zu messen, umfasst.One aspect relates to a magnetic field sensor for measuring a magnetic field. The magnetic field sensor comprises a measuring cell which comprises an atomic vapor, wherein the atomic vapor has a spin system of spins of individual atoms, and an optical manipulation device which is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light and during a measuring process of the magnetic field to change a state of the spin system by emission of at least one optical kick pulse, the at least one optical kick pulse generating a chaotic dynamic of the spin system. The magnetic field sensor further comprises a sensor device, which comprises an optical probe, which is designed to emit an optical test beam through the atomic vapor, and an optical detector, which is designed to measure a transmission of the optical test beam through the atomic vapor.
Die Messzelle kann hierbei ausgebildet sein, so dass ein mit dem Magnetfeldsensor zu messendes Magnetfeld im Wesentlichen von der Messzelle unverändert die Messzelle durchdringen kann. Die Messzelle kann ferner derart ausgebildet sein, so dass das von der optischen Manipulations-Einrichtung emittierte Licht und der von der optischen Manipulations-Einrichtung emittierte optische Kickpuls die Messzelle im Wesentlichen verlustfrei durchdringen können bzw. im Wesentlichen nicht von der Messzelle absorbiert werden. Hierzu kann die Messzelle als Glaszelle ausgebildet sein. Die Messzelle ist ferner vorzugsweise versiegelt ausgebildet bzw. derart ausgebildet, so dass Teile des durch die Messzelle umfassten Atomdampfes nicht in eine Umgebung außerhalb der Messzelle entweichen können.The measuring cell can be designed so that a magnetic field to be measured with the magnetic field sensor can penetrate the measuring cell essentially unchanged from the measuring cell. The measuring cell can also be designed in such a way that the light emitted by the optical manipulation device and the optical kick pulse emitted by the optical manipulation device can penetrate the measuring cell essentially without loss or are essentially not absorbed by the measuring cell. For this purpose, the measuring cell can be designed as a glass cell. The measuring cell is also preferably embodied in a sealed manner or embodied in such a way that parts of the atomic vapor contained by the measuring cell cannot escape into an environment outside the measuring cell.
Die Messzelle ist hierbei vorzugsweise nicht auf eine bestimmte Größe bzw. ein bestimmtes Messzellenvolumen beschränkt. Umfasst der Magnetfeldsensors einen Atomdampf mit vorbestimmter Dichte, kann über die Größe der Messzelle bzw. deren Volumen die Anzahl der Atome N eingestellt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Magnetfeldsensors, beispielsweise gemäß Gleichung 1, beeinflusst werden kann. Andererseits ist eine möglichst kleine Messzelle vorteilhaft, da hierdurch eine räumliche Auflösung einer Magnetfeldmessung bzw. des Magnetfeldsensors beeinflusst ist. Somit kann die Größe bzw. das Volumen der Messzelle für eine bestimmte Anwendung des Magnetfeldsensors optimiert werden.The measuring cell is preferably not limited to a specific size or a specific measuring cell volume. If the magnetic field sensor comprises an atomic vapor with a predetermined density, the number of atoms N can be set via the size of the measuring cell or its volume, whereby the measuring accuracy of the magnetic field sensor can be influenced, for example according to
Vorzugsweise kann die Messzelle mit einem variablen Messzellenvolumen ausgebildet sein. Hierbei kann das Volumen vor und/oder während einer Magnetfeldmessung, vorzugsweise in einem vorbestimmten Volumen-Intervall, eingestellt werden. Hierbei kann die Messzelle beispielsweise eine bewegbare Wand, beispielsweise eine Kolbenwand aufweisen, welche relativ zu einem Punkt der Messzelle bewegt werden kann, um ein Volumen der Messzelle zu variieren. Insbesondere kann hierdurch das Volumen der Messzelle vergrößert oder verkleinert werden. Vorzugweise kann hierdurch eine Form des Volumens der Messzelle verändert werden. Vorzugsweise kann das Volumen, dessen Größe und/oder dessen Form, dynamisch durch einen Benutzer des Magnetfeldsensors und/oder durch ein externes Kontrollsystem, beispielsweise basierend auf festgestellten Umwelt- oder Messparametern, eingestellt werden.The measuring cell can preferably be designed with a variable measuring cell volume. Here, the volume can be set before and / or during a magnetic field measurement, preferably in a predetermined volume interval. Here, the measuring cell can, for example, have a movable wall, for example a piston wall, which can be moved relative to a point on the measuring cell in order to vary a volume of the measuring cell. In particular, this allows the volume of the measuring cell to be increased or decreased. In this way, a shape of the volume of the measuring cell can preferably be changed. The volume, its size and / or its shape can preferably be set dynamically by a user of the magnetic field sensor and / or by an external control system, for example based on determined environmental or measurement parameters.
Der Magnetfeldsensor kann ferner vorzugsweise ein Atomdampf-Reservoir umfassen, welches mit der Messzelle verbunden ist, wobei das Atomdampf-Reservoir ausgelegt ist, den Atomdampf zumindest teilweise aufzunehmen. Das Atomdampf-Reservoir ist hierbei vorzugsweise derart mit der Messzelle verbunden, beispielsweise fluidisch verbunden, dass ein Austausch von Atomdampf zwischen der Messzelle und dem Atomdampf-Reservoir ermöglicht ist. Der Magnetfeldsensor kann ferner eine Atomdampf-Austauscheinrichtung, beispielsweise eine Atomdampf-Pumpeinrichtung, umfassen, welche ausgelegt ist, zumindest einen Teil des Atomdampfes von dem Atomdampf-Reservoir in die Messzelle zu bewegen bzw. zu pumpen und/oder zumindest einen Teil des Atomdampfes von der Messzelle in das Atomdampf-Reservoir zu bewegen bzw. zu pumpen. Hierdurch kann insbesondere die Anzahl von Atomen N des Atomdampfes in der Messzelle variiert insbesondere dynamisch variiert werden. Die Anzahl von Atomen N kann hierbei vorzugsweise durch die Atomdampf-Austauscheinrichtung, beispielsweise die Atomdampf- Pumpeinrichtung, dynamisch durch einen Benutzer des Magnetfeldsensors und/oder durch ein externes Kontrollsystem, beispielsweise basierend auf festgestellten Umwelt- oder Messparametern, eingestellt werden.The magnetic field sensor can furthermore preferably comprise an atomic vapor reservoir which is connected to the measuring cell, the atomic vapor reservoir being designed to at least partially absorb the atomic vapor. The atomic vapor reservoir is preferably connected to the measuring cell in this way, for example fluidically connected that an exchange of atomic vapor between the measuring cell and the atomic vapor reservoir is possible. The magnetic field sensor can furthermore comprise an atomic vapor exchange device, for example an atomic vapor pumping device, which is designed to move or pump at least part of the atomic vapor from the atomic vapor reservoir into the measuring cell and / or at least part of the atomic vapor from the To move or pump the measuring cell into the atomic vapor reservoir. As a result, in particular the number of atoms N of the atomic vapor in the measuring cell can be varied, in particular dynamically varied. The number of atoms N can preferably be set dynamically by the atomic vapor exchange device, for example the atomic vapor pumping device, by a user of the magnetic field sensor and / or by an external control system, for example based on established environmental or measurement parameters.
Die Messzelle kann ferner mit einer Heizeinrichtung ausgebildet sein, wobei die Heizeinrichtung ausgelegt ist, den Atomdampf auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Hierzu kann die Heizeinrichtung mindestens ein Heizelement, beispielsweise Heizspulen und/oder Peltier-Elemente und/oder elektromagnetische Heizelemente, umfassen. Hierzu kann die Heizeinrichtung ferner ein mindestens ein Thermometer-Element und mindestens ein Temperaturregelelement umfassen. Das mindestens eine Thermometer-Element ist hierbei ausgelegt, eine Temperatur des Atomdampfes oder eines Objektes, welches auf gekannte Weise thermisch mit dem Atomdampf gekoppelt ist und aus dessen Temperatur die Temperatur des Atomdampfes ermittelt werden kann, zu messen und somit die Temperatur des Atomdampfes zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur des Atomdampfes kann an das mindestens eine Temperaturregelelement übermittelt werden, welches ausgelegt ist, basierend auf der ermittelten Temperatur des Atomdampfes das mindestens eine Heizelement derart anzusteuern, dass die Temperatur des Atomdampfes einem vorgegebenen Wert entspricht.The measuring cell can also be designed with a heating device, the heating device being designed to keep the atomic vapor at a predetermined temperature. For this purpose, the heating device can comprise at least one heating element, for example heating coils and / or Peltier elements and / or electromagnetic heating elements. For this purpose, the heating device can furthermore comprise at least one thermometer element and at least one temperature control element. The at least one thermometer element is designed to measure a temperature of the atomic vapor or of an object which is thermally coupled to the atomic vapor in a known manner and from whose temperature the temperature of the atomic vapor can be determined and thus to determine the temperature of the atomic vapor . The determined temperature of the atomic vapor can be transmitted to the at least one temperature control element, which is designed to control the at least one heating element based on the determined temperature of the atomic vapor such that the temperature of the atomic vapor corresponds to a predetermined value.
Der Atomdampf ist in der Messzelle angeordnet bzw. durch diese umgeben. Der Atomdampf ist insbesondere als Messsonde des Magnetfeldsensors, welche empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist, ausgebildet, wobei insbesondere Spins von Atomen des Atomdampfes die Messsonde bilden. Empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist in diesem Sinne derart zu verstehen, dass eine kleine Variation des Magnetfeldes zu einer, insbesondere messbaren, Änderung einer Dynamik der Spins im Magnetfeld und somit zu einem veränderten Endzustand der Messsonde führt. Eine Empfindlichkeit der Messsonde ist abhängig von der Änderung des Endzustands, wobei je größer die Änderung des Endzustands ist, desto empfindlicher ist die Messsonde bzw. der Magnetfeldsensor. Insbesondere kann die maximal erreichbare Empfindlichkeit durch einen Überlapp des durch die Variation des Magnetfeldes gestörten quantenmechanischen Endzustands und des unversehrten bzw. ungestörten Anfangszustands quantifiziert werden. Insbesondere steht dieser Überlapp über die Quanten-Fisher-Information in direkter Beziehung zu der erreichbaren Messgenauigkeit.The atomic vapor is arranged in the measuring cell or surrounded by it. The atomic vapor is designed in particular as a measuring probe of the magnetic field sensor, which is sensitive to magnetic fields, with spins of atoms in the atomic vapor in particular forming the measuring probe. In this sense, sensitive to magnetic fields is to be understood as meaning that a small variation in the magnetic field leads to an, in particular measurable, change in the dynamics of the spins in the magnetic field and thus to a changed final state of the measuring probe. A sensitivity of the measuring probe depends on the change in the final state, the greater the change in the final state, the more sensitive the measuring probe or the magnetic field sensor. In particular, the maximum achievable sensitivity can be quantified by an overlap between the quantum mechanical end state disturbed by the variation of the magnetic field and the intact or undisturbed initial state. In particular, this overlap is directly related to the achievable measurement accuracy via the quantum Fisher information.
Ein Spin-System von Spins individueller Atome ist hierbei als eine Gruppe aus zwei oder mehr Spins zu verstehen. Insbesondere umfasst das Spin-System die Kernspins des Atomdampfes, wobei der Atomdampf die Messsonde des Magnetfeldsensors bildet.A spin system of spins of individual atoms is to be understood here as a group of two or more spins. In particular, the spin system comprises the nuclear spins of the atomic vapor, the atomic vapor forming the measuring probe of the magnetic field sensor.
Die optische Manipulations-Einrichtung ist ausgelegt, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren. Hierbei ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, mindestens ein optisches Polarisationssignal zu emittieren, wobei das mindestens eine optische Polarisationssignal den Atomdampf durchläuft und die Spins des Spin-Systems polarisiert. Der Anfangszustand des Spin-Systems ist hierbei der Zustand des Spin-Systems, nachdem die Spins des Spin-Systems durch die optische Manipulations-Einrichtung polarisiert wurden. Das mindestens eine Polarisationssignal hat bevorzugt eine Frequenz, so dass das mindestens eine Polarisationssignal resonant zu einem ersten elektronischen Übergang der Atome des Atomdampfes ist. Ein elektronischer Übergang ist im Rahmen dieser Beschreibung als eine Änderung eines Energieniveaus eines Elektrons in einem Atom des Atomdampfes zu verstehen.The optical manipulation device is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light. Here, the optical manipulation device is designed to emit at least one optical polarization signal, the at least one optical polarization signal passing through the atomic vapor and polarizing the spins of the spin system. The initial state of the spin system is the state of the spin system after the spins of the spin system have been polarized by the optical manipulation device. The at least one polarization signal preferably has a frequency so that the at least one polarization signal is resonant to a first electronic transition of the atoms of the atomic vapor. In the context of this description, an electronic transition is to be understood as a change in the energy level of an electron in an atom of atomic vapor.
Hierbei ist eine vollständige Polarisation des Spin-Systems bevorzugt, jedoch nicht zwingend erforderlich. Eine unvollständige Polarisation führt hierbei zu einer effektiven Reduktion in der zum Messsignal beitragenden Spins bzw. Atome, so dass die Anzahl der Atome des Atomdampfes N durch Np zu ersetzen ist, wobei p der Gesamtpolarisationsgrad des Spin-Systems ist. Hierbei kann pi der individuelle Polarisationsgrad eines Spins des Spin-Systems sein, wodurch sich der Gesamtpolarisationsgrad ergibt durch:
Die optische Manipulations-Einrichtung ist ferner ausgelegt, mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren. Der optische Kickpuls ist ausgelegt, durch Elektron-Photon-Wechselwirkung mit dem Spin-System des Atomdampfes zu wechselwirken und somit einen Zustand des Spin-Systems, insbesondere den Anfangszustand des Spin-Systems zu verändern. Bevor die optische Manipulations-Einrichtung den mindestens einen optischen Kickpuls emittiert, kann das Spin-System des Atomdampfes als quantenmechanischer Kreisel beschrieben werden. Dieser ist durch einen Drehimpuls bzw. Spin gegeben, dessen Betrag erhalten bleibt, wobei der quantenmechanische Kreisel insbesondere einen präzedierenden Atom-Spin in einem Magnetfeld beschreiben kann. Durch den mindestens einen optischen Kickpuls wird insbesondere diese reguläre Dynamik der präzedierenden Atom-Spins in einem Magnetfeld gestört. Insbesondere wird bei dem mindestens einen optischen Kickpuls ein Drehimpulszustand bzw. Spin-Zustand je nach Position des Spins in einem Zustandsraum des Spins unterschiedlich stark gedreht. Dies führt zu einer Verzerrung des Zustandes, wodurch die reguläre Dynamik im klassischen Grenzfall chaotisch wird. Ein klassisch chaotisches System ist in dem Rahmen dieser Beschreibung als ein System zu verstehen, dessen zeitliche Entwicklung auf zumindest einem begrenzten Zeitintervall nicht beliebig präzise vorhersagbar ist. Insbesondere werden auch Dynamiken, welche einen gemischt chaotisch-regulären Phasenraum aufweisen, im Rahmen dieser Beschreibung als chaotisch bezeichnet. Somit ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, eine chaotische Dynamik des Spin-Systems zu erzeugen bzw. herzustellen. Der mindestens eine optische Kickpuls weist ferner eine Frequenz derart auf, dass der mindestens eine Kickpuls relativ zu einem elektronischen Übergang der Atome des Atomdampfes verstimmt ist.The optical manipulation device is also designed to emit at least one optical kick pulse. The optical kick pulse is designed to interact with the spin system of the atomic vapor through electron-photon interaction and thus to change a state of the spin system, in particular the initial state of the spin system. Before the optical manipulation device emits the at least one optical kick pulse, the spin system of the atomic vapor can be described as a quantum mechanical top. This is given by an angular momentum or spin, the amount of which is retained, whereby the quantum mechanical gyroscope can in particular describe a precessing atomic spin in a magnetic field. The at least one optical kick pulse in particular disrupts this regular dynamic of the precessing atomic spins in a magnetic field. In particular, in the case of the at least one optical kick pulse, an angular momentum state or spin state is rotated to different degrees depending on the position of the spin in a state space of the spin. This leads to a distortion of the state, which makes the regular dynamics chaotic in the classic limit case. In the context of this description, a classically chaotic system is to be understood as a system whose development over time cannot be predicted with arbitrary precision over at least a limited time interval. In particular, dynamics which have a mixed chaotic-regular phase space are also referred to as chaotic in the context of this description. The optical manipulation device is thus designed to generate or establish a chaotic dynamics of the spin system. The at least one optical kick pulse also has a frequency such that the at least one kick pulse is detuned relative to an electronic transition of the atoms of the atomic vapor.
Hierbei wird die chaotische Dynamik des Spin-Systems insbesondere basierend auf dem AC-Stark-Effekt hergestellt. Hierbei kann insbesondere ein Lichtpuls, beispielsweise ein Polarisationssignal und/oder ein Kickpuls und/oder ein Teststrahl, das Spin-System bzw. den Atomdampf einmalig durchqueren. Der Magnetfeldsensor kann ferner eine Lichtleitungseinrichtung aufweisen, welche mindestens einen Lichtpuls derart leitet, dass der mindestens eine Lichtpuls mindestens zweimal das das Spin-System bzw. den Atomdampf durchquert. Insbesondere kann durch eine mindestens zweimalige Wechselwirkung des Teststrahls mit dem Atomdampf basierend auf dem Faraday Effekt bzw. basierend auf paramagnetischer Faraday-Rotation der Polarisation eines linear polarisierten Teststrahls eine chaotische Dynamik generiert werden. Hierfür kann die Lichtleitungseinrichtung beispielsweise zumindest teilweise Spiegel und/oder Glasfasern und/oder Wellenleiter aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt sein, gequetschtes Licht zu emittieren. Gequetschtes Licht ist in diesem Sinne als elektromagnetische Strahlung zu verstehen, deren quantenmechanische Unschärfe asymmetrisch geändert wurde. Hierbei kann entweder die Unschärfe der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung auf Kosten der Unschärfe der Phase der elektromagnetischen Strahlung oder die Unschärfe der Phase der elektromagnetischen Strahlung auf Kosten der Unschärfe der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung geändert werden. Der gequetschte Zustand des gequetschten Lichts kann hierbei durch Wechselwirkung mit dem Spin-System zumindest teilweise auf das Spin-System übertragen werden, wodurch eine chaotische Dynamik des Spin-Systems hergestellt werden kann. Insbesondere kann die optische Manipulations-Einrichtung alternativ oder zusätzlich derart ausgelegt sein, dass diese auf Basis einer effektiven nicht-linearen Wechselwirkung zwischen einzelnen Spins eine chaotische Dynamik des Spin-Systems herstellt.Here, the chaotic dynamics of the spin system is created based on the AC-Stark effect. In particular, a light pulse, for example a polarization signal and / or a kick pulse and / or a test beam, can traverse the spin system or the atomic vapor once. The magnetic field sensor can furthermore have a light guide device which guides at least one light pulse in such a way that the at least one light pulse traverses the spin system or the atomic vapor at least twice. In particular, a chaotic dynamic can be generated through an interaction of the test beam with the atomic vapor based on the Faraday effect or based on paramagnetic Faraday rotation of the polarization of a linearly polarized test beam at least twice. For this purpose, the light-guiding device can for example at least partially have mirrors and / or glass fibers and / or waveguides. Alternatively or additionally, the optical manipulation device can be designed to emit squeezed light. In this sense, squeezed light is to be understood as electromagnetic radiation whose quantum mechanical fuzziness has been asymmetrically changed. Either the uncertainty of the amplitude of the electromagnetic radiation at the expense of the uncertainty of the phase of the electromagnetic radiation or the uncertainty of the phase of the electromagnetic radiation at the expense of the uncertainty of the amplitude of the electromagnetic radiation can be changed. The squeezed state of the squeezed light can be at least partially transferred to the spin system through interaction with the spin system, whereby a chaotic dynamics of the spin system can be produced. In particular, the optical manipulation device can alternatively or additionally be designed in such a way that it produces a chaotic dynamic of the spin system on the basis of an effective non-linear interaction between individual spins.
Die optische Manipulations-Einrichtung kann ferner ausgelegt sein, so dass eine Emissionsrichtung des mindestens einen Polarisationssignals im Wesentlichen orthogonal zu einer Emissionsrichtung des mindestens einen optischen Kickpulses ist. Insbesondere kann die optische Manipulations-Einrichtung ferner ausgelegt sein, so dass mindestens ein Punkt in der Messzelle durch das mindestens eine optische Polarisationssignal und durch den mindestens einen optischen Kickpuls durchlaufen bzw. erreicht wird.The optical manipulation device can also be designed so that an emission direction of the at least one polarization signal is essentially orthogonal to an emission direction of the at least one optical kick pulse. In particular, the optical manipulation device can also be designed so that at least one point in the measuring cell is passed through or reached by the at least one optical polarization signal and the at least one optical kick pulse.
Insbesondere kann ein Polarisationsvolumen definiert werden, wobei das Polarisationsvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche durch das mindestens eine Polarisationssignal polarisiert werden. Hierbei kann das Polarisationsvolumen insbesondere alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung mit dem mindestens einen Polarisationssignal polarisiert werden, und optional alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Spin-Wechselwirkung bzw. Atom-Atom-Wechselwirkung basierend auf dem mindestens einen Polarisationssignal polarisiert werden.In particular, a polarization volume can be defined, the polarization volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which are polarized by the at least one polarization signal. In this case, the polarization volume can in particular include all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor, which are caused by a spin photon Interaction or electron-photon interaction are polarized with the at least one polarization signal, and optionally include all spins of the spin system or atoms of atomic vapor, which by a spin-spin interaction or atom-atom interaction based on the at least polarized a polarization signal.
Insbesondere kann ein Chaosvolumen definiert werden, wobei das Chaosvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche mit dem mindestens einen optischen Kickpuls durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken. Hierbei kann das Chaosvolumen insbesondere alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche mit dem mindestens einen optischen Kickpuls durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken, und optional alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Spin-Wechselwirkung bzw. Atom-Atom-Wechselwirkung basierend auf dem mindestens einen optischen Kickpuls wechselwirken.In particular, a chaos volume can be defined, the chaos volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which interact with the at least one optical kick pulse through spin-photon interaction or electron-photon interaction. Here, the chaos volume can in particular include all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor, which interact with the at least one optical kick pulse by spin-photon interaction or electron-photon interaction, and optionally all spins of the spin system or Include atoms of the atomic vapor, which interact through a spin-spin interaction or atom-atom interaction based on the at least one optical kick pulse.
Der Magnetfeldsensor ist hierbei vorzugsweise ausgelegt, so dass eine Schnittmenge zwischen dem Polarisationsvolumen und dem Chaosvolumen mindestens ein Element bzw. einen Spin bzw. ein Atom des Atomdampfes umfasst. Eine Anzahl der Elemente der Schnittmenge kann hierbei die Anzahl der Atome N aus Gleichung 1 repräsentieren.The magnetic field sensor is preferably designed so that an intersection between the polarization volume and the chaos volume comprises at least one element or one spin or one atom of atomic vapor. A number of the elements of the intersection can represent the number of atoms N from
Die optische Sonde ist ausgelegt, einen Teststrahl durch die Messzelle bzw. durch den Atomdampf zu emittieren. Hierbei kann die optische Sonde ausgelegt sein, kohärente und/oder monochromatische elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Insbesondere kann die optische Sonde als ein Messlaser ausgelegt sein. Vorzugsweise ist die optische Sonde ferner konfiguriert, den Teststrahl mit einer geringen Intensität zu emittieren. Beispielsweise kann die optische Sonde einen Teststrahl mit einer Intensität von mindestens 0.1 mW/cm2, bevorzugt von mindestens 0.3 mW/cm2, am meisten bevorzugt von mindestens 0.4 mW/cm2 und von maximal 5 mW/cm2, bevorzugt von maximal 1 mW/cm2, am meisten bevorzugt von maximal 0.6 mW/cm2 emittieren. Der optische Teststrahl weist eine Messfrequenz auf, wobei die Messfrequenz in Abhängigkeit einer Resonanz eines elektronischen Übergangs des Atomdampfes bzw. der Messsonde eingestellt ist. Insbesondere ist die Messfrequenz rotverstimmt zu einem elektronischen Übergang des Atomdampfes bzw. der Messsonde.The optical probe is designed to emit a test beam through the measuring cell or through the atomic vapor. Here the optical probe can be designed to emit coherent and / or monochromatic electromagnetic radiation. In particular, the optical probe can be designed as a measuring laser. Preferably, the optical probe is further configured to emit the test beam with a low intensity. For example, the optical probe can generate a test beam with an intensity of at least 0.1 mW / cm 2 , preferably of at least 0.3 mW / cm 2 , most preferably of at least 0.4 mW / cm 2 and of a maximum of 5 mW / cm 2 , preferably of a maximum of 1 mW / cm 2 , most preferably of a maximum of 0.6 mW / cm 2 . The optical test beam has a measuring frequency, the measuring frequency being set as a function of a resonance of an electronic transition of the atomic vapor or the measuring probe. In particular, the measuring frequency is red-tuned to an electronic transition of the atomic vapor or the measuring probe.
Der optische Detektor ist ausgelegt, eine Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf bzw. eine physikalische Größe der Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf zu messen. Hierzu kann der optische Detektor mindestens eine Photodiode aufweisen. Der optische Detektor ist jedoch nicht auf Photodioden beschränkt, sondern kann mindestens einen beliebigen Photodetektor, beispielsweise einen Photodetektor auf Basis des inneren und/oder des äußeren photoelektrischen Effekts aufweisen. Der optische Detektor kann hierbei vorzugsweise ausgelegt sein, ein optisches Signal bzw. eine Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf zu empfangen und in ein elektrisches Datensignal umzuwandeln.The optical detector is designed to measure a transmission of the test beam through the atomic vapor or a physical quantity of the transmission of the test beam through the atomic vapor. For this purpose, the optical detector can have at least one photodiode. However, the optical detector is not limited to photodiodes, but can have at least any desired photodetector, for example a photodetector based on the internal and / or the external photoelectric effect. The optical detector can here preferably be designed to receive an optical signal or a transmission of the test beam through the atomic vapor and to convert it into an electrical data signal.
Vorzugsweise ist der optische Detektor ausgelegt, die Transmission des Teststrahls während der chaotischen Dynamik des Spin-Systems zu messen. Insbesondere wird hierdurch eine verbesserte Messgenauigkeit des Magnetfeldes gegenüber der Messgenauigkeit eines herkömmlichen Atomdampf-Magnetometers ermöglicht.The optical detector is preferably designed to measure the transmission of the test beam during the chaotic dynamics of the spin system. In particular, this enables an improved measuring accuracy of the magnetic field compared to the measuring accuracy of a conventional atomic vapor magnetometer.
Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Pumplaser, welcher ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren. Insbesondere ist der Pumplaser ausgelegt, das mindestens eine optische Polarisationssignal zu emittieren. Durch den mindestens einen Pumplaser kann insbesondere mindestens ein monochromatisches und kohärentes optisches Polarisationssignal emittiert werden, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Messung ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine Pumplaser konfiguriert, zirkular polarisiertes Licht zu emittieren.The optical manipulation device preferably comprises at least one pump laser which is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light. In particular, the pump laser is designed to emit the at least one optical polarization signal. In particular, at least one monochromatic and coherent optical polarization signal can be emitted by the at least one pump laser, which enables high measurement accuracy and reliable reproducibility of a measurement. The at least one pump laser is preferably configured to emit circularly polarized light.
Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Kicklaser, welcher ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren. Durch den mindestens einen Kicklaser kann insbesondere mindestens ein monochromatischer und kohärenter optischer Kickpuls emittiert werden, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Messung ermöglicht wird. Ferner ermöglicht der mindestens eine Kicklaser eine präzise Ansteuerung bzw. einen kontrollierten Erhalt der chaotischen Dynamik des Atomdampfes bzw. des Spin-Systems. Vorzugsweise ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, linear polarisiertes Licht zu emittieren.The optical manipulation device preferably comprises at least one kick laser which is designed to emit the at least one optical kick pulse. In particular, at least one monochromatic and coherent optical kick pulse can be emitted by the at least one kick laser, which enables a high level of measurement accuracy and reliable reproducibility of a measurement. Furthermore, the at least one kick laser enables precise control or controlled maintenance of the chaotic dynamics of the atomic vapor or the spin system. The at least one kick laser is preferably configured to emit linearly polarized light.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, den optischen Kickpuls parallel zu dem optischen Teststrahl zu emittieren. Alternativ ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, so dass sich eine Wegstrecke des Teststrahls und eine Wegstrecke des mindestens einen optischen Kickpulses kreuzen.The at least one kick laser is preferably configured to emit the optical kick pulse parallel to the optical test beam. Alternatively, the at least one kick laser is configured so that a path of the test beam and a path of the at least one optical kick pulse intersect.
Vorzugsweise ist der Kicklaser bzw. die die optische Manipulations-Einrichtung konfiguriert, den Teststrahl zu emittieren bzw. als die optische Sonde ausgebildet sein. Somit kann der Kicklaser bzw. die optische Manipulations-Einrichtung die Rolle der optischen Sonde übernehmen bzw. zusätzlich als optische Sonde ausgebildet sein. Hierfür ist der Kicklaser konfiguriert, Laserlicht mit regelbarer, variabler Intensität zu emittieren. Vorzugsweise kann der Kicklaser hierbei ferner konfiguriert sein, mindestens einen ersten optischen Kickpuls und mindestens einen letzten optischen Kickpuls zu emittieren, wobei der optische Detektor den letzten optischen Kickpuls zumindest teilweise misst, um ein externes Magnetfeld zu messen.The kick laser or the optical manipulation device is preferably configured to emit the test beam or be designed as the optical probe. Thus, the kick laser or the optical manipulation device can take on the role of the optical probe or can also be designed as an optical probe. For this purpose, the kick laser is configured to emit laser light with adjustable, variable intensity. Preferably, the kick laser can also be configured to emit at least one first optical kick pulse and at least one last optical kick pulse, the optical detector at least partially measuring the last optical kick pulse in order to measure an external magnetic field.
Alternativ kann die optische Sonde als mindestens ein Kicklaser ausgebildet sein, wobei die optische Sonde hierbei ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren.Alternatively, the optical probe can be designed as at least one kick laser, the optical probe is designed here to emit the at least one optical kick pulse.
Vorzugsweise sind der Teststrahl und/oder der mindestens eine optische Kickpuls derart ausgerichtet, dass eine Wechselwirkung, insbesondere basierend auf dem AC-Stark-Effekt, zwischen dem Teststrahl und/oder dem mindestens einen optischen Kickpuls mit den Spins des Spin-Systems bzw. mit den Atomen des Atomdampfes bewirkt wird bzw. auftritt. Vorzugsweise kann die Polarisation der Spins des Spin-Systems bzw. der Atome des Atomdampfes vor der Messung bzw. dem Messvorgang eines Magnetfeldes ausgerichtet werden, um eine solche Wechselwirkung zu gewährleisten.The test beam and / or the at least one optical kick pulse are preferably aligned in such a way that an interaction, in particular based on the AC Stark effect, between the test beam and / or the at least one optical kick pulse with the spins of the spin system or with the atoms of the atomic vapor is caused or occurs. The polarization of the spins of the spin system or of the atoms of the atomic vapor can preferably be aligned before the measurement or the measuring process of a magnetic field in order to ensure such an interaction.
Insbesondere kann ein Testvolumen definiert werden, wobei das Testvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche mit dem einen optischen Teststrahl durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken.In particular, a test volume can be defined, the test volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which interact with the one optical test beam by spin-photon interaction or electron-photon interaction.
Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung des Pumplasers bzw. eine Ausrichtung des mindestens einen Polarisationssignals einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld. Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung der Polarisation des Kicklasers bzw. eine Ausrichtung der Polarisation des mindestens einen optischen Kickpulses einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld.An alignment direction or alignment of the pump laser or an alignment of the at least one polarization signal preferably forms an acute or right angle with the external magnetic field or with the magnetic field to be measured. Preferably, an alignment direction or alignment of the polarization of the kick laser or an alignment of the polarization of the at least one optical kick pulse forms an acute or right angle with the external magnetic field or with the magnetic field to be measured.
Vorzugsweise umfasst der Magnetfeldsensor mindestens eine Magnetfeldeinrichtung, welche ausgelegt ist, Magnetfeldpulse in der Messzelle zu erzeugen. Hierfür kann die Magnetfeldeinrichtung mindestens eine Magnetfeldspule umfassen, welche um die Messzelle angeordnet ist. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung ausgelegt, den Anfangszustand des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung ausgelegt, den durch die optische Manipulations-Einrichtung polarisierten Anfangszustand des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten.The magnetic field sensor preferably comprises at least one magnetic field device which is designed to generate magnetic field pulses in the measuring cell. For this purpose, the magnetic field device can comprise at least one magnetic field coil which is arranged around the measuring cell. In particular, the magnetic field device is designed to rotate or rotate the initial state of the spin system or the spins of the spin system and / or thus to align it along a desired direction. In particular, the magnetic field device is designed to rotate or rotate the initial state of the spin system or the spins of the spin system polarized by the optical manipulation device and / or thus to align it along a desired direction.
Vorzugsweise können der mindestens eine Kicklaser, der mindestens eine Pumplaser und die optische Sonde parallel ausgerichtet sein, so dass der mindestens eine Kickpuls, das mindestens eine Polarisationssignal und der mindestens eine Teststrahl im Wesentlichen parallel emittiert werden. Hierdurch kann insbesondere auf eine zusätzliche Drehung bzw. Ausrichtung des Anfangszustands des Spin-Systems, beispielsweise durch die mindestens eine Magnetfeldeinrichtung, verzichtet werden.The at least one kick laser, the at least one pump laser and the optical probe can preferably be aligned in parallel, so that the at least one kick pulse, the at least one polarization signal and the at least one test beam are emitted essentially in parallel. In this way, in particular, an additional rotation or alignment of the initial state of the spin system, for example by the at least one magnetic field device, can be omitted.
Vorzugsweise ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, die chaotische Dynamik des Spin-Systems durch Emission von mindestens einem weiteren optischen Kickpuls zu erhalten, wobei die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt ist, den mindestens einen weiteren optischen Kickpuls in im Wesentlichen periodischen Zeitabständen zu emittieren. Der mindestens eine weitere optische Kickpuls kann hierbei insbesondere hinsichtlich Frequenz und/oder Intensität und/oder Dauer identisch zu dem mindestens einen optischen Kickpuls ausgebildet sein. Auch wenn der mindestens eine weitere optische Kickpuls sich von dem mindestens einen optischen Kickpuls unterscheiden kann, sind Ausführungen zu dem mindestens einen optischen Kickpuls in dieser Beschreibung prinzipiell auch auf den mindestens einen weiteren optischen Kickpuls anwendbar, soweit nicht ausdrücklich auf etwas anderes hingewiesen wird.The optical manipulation device is preferably designed to maintain the chaotic dynamics of the spin system by emitting at least one further optical kick pulse, the optical manipulation device being designed to emit the at least one further optical kick pulse at essentially periodic time intervals. The at least one further optical kick pulse can be designed to be identical to the at least one optical kick pulse, particularly with regard to frequency and / or intensity and / or duration. Even if the at least one further optical kick pulse can differ from the at least one optical kick pulse, statements on the at least one optical kick pulse in this description can in principle also be applied to the at least one further optical kick pulse, unless expressly stated otherwise.
Vorzugsweise weist eine Intensität des optischen Kickpulses eine Rechtecksfunktion und/oder eine Dreiecksfunktion und/oder eine nicht-lineare Funktion auf. Hierunter ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine Rechtecksfunktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge im Wesentlichen zu Beginn der Kicklänge auf etwa 100% einer Kicklaserintensität eingestellt und bis zum Ende der Kicklänge auf etwa 100% einer Kicklaserintensität gehalten wird. Ferner ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine Dreiecksfunktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge von etwa 0% der Kicklaserintensität im Wesentlichen linear auf etwa 100% der Kicklaserintensität erhöht und anschließend bis zum Ende der Kicklänge von etwa 100% der Kicklaserintensität im Wesentlichen linear auf etwa 0% der Kicklaserintensität reduziert wird. Hierbei kann die Intensität des optischen Kickpulses zwischen der im Wesentlichen linearen Erhöhung und der im Wesentlichen linearen Reduktion der Intensität auf etwa 100% der Kicklaserintensität gehalten werden. Ferner ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine nicht-lineare Funktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge von etwa 0% der Kicklaserintensität im Wesentlichen nicht-linear auf etwa 100% der Kicklaserintensität erhöht und/oder anschließend bis zum Ende der Kicklänge von etwa 100% der Kicklaserintensität im Wesentlichen nicht-linear auf etwa 0% der Kicklaserintensität reduziert wird. Hierbei kann die Intensität des optischen Kickpulses zwischen der Erhöhung und der Reduktion der Intensität auf etwa 100% der Kicklaserintensität gehalten werden. Die Kicklänge ist im Rahmen der Erfindung als Lasereinstrahldauer des Kicklasers pro optischem Kickpuls bzw. pro Messperiode zu verstehen. Die Kicklaserintensität repräsentiert eine eingestellte maximale Einstrahlungsintensität des Kicklasers.An intensity of the optical kick pulse preferably has a rectangular function and / or a triangular function and / or a non-linear function. This means that, if the intensity of the optical kick pulse has a rectangular function, the intensity is set to around 100% of a kick laser intensity during an entire kick length essentially at the beginning of the kick length and is kept at around 100% of a kick laser intensity until the end of the kick length . It is also to be understood that, if the intensity of the optical kick pulse has a triangular function, the intensity increases essentially linearly over an entire kick length from about 0% of the kick laser intensity to about 100% of the kick laser intensity and then by about 100% until the end of the kick length the kick laser intensity is reduced essentially linearly to about 0% of the kick laser intensity. Here, the intensity of the optical kick pulse can be kept between the essentially linear increase and the essentially linear reduction of the intensity to approximately 100% of the kick laser intensity. It is also to be understood that, if the intensity of the optical kick pulse has a non-linear function, the intensity is increased essentially non-linearly to about 100% of the kick laser intensity during an entire kick length from about 0% of the kick laser intensity and / or subsequently up to At the end of the kick length of approximately 100% of the kick laser intensity is reduced essentially non-linearly to approximately 0% of the kick laser intensity. The intensity of the optical kick pulse can be kept between the increase and the reduction of the intensity to about 100% of the kick laser intensity. In the context of the invention, the kick length is to be understood as the laser irradiation time of the kick laser per optical kick pulse or per measurement period. The kick laser intensity represents a set maximum irradiation intensity of the kick laser.
Vorzugsweise ist der optische Detektor ausgelegt, eine Intensität und/oder eine Polarisation der Transmission des Teststrahls zu messen. Auf Basis der Intensität und/oder der Polarisation der Transmission des Teststrahls kann das externe Magnetfeld berechnet bzw. abgeschätzt werden.The optical detector is preferably designed to measure an intensity and / or a polarization of the transmission of the test beam. The external magnetic field can be calculated or estimated on the basis of the intensity and / or the polarization of the transmission of the test beam.
Vorzugsweise umfasst der Atomdampf Alkali-Atome, bevorzugt 133Cs Atome. Alkali-Atome weisen ein einzelnes freies Elektron in der Valenzschale auf, und eignen sich daher besonders als Atomdampf des Magnetfeldsensors.The atomic vapor preferably comprises alkali atoms, preferably 133 Cs atoms. Alkali atoms have a single free electron in the valence shell and are therefore particularly suitable as atomic vapor of the magnetic field sensor.
Vorzugsweise kann der Atomdampf mindestens ein Schutzgas, bevorzugt Helium und/oder Stickstoff umfassen. Insbesondere kann Helium als ein Puffergas wirken, und somit eine Diffusion bzw. Kollisionen des Atomdampfes mit den Wänden der Messzelle reduzieren bzw. eine Beeinträchtigung des Spin-Systems durch Kollisionen bzw. Drehimpulstransfers mit den Wänden der Messzelle reduzieren. Insbesondere kann Stickstoff als ein Schutzgas wirken, und somit Strahlungswechselwirkungen zwischen den Atomen des Atomdampfes bzw. innerhalb des Spin-Systems reduzieren.The atomic vapor can preferably comprise at least one protective gas, preferably helium and / or nitrogen. In particular, helium can act as a buffer gas and thus reduce diffusion or collisions of the atomic vapor with the walls of the measuring cell or reduce impairment of the spin system due to collisions or angular momentum transfers with the walls of the measuring cell. In particular, nitrogen can act as a protective gas and thus reduce radiation interactions between the atoms of the atomic vapor or within the spin system.
Vorzugsweise weist der Atomdampf eine Dichte von mindestens etwa 104 Atomen/cm3, bevorzugt von mindestens etwa 109 Atomen/cm3, und/oder von maximal etwa 1015 Atomen/cm3, bevorzugt von maximal etwa 1011 Atomen/cm3 auf.The atomic vapor preferably has a density of at least about 10 4 atoms / cm 3 , preferably of at least about 109 atoms / cm 3 , and / or of a maximum of about 10 15 atoms / cm 3 , preferably of a maximum of about 10 11 atoms / cm 3 .
Vorzugsweise ist der Anfangszustand ein hyperfeiner Zustand oder ein gemischter Zustand hyperfeiner Zustände des Spin-Systems.The initial state is preferably a hyperfine state or a mixed state of hyperfine states of the spin system.
Vorzugsweise ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, den Anfangszustand durch ein zirkular polarisiertes Lichtfeld zu polarisieren und/oder zu erzeugen.The optical manipulation device is preferably designed to polarize and / or generate the initial state by means of a circularly polarized light field.
Vorzugsweise weist der Magnetfeldsensor ein Gesamtvolumen auf, wobei das Gesamtvolumen gemäß dem Anwendungsbereich skalierbar ist. Somit kann eine Chip-basierte Ausbildung des Magnetfeldsensors ein Gesamtvolumen von mindestens 0.01cm3, bevorzugt mindestens 0.1cm3, weiter bevorzugt mindestens 1cm3 und maximal 10cm3, bevorzugt 5cm3, weiter bevorzugt 2cm3 aufweisen. Das Gesamtvolumen kann jedoch der Anwendung angepasst werden. Somit kann der Magnetfeldsensor fahrzeuggestützt und/oder flugzeuggestützt und/oder drohnengestützt und/oder satellitengestützt ausgebildet sein.The magnetic field sensor preferably has a total volume, the total volume being scalable according to the area of application. Thus, a chip-based embodiment of the magnetic field sensor, a total volume of at least 0.01cm 3, preferably at least 0.1cm 3, more preferably at least 1 cm 3 and a maximum of 10cm 3, preferably 5 cm 3, more preferably 2cm 3 have. However, the total volume can be adapted to the application. Thus, the magnetic field sensor can be vehicle-supported and / or aircraft-supported and / or drone-supported and / or satellite-supported.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Messung eines Magnetfelds, umfassend ein Bereitstellen einer Messzelle, welche einen Atomdampf umfasst, wobei der Atomdampf ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist. Das Verfahren umfasst ferner ein Polarisieren des Spin-Systems in einem Anfangszustand mittels einer optischen Manipulations-Einrichtung. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen einer chaotischen Dynamik des Spin-Systems durch ein Ausgeben von mindestens einem optischen Kickpuls von der Manipulations-Einrichtung auf das Spin-System. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen eines optischen Teststrahls von einer optischen Sonde durch den Atomdampf. Das Verfahren umfasst ferner ein Messen einer Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf von einem optischen Detektor, welcher den optischen Teststrahl empfängt.Another aspect relates to a method for measuring a magnetic field, comprising providing a measuring cell which comprises an atomic vapor, the atomic vapor having a spin system of spins of individual atoms. The method further comprises polarizing the spin system in an initial state by means of an optical manipulation device. The method further comprises generating chaotic dynamics of the spin system by outputting at least one optical kick pulse from the manipulation device to the spin system. The method further includes generating an optical test beam from an optical probe through the atomic vapor. The method further includes measuring a transmission of the test optical beam through the atomic vapor from an optical detector that receives the test optical beam.
Die Messzelle und/oder die optische Manipulations-Einrichtung und/oder die optische Sonde und/oder der optische Detektor können hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.The measuring cell and / or the optical manipulation device and / or the optical probe and / or the optical detector can be designed according to the magnetic field sensor described above.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Rotieren des Anfangszustands, nach dem Polarisieren des Spin-Systems und vor dem Erzeugen der chaotischen Dynamik, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung. Hierdurch kann ein kontrollierter und gut definierter Anfangszustand vor der Emission des mindestens einen optischen Kickpulses ermöglicht werden. Die Magnetfeldeinrichtung kann hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.The method preferably further comprises rotating the initial state, after polarizing the spin system and before generating the chaotic dynamics, by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device. This enables a controlled and well-defined initial state before the emission of the at least one optical kick pulse. The magnetic field device can be designed in accordance with the magnetic field sensor described above.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Rotieren eines Zustands des Spin-Systems, nach dem Erzeugen des optischen Teststrahls und vor dem Messen der Transmission, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung. Hierdurch kann das Spin-System in einen optimalen Endzustand zur Auslesung bzw. Messung der Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf von einem optischen Detektor rotiert werden. Die Magnetfeldeinrichtung kann hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.Preferably, the method further comprises rotating a state of the spin system, after generating the optical test beam and before measuring the transmission, by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device. As a result, the spin system can be rotated by an optical detector into an optimal final state for reading out or measuring the transmission of the optical test beam through the atomic vapor. The magnetic field device can be designed in accordance with the magnetic field sensor described above.
Ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel, im Folgenden „Beispiel 1“ genannt, wird beschrieben und mit einer Referenz-Messmethode bzw. Referenzmethode verglichen.A first exemplary embodiment, referred to below as “Example 1”, is described and compared with a reference measurement method or reference method.
Eine Messzelle bzw. Glaszelle beinhaltet ein Tröpfchen 133Cs-Metall, welches eine Dichte von etwa 2*1010/cm3 aufweist und ein Spin-System bildet, wobei das Cäsium eine Atomwolke bzw. einen Atomdampf bildet.A measuring cell or glass cell contains a droplet of 133 Cs metal, which has a density of about 2 * 10 10 / cm 3 and forms a spin system, with the cesium forming an atomic cloud or atomic vapor.
Ein Pumplaser ist auf die Glaszelle gerichtet und auf den D1 elektronischen Übergang des 133Cs-Atomdampfes gestimmt. Insbesondere polarisiert der Pumplaser den Atomdampf bzw. das Spin-System zu Beginn des Messvorgangs entlang der X-Achse. Der Pumplaser ist hierbei auf eine Frequenz von 335.116048807 THz (resonant zum D1-Übergang) eingestellt und konfiguriert, zirkular polarisiertes Licht zu emittieren.A pump laser is aimed at the glass cell and tuned to the D1 electronic transition of the 133 Cs atomic vapor. In particular, the pump laser polarizes the atomic vapor or the spin system at the beginning of the measurement process along the X axis. The pump laser is set to a frequency of 335.116048807 THz (resonant to the D1 transition) and configured to emit circularly polarized light.
Zur Beschreibung des Anfangszustandes des Spin-Systems in einem mathematischen Zustandsraum werden Kugelkoordinaten mit Polarwinkel θ ∈ [0, π), von der positiven Z-Achse aufgetragen, und Azimuthalwinkel φ ∈[0, 2π), von der positiven X-Achse aufgetragen, verwendet.To describe the initial state of the spin system in a mathematical state space, spherical coordinates with polar angle θ ∈ [0, π), plotted from the positive Z-axis, and azimuthal angle φ ∈ [0, 2π), plotted from the positive X-axis, used.
Für die Realisierung der Referenzmessung ist die Messdynamik durch die Präzession des Spin-Systems im Magnetfeld (in Z-Richtung) gegeben. Nach einem Messvorgang wird der Zustand ausgelesen. In der betrachteten Realisierung erfolgt dies mittels Polarisationsmessung, wobei eine Polarisationsebene eines linear polarisierten rotverstimmten Teststrahls, welcher von einem Messlaser emittiert wird, gedreht und anschließend über Photodioden gemessen wird.For the implementation of the reference measurement, the measurement dynamics are given by the precession of the spin system in the magnetic field (in the Z direction). The status is read out after a measurement process. In the implementation under consideration, this takes place by means of polarization measurement, a polarization plane of a linearly polarized red detuned test beam, which is emitted by a measuring laser, being rotated and then measured using photodiodes.
Der Messlaser ist für Beispiel 1 und die Referenzmethode auf eine Frequenz eingestellt, welche rotverstimmt zu einem D2-Übergang von 133Cs ist, und konfiguriert linear polarisiertes Licht bzw. einen linear polarisierten Teststrahl zu emittieren. Eine Intensität des Teststrahls ist auf 0.5 mW/cm2 eingestellt.For example 1 and the reference method, the measuring laser is set to a frequency which is red-detuned to a D2 transition of 133 Cs, and configured to emit linearly polarized light or a linearly polarized test beam. An intensity of the test beam is set to 0.5 mW / cm 2 .
Der Magnetfeldsensor aus Beispiel 1 umfasst ferner Magnetfeldspulen, welche um die Glaszelle angeordnet sind. Die Mägnetfeldspulen sind ausgelegt, einen Magnetfeldpuls zumindest in der Glaszelle zu erzeugen. Da ein polarisierter Zustand des Spin-Systems im Magnetfeld präzediert, kann der Zustand des Spin-Systems somit in eine gewünschte Position rotiert werden. Dies wird in dem in Beispiel 1 verwendeten Messverfahren vor einer Messdynamik gemacht. Die Messdynamik wird im Folgenden näher beschrieben.The magnetic field sensor from example 1 further comprises magnetic field coils which are arranged around the glass cell. The magnetic field coils are designed to generate a magnetic field pulse at least in the glass cell. Since a polarized state of the spin system precesses in the magnetic field, the state of the spin system can thus be rotated to a desired position. In the measurement method used in example 1, this is done before a measurement dynamic. The measurement dynamics are described in more detail below.
Das Spin-System und der D1 elektronische Übergang von 133Cs haben die folgenden Eckdaten im Rahmen von Beispiel 1:
- I = 7/2, der Kernspin;
- f = 3, 4, Hyperfeinstruktur-Quantenzahlen des Grundzustands;
- f'= 3, 4, Hyperfeinstruktur-Quantenzahlen des angeregten Zustands;
- g(f = 3) = -1/4; g(f = 4) =1/4, gyromagnetisches Verhältnis;
- Γ = 4.561257 MHz, natürliche Linienbreite des D1 Übergangs;
- Δground = 9.192631770 GHz, Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands;
- Δexciled = 1167.680 MHz, Hyperfeinaufspaltung des angeregten Zustands;
- Isat = 2.498122 mW/cm2, Sättigungsintensität für stark verstimmtes π-polarisiertes Licht.
- I = 7/2, the nuclear spin;
- f = 3, 4, hyperfine structure quantum numbers of the ground state;
- f '= 3, 4, hyperfine structure quantum numbers of the excited state;
- g (f = 3) = -1/4; g (f = 4) = 1/4, gyromagnetic ratio;
- Γ = 4.561257 MHz, natural line width of the D1 transition;
- Δ ground = 9.192631770 GHz, hyperfine splitting of the ground state;
- Δ exciled = 1167.680 MHz, hyperfine splitting of the excited state;
- I sat = 2,498,122 mW / cm 2 , saturation intensity for strongly detuned π-polarized light.
Für die Realisierung des Magnetfeldsensors wird die Realisierung der Referenzmessung durch einen Kicklaser ergänzt, welcher ausgelegt ist, parallel zum Messlaser mindestens einen optischen Kickpuls in das Spin-System einzustrahlen. Laserlicht des Kicklasers ist in X-Richtung linear polarisiert und rotverstimmt zum D1-Übergang. Der mindestens eine optische Kickpuls kann in vorbestimmten Zeitabständen, bevorzugt periodisch wiederholt werden. Wie in der Referenzmessung wird der Zustand ausgelesen und somit das Magnetfeld gemessen bzw. abgeschätzt.To implement the magnetic field sensor, the implementation of the reference measurement is supplemented by a kick laser, which is designed to emit at least one optical kick pulse into the spin system parallel to the measuring laser. The laser light from the kick laser is linearly polarized in the X direction and red-tuned to the D1 transition. The at least one optical kick pulse can be repeated at predetermined time intervals, preferably periodically. As in the reference measurement, the state is read out and thus the magnetic field is measured or estimated.
Externe Parameter und Einstellungen des Kicklasers sind wie folgt:External parameters and settings of the kick laser are as follows:
-
- Verstimmung des Kicklasers zum D1-Übergang:
- - Kicklaserintensität: IKick ≅ 0.1 mW/cm2;- Kick laser intensity: I kick ≅ 0.1 mW / cm 2 ;
- - Kicklaserfrequenz: 335.116048807 THz - 583.84 MHz;- Kick laser frequency: 335.116048807 THz - 583.84 MHz;
- - zu messendes Magnetfeld: B = 4*10-14 T;- Magnetic field to be measured: B = 4 * 10 -14 T;
- - Ausrichtung des anfänglichen polarisierten Zustands: θ = π/2rad ; φ = π/2rad (so dass Anfangszustand in y-Richtung zeigt);Alignment of the initial polarized state: θ = π / 2rad; φ = π / 2rad (so that the initial state points in the y-direction);
- - Periodendauer (Kick und Präzession): r = 1 ms;- Period duration (kick and precession): r = 1 ms;
- - Dauer eines einzelnen Kicks: TKick = 2 * 10-6 s;- Duration of a single kick: T Kick = 2 * 10 -6 s;
- - Rotationswinkel des Zustands um die Z-Achse unmittelbar vor der Polarisationsmessung: ϑ = π/ 2rad ;- Angle of rotation of the state about the Z axis immediately before the polarization measurement: ϑ = π / 2rad;
- - Temperatur: T = 21 ° C;- temperature: T = 21 ° C;
- - Radius der Messzelle: r = 1.5 cm;- Radius of the measuring cell: r = 1.5 cm;
- - (optimale) Anzahl der Perioden der Messdynamik: NKick = 87354 ;- (optimal) number of periods of the measurement dynamics: N Kick = 87354;
- - (optimale) Anzahl der Perioden für die Referenzmessung: NRef = 144056 ;- (optimal) number of periods for the reference measurement: N Ref = 144056;
-
- Dichte des Atomdampfes 2 * 1010 Atome/cm3 - Density of
atomic vapor 2 * 10 10 atoms / cm 3
Eine Messung des zu messenden Magnetfelds mittels eines wie oben beschriebenen Magnetfeldsensors erfolgt gemäß der folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
- 1. Polarisieren der Spins des Spin-Systems in einem Anfangszustand durch Emission von mindestens einem Polarisierungssignals durch den Pumplaser;
- 2. Rotieren des Anfangszustands durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
- 3. Durchführen einer Messdynamik über NKick Perioden. Hierbei besteht jede Periode aus einer Präzessionszeit der Spins und einem darauffolgenden optischen Kickpuls der Länge TKick;
- 4. Rotieren des Zustands des Spin-Systems um einen Winkel ϑ nach der Messdynamik durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
- 5. Auslesen bzw. Messen eines Endzustands des Spin-Systems mittels Polarisationsmessung;
- 6. Wiederholen des
Messverfahrens von Schritt 1 bis Schritt 5 , wobei die Wiederholung beliebig oft wiederholt werden kann; - 7. Schätzung bzw. Berechnung des zu messenden Magnetfeldes aus den Messergebnissen, beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Methode.
- 1. Polarizing the spins of the spin system in an initial state by emission of at least one polarization signal by the pump laser;
- 2. Rotation of the initial state by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
- 3. Performing a dynamic measurement over N kick periods. Each period consists of a precession time of the spins and a subsequent optical kick pulse of length T kick ;
- 4. Rotating the state of the spin system by an angle ϑ according to the measurement dynamics by emitting at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
- 5. Reading out or measuring a final state of the spin system by means of polarization measurement;
- 6. Repeat the measurement procedure from
step 1 upstep 5 , whereby the repetition can be repeated as often as desired; - 7. Estimation or calculation of the magnetic field to be measured from the measurement results, for example by means of a maximum likelihood method.
Eine Messung des zu messenden Magnetfelds mittels der Referenzmethode erfolgt gemäß der folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
- 1. Polarisieren der Spins des Spin-Systems in einem Anfangszustand durch Emission von mindestens einem Polarisierungssignals durch den Pumplaser;
- 2. Rotieren (optional) des Anfangszustands durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
- 3. Durchführen einer Messdynamik über NRef Perioden, lediglich bestehend aus einer Präzessionszeit der Spins;
- 4. Rotieren (optional) des Zustands des Spin-Systems um einen Winkel
9 nach der Messdynamik durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule; - 5. Auslesen bzw. Messen eines Endzustands des Spin-Systems mittels Polarisationsmessung;
- 6. Wiederholen des
Messverfahrens von Schritt 1 bis Schritt 5 , wobei die Wiederholung beliebig oft wiederholt werden kann; - 7. Schätzung bzw. Berechnung des zu messenden Magnetfeldes aus den Messergebnissen, beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Methode.
- 1. Polarizing the spins of the spin system in an initial state by emission of at least one polarization signal by the pump laser;
- 2. Rotation (optional) of the initial state by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
- 3. Performing a measurement dynamic over N Ref periods, consisting only of a precession time of the spins;
- 4. Rotate (optional) the state of the spin system by an angle
9 according to the measurement dynamics by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil; - 5. Reading out or measuring a final state of the spin system by means of polarization measurement;
- 6. Repeat the measurement procedure from
step 1 upstep 5 , whereby the repetition can be repeated as often as desired; - 7. Estimation or calculation of the magnetic field to be measured from the measurement results, for example by means of a maximum likelihood method.
Im Vergleich zwischen einem Messverfahren unter Verwendung von optischen Kickpulsen mit dem Referenzverfahren unter vergleichbaren Konditionen kann eine etwa 68% Verbesserung in der Messgenauigkeit gegenüber der Referenzmethode festgestellt werden. Die detaillierten Simulationsergebnisse sind
Die Erfindung wird nachfolgend durch in Figuren illustrativ dargestellten exemplarischen Ausführungsformen weiter beschrieben. Es zeigen:
-
1 : Eine schematische Darstellung einer Messdynamik zur Messung eines Magnetfeldes auf Basis von optischen Kickpulsen; -
2 : Eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors mit einer optischen Manipulations-Einrichtung; -
3 : Eine graphische Darstellung der Messgenauigkeit für verschiedene Magnetfeld-Messmethoden basierend auf Beispiel 1.
-
1 : A schematic representation of a measurement dynamics for measuring a magnetic field based on optical kick pulses; -
2 : A schematic representation of a magnetic field sensor with an optical manipulation device; -
3 : A graphical representation of the measurement accuracy for various magnetic field measurement methods based on Example 1.
Der Magnetfeldsensor
Die Messzelle
Der Atomdampf
Der Atomdampf
Der Atomdampf
Der Magnetfeldsensor
Die optische Manipulations-Einrichtung ist ausgelegt, mindestens einen optischen Kickpuls
Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Kicklaser
Die optische Manipulations-Einrichtung ist insbesondere ausgelegt, so dass eine Polarisationsrichtung des mindestens einen Polarisationssignals
Insbesondere kann ein Polarisationsvolumen definiert werden, wobei das Polarisationsvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes
Der Magnetfeldsensor
Hierbei kann die optische Sonde
Die Sensoreinrichtung umfasst ferner einen optischen Detektor
Der optische Detektor
Der optische Detektor
Der optische Detektor
Die Sensoreinrichtung kann ferner einen optischen Polarisationssignal-Detektor umfassen, wobei der optische Polarisationssignal-Detektor ausgelegt ist, eine Transmission des Polarisationssignals
Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Position der Transmission des Polarisationssignals
Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Polarisation der Transmission des Polarisationssignals
Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Intensität der Transmission des Polarisationssignals
Die Sensoreinrichtung kann ferner einen optischen Kickpuls-Detektor umfassen, wobei der optische Kickpuls-Detektor ausgelegt ist, eine Transmission eines optischen Kickpulses
Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Position der Transmission des optischen Kickpulses
Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Polarisation der Transmission des optischen Kickpulses
Der Magnetfeldsensor
Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Intensität der Transmission des optischen Kickpulses
Insbesondere kann ein Testvolumen definiert werden, wobei das Testvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes
Der mindestens eine Kicklaser
Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung des Pumplasers
Insbesondere kann der Magnetfeldsensor
Der Magnetfeldsensor
Der Magnetfeldsensor
Hierbei wurde die Messgenauigkeit ΔB auf Basis der Fisher-Information berechnet:
Der Begriff „im Wesentlichen“ ist im Sinne dieser Beschreibung als umfassend geringer herstellungs- und umweltbedingter Abweichungen zu verstehen.In the context of this description, the term “essentially” is to be understood as comprehensively minor manufacturing and environmental deviations.
Die Erfindung ist nicht auf die oben in der Beschreibung und in den Zeichnungen The invention is not limited to the above in the description and in the drawings
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- MagnetfeldsensorMagnetic field sensor
- 11
- MesszelleMeasuring cell
- 22
- AtomdampfAtomic vapor
- 33
- Optischer DetektorOptical detector
- 44th
- Optische SondeOptical probe
- 55
- PumplaserPump laser
- 66th
- KicklaserKick laser
- 77th
- MagnetfeldeinrichtungMagnetic field device
- 88th
- HeizeinrichtungHeating device
- 99
- SignalteilerSignal divider
- 10A10A
- Erste PhotodiodeFirst photodiode
- 10B10B
- Zweite PhotodiodeSecond photodiode
- 1111
- AuswertungseinheitEvaluation unit
- BB.
- Externes bzw. zu messendes MagnetfeldExternal or magnetic field to be measured
- PSPS
- PolarisationssignalPolarization signal
- KPKP
- Optischer KickpulsOptical kick pulse
- TSTS
- Optischer TeststrahlOptical test beam
- AZAZ
- AnfangszustandInitial state
- EZEZ
- EndzustandFinal state
- Rz(α)R z (α)
- PräzessionPrecession
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050206377A1 (en) * | 2002-10-16 | 2005-09-22 | The Trustees Of Princeton University | High sensitivity atomic magnetometer and methods for using same |
US20080106261A1 (en) * | 2006-11-07 | 2008-05-08 | Trustees Of Princeton University | Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for nuclear quadrupole resonance detection |
US20120112749A1 (en) * | 2010-11-01 | 2012-05-10 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for increasing spin relaxation times for alkali atoms in alkali vapor cells |
US8421455B1 (en) * | 2008-09-26 | 2013-04-16 | Southwest Sciences Incorporated | Pulsed free induction decay nonlinear magneto-optical rotation apparatus |
-
2018
- 2018-01-09 DE DE102018000118.1A patent/DE102018000118B4/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050206377A1 (en) * | 2002-10-16 | 2005-09-22 | The Trustees Of Princeton University | High sensitivity atomic magnetometer and methods for using same |
US20080106261A1 (en) * | 2006-11-07 | 2008-05-08 | Trustees Of Princeton University | Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for nuclear quadrupole resonance detection |
US8421455B1 (en) * | 2008-09-26 | 2013-04-16 | Southwest Sciences Incorporated | Pulsed free induction decay nonlinear magneto-optical rotation apparatus |
US20120112749A1 (en) * | 2010-11-01 | 2012-05-10 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for increasing spin relaxation times for alkali atoms in alkali vapor cells |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
BUDKER, Dmitry ; ROMALIS, Michael: Optical magnetometry. In: Nature Physics, Vol. 3, 2007, No. 4, S. 227-234. - ISSN 1745-2473 (P); 1745-2481 (E). DOI: 10.1038/nphys566. URL: https://www.nature.com/articles/nphys566.pdf [abgerufen am 2018-06-12] * |
CHAUDHURY, S., et al. Quantum signatures of chaos in a kicked top. Nature, 2009, 461. Jg., Nr. 7265, S. 768-771. * |
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |