DE102020208336A1 - Spin-based gyroscope and method of operating the spin-based gyroscope - Google Patents

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Janine Riedrich-Moeller
Felix Michael Stuerner
Riccardo Cipolletti
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/60Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers
    • G01C19/62Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers with optical pumping

Abstract

Die Erfindung betrifft ein spinbasiertes Gyroskop, umfassend eine Dampfzellenanordnung (201), wobei die Dampfzellenanordnung (201) einen ersten Pumpbereich (2011) und einen zweiten Pumpbereich (2012) aufweist, wobei im ersten Pumpbereich (2011) eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich (2011) befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist, wobei im zweiten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich (2012) befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist und wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops.The invention relates to a spin-based gyroscope, comprising a vapor cell arrangement (201), the vapor cell arrangement (201) having a first pumping area (2011) and a second pumping area (2012), wherein in the first pumping area (2011) a precession movement occurring in the first pumping area ( 2011) located polarizable electron spins with a first direction of rotation can be generated, wherein in the second pumping area a precession movement of the polarizable electron spins located in the second pumping area (2012) can be generated with a second direction of rotation and wherein the first direction of rotation and the second direction of rotation are opposite to each other.Furthermore the invention relates to a method for operating the spin-based gyroscope.

Description

Stand der TechnikState of the art

In CN109737945 A sind ein SERF-Gyroskop und ein elektronisches Auswerteverfahren des Messsignals des SERF-Gyroskops für ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis beschrieben.In CN109737945 A describes a SERF gyroscope and an electronic evaluation method of the measurement signal of the SERF gyroscope for an improved signal-to-noise ratio.

Kern und Vorteile der ErfindungCore and advantages of the invention

Im Bereich der Navigation werden immer präzisere Sensoren, insbesondere Gyroskope, welche präzise die Drehrate messen können, verlangt. In Flugzeugen sind bereits heute hochgenaue Drehratensensoren basierend auf optischen Resonatoren verbaut. Für das autonome Fahren und Fliegen, sowie für Anwendungen, welche schlechte Anbindung an GPS-, Radar- und ähnliche Systeme haben, wie z.B. Unterwassernavigation, wird eine hochgenaue Onboardsensorik benötigt, was spezielle Anforderungen an die Baugröße und das benötigte Bauvolumen der hochgenauen Onboardsensorik stellt. Das Sicherstellen eines sicheren Stoppens, basierend auf Inertialsensorik, beim Ausfall der anderen Systeme, ist insbesondere für die Anwendung im Bereich autonomes Fahren unabdingbar. Um die Sicherheit und den Komfort insbesondere autonom fahrender Fahrzeuge zu verbessern, ist eine deutliche Steigerung der Driftstabilität und eine signifikante Reduktion des Rauschens von Drehratensensoren (=Gyroskop) wünschenswert, um rein inertiales Navigieren auch für längere Strecken wie z.B. in Tunneln oder in Häuserschluchten zu ermöglichen. Daher richtet sich der Fokus für diese Anwendungen auf aus der Grundlagenforschung bekannte Gyroskope, die Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht-verschwindendem magnetischen Moment (Spin 1/2 Kerne, Spin 3/2 Kerne, allgemein Kerne, deren Spin als Wert ein ungerades Vielfaches von 1/2 beträgt) auswerten. Diese zeigen erhöhte Driftstabilität und erhöhte Genauigkeit gegenüber heutigen in der Automobilindustrie eingesetzten MEMS Drehratensensoren. Des Weiteren zeigen diese verringerte Störung durch Vibrationen und Beschleunigungen.In the field of navigation, ever more precise sensors, in particular gyroscopes, which can precisely measure the rate of rotation, are required. High-precision rotation rate sensors based on optical resonators are already installed in aircraft today. For autonomous driving and flying, as well as for applications that have poor connections to GPS, radar and similar systems, such as underwater navigation, high-precision on-board sensors are required, which places special requirements on the size and the required construction volume of the high-precision on-board sensors. Ensuring safe stopping, based on inertial sensors, in the event of the failure of the other systems is essential, especially for use in the field of autonomous driving. In order to improve the safety and comfort of autonomous vehicles, in particular, a significant increase in drift stability and a significant reduction in the noise of rotation rate sensors (= gyroscope) is desirable in order to enable purely inertial navigation even for longer distances, e.g. in tunnels or in urban canyons . Therefore, the focus for these applications is on gyroscopes known from basic research, the nuclear magnetic resonance signals of atomic nuclei with non-vanishing magnetic moment (spin 1/2 nuclei, spin 3/2 nuclei, generally nuclei whose spin value is an odd multiple of 1 / 2 is). These show increased drift stability and increased accuracy compared to current MEMS rotation rate sensors used in the automotive industry. Furthermore, they show reduced disturbance from vibrations and accelerations.

Spinbasierte Gyroskope basieren auf Dampfzellen, wobei die entstandene Spin-Larmor-Präzession ωlarmor der Spins in einer Dampfzelle ausgelesen wird. Eine äußere Rotation ωrot stellt eine zusätzliche Drehung dar, welche durch Auslesen der Rotationsfrequenz ωmess folgendermaßen ermittelt werden kann: ω mess = ω larmor ± ω rot = γ B 0 ± ω rot

Figure DE102020208336A1_0001
wobei B0 ein statisches magnetisches Feld (Vormagnetisierungsfeld) ist, welchem die Dampfzelle ausgesetzt ist und γ das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet. Das bedeutet, dass je höher das gyromagnetische Verhältnis γ eines Stoffes ist, desto sensitiver ist dieser bezüglich Magnetfeldschwankungen. Um daraus resultierende Störungen zu minimieren, werden bei spinbasierten Gyroskopen im Stand der Technik Kernspins von Edelgasen zur Rotationsmessung verwendet. Solche spinbasierte Gyroskope, welche mittels einer Änderung der Präzessionsbewegung von Kernspins eine Rotation des Gyroskops detektieren, werden als Kernspinresonanz-Gyroskope oder auch NMR-Gyroskope (NMR=nuclear magnetic resonance) bezeichnet.Spin-based gyroscopes are based on steam cells, whereby the resulting spin-Larmor precession ω larmor of the spins is read out in a steam cell. An outer rotation ω rot represents an additional rotation, which can be determined by reading out the rotation frequency ω mess as follows: ω mess = ω larmor ± ω Red = γ B. 0 ± ω Red
Figure DE102020208336A1_0001
where B 0 is a static magnetic field (bias field) to which the vapor cell is exposed and γ denotes the gyromagnetic ratio. This means that the higher the gyromagnetic ratio γ of a substance, the more sensitive it is to magnetic field fluctuations. In order to minimize the resulting disturbances, in spin-based gyroscopes in the prior art nuclear spins of noble gases are used to measure rotation. Such spin-based gyroscopes, which detect a rotation of the gyroscope by means of a change in the precession movement of nuclear spins, are referred to as nuclear magnetic resonance gyroscopes or also NMR gyroscopes (NMR = nuclear magnetic resonance).

Ein beispielhafter Aufbau eines NMR-Gyroskops und dessen Funktionsweise sind beispielsweise in „MEMS Components for NMR Atomic Sensors" (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) dargelegt.An exemplary structure of an NMR gyroscope and its mode of operation are, for example, in "MEMS Components for NMR Atomic Sensors" (RM Noor and AM Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27 (6): 1148-1159, Dec. 2018) set out.

Störeinflüsse, wie beispielsweise elektrisches Rauschen von Komponenten des spinbasierten Gyroskops, Fluktuationen bei im spinbasierten Gyroskop verwendeten Lasern (insbesondere Frequenz, Detuning und Leistung des Lasers), und Rauschen der im spinbasierten Gyroskop genutzten Magnetfelder, etc., sowie Störmagnetfelder oder Temperaturgradienten haben großen Einfluss auf die Driftgenauigkeit über die Zeit und die Sensitivität des Gyroskops.Interference, such as electrical noise from components of the spin-based gyroscope, fluctuations in lasers used in the spin-based gyroscope (especially frequency, detuning and power of the laser), and noise from the magnetic fields used in the spin-based gyroscope, etc., as well as interference magnetic fields or temperature gradients have a major influence the drift accuracy over time and the sensitivity of the gyroscope.

Die Erfindung betrifft ein spinbasiertes Gyroskop und ein Verfahren zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops.The invention relates to a spin-based gyroscope and a method for operating the spin-based gyroscope.

Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass die Auswirkungen äußerer Störeinflüsse auf das Messergebnis des spinbasierten Gyroskops auf einfache Weise ohne aufwendige und kostenintensive Modifikationen reduziert werden, um die Sensitivität und Zuverlässigkeit des spinbasierten Gyroskops zu erhöhen und Signaldrifts zu reduzieren. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Realisierung eines miniaturisierten spinbasierten Gyroskops mit hoher Sensitivität und verringertem Drift, insbesondere ermöglicht die Erfindung ein Auslöschen von Störsignalen, die durch Änderung äußerer Parameter bedingt sind, wie beispielsweise eine Magnetfeldumgebung und/oder eine Umgebungstemperatur des spinbasierten Gyroskops, sowie innerer Störsignale. Aufgrund dieser Störeinflusskorrektur und aufgrund dessen, dass diese optisch geschieht (im Gegensatz zu einer rein elektronischen Korrektur), können bei Verwendung von Dampfzellen, welche als Messmedium (erstes Medium) Alkalimetalle, wie beispielsweise Rubidium, Cäsium, Kalium, etc. umfassen, die Präzessionsbewegung der Elektronenspins des Alkalimetalldampfes direkt ausgelesen werden, um daraus eine Drehrate einer Rotation des spinbasierten Gyroskops zu bestimmen.An advantage of the invention with the features of the independent claims is that the effects of external interference on the measurement result of the spin-based gyroscope can be reduced in a simple manner without complex and costly modifications in order to increase the sensitivity and reliability of the spin-based gyroscope and to reduce signal drift. In particular, the invention enables a miniaturized spin-based gyroscope to be implemented with high sensitivity and reduced drift; Parameters are conditioned, such as a magnetic field environment and / or an ambient temperature of the spin-based gyroscope, as well as internal interference signals. Due to this interference correction and due to the fact that it occurs optically (in contrast to a purely electronic correction), the precession movement can occur when using vapor cells which contain alkali metals such as rubidium, cesium, potassium, etc. as the measuring medium (first medium) the electron spins of the alkali metal vapor can be read out directly in order to determine a rate of rotation of a rotation of the spin-based gyroscope.

Dies wird erreicht mit einem spinbasierten Gyroskop, umfassend

  • • eine Dampfzellenanordnung, umfassend ein erstes Medium, welches in der Dampfzellenanordnung angeordnet ist,
  • • eine Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten des ersten Mediums in der Dampfzellenanordnung, wobei die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins des ersten Mediums zu polarisieren,
  • • eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds und eines oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung, wobei das Vormagnetisierungsfeld zur Festlegung einer Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums und das oszillierende Magnetfeld zur Synchronisation der
This is accomplished with a spin-based gyroscope, comprehensively
  • • a steam cell arrangement, comprising a first medium which is arranged in the steam cell arrangement,
  • A lighting arrangement for illuminating the first medium in the vapor cell arrangement, the lighting arrangement being set up to polarize electron spins of the first medium by optical pumping,
  • • a magnetic field generating device for providing a bias magnetic field and an oscillating magnetic field at the location of the vapor cell arrangement, the bias field for defining a direction of a precession movement of the polarizable electron spins of the first medium and the oscillating magnetic field for synchronizing the

Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums eingerichtet sind und

  • • eine Detektionsanordnung, welche zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops eingerichtet ist.
Precession movements of the polarizable electron spins of the first medium are established and
  • A detection arrangement which is set up to detect a rotation of the spin-based gyroscope.

Die Dampfzellenanordnung weist einen ersten Pumpbereich und einen zweiten Pumpbereich auf, wobei im ersten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist und wobei im zweiten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist. Hierbei sind der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander. D. h. die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich und die Präzessionsbewegung im zweiten Pumpbereich sind gegenläufig zueinander: Präzedieren die Elektronenspins im ersten Pumpbereich beispielsweise im Uhrzeigersinn, so präzedieren die Elektronenspins im zweitem Pumpbereich gleichzeitig gegen den Uhrzeigersinn. Die Detektionsanordnung ist zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins eingerichtet.The vapor cell arrangement has a first pumping area and a second pumping area, wherein in the first pumping area a precession movement of the polarizable electron spins located in the first pumping area can be generated with a first direction of rotation and wherein in the second pumping area a precession movement of the polarizable electron spins located in the second pumping area can be generated with a second Circulation sense can be generated. Here, the first direction of rotation and the second direction of rotation are opposite to one another. I. E. the precession movement in the first pump area and the precession movement in the second pump area are opposite to each other: if the electron spins in the first pump area precede clockwise, for example, the electron spins in the second pump area simultaneously precess counterclockwise. The detection arrangement is set up to detect a rotation of the spin-based gyroscope about a direction of the bias field from a change in the precession movement of the polarizable electron spins.

Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die Dampfzellenanordnung ein Edelgas zur Erzeugung polariserter Kernspins umfasst, um die durch optisches Pumpen erzeugte Polarisation der Elektronenspins durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung von den optisch gepumpten Elektronenspins auf die Kernspins des Edelgases zu übertragen. D. h. insbesondere umfasst die Dampfzellenanordnung kein Edelgas zur Detektion einer Rotation des spinbasierten Gyroskops aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins. Bei dem spinbasierten Gyroskop gemäß Anspruch 1 erfolgt die Detektion der Rotation des spinbasierten Gyroskops direkt aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins, welche durch die äußere Rotation des spinbasierten Gyroskops verursacht wird.In particular, it is not necessary for the vapor cell arrangement to include a noble gas for generating polarized nuclear spins in order to transfer the polarization of the electron spins generated by optical pumping from the optically pumped electron spins to the nuclear spins of the noble gas by means of a strong electron-nuclear spin interaction. I. E. In particular, the steam cell arrangement does not include any noble gas for detecting a rotation of the spin-based gyroscope from a change in the precession movement of the polarizable nuclear spins. In the spin-based gyroscope according to claim 1, the rotation of the spin-based gyroscope is detected directly from a change in the precession movement of the polarized electron spins, which is caused by the external rotation of the spin-based gyroscope.

Im Gegensatz dazu wird bei NMR-Gyroskopen aus dem Stand der Technik ausgenutzt, dass die Elektronenspins des Akalimetalldampfes sensitiv auf die durch die gleichphasige Kernspinpräzession der Kernspins des Edelgases hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung reagieren, um somit durch Erfassen der Elektronenspinpräzession eine Änderung der Kernspinpräzession zu detektieren und damit indirekt mittels Messung der Elektronenspinpräzession die Änderung der Kernspinpräzession zu erfassen und daraus die Drehrate der Rotation des Gyroskops zu bestimmen.In contrast to this, prior art NMR gyroscopes make use of the fact that the electron spins of the alkali metal vapor react sensitively to the periodic magnetic field change caused by the in-phase nuclear spin precession of the nuclear spin of the noble gas, in order to thus detect a change in the nuclear spin precession by detecting the electron spin precession to detect the change in the nuclear spin precession indirectly by measuring the electron spin precession and to determine the rate of rotation of the gyroscope from this.

Vorteile bei der Verwendung von Dampfzellen befüllt mit Alkalimetalldampf und insbesondere ohne Edelgas sind: eine Einsparung der Kosten für Edelgase, eine vereinfachte Herstellung und Befüllung der mindestens einen Dampfzelle der Dampfzellenanordnung, eine vereinfachte Sensoranordnung, ein vereinfachtes Sensordesign und ein vereinfachter Sensoraufbau verbunden mit geringeren Herstellungskosten. Insbesondere kommt das spinbasierte Gyroskop ohne Performanceeinbußen mit weniger Magnetfeldspulen und deren Stromtreiber und Regelschleifen aus als spinbasierte Gyroskope, wie beispielsweise NMR-Gyroskope, aus dem Stand der Technik.Advantages of using steam cells filled with alkali metal vapor and in particular without noble gas are: a saving in the costs of noble gases, simplified production and filling of the at least one steam cell of the steam cell arrangement, a simplified sensor arrangement, a simplified sensor design and a simplified sensor structure combined with lower production costs. In particular, the spin-based gyroscope comes with fewer magnetic field coils and without sacrificing performance their current drivers and control loops as spin-based gyroscopes, such as NMR gyroscopes, from the prior art.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die vorliegende Erfindung eine schnelle und hochgenaue Signalverarbeitung durch Operation bei hohen Frequenzen ermöglicht. Durch das Arbeiten mit rein hochfrequenter Signale wird die Signalverarbeitung vereinfacht und trotz vieler Filter eine schnelle Signalverarbeitung mit hoher Bandbreite ermöglicht.Another advantage is that the present invention enables fast and highly accurate signal processing through operation at high frequencies. By working with purely high-frequency signals, signal processing is simplified and, despite many filters, fast signal processing with a high bandwidth is enabled.

Weiter vorteilhaft ist, dass das spinbasierte Gyroskop gemäß Anspruch 1 eine schnelle Start-up Zeit aufweist (=Zeit nach dem Einschalten, bis das spinbasierte Gyroskop einsatzbereit ist), da optisches Pumpen und Spinausrichtung von Alkalimetallgasen sehr effizient über die Laserintensität gesteuert werden kann und die im Vergleich dazu langsamere Spin-Polarisation des Edelgases über die Alkalimetallatome bei NMR-Gyroskopen aus dem Stand der Technik wegfällt.It is further advantageous that the spin-based gyroscope according to claim 1 has a fast start-up time (= time after switching on until the spin-based gyroscope is ready for use), since optical pumping and spin alignment of alkali metal gases can be controlled very efficiently via the laser intensity and the In comparison, the slower spin polarization of the noble gas via the alkali metal atoms is omitted in prior art NMR gyroscopes.

Ein Vorteil, welcher sich insbesondere aus der Verwendung zweier Pumpbereiche mit einander entgegengesetzt präzedierenden Elektronenspins ergibt, besteht in einem intrinsischen Auslöschen interner Rauschsignale, insbesondere elektronischer Rauschsignale durch Laser, Magnetfelder, etc., Ladungsverschiebungen in der Abschirmung, etc., und einer dadurch höheren Sensitivität und geringerem Drift des spinbasierten Gyroskops. Somit können Störeinflüssen, wie Rauschen (common noise), welche auf beide Pumpbereiche wirken, einander bei der Messung auslöschen und folglich eine höhere Genauigkeit der mit dem spinbasierten Gyroskop ermittelten Drehrate einer Rotation des spinbasierten Gyroskops erzielt werden. Hierdurch wird auch ermöglicht, dass das Gyroskop zur Durchführung der Messung keine Edelgase benötigt.One advantage that results from the use of two pump areas with oppositely precessing electron spins is an intrinsic cancellation of internal noise signals, in particular electronic noise signals from lasers, magnetic fields, etc., charge shifts in the shielding, etc., and the resulting higher sensitivity and lower drift of the spin-based gyroscope. Interfering influences, such as noise (common noise), which act on both pump areas, can thus cancel each other out during the measurement and consequently a higher accuracy of the rotation rate of a rotation of the spin-based gyroscope determined with the spin-based gyroscope can be achieved. This also enables the gyroscope not to require any noble gases to carry out the measurement.

Die Dampfzellenanordnung kann eine Dampfzelle, zwei Dampfzellen oder mehr als zwei Dampfzellen umfassen. Eine Dampfzelle ist beispielsweise als Hohlraumkörper aus Glas ausgebildet, wobei das Innere hermetisch gegenüber der Umgebung der Dampfzelle verschließbar ist, sodass insbesondere Gase aus dem Inneren der Dampfzelle im Betrieb nicht entweichen können und Drücke innerhalb der Dampfzelle erzeugbar sind, welche vom Umgebungsdruck des spinbasierten Gyroskops abweichen. Zur Einstellung eines Drucks und/oder zur Erzeugung eines Gases in der Dampfzelle kann beispielsweise ein Heizelement an der Dampfzelle oder in der Umgebung der Dampfzelle angeordnet sein. Als Heizelement können beispielsweise elektrisch leitende Drähte verwendet werden, wobei über den durch die Drähte fließenden elektrischen Strom eine Temperatur der sich in der Dampfzelle befindlichen Medien einstellbar ist. Eine weitere Ausführungsform zum Heizen der Dampfzelle umfasst einen Laser, d. h. einen Heizlaser, dessen Laserlicht auf einen Bereich der Dampfzelle gerichtet ist. Das Laserlicht wird vom Material der Dampfzelle, insbesondere dem Silizium, absorbiert und erwärmt somit die Dampfzelle.Insbesondere kann die mindestens eine Dampfzelle aus Glas ausgebildet sein und beispielsweise rund, zylindrisch oder würfelförmig sein.The steam cell arrangement may include one steam cell, two steam cells, or more than two steam cells. A steam cell is designed, for example, as a hollow body made of glass, the interior being hermetically sealed against the surroundings of the steam cell, so that in particular gases from the interior of the steam cell cannot escape during operation and pressures can be generated within the steam cell which differ from the ambient pressure of the spin-based gyroscope . To set a pressure and / or to generate a gas in the steam cell, for example, a heating element can be arranged on the steam cell or in the vicinity of the steam cell. For example, electrically conductive wires can be used as the heating element, the temperature of the media in the steam cell being adjustable via the electrical current flowing through the wires. Another embodiment for heating the steam cell comprises a laser; H. a heating laser, the laser light of which is directed onto an area of the steam cell. The laser light is absorbed by the material of the steam cell, in particular the silicon, and thus heats the steam cell. In particular, the at least one steam cell can be made of glass and, for example, round, cylindrical or cube-shaped.

Die Beleuchtungsanordnung umfasst eine Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode, insbesondere einen Oberflächenemitter (VCSEL) zum Beleuchten umfassen. Eine Einstrahlrichtung des zum Beleuchten verwendeten Lichts weist mindestens eine Komponente parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds auf, insbesondere ist die Einstrahlrichtung parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds (Mz-Modus). Alternativ kann die Einstrahlrichtung eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds aufweisen, insbesondere kann die Einstrahlrichtung orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds sein (Mx-Modus). Die Wellenlänge des von der Beleuchtungsquelle emittierbaren Lichts ist auf das Energieschema des ersten Mediums abgestimmt, sodass das Licht vom ersten Medium absorbierbar ist und eine Polarisation der Elektronenspins erzeugbar ist (optisches Pumpen). Zum Beleuchten wird vorzugsweise zirkular polarisiertes Licht verwendet. Die Beleuchtungsanordnung kann optische Elemente zur Strahlführung und/oder Strahlformung (beispielsweise Spiegel, Linsen, etc.) und zur Einstellung der Polarisation des Lichts (beispielsweise Polarisatoren) umfassen.The lighting arrangement comprises an illumination source, such as, for example, a laser or a laser diode, in particular a surface emitter (VCSEL) for illuminating. An irradiation direction of the light used for illumination has at least one component parallel or antiparallel to the magnetic field direction of the bias field, in particular the irradiation direction is parallel or antiparallel to the magnetic field direction of the bias field (M z mode). Alternatively, the direction of irradiation can have a component orthogonal to the magnetic field direction of the bias field, in particular the direction of irradiation can be orthogonal to the magnetic field direction of the bias field (M x mode). The wavelength of the light emitted by the illumination source is matched to the energy scheme of the first medium, so that the light can be absorbed by the first medium and a polarization of the electron spins can be generated (optical pumping). Circularly polarized light is preferably used for the illumination. The lighting arrangement can comprise optical elements for beam guidance and / or beam shaping (for example mirrors, lenses, etc.) and for setting the polarization of the light (for example polarizers).

Bei zirkular polarisiertem Licht unterscheidet man zwischen σ+-Polarisation („Sigma-Plus“) und σ-Polarisation („Sigma-Minus“), die bei atomaren Übergängen zwischen Energieniveaus eine Änderung der magnetischen Quantenzahl m von +1 bzw. -1 bewirkt. Linear polarisiertes Licht (Δ m = 0 beim atomaren Übergang) wird als π-polarisiertes Licht bezeichnet. Hierbei gilt: Ein rechts zirkular polarisierter Lichtstrahl entgegen dem statischen Vormagnetisierungsfeld, d. h. antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld, ist gleich einem linkszirkular polarisierten Lichtstrahl entlang dem Vormagnetisierungsfeld, d. h. parallel zum Vormagnetisierungsfeld.In the case of circularly polarized light, a distinction is made between σ + polarization ("Sigma-Plus") and σ - polarization ("Sigma-Minus"), which causes a change in the magnetic quantum number m of +1 or -1 at atomic transitions between energy levels . Linearly polarized light (Δ m = 0 at the atomic transition) is called π-polarized light. The following applies here: A right circularly polarized light beam against the static bias field, ie antiparallel to the bias field, is equal to a left circularly polarized light beam along the bias field, ie parallel to the bias field.

Das erste Medium kann insbesondere gasförmig sein oder durch Heizen der Dampfzelle in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Als erstes Medium kann beispielsweise ein Alkalimetall wie Rubidium (Rb), insbesondere Rubidium 87 (87Rb) oder Rubidium 85 (85Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. oder Quecksilber (Hg) verwendet werden.The first medium can in particular be gaseous or can be converted into a gaseous state by heating the steam cell. For example, an alkali metal such as rubidium (Rb), in particular rubidium 87 ( 87 Rb) or rubidium 85 ( 85 Rb), cesium (Cs), potassium (K), etc. or mercury (Hg) can be used as the first medium.

Ein Initialisieren des spinbasierten Gyroskops erfolgt durch optisches Pumpen. Beim optischen Pumpen des ersten Mediums (z. B. Alkalimetall-Atome) in schwachen Magnetfeldern wird rechts (σ+) - oder linkszirkular (σ-) polarisiertes Licht parallel oder antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld B0 eingestrahlt, um selektiv Übergänge mit einem Unterschied in der magnetischen Quantenzahl der Zeemann-Level von plus eins oder minus eins anzuregen. Eine repräsentative Darstellung des optischen Pumpens von Rubidium 87 findet sich in 1 und der zugehörigen Beschreibung. Durch optisches Pumpen erfolgt ein Polarisieren der Elektronenspins des ersten Mediums in der Dampfzellenanordnung. Das Vormagnetisierungsfeld gibt eine Richtung vor, um welche die polarisierten Elektronenspins des ersten Mediums präzedieren. Durch Anlegen des oszillierenden Magnetfeldes (magnetisches Wechselfeld), welches mindestens eine Komponente orthogonal zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aufweist, wird die Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes synchronisiert, sodass alle polarisierten Elektronenspins in Phase miteinander mit der Larmorfrequenz (sofern keine äußere Drehrate an dem spinbasierten Gyroskop anliegt) um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren. Die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes stimmt vorzugsweise mit der Larmorfrequenz der polarisierten Elektronenspins überein. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung, welche zur Bereitstellung des Vormagnetisierungsfelds und des oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung eingerichtet ist, kann beispielsweise Spulen, insbesondere zwei orthogonal zueinander angeordnete Helmholtzspulen, umfassen.The spin-based gyroscope is initialized by optical pumping. When the first medium (e.g. alkali metal atoms) is optically pumping in weak magnetic fields, right (σ + ) - or left circular (σ - ) polarized light is radiated parallel or antiparallel to the bias field B 0 in order to selectively create transitions with a difference in the magnetic quantum number of the Zeemann level of plus one or minus one. A representative illustration of the optical pumping of rubidium 87 can be found in 1 and the associated description. The electron spins of the first medium in the vapor cell arrangement are polarized by optical pumping. The bias field specifies a direction about which the polarized electron spins of the first medium precess. By applying the oscillating magnetic field (alternating magnetic field), which has at least one component orthogonal to the direction of the bias field, the precession movement of the polarized electron spins is synchronized around the direction of the bias field, so that all polarized electron spins are in phase with each other with the Larmor frequency (provided there is no external rate of rotation on the spin-based gyroscope) precess around the direction of the bias field. The frequency of the oscillating magnetic field preferably coincides with the Larmor frequency of the polarized electron spins. The magnetic field generating device, which is set up to provide the bias magnetic field and the oscillating magnetic field at the location of the steam cell arrangement, can include, for example, coils, in particular two Helmholtz coils arranged orthogonally to one another.

Die Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins kann in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Hierzu kann die Dampfzellenanordnung beispielsweise mit einem linear polarisierten Auslese-Laserstrahl beleuchtet werden. Beim Durchlaufen der Dampfzellenanordnung wird die Polarisation des Auslese-Laserstrahls periodisch gedreht, was durch die Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins des ersten Mediums hervorgerufen wird (Faraday Effekt). Der Faraday Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle in einem Medium, wenn darin ein Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle herrscht. Die periodische Drehung der Polarisation des Auslese-Laserstrahls kann beispielsweise durch eine Detektionsanordnung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Detektionsanordnung kann mindestens einen Polarisator und mindestens ein Detektorelement umfassen, wobei der Polarisator im Strahlengang zwischen der Dampfzellenanordnung und dem Detektorelement angeordnet ist. Als Detektorelement kann ein Strahlungssensor beispielsweise basierend auf Silizium (Si), Germanium (Ge), Germanium auf Silizium, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), etc. verwendet werden. Als Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise auch Fotodioden oder Bolometer. Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Strahlungsintensität oder eine Energieflussdichte des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Auslese-Lichtstrahls messen. Aufgrund des Polarisators kann das Detektorelement die Polarisationsdrehung des Auslese-Laserstrahls beispielsweise als eine sich periodisch ändernde Strahlungsintensität erfassen.The precession motion of the polarized electron spins can be converted into a readable electrical signal. For this purpose, the steam cell arrangement can be illuminated, for example, with a linearly polarized read-out laser beam. When passing through the vapor cell arrangement, the polarization of the read-out laser beam is periodically rotated, which is caused by the precession movement of the polarized electron spins of the first medium (Faraday effect). The Faraday effect describes the rotation of the plane of polarization of a linearly polarized electromagnetic wave in a medium when there is a magnetic field in it parallel to the direction of propagation of the wave. The periodic rotation of the polarization of the read-out laser beam can be converted into an electrical signal by a detection arrangement, for example. The detection arrangement can comprise at least one polarizer and at least one detector element, the polarizer being arranged in the beam path between the vapor cell arrangement and the detector element. A radiation sensor based on silicon (Si), germanium (Ge), germanium on silicon, indium gallium arsenide (InGaAs), etc. can be used as the detector element. Photodiodes or bolometers, for example, are also suitable as radiation sensors. Radiation sensors can output an electrical detection signal as a function of a property of the electromagnetic radiation impinging on the radiation sensor, which is a measure of the radiation property. Radiation sensors can measure, for example, a radiation intensity or an energy flux density of the readout light beam transmitted by the vapor cell arrangement. Due to the polarizer, the detector element can detect the polarization rotation of the read-out laser beam, for example as a periodically changing radiation intensity.

Die Spin-Präzession zweier Zustände, welche magnetische Quantenzahlen Δmf vom selben Betrag aber umgekehrten Vorzeichen haben, Larmor-präzedieren in genau entgegengesetzter Richtung. Sind sie demselben Vormagnetisierungsfeld B0 ausgesetzt, rotieren sie ebenfalls mit derselben Larmorfrequenz |ωlarmor|=|γ B0|, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet. Das Vorzeichen dieser Rotation hat das Vorzeichen des Magnetfeldes. Durch antiparallele Vormagnetisierungsfelder in den beiden Dampfzellen sind die Signale der Dampfzellen, welche die Präzessionsbewegung der Elektronenspins charakterisieren also entgegengesetzt zueinander. Die Signale heben sich also auf und das ebenfalls, wenn Schwankungen in der Intensität der Beleuchtungsquelle, beispielsweise der Laserintensität (wenn für beide Dampfzellen jeweils der selbe Pump- und Ausleselaser verwendet wird), oder den angelegten Magnetfeldern auftreten. Werden die Dampfzellen zudem durch dasselbe resonante magnetische Wechselfeld initialisiert, so präzedieren die Elektronenspins in den Pumpbereichen jeweils in Phase.The spin precession of two states, which have magnetic quantum numbers Δm f of the same magnitude but opposite signs, Larmor precesses in exactly the opposite direction. If they are exposed to the same bias field B 0 , they also rotate with the same Larmor frequency | ω larmor | = | γ B 0 |, where γ denotes the gyromagnetic ratio. The sign of this rotation has the sign of the magnetic field. Due to the antiparallel bias fields in the two steam cells, the signals from the steam cells, which characterize the precession movement of the electron spins, are thus opposite to one another. The signals cancel each other out, and also when fluctuations in the intensity of the illumination source, for example the laser intensity (if the same pump and readout laser is used for both vapor cells), or the applied magnetic fields occur. If the vapor cells are also initialized by the same resonant alternating magnetic field, the electron spins in the pump areas precess in phase.

Liegt keine Drehrate an dem spinbasierten Gyroskop an, d. h. wird das System (das spinbasierte Gyroskop) nicht von außen rotiert, verschwindet folglich das Detektionssignal, welches von der Detektionsanordnung erfasst wird, da sich das durch die in Phase präzedierenden Elektronenspind im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Elektronenpins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Elektronenspins im ersten Pumpbereich präzedieren, hervorgerufene sich periodisch ändernde Magnetfeld aufheben. Weiter verschwinden auch alle Störterme ωs, sofern diese die zwei Pumpbereiche in gleichem Maß beeinflussen. Dadurch ist eine hochgenaue Kalibrierung möglich, welche den Drift (Signal, wenn keine Drehrate anliegt) wesentlich verringert. Dies ist auch bei der Signalverarbeitung von Vorteil. Des Weiteren ist somit vorteilhafterweise auch eine Korrektur von Fertigungsabweichungen durch Kalibrierung möglich.If there is no rate of rotation on the spin-based gyroscope, that is, if the system (the spin-based gyroscope) is not rotated from the outside, the detection signal that is captured by the detection arrangement disappears, since this is caused by the electron locks precessing in phase in the first pump area and by the electron pins precessing in phase in the second pump area, which precess in the opposite direction to the electron spins in the first pump area, caused periodically changing magnet cancel field. Furthermore, all the disturbance terms ω s also disappear, provided that they affect the two pumping areas to the same extent. This enables highly precise calibration, which significantly reduces the drift (signal when there is no rate of rotation). This is also an advantage in signal processing. Furthermore, a correction of manufacturing deviations by calibration is thus advantageously also possible.

Liegt nun eine äußere Drehrate ωrot an, so ist diese aber gleich für beide Zellen und löscht sich nicht aus, sondern addiert sich. Man erhält so ein von auf beide Pumpbereiche gleichwirkende Störtermen „befreites“ Signal. ω mess = ( | ω larmor + ω S | + ω rot ) + ( | ω larmor + ω s | + ω rot ) = 2 ω rot

Figure DE102020208336A1_0002
If there is an external yaw rate ω red , this is the same for both cells and does not cancel itself out, but adds up. In this way, a signal is obtained that has been “freed” from disturbance terms that have the same effect on both pumping areas. ω mess = ( - | ω larmor + ω S. | + ω Red ) + ( | ω larmor + ω s | + ω Red ) = 2 ω Red
Figure DE102020208336A1_0002

Hier stehen die Ausdrücke in runden Klammern für den ersten und den zweiten Pumpbereich. Wichtig ist, dass das Signal ohne eine äußere Drehrate / Rotation verschwindet. Dies bietet die vorher genannten Vorteile.Here, the terms in parentheses stand for the first and the second pump range. It is important that the signal disappears without an external yaw rate / rotation. This offers the advantages mentioned above.

Weitere Vorteile sind eine Kostenreduktion bei der Fertigung eines solchen spinbasierten Gyroskops und eine Reduktion des Packmaßes. Insbesondere können Magnetfeldschwankungen im Bereich der Dampfzellenanordnung besser ausgeglichen werden, daraus resultieren geringere Anforderungen an die Magnetfelderzeugungseinrichtung und interne Stromquellen, sowie geringere Anforderungen an die Abschirmung gegenüber äußeren Feldern. Selbiges gilt für die Anforderungen an Laserquellen und Temperaturstabilisierung.Further advantages are a cost reduction in the production of such a spin-based gyroscope and a reduction in the pack size. In particular, fluctuations in the magnetic field in the area of the steam cell arrangement can be better compensated for, resulting in lower requirements for the magnetic field generating device and internal power sources, as well as lower requirements for shielding against external fields. The same applies to the requirements for laser sources and temperature stabilization.

In einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinrichtung einen Polarisator und ein Detektionselement, insbesondere einen Strahlungssensor, zur Erfassung eines von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts nach Durchgang durch den Polarisator, wobei aus den Messdaten des Strahlungssensors wie zuvor beschrieben eine Rotationsfrequenz der Drehung des spinbasierten Gyroskops um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bestimmbar ist.In one embodiment, the detection device comprises a polarizer and a detection element, in particular a radiation sensor, for detecting a light transmitted by the vapor cell arrangement after passing through the polarizer Bias field is determinable.

In einer Ausführungsform umfasst die Dampfzellenanordnung eine Dampfzelle, wobei ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Spin-Spin-Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich und den zweiten Pumpbereich realisiert. Durch das Puffergas ist die mittlere freie Weglänge in der Zelle sehr gering, Spins die räumlich getrennt voneinander sind, wechselwirken daher nicht. Ein Vorteil ist, dass nur eine Dampfzelle benötigt wird, wodurch eine Verringerung der Baugröße und folglich eine Miniaturisierung des spinbasierten Gyroskops ohne Einbußen bei der Sensitivität und Zuverlässigkeit ermöglicht wird. Des Weiteren können die Herstellungskosten gesenkt und die Herstellung des spinbasierten Gyroskops vereinfacht werden.In one embodiment, the steam cell arrangement comprises a steam cell, with a buffer gas being arranged in the steam cell which realizes the first pumping area and the second pumping area by spatial restriction of the spin-spin interaction in the steam cell. Due to the buffer gas, the mean free path in the cell is very short, so spins that are spatially separated from one another do not interact. One advantage is that only one steam cell is required, as a result of which it is possible to reduce the size and consequently miniaturization of the spin-based gyroscope without sacrificing sensitivity and reliability. Furthermore, the production costs can be reduced and the production of the spin-based gyroscope can be simplified.

Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N) verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann Argon (Ar) als Puffergas verwendet werden.Nitrogen (N), for example, can be used as the buffer gas. Alternatively or in addition, argon (Ar) can be used as a buffer gas.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Dampfzellenanordnung eine erste Dampfzelle und eine zweite Dampfzelle, wobei die erste Dampfzelle den ersten Pumpbereich umfasst und die zweite Dampfzelle den zweiten Pumpbereich umfasst. Dampfzellen können vorteilhafterweise in einem MEMS Prozess in sehr kleinem Packmaß hergestellt werden. Die Herstellung in hohen Stückzahlen und der dadurch geringem Preis ist somit möglich. Dadurch ist das Verwenden von zwei Dampfzellen im Hinblick auf Miniaturisierung und Kostenreduktion vorteilhaft gegenüber einer Verwendung komplexer Spulen und/oder Abschirmungen. Dadurch, dass zwei gleiche Elemente (zwei Dampfzellen) vorliegen, können diese im selben Prozess gefertigt werden und in einem Prozessschritt eingesetzt werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Ausführungsform ist die Kompensation von Pumplaserschwankungen, wenn beide Pumpbereiche denselben Laser als Beleuchtungsquelle nutzen.According to one embodiment, the steam cell arrangement comprises a first steam cell and a second steam cell, wherein the first steam cell comprises the first pump region and the second steam cell comprises the second pump region. Steam cells can advantageously be produced in a very small pack size in a MEMS process. The production in large numbers and the resulting low price is thus possible. As a result, the use of two steam cells is advantageous with regard to miniaturization and cost reduction compared to the use of complex coils and / or shields. Because there are two identical elements (two steam cells), they can be manufactured in the same process and used in one process step. Another important advantage of this embodiment is the compensation of pump laser fluctuations when both pump areas use the same laser as an illumination source.

Wenn beide Dampfzellen durch einen Laserstrahl ausgelesen werden, erfolgt die Korrektur in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise sehr schnell.If both vapor cells are read out by a laser beam, the correction is advantageously carried out very quickly in this embodiment.

Ein geringer Abstand der Dampfzellen, insbesondere kleiner als ein Zentimeter, durch die kleine Bauweise ermöglicht des weiteren vorteilhafterweise eine sehr gute Feldkorrektur.A small distance between the steam cells, in particular less than one centimeter, due to the small design, also advantageously enables very good field correction.

Da externe Störeinflüsse, sofern diese gleich für beide Zellen sind, bei der Detektion einander auslöschen (siehe oben) ist es von Vorteil die erste Dampfzelle und die zweite Dampfzelle nah beieinander zu platzieren, insbesondere sollte der Abstand der Dampfzellen weniger als einen Zentimeter (<1 cm) betragen. Dies sorgt dafür, dass äußere Störeinflüsse über den Bereich der Dampfzellen möglichst homogen sind und somit denselben Effekt haben, bzw., dass der homogene und somit intrinsisch korrigierte Anteil möglichst groß ist.Since external interfering influences, provided they are the same for both cells, cancel each other out during detection (see above), it is advantageous to place the first steam cell and the second steam cell close to one another; in particular, the distance between the steam cells should be less than one centimeter (<1 cm). This ensures that external interfering influences are as homogeneous as possible over the area of the steam cells and thus have the same effect, or that the homogeneous and thus intrinsically corrected portion is as large as possible.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des spinbasierten Gyroskops ermöglichen vorteilhafterweise, dass die Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich gegenläufig zueinander präzedieren, wodurch sich äußere Störungseinflüsse, welche auf beide Pumpbereiche gleich wirken, bei der Detektion auslöschen. Dadurch wird die Sensitivität und Zuverlässigkeit des spinbasierten Gyroskops verbessert. In den folgenden Ausführungsformen wird ausgenutzt, dass ein Umkehren der Magnetfeldrichtung, eine Alternative zur Umkehrung der Präzessionsrichtung der Elektronenspins durch optisches Pumpen ist.The embodiments of the spin-based gyroscope described below advantageously enable the electron spins in the first pump area and in the second pump area to precess in opposite directions to one another, so that external disturbance influences that have the same effect on both pump areas are canceled out during detection. This improves the sensitivity and reliability of the spin-based gyroscope. The following embodiments make use of the fact that reversing the direction of the magnetic field is an alternative to reversing the direction of precession of the electron spins by optical pumping.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.According to one embodiment, the lighting arrangement is designed to provide circularly polarized light with at least one component parallel to the direction of the bias field in the first pump area for illuminating the first medium and circularly polarized light with at least one component parallel to the direction in the second pump area for illuminating the first medium of the bias field, the light in the first pump area and in the second pump area being circularly polarized with opposite directions of rotation. Furthermore, the magnetic field generating device is set up to provide the bias field in the first pump area parallel to the bias field in the second pump area.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.According to one embodiment, the lighting arrangement is set up in the first pump area to illuminate the first medium, polarized light with at least one component parallel to the direction of the bias field and in the second pump area to illuminate the first medium, circularly polarized light with at least one component parallel to the direction of the Provide bias magnetic field, the light in the first pump area and in the second pump area is circularly polarized with the same direction of rotation. Furthermore, the magnetic field generating device is set up to provide the premagnetization field in the first pump area antiparallel to the premagnetization field in the second pump area.

Gemäß einer Ausführungsform die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.According to one embodiment, the lighting arrangement is designed to provide circularly polarized light with at least one component parallel to the direction of the bias field in the first pump area for illuminating the first medium and circularly polarized light with at least one component antiparallel to the direction in the second pump area for illuminating the first medium of the bias field, the light in the first pump area and in the second pump area being circularly polarized with the same direction of rotation. Furthermore, the magnetic field generating device is set up to provide the bias field in the first pump area parallel to the bias field in the second pump area.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen. Die Beleuchtungsanordnung ist als Teil der Detektionsanordnung zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops durch optisches Auslesen der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins einsetzbar. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass das spinbasierte Gyroskop einen einfacheren Aufbau aufweist.According to one embodiment, the lighting arrangement is set up to provide circularly polarized light with at least one component perpendicular to the direction of the bias field in the first pump region for illuminating the first medium and circularly polarized light with at least one component perpendicular to the second pump region for illuminating the first medium Provide direction of the bias field, wherein the light in the first pump area and in the second pump area is circularly polarized with the same direction of rotation. The magnetic field generating device is set up to provide the premagnetization field in the first pump area antiparallel to the premagnetization field in the second pump area. The lighting arrangement can be used as part of the detection arrangement for detecting a rotation of the spin-based gyroscope by optically reading out the precession movement of the polarizable electron spins. Another advantage here is that the spin-based gyroscope has a simpler structure.

Die Beleuchtungsanordnung und die Detektionsanordnung können jeweils eine Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode, insbesondere einen Oberflächenemitter (VCSEL) zum Beleuchten umfassen. Alternativ kann die Beleuchtungsquelle der Beleuchtungsanordnung auch als Beleuchtungsquelle der Detektionsanordnung verwendet werden. Beispielsweise können hierbei weitere optische Elemente, wie Spiegel, Polarisatoren, etc. im Strahlengang angeordnet sein. Eine gemeinsame Beleuchtungsquelle zu verwenden, birgt den Vorteil einer gemeinsamen Rauschstatistik.The illumination arrangement and the detection arrangement can each include an illumination source, such as a laser or a laser diode, in particular a surface emitter (VCSEL) for illumination. Alternatively, the lighting source of the lighting arrangement can also be used as the lighting source of the detection arrangement. For example, further optical elements such as mirrors, polarizers, etc. can be arranged in the beam path. Using a common source of illumination has the advantage of common noise statistics.

Ein Verfahren zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops, mit den Schritten:

  • • Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im zweiten Pumpbereich,
  • • Optisches Auslesen der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich

hat den Vorteil, dass Auswirkungen äußerer Störeinflüsse auf das Messergebnis des spinbasierten Gyroskops auf einfache Weise ohne aufwendige und kostenintensive Modifikationen reduziert werden können, um die Sensitivität und Zuverlässigkeit des spinbasierten Gyroskops zu erhöhen und Signaldrifts zu reduzieren.A method for operating the spin-based gyroscope, with the steps:
  • • Generation of a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the first pump area and generation of a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the second pump area,
  • • Optical reading of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area and in the second pump area

has the advantage that the effects of external interference on the measurement result of the spin-based gyroscope can be reduced in a simple manner without complex and cost-intensive modifications in order to increase the sensitivity and reliability of the spin-based gyroscope and to reduce signal drift.

Dieses Verfahren weist einige Vorteile auf: Das Verzichten auf ein Edelgas zur Detektion einer Rotation des spinbasierten Gyroskops und stattdessen des direkten Detektierens der Rotation des spinbasierten Gyroskops aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins vereinfacht das System erheblich. Dadurch, dass kein Edelgas zur Detektion erforderlichist, lässt sich die Produktion der Dampfzellen vereinfachen und ermöglicht gleichzeitig die Erzeugung von rein-hochfrequente Signalen, welche die Signalverarbeitung vereinfachen und trotz vieler Filter eine schnelle Signalverarbeitung mit hoher Bandbreite ermöglichen.This method has some advantages: Dispensing with a noble gas for detecting a rotation of the spin-based gyroscope and instead detecting the rotation of the spin-based gyroscope directly from a change in the precession movement of the polarized electron spins simplifies the system considerably. The fact that no noble gas is required for detection means that the production of the vapor cells can be simplified and, at the same time, pure high-frequency signals can be generated, which simplify signal processing and enable fast signal processing with a high bandwidth despite many filters.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt beim optischen Auslesen ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung mit linear polarisiertem Licht und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts.According to one embodiment, during the optical readout, linearly polarized light is irradiated through the vapor cell arrangement and the light transmitted by the vapor cell arrangement is detected.

Gemäß einer Ausführungsform wird beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich erfasst. Insbesondere wird die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins erfasst, wobei im Fall, dass an dem spinbasierten Gyroskop keine äußere Drehrate anliegt, das Detektionssignal verschwindet, da sich das durch die in Phase präzedierenden Elektronenspins im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Elektronenspins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Elektronenspins im ersten Pumpbereich präzedieren, hervorgerufene sich periodisch ändernde Magnetfeld aufheben. Weiter verschwinden auch alle Störterme ωs, sofern diese die zwei Pumpbereiche in gleichem Maß beeinflussen.According to one embodiment, the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area and in the second pump area is detected during the optical readout. In particular, the sum of the precession movements of the polarized electron spins is recorded, with the detection signal disappearing in the event that the spin-based gyroscope does not have an external rate of rotation, because that is caused by the electron spins precessing in phase in the first pump area and that by the electron spins precessing in phase in the second pumping area, which precess in the opposite direction to the electron spins in the first pumping area, cancel out periodically changing magnetic fields. Furthermore, all the disturbance terms ω s also disappear, provided that they affect the two pumping areas to the same extent.

Gemäß einer Ausführungsform wird beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich und die Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich separat erfasst. Ein Vorteil ist, dass sowohl das rauschbehaftete Signal als auch das intrinsisch korrigierte Signal ausgelesen werden. Dadurch wird mehr Information über das System erhalten. Es ermöglicht fortgeschrittene Kalibrierungsmethoden des spinbasierten Gyroskops, beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität des spinbasierten Gyroskops realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Dampfzellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen, die sich gegenseitig auslöschen), sondern auch Störungen, welche einen Gradienten zwischen den beiden Pumpbereichen aufweisen, korrigiert werden können. Dies rührt daher, dass das Signal des ersten Pumpbereichs und die Summe der Signale beider Pumpbereiche bekannt sind und somit auch das Signal des zweiten Pumpbereichs implizit bekannt ist. Die Kenntnis von beiden Signalen, d. h. sowohl das Signal des ersten Pumpbereichs, als auch das Signal des zweiten Pumpbereichs, erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Pumpbereichen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Pumpbereiche sind, wie es aber die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit erhält man vorteilhafterweise in diesem Fall ein System, das sowohl gegenüber Gradienten als auch gleichförmigen Störungen korrigiert ist.According to one embodiment, the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area and in the second pump area and the precession movement of the polarized electron spins in the first pump area are recorded separately during the optical readout. One advantage is that both the noisy signal and the intrinsically corrected signal are read out. This gives more information about the system. It enables advanced calibration methods of the spin-based gyroscope, for example, if the system is to be calibrated individually for different influences, it is good to have a signal that contains all the noise terms and thus can be differentiated between them. As a result, a higher precision and drift stability of the spin-based gyroscope can be realized. Another advantage is that not only disturbances that are uniformly present for both vapor cells (signals of the same size with different signs that cancel each other out), but also disturbances that have a gradient between the two pump regions can be corrected. This is due to the fact that the signal of the first pump area and the sum of the signals of both pump areas are known and thus the signal of the second pump area is also implicitly known. Knowing both signals, i.e. H. Both the signal from the first pump area and the signal from the second pump area allow gradients between the pump areas to be corrected, since influences that are not the same for both pump areas, such as the rate of rotation, can be identified. Thus, in this case, advantageously, a system is obtained which is corrected for both gradients and uniform perturbations.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the description below. The same reference symbols in the figures denote elements that are the same or have the same effect.

Es zeigen

  • 1 eine Skizze des Energieschemas eines ersten Mediums, hier Rubidium 87,
  • 2 zeigt eine Skizze zur Illustration der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich,
  • 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines spinbasierten Gyroskops,
  • 4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
  • 8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
  • 9 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel und
  • 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops.
Show it
  • 1 a sketch of the energy scheme of a first medium, here rubidium 87,
  • 2 shows a sketch to illustrate the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area and in the second pump area,
  • 3 shows an exemplary structure of a spin-based gyroscope,
  • 4th shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope according to a first embodiment,
  • 5 shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope according to a second embodiment,
  • 6th shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope according to a third embodiment,
  • 7th shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope according to a fourth embodiment,
  • 8th shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope according to a fifth embodiment,
  • 9 shows a cross section of a detail of the spin-based gyroscope according to a sixth embodiment and
  • 10 FIG. 10 shows a flow diagram of a method for operating the spin-based gyroscope.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt das Termschema 100 von Rubidium 87, welches beispielsweise als erstes Mediums in einem spinbasierten Gyroskop 200 eingesetzt werden kann, anhand dessen im Folgenden das optische Pumpen erklärt wird. Ein beispielhafter Aufbau des spinbasierten Gyroskops 200 ist in 3 dargestellt. Das Energieschema 100 von Rubidium 87 zeigt eine Feinstrukturaufspaltung, welche sich aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zwischen Elektronenspin (S=±1/2) und Bahndrehimpuls ergibt. Der erste angeregte Zustand weist eine Feinstrukturaufspaltung in einen ersten Unterzustand 117 (52P1/2) und in einen zweiten Unterzustand 118 (52P3/2) auf. Für eine Anregung des Rubidium 87 Atoms aus seinem Grundzustand 116 (52S1/2) in den ersten Unterzustand 117 (52P1/2) ist eine Einstrahlung von Licht 120 der Wellenlänge 794,98 Nanometer (nm) erforderlich. Für eine Anregung des Rubidium 87 Atoms aus seinem Grundzustand 116 (52S1/2) in den zweiten Unterzustand 118 ist eine Einstrahlung von Licht 119 der Wellenlänge 780,24 nm erforderlich. Des Weiteren gibt es eine Hyperfeinstrukturaufspaltung, welche sich aufgrund des Kerndrehimpulses ergibt. Die Hyperfeinstrukturaufspaltung wird durch die Kopplung des Gesamtdrehimpulses der Elektronenhülle mit dem Drehimpuls des Kerns hervorgerufen. Der Grundzustand 116 weist eine Hyperfeinstrukturaufspaltung in einen F=1-Zustand (110) und einen F=2-Zustand (111) auf, wobei der Abstand 115 der beiden Energieniveaus 110, 111 6,8 GHz (Gigahertz) beträgt. Der erste Unterzustand 117 spaltet in ein erstes Energieniveau 112 mit F=1 und ein zweites Energieniveau 113 mit F=2 auf, wobei ein Abstand 114 der beiden Energieniveaus 112, 113 0,8 GHz beträgt. 1 shows the term scheme 100 of rubidium 87, which can be used, for example, as the first medium in a spin-based gyroscope 200, on the basis of which the optical pumping is explained below. An exemplary structure of the spin-based gyroscope 200 is shown in FIG 3 shown. The energy scheme 100 of rubidium 87 shows a fine structure split, which results from the spin-orbit coupling between the electron spin (S = ± 1/2) and orbital angular momentum. The first excited state has a fine structure split into a first sub-state 117 (5 2 P 1/2 ) and a second sub-state 118 (5 2 P 3/2 ). For an excitation of the rubidium 87 atom from its ground state 116 (5 2 S 1/2 ) into the first substate 117 (5 2 P 1/2 ) an irradiation of light 120 of the wavelength 794.98 nanometers (nm) is necessary. For an excitation of the rubidium 87 atom from its ground state 116 (5 2 S 1/2 ) into the second substate 118 an irradiation of light 119 of the wavelength 780.24 nm is necessary. Furthermore, there is a hyperfine structure split, which results from the nuclear angular momentum. The hyperfine structure splitting is caused by the coupling of the total angular momentum of the electron shell with the angular momentum of the nucleus. The ground state 116 has a hyperfine structure split into an F = 1 state (110) and an F = 2 state (111), the distance 115 between the two energy levels 110, 111 being 6.8 GHz (gigahertz). The first substate 117 splits into a first energy level 112 with F = 1 and a second energy level 113 with F = 2, a distance 114 between the two energy levels 112, 113 being 0.8 GHz.

Befindet sich das Rubidium 87 Atom in einem äußeren Magnetfeld, beispielsweise einem Vormagnetisierungsfeld 300, so spalten die Energieniveaus 110, 111, 112, 113 der Hyperfeinstruktur weiter auf (Zeemannaufspaltung), wobei jedes Energieniveau 110, 111, 112, 113 eine Anzahl von 2F+1 Unterniveaus aufweist. So weist beispielsweise das F=1 Energieniveau 110 des Grundzustands 116 drei Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 109 mit der magnetischen Quantenzahl mf = -1, das mittlere Zeemann-Niveau mit der magnetischen Quantenzahl mf = 0 und das obere Zeemann-Niveau 108 mit der magnetischen Quantenzahl mf = +1 bezeichnet sind. Das F=2 Energieniveau 111 des Grundzustands 116 weist fünf Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 107 mit der magnetischen Quantenzahl mf = -2 und das oberste Zeemann-Niveau 105 mit mf = +2 bezeichnet ist. Der Abstand 106 zweier benachbarter Zeemann-Niveaus beträgt ℏωLarmor, wobei ωLarmor der Frequenz des durch das anliegende Magnetfeld verursachten Larmor-Präzession der Elektronenspins im Magnetfeld (im Fall des NMR-Gyroskops: im Vormagnetisierungsfeld 300) entspricht.If the rubidium 87 atom is in an external magnetic field, for example a bias field 300, the energy levels 110, 111, 112, 113 of the hyperfine structure split further (Zeemann splitting), with each energy level 110, 111, 112, 113 having a number of 2F + 1 has sub-levels. For example, the F = 1 energy level 110 of the ground state 116 has three Zeemann levels, the lowest Zeemann level 109 with the magnetic quantum number m f = -1, the middle Zeemann level with the magnetic quantum number m f = 0 and the upper Zeemann level 108 are designated with the magnetic quantum number m f = +1. The F = 2 energy level 111 of the ground state 116 has five Zeemann levels, the lowest Zeemann level 107 being denoted by the magnetic quantum number m f = -2 and the topmost Zeemann level 105 being denoted by m f = +2. The distance 106 between two neighboring Zeemann levels is ℏω Larmor , where ω Larmor corresponds to the frequency of the Larmor precession of the electron spins in the magnetic field caused by the applied magnetic field (in the case of the NMR gyroscope: in the bias field 300).

Analog dazu weist das F=1 des ersten angeregten Zustands 112 drei Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 104 mit der magnetischen Quantenzahl mf = -1, das mittlere Zeemann-Niveau mit der magnetischen Quantenzahl mf = 0 und das obere Zeemann-Niveau 103 mit der magnetischen Quantenzahl mf = +1 bezeichnet sind. Das F=2 Energieniveau 113 des ersten angeregten Zustands 112 weist fünf Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 102 mit der Quantenzahl mf = -2 und das oberste Zeemann-Niveau 101 mit mf = +2 bezeichnet sind.Analogously, the F = 1 of the first excited state 112 has three Zeemann levels, the lowest Zeemann level 104 with the magnetic quantum number m f = -1, the middle Zeemann level with the magnetic quantum number m f = 0 and the upper Zeemann level 103 are designated with the magnetic quantum number m f = +1. The F = 2 energy level 113 of the first excited state 112 has five Zeemann levels, the lowest Zeemann level 102 being denoted by the quantum number m f = -2 and the topmost Zeemann level 101 being denoted by m f = +2.

Bei optischen Übergängen gilt die Auswahlregel Δ mf =±1, 0, wobei Δ mf die Differenz der magnetischen Quantenzahlen des Anfangs- und des Endzustands beschreibt. Die Übergänge mit Δ mf =±1 können durch Einstrahlen von zirkular polarisiertem σ±-polarisiertem Licht angeregt werden. Dadurch wird das Rubidium polarisiert. Ein Atom, das sich im Zeemann-Niveau 105 des Grundzustands 116 mit mf =2 (mf =-2) befindet, kann kein σ+-Photon (σ--Photon) absorbieren, weil es im ersten angeregten Zustand 117 kein Zeemann-Niveau mit mf = 3 (mf = -3) gibt, der aus Drehimpulserhaltungsgründen für die Absorption nötig wäre. Das bedeutet, dass sich alle Atome nach einer gewissen Pumpzeit im obersten (untersten) Zeemann-Niveau 105 des Grundzustands 116 mit mf =2 (mf = -2) befinden. Das entspricht einer Ausrichtung des Gesamtspins in Richtung des äußeren Magnetfelds (im Fall des spinbasierten Gyroskops: des Vormagnetisierungsfeldes). Anders gesagt kann durch Einstrahlen von σ+-Licht 120 mit einer Wellenlänge von 794,98 nm ein Großteil von Rubidium in einem Ensemble in die Zeemann-Niveaus des F=2 Zustands 113 gepumpt werden, da, durch einen starken Pumplaser, die Population schnell aus allen Zuständen gepumpt werden kann, ausgenommen davon ist der mf =2 Zustand, da kein Zustand mit Δ mf =1 in Reichweite ist. Selbiges für mf = -2 für σ--polarisiertes Licht und Δ mf = -1.In the case of optical transitions, the selection rule Δ m f = ± 1, 0 applies, where Δ m f describes the difference between the magnetic quantum numbers of the initial and final state. The transitions with Δ m f = ± 1 can be excited by irradiating circularly polarized σ ± -polarized light. This polarizes the rubidium. An atom that is in the Zeemann level 105 of the ground state 116 with m f = 2 (m f = -2) cannot absorb a σ + photon (σ - photon) because in the first excited state 117 there is no Zeemann Level with m f = 3 (m f = -3), which would be necessary for the absorption for reasons of conservation of angular momentum. This means that after a certain pumping time all atoms are in the uppermost (lowest) Zeemann level 105 of the ground state 116 with m f = 2 (m f = -2). This corresponds to an alignment of the total spin in the direction of the external magnetic field (in the case of the spin-based gyroscope: the bias field). In other words, by irradiating σ + light 120 with a wavelength of 794.98 nm, a large part of the rubidium in an ensemble can be pumped into the Zeemann levels of the F = 2 state 113, since, with a powerful pump laser, the population is rapid can be pumped from all states, with the exception of the m f = 2 state, since no state with Δ m f = 1 is within reach. Same for m f = -2 for σ - -polarized light and Δ m f = -1.

2 zeigt eine Skizze zur Illustration der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins 3021, 3022 im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012. In 2 sind eine Magnetfeldrichtung eines Vormagnetisierungsfeldes 300 und eine Magnetfeldrichtung eines oszillierenden Magnetfelds 301 (wobei die Oszillation durch einen Doppelpfeil angedeutet ist) eingezeichnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel orthogonal zueinander sind. Ein erster Pfeil 3021 repräsentiert einen polarisierten Elektronenspin, beispielsweise von Rubidium, mit der magnetischen Quantenzahl mf = 2, ein zweiter Pfeil 3022 repräsentiert einen polarisierten Elektronenspin, beispielsweise von Rubidium, mit der magnetischen Quantenzahl mf = -2. Eine Präzessionsbewegung 304 des Elektronenspins 3021 um das Vormagnetisierungsfeld 200 mit der magnetischen Quantenzahl mf = 2 ist entgegengesetzt zu einer Präzessionsbewegung 303 des Elektronenspins 3022 mit der magnetischen Quantenzahl mf = -2. Die polarisierten Elektronenspins 3021, 3022 mit magnetischer Quantenzahl umgekehrten Vorzeichens können durch optisches Pumpen mit umgekehrt zirkular polarisiertem Licht, d. h. σ+-polarisiertes Licht für mf = 2 und σ--polarisiertes Licht für mf = -2 generiert werden. Das oszillierende Magnetfeld 301 synchronisiert die Präzessionsbewegungen, sodass sie in Phase zueinander sind, aber einen entgegengesetzten Umlaufsinn haben, wie dies in der Skizze durch die beiden Kreise 303, 304 mit umgekehrter Pfeilrichtung angedeutet ist. Liest man nun mit einem Laser, unter Verwendung des magnetooptischen Faradayeffekts, die Präzessionsbewegungen optisch aus, verschwindet durch die gegenläufigen, synchronisierten Präzessionsbewegungen die Richtung, die normal zur Bildebene ist. 2 shows a sketch to illustrate the precession movements of the polarized electron spins 3021, 3022 in the first pump area 2011 and in the second pump area 2012. In 2 A magnetic field direction of a bias magnetic field 300 and a magnetic field direction of an oscillating magnetic field 301 (the oscillation being indicated by a double arrow) are shown, which in this exemplary embodiment are orthogonal to one another. A first arrow 3021 represents a polarized electron spin, for example of rubidium, with the magnetic quantum number m f = 2, a second arrow 3022 represents a polarized electron spin, for example of rubidium, with the magnetic quantum number m f = -2. A precession movement 304 of the electron spin 3021 around the bias field 200 with the magnetic quantum number m f = 2 is opposite to a precession movement 303 of the electron spin 3022 with the magnetic quantum number m f = -2. The polarized electron spins 3021, 3022 with a magnetic quantum number with the opposite sign can be generated by optical pumping with reverse circularly polarized light, ie σ + -polarized light for m f = 2 and σ - -polarized light for m f = -2. The oscillating magnetic field 301 synchronizes the precession movements so that they are in phase with one another but have an opposite direction of rotation, as indicated in the sketch by the two circles 303, 304 with the direction of the arrow reversed. If one reads out the precession movements optically with a laser using the magneto-optical Faraday effect, the direction that is normal to the image plane disappears due to the counter-rotating, synchronized precession movements.

3 zeigt einen beispielhaften Aufbau des spinbasierten Gyroskops 200. Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Dampfzellenanordnung 201, welches auf einem Heizelement 209 angeordnet ist. Prinzipskizzen der Dampfzellenanordnung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele sind in den 2 bis 9 und der zugehörigen Beschreibung zu finden. In der Dampfzellenanordnung 201 ist ein erstes Medium 204, insbesondere ein Alkalimetall, angeordnet, wobei mittels des Heizelements 209 ein Verdampfen des Alkalimetalls ermöglicht wird. Die Dampfzellenanordnung 201 ist von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 umgeben, welche ein statisches Magnetfeld, welches als Vormagnetisierungsfeld 300 dient, und ein oszillierendes Magnetfeld 301, welches mindestens eine Komponente orthogonal zu dem Vormagnetisierungsfeld 300 aufweist, am Ort der Dampfzellenanordnung 201 bereitstellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die
Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 ein zweiachsiges Helmholtz Spulenpaar. Alternativ kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 dreiachsige oder multiachsen Magnetfeldspulen umfassen, beispielsweise um Störfelder innerhalb der Dampfzellenanordnung 201 zu kompensieren oder unterschiedliche Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 (siehe z. B. 5, 6 und 8) für die Dampfzellenanordnung 201 bereitzustellen. Eine magnetische Abschirmung 207 ist in diesem Ausführungsbeispiel um die Dampfzellenanordnung 201 herum angeordnet, um die Dampfzellenanordnung 201 von umgebenden Magnetfeldern, wie beispielsweise dem Erdmagnetfeld, abzuschirmen.
Des Weiteren umfasst das spinbasierte Gyroskop 200 eine Beleuchtungsanordnung 205 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 in der Dampfzellenanordnung 201, wobei die Beleuchtungsanordnung 205 dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins 3021, 3022 des ersten Mediums 204 zu polarisieren. Das Vormagnetisierungsfeld 300 legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums 204 fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds 301 wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums 204 ermöglicht. Die Beleuchtungsanordnung 205 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Beleuchtungsquelle 2052 zum optischen Pumpen und einen Zirkularpolarisator 2051, wobei die von der Beleuchtungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung beim Durchgang durch den Zirkularpolarisator 2051 zu einem zirkular polarisierten Lichtstrahl als Pumpstrahl 2001 für das in der Dampfzellenanordnung 201 angeordnete erste Medium 204 wird. Als Beleuchtungsquellen 2052, 2084 können beispielsweise Laser oder Laserdioden, insbesondere Oberflächenemitter (VCSEL) verwendet werden.
Das spinbasierte Gyroskop 200 umfasst eine Detektionsanordnung 208, welche zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops 200 um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins eingerichtet ist. Die Detektionsanordnung 208 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Linearpolarisator 2081 und eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2084, wobei im Strahlengang zwischen der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 und der Dampfzellenanordnung 201 der Linearpolarisator 2081 angeordnet ist, sodass von der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 emittierte elektromagnetische Strahlung nach Passieren des Linearpolarisators 2081 als linear polarisierter Lichtstrahl 2000 auf die Dampfzellenanordnung 201 trifft und von dieser transmittiert 2002 wird. Des Weiteren umfasst die Detektionsanordnung 208 einen Polarisator 2083 und ein Detektorelement 2082, sodass unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts die Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins des ersten Mediums 204 in der Dampfzellenanordnung 201 als Messsignal 2003, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, welches ein Maß für die sich periodisch ändernden Strahlungsintensität ist, erfassbar ist. Das Messsignal 2003 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 2085 übermittelt, welche aus dem Messsignal 2003 ein Detektionssignal 2086 (beispielsweise eine Drehrate) des spinbasierten Gyroskops 200 bestimmt. Des Weiteren kann die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 zur Steuerung der Felder des spinbasierten Gyroskops eingerichtet sein. Beispielsweise kann mittels der Signalverarbeitungseinrichtung 2085 eine Kalibration des spinbasierten Gyroskops vorgenommen werden, indem in Abhängigkeit des Messsignals 2003 eine Anpassung der Felder, insbesondere der Magnetfelder 300, 301 oder der Temperatur mittels des Heizelements 209, erfolgt, sodass beispielsweise im Fall, dass das spinbasierte Gyroskop nicht rotiert wird, das Messsignal 2003 verschwindet (siehe oben). Des Weiteren kann die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 für eine elektronische Kalibrierung oder Korrektur des Messsignals 2003 eingerichtet sein. Die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 kann hierbei als Teil des spinbasierten Gyroskops 200 ausgebildet sein oder außerhalb des spinbasierten Gyroskops angeordnet sein, wobei das spinbasierte Gyroskop 200 in diesem Fall Kommunikationsschnittstellen aufweist, welche insbesondere eine Übermittlung der Messsignale 2003 des spinbasierten Gyroskops 200 an die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 ermöglicht.
3 shows an exemplary structure of the spin-based gyroscope 200. The NMR gyroscope 200 comprises a steam cell arrangement 201, which is arranged on a heating element 209. Basic sketches of the steam cell arrangement according to various exemplary embodiments are shown in FIGS 2 until 9 and the associated description. A first medium 204, in particular an alkali metal, is arranged in the vapor cell arrangement 201, with the alkali metal being made possible by means of the heating element 209. The steam cell arrangement 201 is surrounded by a magnetic field generating device 206, which provides a static magnetic field, which serves as a bias field 300, and an oscillating magnetic field 301, which has at least one component orthogonal to the bias field 300, at the location of the steam cell arrangement 201. In this embodiment, the
Magnetic field generating device 206 a two-axis Helmholtz coil pair. Alternatively, the magnetic field generating device 206 can comprise three-axis or multi-axis magnetic field coils, for example in order to compensate for interference fields within the steam cell arrangement 201 or different bias fields 3001, 3002 (see e.g. 5 , 6th and 8th ) to be provided for the steam cell arrangement 201. In this exemplary embodiment, a magnetic shield 207 is arranged around the steam cell arrangement 201 in order to shield the steam cell arrangement 201 from surrounding magnetic fields, such as, for example, the earth's magnetic field.
Furthermore, the spin-based gyroscope 200 comprises a lighting arrangement 205 for illuminating the first medium 204 in the vapor cell arrangement 201, the lighting arrangement 205 being set up to polarize electron spins 3021, 3022 of the first medium 204 by optical pumping. The bias magnetic field 300 defines a direction of a precession movement of the polarizable electron spins of the first medium 204, and synchronization of the precession movements of the polarizable electron spins of the first medium 204 is made possible by means of the oscillating magnetic field 301. In this exemplary embodiment, the lighting arrangement 205 comprises a lighting source 2052 for optical pumping and a circular polarizer 2051, the electromagnetic radiation emitted by the lighting source when passing through the circular polarizer 2051 to a circularly polarized light beam as a pump beam 2001 for the first medium 204 arranged in the vapor cell arrangement 201 will. As lighting sources 2052, 2084, for example, lasers or laser diodes, in particular surface emitters (VCSEL) can be used.
The spin-based gyroscope 200 comprises a detection arrangement 208 which is set up to detect a rotation of the spin-based gyroscope 200 about a direction of the bias field 300 from a change in the precession movement of the polarizable electron spins. In this exemplary embodiment, the detection arrangement 208 comprises a linear polarizer 2081 and a readout illumination source 2084, the linear polarizer 2081 being arranged in the beam path between the readout illumination source 2084 and the vapor cell arrangement 201, so that electromagnetic radiation emitted by the readout illumination source 2084 after passing the linear polarizer 2081 hits the vapor cell arrangement 201 as a linearly polarized light beam 2000 and is transmitted 2002 by the latter. Furthermore, the detection arrangement 208 comprises a polarizer 2083 and a detector element 2082, so that, using the magneto-optical Faraday effect, the precession movements of the polarized electron spins of the first medium 204 in the vapor cell arrangement 201 as a measurement signal 2003, for example in the form of an electrical signal, which is a measure for is the periodically changing radiation intensity, can be detected. The measurement signal 2003 is transmitted to a signal processing device 2085, which determines a detection signal 2086 (for example a rate of rotation) of the spin-based gyroscope 200 from the measurement signal 2003. Furthermore, the signal processing device 2085 can be set up to control the fields of the spin-based gyroscope. For example, the signal processing device 2085 can be used to calibrate the spin-based gyroscope by adapting the fields, in particular the magnetic fields 300, 301 or the temperature using the heating element 209, as a function of the measurement signal 2003, so that, for example, in the event that the spin-based gyroscope is not rotated, the measurement signal 2003 disappears (see above). Furthermore, the signal processing device 2085 can be set up for electronic calibration or correction of the measurement signal 2003. The signal processing device 2085 can be designed as part of the spin-based gyroscope 200 or be arranged outside the spin-based gyroscope, the spin-based gyroscope 200 in this case having communication interfaces which, in particular, enable the measurement signals 2003 of the spin-based gyroscope 200 to be transmitted to the signal processing device 2085.

Die in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele illustrieren die Initialisierung der beiden Pumpbereiche 2011, 2012, sodass Teilsignale sich ungleich für die Art eines äußeren Rotationseinflusses des spinbasierten Gyroskops 200 ändern.The ones in the 4th until 9 The illustrated exemplary embodiments illustrate the initialization of the two pump regions 2011, 2012, so that partial signals change unequally for the type of external rotation influence of the spin-based gyroscope 200.

4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200. Die Dampfzellenanordnung 201 umfasst hierbei eine erste Dampfzelle 2011a und eine zweite Dampfzelle 2012a, wobei in beiden Dampfzellen jeweils das erste Medium 204 angeordnet ist. Alternativ (wie beispielsweise in 9 dargestellt) kann die Dampfzellenanordnung 201 eine Dampfzelle umfassen, wobei neben dem ersten Medium 204 ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Spin-Spin-Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die erste Dampfzelle als erster Pumpbereich 2011 und die zweite Dampfzelle dient als zweiter Pumpbereich 2012. Das Vormagnetisierungsfeld 300 im ersten Pumpbereich 2011 ist parallel zum Vormagnetisierungsfeld 300 im zweiten Pumpbereich 2012. Insbesondere können sich der erste Pumpbereich 2011 und der zweite Pumpbereich 2012 auch im gleichen, im Bereich der Dampfzellenanordnung 201 vorzugsweise homogenen Vormagnetisierungsfeld 300 befinden. Die Beleuchtungsanordnung 205 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich 2011 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 zirkular polarisiertes Licht 2001a parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 und im zweiten Pumpbereich 2012 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 zirkular polarisiertes Licht 2001b parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 bereitzustellen, wobei das Licht 2001a, 2001b im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Beispielsweise ist das Licht 2001a zum optischen Pumpen des ersten Pumpbereichs 2011 σ+-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen des zweiten Pumpbereichs 2012 σ--polarisiert. Dadurch sind die beiden Dampfzellen 2011a, 2012a in Zustände mit magnetischer Quantenzahl umgekehrten Vorzeichens initialisiert, d. h. dadurch führen die Elektronenspins des ersten Mediums 204 (z.B. von direkt gepumptem Alkali Dampf: z.B. Rb, Cs, K, Hg) Präzessionsbewegungen in einander entgegengesetzter Richtung aus. Hierzu können eine oder zwei Beleuchtungsquellen 2052 mit entsprechenden Zirkularpolarisatoren 2051 im Strahlengang zwischen Beleuchtungsquelle 2052 und Dampfzellenanordnung 201 verwendet werden. Das Initialisieren der Atome in den Zellen in unterschiedliche Zustände erfolgt hier durch Verwendung von umgekehrt zirkular polarisiertem Licht 2001a, 2001b. Das Vormagnetisierungsfeld 300 ist vorzugsweise über beide Dampfzellen 2011a, 2012a hinweg dasselbe. Die lokale Magnetisierung der Dampfzelle 2011a, 2012a kann eine Ungleichheit der Magnetfelder der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a zur Folge haben. Vorzugsweise wird diese korrigiert, um in den beiden Dampfzellen 2011a, 2012a genau dieselbe Frequenz der Präzessionsbewegung zu erhalten. Die Korrektur kann beispielsweise durch

  • • Verwendung einer Co-Magnetometer-Konfiguration, bei welcher die Zellmagnetisierung verschwindet,
  • • Kalibrierung der Effektstärke, da dieser Effekt sich zeitlich nicht ändert, in der Signalverarbeitung,
  • • Kompensation durch den Aufbau (Verwenden eines größeren Bereichs, welcher das schwächere Feld sieht, um die Effekte auf dieselbe Größe zu bekommen),
  • Anpassung des Vormagnetisierungsfeldes 300 beispielsweise durch eine magnetische Abschirmung mit diamagnetischen Platten bzw. eine Verstärkung bei der jeweils anderen Dampfzelle 2011a, 2012a mit paramagnetischen Platten 2070, wie dies in 4 gezeigt ist, oder durch eine Korrekturspule, etc.
erfolgen. Die Detektion der Signale (Präzessionsfrequenz) der Dampfzellen 2011a, 2012a über den Detektionslaser 2084 erfolgt üblicherweise über eine magnetooptische Drehung der Laserpolarisation (Faradayeffekt), welche proportional zur Magnetisierung der Elektronenpins des ersten Mediums 204 (welche bei den vorherrschenden Frequenzen oszilliert) in Laserrichtung ist. Die durch das statische angelegte Vormagnetisierungsfeld 300 resultierende Larmor-Präzession, sowie die Präzessionsänderung durch einen beliebigen, für beide Dampfzellen 2011a, 2012a gleichförmigen Störeinfluss, hat also in der ersten Dampfzelle 2011a eine Drehung der Polarisation um einen gewissen Winkel zur Folge. In der zweiten Dampfzelle 2012a erfolgt dann eine Drehung der Polarisation in entgegengesetzter Richtung. Das Messsignal 2003, welches sich aus dem gleichförmigen Störeinfluss ergibt, hebt sich somit auf und verschwindet. Liegt eine Drehrate an, ist diese für beide Dampfzellen 2011a, 2012b gleich und gemessen wird eine Drehung proportional zum Doppelten der Drehrate. 4th shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope 200. The steam cell arrangement 201 here comprises a first steam cell 2011a and a second steam cell 2012a, the first medium 204 being arranged in each of the two steam cells. Alternatively (such as in 9 shown), the steam cell arrangement 201 can comprise a steam cell, with a buffer gas being arranged in the steam cell in addition to the first medium 204, which by spatial restriction of the spin-spin interaction in the steam cell realizes the first pump area 2011 and the second pump area 2012. In the in 4th The first steam cell serves as the first pump area 2011 and the second steam cell serves as the second pump area 2012. The bias field 300 in the first pump area 2011 is parallel to the bias field 300 in the second pump area 2012. In particular, the first pump area 2011 and the second pump area 2012 can also are located in the same premagnetization field 300, which is preferably homogeneous in the region of the vapor cell arrangement 201. In this exemplary embodiment, the lighting arrangement 205 is set up to provide circularly polarized light 2001a parallel to the direction of the bias field 300 in the first pump area 2011 for illuminating the first medium 204 and circularly polarized light 2001b parallel to the direction in the second pump area 2012 for illuminating the first medium 204 of the bias field 300, the light 2001a, 2001b being circularly polarized in the first pump area 2011 and in the second pump area 2012 with opposite directions of rotation. For example, the light 2001a is -polarisiert 2011 + σ for optical pumping of the first pump portion and the light 2001b for the optical pumping of the second pump region 2012 σ - -polarisiert. As a result, the two vapor cells 2011a, 2012a are initialized in states with a magnetic quantum number with the opposite sign, i.e. the electron spins of the first medium 204 (e.g. from directly pumped alkali steam: e.g. Rb, Cs, K, Hg) carry out precession movements in opposite directions. For this purpose, one or two lighting sources 2052 with corresponding circular polarizers 2051 can be used in the beam path between the lighting source 2052 and the steam cell arrangement 201. The initialization of the atoms in the cells in different states takes place here by using reversely circularly polarized light 2001a, 2001b. The bias field 300 is preferably the same across both vapor cells 2011a, 2012a. The local magnetization of the steam cell 2011a, 2012a can result in an inequality of the magnetic fields of the two steam cells 2011a, 2012a. Preferably this is corrected to in the two Steam cells 2011a, 2012a to get exactly the same frequency of the precession movement. The correction can for example by
  • • Use of a co-magnetometer configuration in which the cell magnetization disappears,
  • • Calibration of the effect strength, since this effect does not change over time, in the signal processing,
  • • Compensation by construction (using a larger area that sees the weaker field in order to get the effects on the same size),
  • • Adaptation of the bias field 300, for example, by magnetic shielding with diamagnetic plates or reinforcement in the respective other steam cell 2011a, 2012a with paramagnetic plates 2070, as shown in FIG 4th shown, or by a correction coil, etc.
respectively. The detection of the signals (precession frequency) of the vapor cells 2011a, 2012a via the detection laser 2084 usually takes place via a magneto-optical rotation of the laser polarization (Faraday effect), which is proportional to the magnetization of the electron pins of the first medium 204 (which oscillates at the prevailing frequencies) in the laser direction. The Larmor precession resulting from the static applied bias field 300, as well as the change in precession due to any interference influence that is uniform for both steam cells 2011a, 2012a, thus results in a rotation of the polarization by a certain angle in the first steam cell 2011a. In the second vapor cell 2012a, the polarization is then rotated in the opposite direction. The measurement signal 2003, which results from the uniform interference, cancels out and disappears. If there is a rate of rotation, it is the same for both steam cells 2011a, 2012b and a rotation is measured proportional to twice the rate of rotation.

5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200, wobei der Aufbau gleich dem in 4 gezeigten Aufbau ist. Ein Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem durch unterschiedlich gepumpte Zustände Signale in verschiedener Präzessionsrichtung erzeugt werden, ist, dass in 5 die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 am Ort des ersten Pumpbereichs 2011 und die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 3002 am Ort des zweiten Pumpbereichs 2012 antiparallel zueinander sind und das Licht 2001a zum optischen Pumpen des ersten Pumpbereichs 2011 σ+-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen des zweiten Pumpbereichs 2012 ebenfalls σ+-polarisiert, wobei die Einstrahlrichtungen jeweils parallel zum zugehörigen Vormagnetisierungsfeld 3001, 3002 der Pumpbereiche 2011, 2012 und somit antiparallel zueinander sind. Die Pumpbereiche 2011, 2012 sind in 5 als zwei separate Dampfzellen realisiert. Alternativ ist die Realisierung der beiden Pumpbereiche 2011, 2012 auch in einer Dampfzelle möglich (siehe 9), wobei ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Spin-Spin-Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert realisiert. Die beiden Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 in 5 sind beispielsweise durch unterschiedliche Spulenpaare, welche Teil der Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 sind, erzeugbar, wobei jeder Dampfzelle 2011a, 2012a ein eigenes Spulenpaar zur Erzeugung des jeweiligen Vormagnetisierungsfeldes 3001, 3002 zugeordnet ist. Rauschen, das von der Magnetfelderzeugung herrührt, kann ebenfalls ausgelöscht werden, wenn eine gemeinsame Stromquelle verwendet wird. Dies gilt für die meisten internen Störquellen und für externe Störgrößen, wie z.B. Temperaturänderung, die gleichförmig über beide Pumpbereiche 2011, 2012 sind. Die Korrektur von äußeren Störfeldern erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über äußere Abschirmungen, wie beispielsweise die magnetische Abschirmung 207 (siehe beispielsweise 3), da diese hier sonst nicht mehr von einer Rotation zu unterscheiden sind. Das Initialisieren der Elektronenpins in gegenläufige Präzessionsbewegungen erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel folglich durch Anlegen antiparalleler Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002. Störungen im statischen Magnetfeld 3001, 3002 können, sofern unabhängig für die Zellen 2011a, 2012a, durch Verwendung von Magnetfeldaufbauten, wie z.B. Hallbach Arrays, welche ein stabiles Magnetfeld erzeugen können, reduziert werden. 5 FIG. 11 shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope 200, the structure being the same as that in FIG 4th is the structure shown. A difference to the in 4th The embodiment shown, in which signals are generated in different directions of precession by differently pumped states, is that in 5 the magnetic field direction of the bias field 300 at the location of the first pumping area 2011 and the magnetic field direction of the biasing field 3002 at the location of the second pumping area 2012 are antiparallel to each other and the light 2001a for optically pumping the first pumping area 2011 σ + -polarized and the light 2001b for optically pumping the second Pump area 2012 also σ + -polarized, the radiation directions each being parallel to the associated bias field 3001, 3002 of the pump areas 2011, 2012 and thus antiparallel to one another. The 2011, 2012 pumping areas are in 5 realized as two separate steam cells. Alternatively, the two pump areas 2011, 2012 can also be implemented in a steam cell (see 9 ), wherein a buffer gas is arranged in the steam cell, which realizes the first pump area 2011 and the second pump area 2012 through spatial restriction of the spin-spin interaction in the steam cell. The two bias fields 3001, 3002 in 5 can be generated, for example, by different coil pairs which are part of the magnetic field generating device 206, each steam cell 2011a, 2012a being assigned its own coil pair for generating the respective bias field 3001, 3002. Noise resulting from the generation of the magnetic field can also be canceled if a common power source is used. This applies to most internal sources of disturbance and to external disturbance variables, such as temperature change, which are uniform over both pump areas in 2011, 2012. In this exemplary embodiment, external interference fields are corrected using external shields, such as magnetic shield 207 (see, for example, FIG 3 ), since otherwise they can no longer be distinguished from a rotation. In this exemplary embodiment, the electron pins are initialized in opposing precession movements by applying anti-parallel bias fields 3001, 3002 can generate a stable magnetic field can be reduced.

6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel bis auf die Beleuchtungsanordnung 205 übereinstimmt. Ein Unterschied zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht insbesondere darin, dass in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine Beleuchtungsquelle 2052, 2084 verwendet wird, um das optische Pumpen und das Auslesen zu ermöglichen. Insbesondere wird hierbei als Beleuchtungsquelle 2052, 2084 mit nachgeschaltetem Zirkularpolarisator ein Laser für Pump- und Ausleseprozess verwendet, wobei beispielsweise σ+-polarisiertes Licht erzeugt wird. Dies ist möglich durch Anpassung der Detektionsmethode (siehe oben Mz-Modus vs Mx-Modus). Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen sehr kompakten und einfachen Aufbau aus. 6th FIG. 4 shows a cross-section of a section of the spin-based gyroscope 200, the structure with that from FIG 5 shown embodiment coincides except for the lighting arrangement 205. A difference to the in 5 The embodiment shown is in particular that in the in 6th illustrated embodiment, only one illumination source 2052, 2084 is used to enable optical pumping and readout. In particular, a laser for the pumping and readout process is used as the illumination source 2052, 2084 with a circular polarizer connected downstream, with σ + -polarized light being generated, for example. This is possible by adapting the detection method (see above M z mode vs M x mode). This embodiment is characterized by a very compact and simple structure.

7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, wobei zusätzlich im Strahlengang zwischen der ersten Dampfzelle 2011a und der zweiten Dampfzelle 2012a ein Strahlteiler 210 angeordnet ist, welcher den Auslese-Lichtstrahl 2000 (linear polarisiertes Licht) in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei ein erster Teilstrahl nach Passieren der zweiten Dampfzelle 2012a und des ersten Polarisators 2083a auf das erste Detektorelement 2082a auftrifft und wobei ein zweiter Teilstrahl nach Passieren eines zweiten Polarisators 2083b auf ein zweites Detektorelement 2082b auftrifft. Das erste Detektorelement 2082a erfasst somit die Summe der Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a, bei denen sich Störterme aufgrund der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Elektronenspins auslöschen (siehe oben). Das zweite Detektorelement 2082b erfasst jedoch nur das Signal der ersten Dampfzelle 2011a, in dem noch sämtliche Störterme enthalten sind. Diese Kenntnisse ermöglichen fortgeschrittene Kalibrierungsmethoden: Beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität realisiert werden. Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Zellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen die sich auslöschen), sondern auch Gradienten korrigiert werden können. Durch Subtraktion des erfassten Signals des zweiten Detektorelements 2082b von dem Messsignal 2003 des ersten Detektorelements 2082a erhält man das Signal der zweiten Dampfzelle 2012a. Damit sind sowohl die rauschbehafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a sowie das intrinsisch korrigierte Messsignal 2003, welches sich aus der Summe der beiden Signale ergibt, bekannt. Die Kenntnis all dieser Signale erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Zellen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Zellen sind, wie es die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein spinbasiertes Gyroskop 200, das gegenüber Gradienten und gleichförmigen Störungen korrigierbar ist. 7th FIG. 4 shows a cross-section of a section of the spin-based gyroscope 200, the structure with that from FIG 4th The embodiment shown matches, with a beam splitter 210 additionally being arranged in the beam path between the first steam cell 2011a and the second steam cell 2012a, which splits the readout light beam 2000 (linearly polarized light) into two partial beams, a first partial beam after passing through the second steam cell 2012a and of the first polarizer 2083a impinges on the first detector element 2082a and wherein a second partial beam impinges on a second detector element 2082b after passing through a second polarizer 2083b. The first detector element 2082a thus detects the sum of the signals from the two vapor cells 2011a, 2012a in which disturbance terms cancel out due to the opposing precession movements of the electron spins (see above). However, the second detector element 2082b only detects the signal from the first vapor cell 2011a, which still contains all the disturbance terms. This knowledge enables advanced calibration methods: For example, if the system is to be calibrated individually for different influences, it is good to have a signal that contains all the noise terms and thus can be differentiated between them. This enables higher precision and drift stability to be achieved. A great advantage of this exemplary embodiment is that not only disturbances present uniformly for both cells (signals of the same size with different signs which cancel each other out), but also gradients can be corrected. By subtracting the detected signal of the second detector element 2082b from the measurement signal 2003 of the first detector element 2082a, the signal of the second vapor cell 2012a is obtained. Both the noisy signals of the two steam cells 2011a, 2012a and the intrinsically corrected measurement signal 2003, which results from the sum of the two signals, are thus known. Knowing all these signals allows gradients between the cells to be corrected, since influences which are not the same for both cells, such as the rate of rotation, can be identified. In this exemplary embodiment, a spin-based gyroscope 200 is thus obtained which can be corrected with regard to gradients and uniform disturbances.

8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmt und zusätzlich am zweiten Pumpbereich 2012 die optionalen paramagnetische Platten 2070 angeordnet sind und im Strahlengang zwischen der ersten Dampfzelle 2011a und der zweiten Dampfzelle 2012a ein Strahlteiler 210 angeordnet ist, welcher den Auslese-Lichtstrahl 2000 (linear polarisiertes Licht) in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei ein erster Teilstrahl nach Passieren der zweiten Dampfzelle 2012a und des ersten Polarisators 2083a auf das erste Detektorelement 2082a auftrifft und wobei ein zweiter Teilstrahl nach Passieren eines zweiten Polarisators 2083b auf ein zweites Detektorelement 2082b auftrifft. Das erste Detektorelement 2082a erfasst somit die Summe der Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a, bei denen sich Störterme aufgrund der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Elektronenspins auslöschen (siehe oben). Das zweite Detektorelement 2082b erfasst jedoch nur das Signal der ersten Dampfzelle 2011a, in dem noch sämtliche Störterme enthalten sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird statt optischen Pumpens in unterschiedliche Zustände durch umgekehrt zirkular polarisiertes Licht die Magnetfeldrichtungen der Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 für die beiden Pumpbereiche 2011, 2012 umgekehrt, d. h. antiparallel zueinander, gewählt, wie dies durch die in entgegengesetzte Richtung zeigenden Pfeile in 5 und 8 angedeutet ist. Rauschen dieser Felder kann weiter korrigiert werden, wenn diese dieselbe Stromquelle nutzen. Da in diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Summe der Signale als auch die einzelnen Signale bekannt sind, ist hier aber ebenfalls eine umfangreiche Korrektur von äußeren Störgrößen möglich. Beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität realisiert werden. Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Zellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen die sich auslöschen), sondern auch Gradienten korrigiert werden können. Durch Subtraktion des erfassten Signals des zweiten Detektorelements 2082b von dem Messsignal 2003 des ersten Detektorelements 2082a erhält man das Signal der zweiten Dampfzelle 2012a. Damit sind sowohl die rasch behafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a sowie das intrinsisch korrigierte Messsignal 2003, welches sich aus der Summe der beiden Signale ergibt, bekannt. Die Kenntnis von beiden Signalen erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Zellen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Zellen sind, wie es die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein spinbasiertes Gyroskop 200, das gegenüber Gradienten und gleichförmigen Störungen korrigierbar ist. 8th FIG. 4 shows a cross-section of a section of the spin-based gyroscope 200, the structure with that from FIG 5 The embodiment shown matches and the optional paramagnetic plates 2070 are also arranged on the second pump area 2012 and a beam splitter 210 is arranged in the beam path between the first steam cell 2011a and the second steam cell 2012a, which splits the readout light beam 2000 (linearly polarized light) into two partial beams , with a first partial beam impinging on the first detector element 2082a after passing through the second vapor cell 2012a and the first polarizer 2083a and with a second partial beam impinging on a second detector element 2082b after passing through a second polarizer 2083b. The first detector element 2082a thus detects the sum of the signals from the two vapor cells 2011a, 2012a in which disturbance terms cancel out due to the opposing precession movements of the electron spins (see above). However, the second detector element 2082b only detects the signal from the first vapor cell 2011a, which still contains all the disturbance terms. In this exemplary embodiment, instead of optical pumping in different states by reversely circularly polarized light, the magnetic field directions of the bias fields 3001, 3002 for the two pump areas 2011, 2012 are reversed, that is, antiparallel to one another, as indicated by the arrows pointing in the opposite direction in 5 and 8th is indicated. Noise from these fields can be further corrected if they use the same power source. Since both the sum of the signals and the individual signals are known in this exemplary embodiment, an extensive correction of external disturbance variables is also possible here. For example, if the system is to be individually calibrated for different influences, it is good to have a signal that contains all the noise terms and can thus be differentiated between them. This enables higher precision and drift stability to be achieved. A great advantage of this exemplary embodiment is that not only disturbances present uniformly for both cells (signals of the same size with different signs which cancel each other out), but also gradients can be corrected. By subtracting the detected signal of the second detector element 2082b from the measurement signal 2003 of the first detector element 2082a, the signal of the second vapor cell 2012a is obtained. Both the rapidly affected signals of the two steam cells 2011a, 2012a and the intrinsically corrected measurement signal 2003, which results from the sum of the two signals, are thus known. Knowledge of both signals allows gradients between the cells to be corrected, since influences which are not the same for both cells, such as the rate of rotation, can be identified. In this exemplary embodiment, a spin-based gyroscope 200 is thus obtained which can be corrected with regard to gradients and uniform disturbances.

9 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des spinbasierten Gyroskops 200, wobei die Dampfzellenanordnung 201 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dampfzelle 2013 umfasst, welche den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 umfasst. Es ist hierbei ein Puffergas in der Dampfzelle 2013 angeordnet, welches durch räumliche Einschränkung der Spin-Spin-Wechselwirkung in der Dampfzelle 2013 den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert. Die Pumpbereiche 2011, 2012 sind in der 8 durch gestrichelte Kreise angedeutet. Des Weiteren wird hierbei nur eine Beleuchtungsquelle 2052 zum optischen Pumpen benötigt, da der Lichtstrahl nach Passieren des ersten Pumpbereichs 2011 durch optische Elemente (in 9 nicht dargestellt), wie beispielsweise Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, umgelenkt wird und antiparallel zu der Einstrahlrichtung im ersten Pumpbereich 2011 durch den zweiten Pumpbereich 2012 verläuft. Hierbei wird ausgenutzt, dass gilt, dass ein rechts zirkular polarisierter Laser entgegen dem statischen Vormagnetisierungsfeld 300 gleich einem linkszirkular polarisierten Laser entlang dem Vormagnetisierungsfeld 300 ist (in der Regel wird eine Superposition von beiden zur AC Stark Kompensation verwendet). 9 FIG. 10 shows a cross section of a section of the spin-based gyroscope 200, the steam cell arrangement 201 in this exemplary embodiment comprising a steam cell 2013 which includes the first pump area 2011 and the second pump area 2012. In this case, a buffer gas is arranged in the steam cell 2013, which realizes the first pump area 2011 and the second pump area 2012 through spatial restriction of the spin-spin interaction in the steam cell 2013. The Pumpbe rich 2011, 2012 are in the 8th indicated by dashed circles. Furthermore, only one illumination source 2052 is required for optical pumping, since the light beam after passing through the first pumping area 2011 through optical elements (in 9 not shown), such as, for example, a mirror, in particular a micromirror, is deflected and runs antiparallel to the direction of irradiation in the first pump area 2011 through the second pump area 2012. This makes use of the fact that a right circularly polarized laser against the static bias field 300 is equal to a left circularly polarized laser along the bias field 300 (usually a superposition of both is used for AC Stark compensation).

Die in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele können statt mit zwei Beleuchtungsquellen 2052 zum optischen Pumpen alle auch mit nur einer Beleuchtungsquelle analog zu der Verwendung in 9 realisiert werden.The ones in the 4th until 8th Instead of having two lighting sources 2052 for optical pumping, the exemplary embodiments shown can all also have only one lighting source, analogous to the use in FIG 9 will be realized.

Alternativ oder ergänzend können die in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele mit zwei Dampfzellen 2011a, 2012a analog zu 9 mit einer Dampfzelle 2013, in welcher ein Puffergas angeordnet ist, sodass beide Pumpbereiche 2011, 2012 in einer Dampfzelle 2013 erzeugbar sind, realisiert werden. Denn es gilt: Werden Dampfzellen 2013 mit Puffergas verwendet, so sind die Spinwechselwirkungen räumlich (abhängig vom verwendeten Gas und dessen Druck eingeschränkt. Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N2), Argon (Ar) oder ein Gemisch aus Stickstoff (N2) und Argon (Ar) mit Drücken zwischen einigen 10Torr und einigen 100Torr verwendet, insbesondere 45 Torr bis 450 Torr. Es ist also möglich anstatt von zwei Dampfzellen 2011a, 2012a, nur eine Dampfzelle 2013 mit unterschiedlich gepumpten Bereichen 2011, 2012 zu verwenden.Alternatively or in addition, the 4th until 8th Embodiments shown with two steam cells 2011a, 2012a analogous to 9 with a steam cell 2013 in which a buffer gas is arranged so that both pump areas 2011, 2012 can be generated in a steam cell 2013. The following applies: If steam cells 2013 are used with buffer gas, the spin interactions are limited spatially (depending on the gas used and its pressure. The buffer gas can be, for example, nitrogen (N 2 ), argon (Ar) or a mixture of nitrogen (N 2 ) and Argon (Ar) is used with pressures between a few 10 Torr and a few 100 Torr, in particular 45 Torr to 450 Torr. It is therefore possible to use only one steam cell 2013 with differently pumped areas 2011, 2012 instead of two steam cells 2011a, 2012a.

10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrensablaufs 400 zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops 200. Das Verfahren 400 umfasst den Schritt: Erzeugen 401 einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich 2011 und Erzeugen 401 einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im zweiten Pumpbereich 2012. Die Polarisation der Elektronenspins erfolgt insbesondere durch optisches Pumpen der Elektronenspins 3021, 3022 des ersten Mediums 204. Die Synchronisation der Präzessionsbewegung der Elektronenspins erfolgt durch Einstrahlen des oszillierenden Magnetfeldes 301, welches mindestens eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300, 3001, 3002 aufweist. Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 den Schritt: Optisches Auslesen 402 der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012. Beim optische Auslesen kann insbesondere ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung 201 mit linear polarisiertem Licht 2000 und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung 201 transmittierten Licht 2002 erfolgen. Die Einstrahlrichtung des Auslese-Lichtstrahls 2000 weist mindestens eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300, 3001, 3002 auf. Beim optischen Auslesen kann die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 erfasst werden. Das Messsignal 2003 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 2085 übermittelt, welche aus dem Messsignal 2003 ein Detektionssignal 2086 (beispielsweise eine Drehrate) des spinbasierten Gyroskops 200 bestimmen kann (siehe oben). Liest eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 die zwei Pumpbereiche 2011, 2012 aus, welche durch Spin-Präzessions-Signale, welche in Phase (Zu beachten ist hier die Richtung des Auslesens, da das Signal sich in einer Richtung immer zum Doppelten addiert, wohingegen es in der dazu senkrechten Richtung verschwindet, siehe 2) mit selber Präzessionsursache aber umgekehrter Präzessionsrichtung, charakterisiert sind, erhält man ein optimiertes Signal, welches weniger Störeinflüsse besitzt. Alternativ oder ergänzend können beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 und die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich 2011 separat erfasst werden (beispielsweise mittels dem spinbasierten Gyroskop aus den Ausführungsbeispielen in 8 und 9). 10 shows a flowchart of a method sequence 400 for operating the spin-based gyroscope 200. The method 400 comprises the step: generating 401 a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the first pump area 2011 and generating 401 a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the second pump area 2012. The polarization of the electron spins takes place in particular by optically pumping the electron spins 3021, 3022 of the first medium 204. The precession movement of the electron spins is synchronized by irradiating the oscillating magnetic field 301, which has at least one component orthogonal to the magnetic field direction of the bias field 300, 3001, 3002. Furthermore, the method 400 comprises the step: Optical readout 402 of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area 2011 and in the second pump area 2012. During optical readout, linearly polarized light 2000 can be irradiated through the vapor cell arrangement 201 and the detection of the vapor cell arrangement 201 transmitted light take place in 2002. The direction of incidence of the readout light beam 2000 has at least one component orthogonal to the magnetic field direction of the bias field 300, 3001, 3002. During the optical readout, the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area 2011 and in the second pump area 2012 can be recorded. The measurement signal 2003 is transmitted to a signal processing device 2085, which can determine a detection signal 2086 (for example a rate of rotation) of the spin-based gyroscope 200 from the measurement signal 2003 (see above). Reads a readout illumination source 2084 from the two pump areas 2011, 2012, which are generated by spin precession signals, which are in phase (the direction of readout must be taken into account here, as the signal always adds twice in one direction, whereas in the direction perpendicular to it disappears, see 2 ) are characterized with the same cause of precession but the opposite direction of precession, an optimized signal is obtained which has less interference. Alternatively or additionally, the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area 2011 and in the second pump area 2012 and the precession movement in the first pump area 2011 can be recorded separately (for example by means of the spin-based gyroscope from the exemplary embodiments in FIG 8th and 9 ).

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  • „MEMS Components for NMR Atomic Sensors" (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) [0004]"MEMS Components for NMR Atomic Sensors" (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27 (6): 1148-1159, Dec. 2018) [0004]

Claims (12)

Spinbasiertes Gyroskop (200), umfassend • eine Dampfzellenanordnung (201), umfassend ein erstes Medium (204), welches in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet ist, • eine Beleuchtungsanordnung (205) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) in der Dampfzellenanordnung (201), wobei die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins (3021, 3022) des ersten Mediums (204) zu polarisieren, • eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds (300) und eines oszillierenden Magnetfeldes (301) am Ort der Dampfzellenanordnung (201), wobei das Vormagnetisierungsfeld (300) zur Festlegung einer Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums (204) und das oszillierende Magnetfeld (301) zur Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Elektronenspins des ersten Mediums (204) eingerichtet sind und • eine Detektionsanordnung (208) zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops (200) um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) einen ersten Pumpbereich (2011) und einen zweiten Pumpbereich (2012) aufweist, • wobei im ersten Pumpbereich (2011) eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich (2011) befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist, • wobei im zweiten Pumpbereich (2012) eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich (2012) befindlichen polarisierbaren Elektronenspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist und • wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind. Spin-based gyroscope (200), comprising • a steam cell arrangement (201) comprising a first medium (204) which is arranged in the steam cell arrangement (201), • a lighting arrangement (205) for illuminating the first medium (204) in the steam cell arrangement ( 201), the lighting arrangement (205) being set up to polarize electron spins (3021, 3022) of the first medium (204) by optical pumping, a magnetic field generating device (206) for providing a bias field (300) and an oscillating magnetic field (301 ) at the location of the vapor cell arrangement (201), the bias field (300) for establishing a direction of a precession movement of the polarizable electron spins of the first medium (204) and the oscillating magnetic field (301) for synchronizing the precession movements of the polarizable electron spins of the first medium (204) are set up and • a detection arrangement (208) for detecting a rotation of the spin-based gyroscope (200) is set up around a direction of the bias field (300) from a change in the precession motion of the polarizable electron spins, characterized in that the vapor cell arrangement (201) has a first pump area (2011) and a second pump area (2012), whereby in the first pumping area (2011) a precession movement of the polarizable electron spins located in the first pumping area (2011) can be generated with a first direction of rotation second direction of rotation can be generated and • wherein the first direction of rotation and the second direction of rotation are opposite to one another. Spinbasiertes Gyroskop (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung (208) einen Polarisator (2083) und einen Strahlungssensor (2082) zur Erfassung eines von der Dampfzellenanordnung (201) transmittierten Lichts (2002) nach Durchgang durch den Polarisator (2083) umfasst, wobei aus den Messdaten (2003) des Strahlungssensors (2082) eine Rotationsfrequenz der Drehung des spinbasierten Gyroskops (200) um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bestimmbar ist.Spin-based gyroscope (200) according to Claim 1 , characterized in that the detection arrangement (208) comprises a polarizer (2083) and a radiation sensor (2082) for detecting a light (2002) transmitted by the vapor cell arrangement (201) after passing through the polarizer (2083), wherein from the measurement data ( 2003) of the radiation sensor (2082), a rotation frequency of the rotation of the spin-based gyroscope (200) around a direction of the bias field (300) can be determined. Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) eine Dampfzelle (2013) umfasst, wobei ein Puffergas in der Dampfzelle (2013) angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Spin-Spin-Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich (2011) und den zweiten Pumpbereich (2012) realisiert.Spin-based gyroscope (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the steam cell arrangement (201) comprises a steam cell (2013), wherein a buffer gas is arranged in the steam cell (2013), which by spatial restriction of the spin-spin interaction in realized the first pumping area (2011) and the second pumping area (2012) of the steam cell. Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) eine erste Dampfzelle (2011a) und eine zweite Dampfzelle (2012a) umfasst, wobei die erste (2011a) Dampfzelle den ersten Pumpbereich (2011) umfasst und die zweite Dampfzelle (2012a) den zweiten Pumpbereich (2012) umfasst.Spin-based gyroscope (200) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the steam cell arrangement (201) comprises a first steam cell (2011a) and a second steam cell (2012a), wherein the first (2011a) steam cell comprises the first pump area (2011) and the second steam cell (2012a) comprises the second pump area ( 2012) includes. Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht (2001a) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht (2001b) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.Spin-based gyroscope (200) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that • that the lighting arrangement (205) is set up in the first pump area (2011) for illuminating the first medium (204) circularly polarized light (2001a) parallel to the direction of the bias field (300) and in the second pump area (2012 ) to provide circularly polarized light (2001b) parallel to the direction of the bias field (300) for illuminating the first medium (204), the light being circularly polarized in opposite directions in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) and • that the magnetic field generating device (206) is set up to provide the bias field in the first pump area (2011) parallel to the bias field in the second pump area (2012). Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.Spin-based gyroscope (200) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that • that the lighting arrangement (205) is set up in the first pump area (2011) to illuminate the first medium (204) circularly polarized light parallel to the direction of the bias field and in the second pump area (2012) to illuminate the first medium (204) to provide circularly polarized light parallel to the direction of the bias field, the light in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) being circularly polarized with the same direction of rotation and that the magnetic field generating device (206) is set up to generate the bias field in the ers th pumping area (2011) antiparallel to the bias field in the second pumping area (2012). Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.Spin-based gyroscope (200) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that • that the lighting arrangement (205) is set up in the first pump area (2011) to illuminate the first medium (204) circularly polarized light parallel to the direction of the bias field and in the second pump area (2012) to illuminate the first medium (204) to provide circularly polarized light antiparallel to the direction of the bias field, the light in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) being circularly polarized with the same direction of rotation and that the magnetic field generating device (206) is set up to generate the bias field in the first pump area (2011) parallel to the bias field in the second pump area (2012). Spinbasiertes Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist, • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen, und • dass die Beleuchtungsanordnung (205) als Teil der Detektionsanordnung (208) zur Detektion einer Drehung des spinbasierten Gyroskops (200) durch optisches Auslesen der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Elektronenspins einsetzbar ist.Spin-based gyroscope (200) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that • that the lighting arrangement (205) is set up in the first pump area (2011) to illuminate the first medium (204) circularly polarized light perpendicular to the direction of the bias field and in the second pump area (2012) to illuminate the first medium (204) to provide circularly polarized light perpendicular to the direction of the bias field, the light in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) being circularly polarized with the same direction of rotation, • that the magnetic field generating device (206) is set up to generate the bias field in the first pump area (2011) antiparallel to the bias field in the second pump area (2012), and • that the lighting arrangement (205) as part of the detection arrangement (208) for detecting a rotation of the spin-based gyroscope (200) by optically reading the precession movement of the polarizable electron spins applicable is. Verfahren (400) zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: • Erzeugen (401) einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich (2011) und Erzeugen (401) einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im zweiten Pumpbereich (2012), • Optisches Auslesen (402) der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012).Method (400) for operating the spin-based gyroscope (200) according to one of the preceding claims, comprising the steps: • Generating (401) a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the first pumping area (2011) and generating (401) a synchronized precession movement of the polarized electron spins in the second pumping area (2012), • Optical readout (402) of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012). Verfahren (400) nach Anspruch 9, wobei beim optischen Auslesen ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung (201) mit linear polarisiertem Licht (2000) und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung (201) transmittierten Licht (2002) erfolgt.Method (400) according to Claim 9 , wherein during the optical readout, linearly polarized light (2000) is irradiated through the vapor cell arrangement (201) and the light transmitted (2002) by the vapor cell arrangement (201) is detected. Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) erfasst wird.Method (400) according to one of the Claims 9 or 10 , whereby the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) is recorded during the optical readout. Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) und die Präzessionsbewegung der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich (2011) separat erfasst werden.Method (400) according to one of the Claims 9 until 11th , whereby the sum of the precession movements of the polarized electron spins in the first pump area (2011) and in the second pump area (2012) and the precession movement of the polarized electron spins in the first pump area (2011) are recorded separately.
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