DE102020208336A1 - Spin-based gyroscope and method of operating the spin-based gyroscope - Google Patents
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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
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:
Ein beispielhafter Aufbau eines NMR-Gyroskops und dessen Funktionsweise sind beispielsweise in
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
- • 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.
- 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
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.
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.
-
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
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
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
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
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.
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.
Magnetic field generating device 206 a two-axis Helmholtz coil pair. Alternatively, the magnetic
Furthermore, the spin-based
The spin-based
Die in den
- • 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, 2012amit paramagnetischen Platten 2070, wie dies in4 gezeigt ist, oder durch eine Korrekturspule, etc.
- • 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 withparamagnetic plates 2070, as shown in FIG4th shown, or by a correction coil, etc.
Die in den
Alternativ oder ergänzend können die in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- CN 109737945 A [0001]CN 109737945 A [0001]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „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]
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