DE102020212027A1 - NMR gyroscope - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein NMR-Gyroskop, wobei das NMR-Gyroskop (200) eine erste optische Anordnung (211) umfasst, wobei die erste optische Anordnung (211) im Strahlengang zwischen der Beleuchtungsquelle (205) und der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet ist, und wobei die erste optische Anordnung (211) dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl (2001) der Beleuchtungsquelle (205)in einen ersten Pump-Lichtstrahl (20110), aufweisend eine erste Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium (204) des ersten Pumpbereichs (2011) mit einem ersten Umlaufsinn,einen zweiten Pump-Lichtstrahl (20120), aufweisend eine zweite Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium (204) des zweiten Pumpbereichs (2012) mit einem zweiten Umlaufsinn, wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind, und einen Auslese-Lichtstrahl (2000), aufweisend eine dritte Polarisation, zum Auslesen der Spin-Präzessionsbewegungen des ersten Pumpbereichs (2011) und des zweiten Pumpbereichs (2012),aufzuteilen.The invention relates to an NMR gyroscope, the NMR gyroscope (200) comprising a first optical arrangement (211), the first optical arrangement (211) being arranged in the beam path between the illumination source (205) and the vapor cell arrangement (201), and wherein the first optical arrangement (211) is set up to convert the light beam (2001) of the illumination source (205) into a first pump light beam (20110), having a first polarization, for exciting the spin precession movement in the sensing medium (204) of first pump region (2011) with a first sense of circulation,a second pump light beam (20120) having a second polarization for exciting spin precession motion in the sensing medium (204) of the second pump region (2012) with a second sense of circulation, the first sense of circulation and the second sense of rotation are opposite to each other, and a readout light beam (2000) having a third polarization for reading out the spin precession motions of the first pump area (2011) and the second pumping area (2012).
Description
Stand der TechnikState of the art
In „MEMS Components for NMR Atomic Sensors“ (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) sind Aufbau und Funktionsweise eines NMR-Gyroskops beschrieben.MEMS Components for NMR Atomic Sensors (R.M. Noor and A.M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) describes the structure and operation of an NMR gyroscope.
Kern und Vorteile der Erfindungessence and advantages of the invention
Die Technik der Zukunft verlangt nach immer präziseren Sensoren. Im Bereich der Navigation, insbesondere nach Gyroskopen, welche präzise die Drehrate messen können. 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.The technology of the future requires ever more precise sensors. In the field of navigation, especially after gyroscopes, which can precisely measure the rotation rate. High-precision yaw 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 connection to GPS, radar and similar systems, such as underwater navigation, high-precision onboard sensors are required, which places special demands on the size and the required construction volume of the high-precision onboard sensors.
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, Spin ((2n+1)/2) Kerne, wobei n eine natürliche Zahl ist) 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.Ensuring safe stopping, based on inertial sensors, in the event of failure of the other systems is essential, especially for applications 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 yaw rate sensors (= gyroscope) is desirable in order to enable purely inertial navigation even for longer distances such as in tunnels or in urban canyons . Therefore, the focus for these applications is on gyroscopes, known from basic research, which generate nuclear magnetic resonance signals from atomic nuclei with a non-vanishing magnetic moment (spin 1/2 nuclei, spin 3/2 nuclei, spin ((2n+1)/2) nuclei, where n is a natural number). These show increased drift stability and increased accuracy compared to the MEMS yaw rate sensors currently used in the automotive industry. Furthermore, they show reduced interference from vibrations and accelerations.
Bei Kernspinresonanz-Gyroskopen, auch NMR-Gyroskope genannt (NMR=nuclear magnetic resonance), die auf einer Dampfzelle basieren, wird die entstandene Spin-Larmor-Präzession ωlarmor in einer Dampfzelle ausgelesen. 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 „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 presented, for example, in “MEMS Components for NMR Atomic Sensors” (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018).
Störeinflüsse, wie beispielsweise elektrisches Rauschen von Komponenten des NMR-Gyroskops, Fluktuationen bei im NMR-Gyroskop verwendeten Lasern (insbesondere Frequenz, Detuning und Leistung des Lasers), und Rauschen der im NMR-Gyroskop genutzten Magnetfelder, etc., sowie Störmagnetfelder oder Temperaturgradienten haben großen Einfluss auf die Driftgenauigkeit über die Zeit und die Sensitivität des Gyroskops.Interferences such as electrical noise from components of the NMR gyroscope, fluctuations in lasers used in the NMR gyroscope (especially frequency, detuning and power of the laser), and noise of the magnetic fields used in the NMR gyroscope, etc., as well as interfering magnetic fields or temperature gradients major influence on the drift accuracy over time and the sensitivity of the gyroscope.
Die Begriffe „Licht“ und „elektromagnetische Strahlung“ werden synonym verwendet.The terms “light” and “electromagnetic radiation” are used synonymously.
Die Erfindung betrifft ein NMR-Gyroskop.The invention relates to an NMR gyroscope.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs ist, dass das NMR-Gyroskop einen sehr kompakten Aufbau aufweist und mit einer geringen Anzahl an Komponenten (z. B. Beleuchtungsquellen) ohne Einbußen in der Leistungsfähigkeit und Messgenauigkeit auskommt. Durch die Reduktion des Packmaßes können Magnetfeldschwankungen ausgeglichen werden, woraus vorteilhafterweise bei gleicher Messgenauigkeit geringere Anforderungen an die Spulen zur Magnetfelderzeugung und interne Stromquellen, sowie geringe Anforderungen an die Abschirmung gegenüber äußeren Magnetfeldern resultieren. Selbiges gilt für die Anforderungen an Beleuchtungsquellen (z. B. Laserquellen) und die Temperaturstabilisierung. Des Weiteren können die Auswirkungen äußerer Störeinflüsse auf das Messergebnis des NMR-Gyroskops auf einfache Weise ohne aufwendige und kostenintensive Modifikationen reduziert werden, um die Sensitivität und Zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops zu erhöhen und Signaldrifts zu reduzieren. Insbesondere ermöglicht die Erfindung ein Auslöschen von Störsignalen, die durch Änderung äußerer Parameter bedingt sind, wie beispielsweise eine Magnetfeldumgebung und/oder eine Umgebungstemperatur des NMR-Gyroskops, sowie innerer Störsignale. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen NMR-Gyroskop im Fall, dass keine Drehrate anliegt, das Signal am Ausgang des NMR-Gyroskop verschwindet, wodurch eine hochgenaue Kalibrierung möglich ist, welche den Drift (d. h. das Signal, wenn keine Drehrate anliegt) wesentlich verringert. Insbesondere ermöglicht dies vorteilhafterweise auch eine Korrektur von Fertigungsabweichungen durch Kalibrierung. Des Weiteren ist das verschwindende Signal für das nichtrotierende System von Vorteil in der Signalverarbeitung und ermöglicht eine höhere Präzision und einen geringeren Drift.An advantage of the invention with the features of the independent patent claim is that the NMR gyroscope has a very compact structure and requires a small number of components (eg lighting sources) without sacrificing performance and measurement accuracy. By reducing the pack size, magnetic field fluctuations can be compensated for, which advantageously results in lower requirements for the coils for magnetic field generation and internal power sources, as well as lower requirements for shielding against external magnetic fields with the same measurement accuracy. The same applies to the requirements for lighting sources (e.g. laser sources) and temperature stabilization. Furthermore, the effects of external interference on the measurement result of the NMR gyroscope can be reduced in a simple manner without complex and costly modifications in order to increase the sensitivity and reliability of the NMR gyroscope and reduce signal drift. Into the In particular, the invention enables interference signals caused by changes in external parameters, such as a magnetic field environment and/or an ambient temperature of the NMR gyroscope, and internal interference signals to be eliminated. A further advantage results from the fact that with the NMR gyroscope according to the invention, in the event that no rotation rate is present, the signal at the output of the NMR gyroscope disappears, which makes highly precise calibration possible, which compensates for the drift (ie the signal when there is no rotation rate applied) significantly reduced. In particular, this advantageously also allows correction of manufacturing deviations through calibration. Furthermore, the vanishing signal for the non-rotating system is advantageous in signal processing and enables higher precision and lower drift.
Dies wird erreicht mit einem NMR-Gyroskop, umfassend
- • eine Dampfzellenanordnung, wobei die Dampfzellenanordnung ein Sensiermedium umfasst, welches in der Dampfzellenanordnung angeordnet ist,
- • eine Beleuchtungsquelle zum Bereitstellen eines Pump-Lichtstrahls am Ort der Dampfzellenanordnung, wobei der Pump-Lichtstrahl zum Anregen einer Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium eingerichtet ist, und
- • eine Detektionsanordnung, wobei die Detektionsanordnung zur Bestimmung einer Drehmessgröße des NMR-Gyroskops aus der Spin-Präzessionsbewegung eingerichtet ist.
- • a steam cell arrangement, wherein the steam cell arrangement comprises a sensing medium which is arranged in the steam cell arrangement,
- • an illumination source for providing a pump light beam at the location of the vapor cell arrangement, the pump light beam being set up for exciting a spin precession movement in the sensing medium, and
- • a detection arrangement, wherein the detection arrangement is set up to determine a rotational measurement variable of the NMR gyroscope from the spin precession movement.
Das NMR-Gyroskop zeichnet sich dadurch aus,
- • dass die Dampfzellenanordnung einen ersten Pumpbereich und einen zweiten Pumpbereich aufweist,
- • dass das NMR-Gyroskop eine erste optische Anordnung umfasst, wobei die erste optische Anordnung im Strahlengang zwischen der Beleuchtungsquelle und der Dampfzellenanordnung angeordnet ist, und wobei die erste optische Anordnung dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl der Beleuchtungsquelle
- - in einen ersten Pump-Lichtstrahl, aufweisend eine erste Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium des ersten Pumpbereichs mit einem ersten Umlaufsinn,
- - einen zweiten Pump-Lichtstrahl, aufweisend eine zweite Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium des zweiten Pumpbereichs mit einem zweiten Umlaufsinn, wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind, und
- - einen Auslese-Lichtstrahl, aufweisend eine dritte Polarisation, zum Auslesen der Spin-Präzessionsbewegungen des ersten Pumpbereichs und des zweiten Pumpbereichs,
- • that the vapor cell arrangement has a first pumping area and a second pumping area,
- • that the NMR gyroscope comprises a first optical arrangement, the first optical arrangement being arranged in the beam path between the illumination source and the vapor cell arrangement, and the first optical arrangement being arranged to illuminate the light beam of the illumination source
- - in a first pump light beam, having a first polarization, for exciting the spin precession movement in the sensing medium of the first pump region with a first direction of rotation,
- - a second pump light beam, having a second polarization, for exciting the spin precession motion in the sensing medium of the second pump region with a second sense of rotation, the first sense of rotation and the second sense of rotation being opposite to one another, and
- - a readout light beam, having a third polarization, for reading out the spin precession movements of the first pump region and of the second pump region,
D. h. die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich und die Präzessionsbewegung im zweiten Pumpbereich sind gegenläufig zueinander: Präzedieren die Spins im ersten Pumpbereich beispielsweise im Uhrzeigersinn, so präzedieren die Kernspins im zweitem Pumpbereich gegen den Uhrzeigersinn.i.e. the precession movement in the first pump region and the precession movement in the second pump region are in opposite directions: if the spins in the first pump region precess clockwise, for example, the nuclear spins in the second pump region precess counterclockwise.
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 NMR-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 bzw. der Dampfzellen umfasst mindestens einen Laser, d. h. einen Heizlaser, dessen Laserlicht auf einen Bereich der mindestens einen 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, würfelförmig, etc. sein.The steam cell assembly may include one steam cell, two steam cells, or more than two steam cells. A vapor cell is designed, for example, as a hollow body made of glass, the interior of which can be hermetically sealed from the environment of the vapor cell, so that gases in particular cannot escape from the interior of the vapor cell during operation and pressures can be generated inside the vapor cell that differ from the ambient pressure of the NMR gyroscope differ. 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, with the temperature of the media located in the vapor cell being adjustable via the electric current flowing through the wires. A further embodiment for heating the vapor cell or vapor cells comprises at least one laser, i. H. a heating laser, the laser light of which is directed onto a region of the at least one vapor cell. The laser light is absorbed by the material of the vapor cell, in particular the silicon, and thus heats the vapor cell. In particular, the at least one vapor cell can be made of glass and can be round, cylindrical, cube-shaped, etc., for example.
Ein Vorteil ist, dass die Beleuchtungsquelle zur Bereitstellung der Pump-Lichtstrahlen (auch Pump-Laserstrahlen genannt) und zur Bereitstellung des Auslese-Lichtstrahls (auch Auslese-Laserstrahl genannt) einsetzbar ist, wodurch eine Beleuchtungsquelle gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden kann. Eine gemeinsame Beleuchtungsquelle für den ersten und zweiten Pumpbereich sowie zum Auslesen zu verwenden, birgt des Weiteren den Vorteil einer gemeinsamen Rauschstatistik.One advantage is that the illumination source can be used to provide the pump light beams (also called pump laser beams) and to provide the read-out light beam (also called read-out laser beam), as a result of which an illumination source can be saved compared to the prior art. Using a common illumination source for the first and second pump region and for reading also has the advantage of common noise statistics.
Ein Vorteil, welcher sich insbesondere aus der Verwendung zweier Pumpbereiche mit einander entgegengesetzt präzedierenden Spins 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 NMR-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 NMR-Gyroskop ermittelten Drehrate einer Rotation des NMR-Gyroskops erzielt werden.An advantage, which results in particular from the use of two pump regions with oppositely precessing 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 a higher sensitivity as a result and less drift of the NMR gyroscope. Thus, interfering influences such as noise (common noise), which affect both pump regions, cancel each other out during the measurement and consequently a higher accuracy of the yaw rate of a rotation of the NMR gyroscope determined with the NMR gyroscope can be achieved.
In einer Ausführungsform umfasst das NMR-Gyroskop eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds und eines oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung, wobei das Vormagnetisierungsfeld zur Festlegung einer Richtung einer Präzessionsbewegung der Spins des Sensiermediums und das oszillierende Magnetfeld zur Synchronisation der Präzessionsbewegungen der Spins des Sensiermediums eingerichtet sind. Diese können z.B. durch miniaturisierte Helmholtzspulen erzeugt werden. Noch homogenere Felder können beispielsweise durch komplexe Spulen-Geometrien erzeugt werden. Insbesondere können hierzu komplexe Spulen in definierten Ebenen eingesetzt werden, welche - wie beispielsweise in „bfieidtoos - a software package for magnetic field modelling“, R. Zetter, J. livanainen, A. Mkinen, L. Parkkonen, Conference Proceedings WOPM, 2019, Mainz beschrieben - modelliert werden können. Besonders an solchen Spulen ist, dass dadurch die unterschiedlichen Feldrichtungen nah beieinander erzeugt werden können. Zudem ist es dadurch möglich, dass die Dampfzellen nicht mittig zwischen den „Spulen“ sitzen wie bei herkömmlichen Helmholtz-Spulen. Alternativ oder ergänzend kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung dreiachsige oder multiachsen Magnetfeldspulen umfassen, beispielsweise um Störfelder innerhalb der Dampfzellenanordnung zu kompensieren oder Vormagnetisierungsfelder mit unterschiedlicher Richtung und/oder Stärke für die Dampfzellenanordnung bereitzustellen.In one embodiment, the NMR gyroscope comprises a magnetic field generating device for providing a magnetic bias field and an oscillating magnetic field at the location of the vapor cell arrangement, wherein the magnetic bias field is set up to determine a direction of a precession movement of the spins of the sensing medium and the oscillating magnetic field is set up to synchronize the precession movements of the spins of the sensing medium . These can be generated, for example, by miniaturized Helmholtz coils. Even more homogeneous fields can be generated by complex coil geometries, for example. In particular, complex coils can be used in defined levels for this purpose, which - as for example in "bfieidtoos - a software package for magnetic field modelling", R. Zetter, J. livanainen, A. Mkinen, L. Parkkonen, Conference Proceedings WOPM, 2019, Mainz described - can be modeled. What is special about such coils is that the different field directions can be generated close together. In addition, it is possible that the steam cells are not located in the middle between the "coils" as with conventional Helmholtz coils. Alternatively or additionally, the magnetic field generating device can comprise three-axis or multi-axis magnetic field coils, for example to compensate for interference fields within the vapor cell arrangement or to provide bias fields with different directions and/or strengths for the vapor cell arrangement.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensiermedium ein zweites Medium. Als zweites Medium kann beispielsweise ein Alkalimetall wie Rubidium (Rb), insbesondere Rubidium 87 (87 Rb) oder Rubidium 85 (85 Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. oder Quecksilber (Hg) verwendet werden. Unter der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium wird hierbei die Präzessionsbewegung der Elektronenspins im zweiten Medium verstanden.In one embodiment, the sensing medium includes a second medium. 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 second medium. The spin precession movement in the sensing medium is understood to mean the precession movement of the electron spins in the second medium.
Das Sensiermedium kann in einer weiteren Ausführungsform neben dem zweiten Medium ein erstes Medium umfassen. Das erste Medium und das zweite Medium können insbesondere gasförmig sein oder durch Heizen der Dampfzelle in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Als erstes Medium kann beispielsweise ein Edelgas wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (3He) verwendet werden. Umfasst die Dampfzellenanordnung zwei Dampfzellen so können die Dampfzellen insbesondere voneinander abweichende Sensiermedien umfassen. Insbesondere können sich das erste Medium in der ersten Dampfzelle und das erste Medium in der zweiten Dampfzelle unterscheiden. Beispielsweise können das erste Medium in der ersten Dampfzelle und das erste Medium in der zweiten Dampfzelle unterschiedliche gyromagnetische Verhältnisse und/oder gyromagnetische Verhältnisse unterschiedlichen Vorzeichens aufweisen. Unter der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium wird hierbei die Präzessionsbewegung der Kernspins im ersten Medium verstanden.In a further embodiment, the sensing medium can comprise a first medium in addition to the second medium. The first medium and the second medium can in particular be gaseous or can be converted into a gaseous state by heating the vapor cell. For example, a noble gas such as xenon (Xe), neon (Ne), krypton (Kr) or helium-3 ( 3 He) can be used as the first medium. If the steam cell arrangement includes two steam cells, the steam cells can in particular include sensing media that differ from one another. In particular, the first medium in the first vapor cell and the first medium in the second vapor cell can differ. For example, the first medium in the first vapor cell and the first medium in the second vapor cell can have different gyromagnetic ratios and/or gyromagnetic ratios of different signs. The spin precession movement in the sensing medium is understood to mean the precession movement of the nuclear spins in the first medium.
Die Wellenlänge des von der Beleuchtungsquelle emittierbaren Lichts ist in allen Ausführungsformen des Sensiermediums auf das Energieschema des zweiten Mediums abgestimmt, sodass das Licht vom zweiten Medium absorbierbar ist und eine Polarisation der Elektronenspins erzeugbar ist (optisches Pumpen). Zum Beleuchten wird vorzugsweise zirkular polarisiertes Licht verwendet.In all embodiments of the sensing medium, the wavelength of the light that can be emitted by the illumination source is matched to the energy scheme of the second medium, so that the light can be absorbed by the second medium and polarization of the electron spins can be generated (optical pumping). Circularly polarized light is preferably used for the illumination.
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 during atomic transitions between energy levels . Linearly polarized light (Δ m = 0 at the atomic transition) is called π -polarized light. Here, a right-hand circularly polarized light ray counter to the static bias field, ie antiparallel to the bias field, is equal to a left-hand circularly polarized light ray along the bias field, ie parallel to the bias field.
Ein Initialisieren des NMR-Gyroskops erfolgt durch optisches Pumpen. Beim optischen Pumpen des zweiten 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
Umfasst das Sensiermedium neben dem zweiten Medium ein erstes Medium, so wird ausgenutzt, dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium, beispielsweise Xenon, und dem zweiten Medium, beispielsweise Rubidium, die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des ersten Mediums führt. Das Vormagnetisierungsfeld gibt eine Richtung vor, um welche die polarisierten Kernspins 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 Kernspins um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes synchronisiert, sodass alle polarisierten Kernspins in Phase miteinander mit der Larmorfrequenz (sofern keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop anliegt) um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren. Die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes stimmt vorzugsweise mit der Larmorfrequenz der polarisierten Kernspins 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.If the sensing medium includes a first medium in addition to the second medium, use is made of the fact that a strong electron-nuclear spin interaction between the first medium, e.g. xenon, and the second medium, e.g. rubidium, causes the electron spin polarization to polarize the nuclear spins of the first medium leads. The bias field dictates a direction about which the polarized nuclear spins of the first medium precess. By applying the oscillating magnetic field (AC magnetic field), which has at least one component orthogonal to the direction of the bias field, the precession motion of the polarized nuclear spins around the direction of the bias field is synchronized, so that all polarized nuclear spins are in phase with each other at the Larmor frequency (if no external rotation rate applied to the NMR gyro) precess around the direction of the bias field. The frequency of the oscillating magnetic field preferably matches the Larmor frequency of the polarized nuclear spins. The magnetic field generating device, which is set up to provide the pre-magnetization field and the oscillating magnetic field at the location of the vapor cell arrangement, can comprise coils, for example, in particular two Helmholtz coils arranged orthogonally to one another.
Die Elektronenspins des zweiten Mediums wirken hierbei wie ein „insitu-Magnetometer“. Die Elektronenspins des zweiten Mediums sind sensitiv auf die durch die gleichphasige Kernspinpräzession hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung. Somit ist es möglich die gleichphasige Kernspinpräzession auf die Elektronenspins des zweiten Mediums zu übertragen. Die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins kann somit 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 Kernspins 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 electron spins of the second medium act like an "in-situ magnetometer". The electron spins of the second medium are sensitive to the periodic magnetic field change caused by the in-phase nuclear spin precession. It is thus possible to transfer the in-phase nuclear spin precession to the electron spins of the second medium. The precession movement of the polarized nuclear spins can thus be converted into a readable electrical signal. For this purpose, the vapor cell arrangement can be illuminated, for example, with a linearly polarized readout laser beam. When passing through the vapor cell arrangement, the polarization of the readout laser beam is rotated periodically, which is caused by the precession movement of the polarized nuclear 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 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, with the polarizer being arranged in the beam path between the vapor cell arrangement and the detector element. A radiation sensor based, for example, 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. Depending on a property of the electromagnetic radiation impinging on the radiation sensor, radiation sensors can output an electrical detection signal 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. Because of the polarizer, the detector element can detect the polarization rotation of the read-out laser beam, for example, as a periodically changing radiation intensity.
Umfasst das Sensiermedium lediglich das zweite Medium, so kann analog zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren die Elektronenspin-Präzessionsbewegung des zweiten Mediums direkt ausgelesen werden. Die Präzessionsbewegung der Elektronenspins, welche hierbei ein Maß für die Drehung des NMR-Gyroskop darstellt, kann somit in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden.If the sensing medium only comprises the second medium, the electron spin precession movement of the second medium can be read out directly, analogously to the method described above. The precession movement of the electron spins, which is a measure of the rotation of the NMR gyroscope, can thus be converted into a readable electrical signal.
In einer Ausführungsform umfasst die erste optische Anordnung einen ersten Strahlteiler und einen zweiten Strahlteiler, wobei der erste Strahlteiler dazu eingerichtet ist, den von der Beleuchtungsquelle kommenden Lichtstrahl in den ersten Pump-Lichtstrahl und einen Teilstrahl aufzuteilen, wobei der zweite Strahlteiler im Strahlengang des Teilstrahls zum Aufteilen des Teilstrahls in den zweiten Pump-Lichtstrahl und den Auslese-Lichtstrahl angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass somit eine Beleuchtungsquelle ausreicht, und folglich eine Miniaturisierung des NMR-Gyroskops ermöglicht werden kann. Eine gemeinsame Beleuchtungsquelle für den ersten und zweiten Pumpbereich zu verwenden, birgt des Weiteren den Vorteil einer gemeinsamen Rauschstatistik.In one embodiment, the first optical arrangement comprises a first beam splitter and a second beam splitter, the first beam splitter being set up to split the light beam coming from the illumination source into the first pump light beam and a partial beam, the second beam splitter being in the beam path of the partial beam to the Splitting the sub-beam into the second pump light beam and the read-out light beam is arranged. One advantage is that one illumination source is sufficient, and miniaturization of the NMR gyroscope can consequently be made possible. Using a common illumination source for the first and second pump regions also has the advantage of common noise statistics.
In einer Ausführungsform sind der erste Strahlteiler und/oder der zweite Strahlteiler als polarisierende Strahlteiler ausgeführt. Polarisierende Strahlteiler zeichnen sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass das Teilungsverhältnis durch den Polarisationswinkel des eintretenden Lichts bestimmt wird und mittels polarisierender Strahlteiler genaue Teilerverhältnisse eingestellt werden können. Somit kann vorteilhafterweise insbesondere die Intensität der elektromagnetischen Strahlung für den ersten Pumpbereich und den zweiten Pumpbereich eingestellt werden. Dies kann z.B. dazu verwendet werden, Fertigungsschwankungen zu korrigieren. Ein Beispiel hierfür ist ein leichter Unterschied in der Gasdichte der Dampfzellen, welcher durch die Laserintensität so korrigiert wird, dass die Polarisation und somit die Magnetisierung und somit auch das Signal der beiden Dampfzellen gleich groß sind. Insbesondere kann durch die Anordnung optischer Filter im Strahlengang die Transmission der polarisierenden Strahlteiler eingestellt werden.In one embodiment, the first beam splitter and/or the second beam splitter are designed as polarizing beam splitters. Polarizing beam splitters are advantageously characterized in that Splitting ratio is determined by the polarization angle of the incoming light and precise splitting ratios can be set by means of polarizing beam splitters. Thus, in particular the intensity of the electromagnetic radiation for the first pump region and the second pump region can advantageously be adjusted. This can be used, for example, to correct production fluctuations. An example of this is a slight difference in the gas density of the vapor cells, which is corrected by the laser intensity in such a way that the polarization and thus the magnetization and thus also the signal of the two vapor cells are the same. In particular, the transmission of the polarizing beam splitter can be adjusted by arranging optical filters in the beam path.
In einer Ausführungsform ist im Strahlengang zwischen der Beleuchtungsquelle und dem ersten Strahlteiler mindestens ein optischer Filter zur Einstellung der Lichttransmission des ersten Strahlteilers und/oder im Strahlengang zwischen dem ersten Strahlteiler und dem zweiten Strahlteiler mindestens ein optischer Filter zur Einstellung der Lichttransmission des zweiten Strahlteilers angeordnet. Vorteilhafterweise kann somit jeweils die Pumpstärke für die beiden Pumpbereiche eingestellt werden. Insbesondere können als optische Filter Verzögerungsplatten zur Einstellung der Intensitäten der Pump-Lichtstrahlen und/oder des Auslese-Lichtstrahls verwendet werden.In one embodiment, at least one optical filter for adjusting the light transmission of the first beam splitter is arranged in the beam path between the illumination source and the first beam splitter, and/or at least one optical filter for adjusting the light transmission of the second beam splitter is arranged in the beam path between the first beam splitter and the second beam splitter. Advantageously, the pump intensity for the two pump regions can thus be set in each case. In particular, retardation plates can be used as optical filters to adjust the intensities of the pump light beams and/or the read-out light beam.
Verzögerungsplatten sind optische Bauelemente, welche die Polarisation und Phase durchtretender elektromagnetischer Wellen (meist Licht) ändern. Ein Beispiel einer Verzögerungsplatte ist ein λ/4-Plättchen, welches Licht verzögert, das parallel zu einer bauteilspezifischen Achse polarisiert ist, um eine Viertel Wellenlänge gegenüber dazu senkrecht polarisiertem Licht. Es kann aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht machen und aus zirkular polarisiertem Licht wieder linear polarisiertes Licht. Ein weiteres Beispiel einer Verzögerungsplatte ist ein λ/2-Plättchen. Dieses verzögert Licht, das parallel zu einer bauteilspezifischen Achse polarisiert ist, um eine halbe Wellenlänge gegenüber dazu senkrecht polarisiertem Licht. Es kann die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht um einen wählbaren Winkel drehen. Bei zirkular polarisiertem Licht bewirkt ein λ/2-Plättchen die Umkehr der Helizität, d. h. aus linkspolarisiertem Licht wird rechtspolarisiertes Licht und umgekehrt. Die Polarisationsänderungen erfolgt dadurch, dass das Licht in zwei senkrecht zueinanderstehende Polarisationsrichtungen zerlegt wird, die die Verzögerungsplatte mit unterschiedlicher Geschwindigkeit passieren, deren Phasen also gegeneinander verschoben werden. Verzögerungsplatten umfassen beispielsweise doppelbrechende Medien, wie doppelbrechende Kristalle.Retarder plates are optical components that change the polarization and phase of electromagnetic waves (usually light) passing through. An example of a retardation plate is a λ/4 plate, which retards light polarized parallel to a component-specific axis by a quarter wavelength compared to light polarized perpendicular thereto. It can turn linearly polarized light into circularly polarized light and circularly polarized light back into linearly polarized light. Another example of a retardation plate is a λ/2 plate. This delays light that is polarized parallel to a component-specific axis by half a wavelength compared to light that is polarized perpendicularly to it. It can rotate the direction of polarization of linearly polarized light by a selectable angle. In the case of circularly polarized light, a λ/2 plate reverses the helicity, i. H. left polarized light becomes right polarized light and vice versa. The polarization changes occur because the light is broken down into two mutually perpendicular polarization directions, which pass through the retardation plate at different speeds, i.e. their phases are shifted in relation to one another. Retardation plates include, for example, birefringent media such as birefringent crystals.
Durch die Verwendung von Verzögerungsplatten kann folglich erreicht werden, dass die Pumpbereiche mit einander entgegengesetzt zirkular polarisierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Spins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich entgegengesetzt zueinander präzedieren. Dies führt zu den vorgenannten Vorteilen bzgl. Kalibration und Messgenauigkeit.The use of delay plates can consequently result in the pump regions being illuminated with mutually oppositely circularly polarized electromagnetic radiation, which makes it possible for the spins in the first pump region and in the second pump region to precess in opposite directions to one another. This leads to the aforementioned advantages with regard to calibration and measurement accuracy.
In einer Ausführungsform sind die Pumpstrahlen einander entgegengesetzt zirkular polarisiert und/oder der Auslese-Lichtstrahl linear polarisiert, d. h. die erste Polarisation und die zweite Polarisation sind einander entgegengesetzt zirkulare Polarisationen und/oder die dritte Polarisation ist eine lineare Polarisation.In one embodiment, the pump beams are oppositely circularly polarized and/or the readout light beam is linearly polarized, i. H. the first polarization and the second polarization are opposite circular polarizations and/or the third polarization is a linear polarization.
In einer Ausführungsform umfasst das NMR-Gyroskop eine zweite optische Anordnung im Strahlengang des Auslese-Lichtstrahls. Insbesondere umfasst die zweite optische Anordnung mindestens ein optisches Element zur Strahlführung und/oder zur Strahlformung. Optische Elemente zur Strahlführung und/oder Strahlformung können beispielsweise Spiegel, Mikrospiegel, Linsen, optische Blenden, Verzögerungsplatten etc. umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das mindestens eine optische Element zur Einstellung der Polarisation des Lichts (beispielsweise Polarisatoren) eingerichtet sein.In one embodiment, the NMR gyroscope comprises a second optical arrangement in the optical path of the readout light beam. In particular, the second optical arrangement comprises at least one optical element for beam guidance and/or beam shaping. Optical elements for beam guidance and/or beam shaping can include, for example, mirrors, micromirrors, lenses, optical diaphragms, delay plates, etc. Alternatively or additionally, the at least one optical element can be set up to adjust the polarization of the light (for example polarizers).
Insbesondere umfasst die zweite optische Anordnung zwei Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, wobei die beiden Spiegel derart angeordnet sind, dass der Auslese-Lichtstrahl durch die Dampfzellenanordnung hindurch zur Detektionsanordnung geführt wird und wobei die zweite optische Anordnung eine optische Blende zur Einstellung eines Strahlquerschnitts des Auslese-Lichtstrahls umfasst. Ein Vorteil ist, dass die Beleuchtungsquelle und die Detektionsanordnung vorteilhafterweise an einer gemeinsamen Seite des NMR-Gyroskops angeordnet werden können, und zum Auslesen keine separate Beleuchtungsquelle erforderlich ist.In particular, the second optical arrangement comprises two mirrors, in particular micromirrors, the two mirrors being arranged in such a way that the readout light beam is guided through the vapor cell arrangement to the detection arrangement, and the second optical arrangement has an optical aperture for adjusting a beam cross section of the readout light beam includes. An advantage is that the illumination source and the detection arrangement can advantageously be arranged on a common side of the NMR gyroscope, and no separate illumination source is required for reading.
In einer Ausführungsform umfasst die Detektionsanordnung eine erste Detektionseinheit zur Erfassung des ersten Pump-Lichtstrahls nach Passieren des ersten Pumpbereichs, eine zweite Detektionseinheit zur Erfassung des zweiten Pump-Lichtstrahls nach Passieren des zweiten Pumpbereichs und eine Haupt-Detektionseinheit zur Erfassung des Auslese-Lichtstrahls nach Passieren der Dampfzellenanordnung. Ein Vorteil ist, dass somit jeweils eine Transmissionsintensität des ersten Pump-Lichtstrahls und des zweiten Pump-Lichtstrahls erfassbar ist. Die Messergebnisse können zur Beleuchtungsquellen-Stabilisierung (insbesondere Laserstabilisierung) oder zur Temperaturstabilisierung, insbesondere zur Stabilisierung der Dampfzellentemperatur, verwendet werden. Insbesondere kann Letzteres durch einen Regelkreis, welcher das Heizelement bzw. die Heizelemente umfasst, erfolgen. Insbesondere ermöglicht diese Ausführungsform vorteilhafterweise eine Unterscheidung zwischen Laserschwankungen und Temperaturschwankungen in der Zelle. Die Balanced detektion ermöglicht, dadurch, dass die Differenz und einmal die Summe der Signale gebildet wird, sowohl das Messen des Signals als auch das Detektieren des „Offsets“. Ist dieses nicht kontant, repräsentiert es die Schwankungen des Lasers. Da dieses derselbe Laser ist, wie für die Pumpbereiche, ist somit auch das Rauschverhalten dieses Lasers bekannt.In one embodiment, the detection arrangement comprises a first detection unit for detecting the first pump light beam after passing through the first pump region, a second detection unit for detecting the second pump light beam after passing through the second pump region, and a main De tection unit for detecting the read-out light beam after passing through the vapor cell arrangement. One advantage is that a transmission intensity of the first pump light beam and of the second pump light beam can be detected in each case. The measurement results can be used for illuminating source stabilization (in particular laser stabilization) or for temperature stabilization, in particular for stabilizing the vapor cell temperature. In particular, the latter can be effected by a control circuit which includes the heating element or heating elements. In particular, this embodiment advantageously enables a distinction to be made between laser variations and temperature variations in the cell. Balanced detection enables the signal to be measured and the "offset" to be detected by calculating the difference and the sum of the signals. If this is not constant, it represents the fluctuations of the laser. Since this is the same laser as for the pump regions, the noise behavior of this laser is also known.
Die Transmission der Dampfzelle hängt von der Absorption ab, damit von der Teilchendichte und somit von der Temperatur. Wenn wir diese detektieren und das Rauschverhalten des Lasers kennen und somit korrigieren, können wir die Temperatur der Dampfzellen bestimmen. Das unabhängig voneinander und somit ebenfalls Temperaturdrifts (Durch Temperaturgradienten) korrigieren.The transmission of the vapor cell depends on the absorption, and therefore on the particle density, and therefore on the temperature. If we detect this and know the noise behavior of the laser and thus correct it, we can determine the temperature of the vapor cells. This can be corrected independently of each other and thus also temperature drifts (due to temperature gradients).
In einer Ausführungsform umfasst die Haupt-Detektionseinheit einen polarisierenden Strahlteiler und ein erstes Detektorelement zur Erfassung eines ersten Anteils des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts und ein zweites Detektorelement zur Erfassung eines zweiten Anteils des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts. Die Haupt-Detektionseinheit ist als sogenannter „balanced detector“ ausgeführt. Ein Vorteil ist, dass somit die Messgenauigkeit erhöht werden kann, denn mittels der „balanced detection“ wird ein gegebenenfalls vorhandener Signal-Offset korrigiert, es wird lediglich die Differenz der Signale der beiden Detektorelemente bei der Auswertung berücksichtigt. Insbesondere kann die Beleuchtungsquelle derart nachgeregelt werden, dass diese Differenz der Signale konstant ist.In one embodiment, the main detection unit comprises a polarizing beam splitter and a first detector element for detecting a first portion of the light transmitted by the vapor cell assembly and a second detector element for detecting a second portion of the light transmitted by the vapor cell assembly. The main detection unit is designed as a so-called "balanced detector". One advantage is that the measurement accuracy can be increased in this way, because any existing signal offset is corrected by means of “balanced detection”; only the difference in the signals of the two detector elements is taken into account in the evaluation. In particular, the illumination source can be readjusted in such a way that this difference in the signals is constant.
In einer Ausführungsform umfasst das NMR-Gyroskop eine magnetische Abschirmanordnung, wobei die Dampfzellenanordnung in einem durch die magnetische Abschirmanordnung abgeschirmten Bereich angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass somit die Dampfzellenanordnung von umgebenden Magnetfeldern, wie beispielsweise dem Erdmagnetfeld, abgeschirmt wird, um die Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops zu erhöhen.In one embodiment, the NMR gyroscope includes a magnetic shield assembly, wherein the vapor cell assembly is located in an area shielded by the magnetic shield assembly. An advantage is that the vapor cell arrangement is thus shielded from surrounding magnetic fields, such as the earth's magnetic field, in order to increase the measurement accuracy and reliability of the NMR gyroscope.
In einer Ausführungsform sind die Beleuchtungsquelle und/oder die erste optische Anordnung außerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist die Detektionsanordnung zumindest teilweise außerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet ist.In one embodiment, the illumination source and/or the first optical arrangement are arranged outside the shielded area. Alternatively or additionally, the detection arrangement is arranged at least partially outside the shielded area.
Alternativ oder ergänzend ist mindestens ein optisches Element der zweiten optischen Anordnung außerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet.Alternatively or additionally, at least one optical element of the second optical arrangement is arranged outside of the shielded area.
Ein Vorteil dessen, Komponenten außerhalb der magnetischen Abschirmanordnung anzuordnen ist, dass somit eine Miniaturisierung des NMR-Gyroskops ermöglicht wird, da der abgeschirmte Bereich verkleinert und somit die magnetische Abschirmanordnung kompakter ausgeführt werden kann, als wenn die Abschirmanordnung alle Komponenten umschließt. Insbesondere kann Material zur Ausbildung der magnetischen Abschirmung, insbesondere Mu-Metall, eingespart werden, wodurch das NMR-Gyroskop leichter, kompakter und kostengünstiger wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Dampfzellenanordnung somit durch die magnetische Abschirmanordnung von den von den elektronischen Komponenten ausgehenden Felder (wie beispielweise Felder der Beleuchtungsquelle) abgeschirmt werden kann, was die Zuverlässigkeit und Performance des NMR-Gyroskops zusätzlich verbessert. Alternativ können diese Einflüsse zumindest teilweise auch elektronisch bei der Auswertung korrigiert werden. Insbesondere wenn die Komponenten nicht außerhalb der magnetischen Abschirmanordnung angeordnet werden, ist eine elektronische Korrektur empfehlenswert, um die Messgenauigkeit- und -zuverlässigkeit zu verbessern.An advantage of locating components outside of the magnetic shield assembly is that it enables miniaturization of the NMR gyroscope since the shielded area can be reduced and thus the magnetic shield assembly can be made more compact than if the shield assembly encloses all components. In particular, material for forming the magnetic shield, in particular mu-metal, can be saved, making the NMR gyroscope lighter, more compact and less expensive. A further advantage is that the vapor cell assembly can thus be shielded from fields emanating from the electronic components (such as fields from the illumination source) by the magnetic shielding arrangement, which further improves the reliability and performance of the NMR gyroscope. Alternatively, these influences can also be corrected, at least in part, electronically during the evaluation. In particular, if the components are not located outside the magnetic shielding arrangement, electronic correction is recommended to improve measurement accuracy and reliability.
In einer Ausführungsform umfasst die Dampfzellenanordnung eine Dampfzelle, wobei ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung im Sensiermedium in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich und den zweiten Pumpbereich realisiert. Ein Vorteil ist, dass nur eine Dampfzelle benötigt wird, wodurch eine Verringerung der Baugröße und folglich eine Miniaturisierung des NMR-Gyroskops ohne Einbußen bei der Sensitivität und Zuverlässigkeit ermöglicht wird. Des Weiteren können die Herstellungskosten gesenkt und die Herstellung des NMR-Gyroskops vereinfacht werden.In one embodiment, the vapor cell arrangement comprises a vapor cell, with a buffer gas being arranged in the vapor cell, which, by spatially restricting the electron-nuclear spin interaction in the sensing medium in the vapor cell, realizes the first pump region and the second pump region. An advantage is that only one vapor cell is required, allowing for a reduction in size and hence miniaturization of the NMR gyroscope without sacrificing sensitivity and reliability. Furthermore, the manufacturing cost can be reduced and the manufacture of the NMR gyroscope can be simplified.
Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N) verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann Argon (Ar) als Puffergas eingesetzt werden.Nitrogen (N) can be used as a buffer gas, for example. 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 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.According to one embodiment, the vapor cell arrangement comprises a first vapor cell and a second vapor cell, wherein the first vapor cell comprises the first pumping region and the second vapor cell comprises the second pumping region. Advantageously, vapor cells can be manufactured in a MEMS process in a very small pack size. The production in large quantities is therefore possible. As a result, the use of two vapor cells is advantageous in terms of 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.
Da beide Dampfzellen durch einen Laserstrahl ausgelesen werden, erfolgt die Korrektur in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise sehr schnell.Since both vapor cells are read out by a laser beam, the correction in this embodiment is advantageously carried out very quickly.
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 interference, provided that it is the same for both cells, cancels out each other during detection (see above), it is advantageous to place the first vapor cell and the second vapor cell close together, in particular the distance between the vapor cells should be less than one centimeter (<1 cm). This ensures that external interference is as homogeneous as possible over the area of the vapor cells and thus has the same effect, or that the homogeneous and thus intrinsically corrected proportion is as large as possible.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das NMR-Gyroskop eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds und eines oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung, wobei das Vormagnetisierungsfeld zur Festlegung einer Richtung der Spin-Präzessionsbewegung und das oszillierende Magnetfeld zur Synchronisation der Spin-Präzessionsbewegung eingerichtet sind.According to one embodiment, the NMR gyroscope comprises a magnetic field generating device for providing a magnetic bias field and an oscillating magnetic field at the location of the vapor cell arrangement, wherein the magnetic bias field is set up to define a direction of the spin precession movement and the oscillating magnetic field is set up to synchronize the spin precession movement.
Die Beleuchtungsquelle kann 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).The illumination source can include, for example, a laser or a laser diode, in particular a surface emitter (VCSEL) for illumination. 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).
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. Werden sie zudem durch dasselbe resonante magnetische Wechselfeld initialisiert, so präzedieren sie 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 opposite directions. Subject to the same bias field B 0 , they also rotate at the same Larmor frequency |ω larmor |=|γ B 0 |, where γ denotes the gyromagnetic ratio. If they are also initialized by the same resonant alternating magnetic field, they precess in phase.
Liegt keine Drehrate an dem NMR-Gyroskop an, d. h. wird das System (das NMR-Gyroskop) nicht von außen rotiert, verschwindet folglich das Detektionssignal, welches von der Detektionsanordnung erfasst wird, da sich das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Kernspins 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 yaw rate at the NMR gyroscope, ie the system (the NMR gyroscope) is not rotated from the outside, the detection signal, which is detected by the detection arrangement, consequently disappears, since this is due to the nuclear spins precessing in phase in the first pump region and cancel the periodically changing magnetic field caused by the in-phase nuclear spins in the second pump region, which precess in the opposite direction to the nuclear spins in the first pump region. Furthermore, all disturbance terms ω s also disappear if they affect the two pump regions to the same extent. This enables a highly precise calibration, which significantly reduces the drift (signal when there is no yaw rate). This is also an advantage in signal processing. Furthermore, a correction of manufacturing deviations by calibration is also advantageously 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 expressions in round brackets stand for the first and the second pump region. It is important that the signal disappears without an external rate of turn / rotation. This offers the previously mentioned advantages.
Möglichkeiten zur Erzeugung der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Kernspins des Sensiermediums in den Dampfzellen sind beispielsweise:
- • Das Vormagnetisierungsfeld am Ort des ersten Pumpbereichs und das Vormagnetisierungsfeld am Ort des zweiten Pumpbereichs sind antiparallel zueinander oder weisen zumindest eine Komponente auf, die antiparallel zu einer Komponente des jeweils anderen Pumpbereichs ist; oder
- • Optisches Pumpen mit zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche in ihrer Polarisation voneinander abweichen (beispielsweise optisches Pumpen des ersten Pumpbereichs mit σ+-polarisiertem Licht und des zweiten Pumpbereichs mit σ--polarisiertem Licht).
- • The magnetic bias field at the location of the first pump region and the magnetic bias field at the location of the second pump region are antiparallel to one another or have at least one component which is antiparallel to a component of the other pump region; or
- • Optical pumping with circularly polarized light beams which differ from one another in their polarization (for example optical pumping of the first pumping region with σ + -polarized light and the second pumping region with σ - -polarized light).
Jede dieser Möglichkeiten für sich genommen ist dazu geeignet gegenläufige Präzessionsbewegungen der Kernspins in den Dampfzellen zu generieren. Werden beide Möglichkeiten gleichzeitig angewendet, ergibt sich jedoch wieder eine Präzessionsbewegung in die gleiche Richtung, da durch das zweifache Umdrehen der Präzessionsbewegung sich wieder die ursprüngliche Richtung der Präzessionsbewegung einstellt.Each of these possibilities is suitable for generating opposing precession movements of the nuclear spins in the vapor cells. If both options are used simultaneously, however, a precession movement results again in the same direction, since the original direction of the precession movement is restored as a result of the double reversal of the precession movement.
Ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops, mit den Schritten:
- • Aufteilen des von der Beleuchtungsquelle kommenden Lichtstrahls in einen ersten Pump-Lichtstrahl, einen zweiten Pump-Lichtstrahl und einen Auslese-Lichtstrahl,
- • Erzeugen einer synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium des ersten Pumpbereichs mit dem ersten Umlaufsinn mittels des ersten Pump-Lichtstrahls und Erzeugen einer synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium des zweiten Pumpbereichs mit dem zweiten Umlaufsinn mittels des zweiten Pump-Lichtstrahls, wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind,
- • Optisches Auslesen der Spin-Präzessionsbewegungen im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich, wobei der Auslese-Lichtstrahl den ersten Pumpbereich und den zweiten Pumpbereich durchläuft hat den Vorteil, dass Auswirkungen äußerer Störeinflüsse auf das Messergebnis des NMR-Gyroskops auf einfache Weise ohne aufwendige und kostenintensive Modifikationen reduziert werden können, um die Sensitivität und Zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops zu erhöhen und Signaldrifts zu reduzieren.
- • Splitting the light beam coming from the illumination source into a first pumping light beam, a second pumping light beam and a readout light beam,
- • Generating a synchronized spin precession movement in the sensing medium of the first pump region with the first direction of rotation by means of the first pump light beam and generating a synchronized spin precession movement in the sensing medium of the second pump region with the second direction of rotation by means of the second pump light beam, the first sense of rotation and the second direction of rotation are opposite to each other,
- • Optical reading of the spin precession movements in the first pumping area and in the second pumping area, with the readout light beam passing through the first pumping area and the second pumping area, has the advantage that the effects of external interference on the measurement result of the NMR gyroscope can be easily removed without complex and costly Modifications can be reduced to increase the sensitivity and reliability of the NMR gyroscope and to reduce signal drift.
Beim optischen Auslesen kann ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung mit linear polarisiertem Licht und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts erfolgen.During optical reading, the vapor cell arrangement can be irradiated with linearly polarized light and the light transmitted by the vapor cell arrangement can be detected.
Alternativ oder ergänzend kann beim optischen Auslesen die Summe der Spin-Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich erfasst werden. Insbesondere wird die Summe der Spin- Präzessionsbewegungen erfasst, wobei im Fall, dass an dem NMR-Gyroskop keine äußere Drehrate anliegt, das Detektionssignal verschwindet, da sich das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Kernspins 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.Alternatively or additionally, the sum of the spin precession movements of the polarized nuclear spins in the first pump region and in the second pump region can be detected during optical readout. In particular, the sum of the spin precession movements is recorded, whereby if there is no external rotation rate applied to the NMR gyroscope, the detection signal disappears, since the nuclear spins precessing in phase in the first pump region and the nuclear spins precessing in phase in the second pump region, which precess in the opposite direction to the nuclear spins in the first pump region, cancel out the periodically changing magnetic field. Furthermore, all disturbance terms ω s also disappear if they affect the two pump regions to the same extent.
Figurenlistecharacter 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.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. The same reference symbols in the figures denote the same or equivalent elements.
Es zeigen
-
1 eine Skizze des Energieschemas eines zweiten 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 NMR-Gyroskops, -
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, -
5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, -
6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, -
7A-7D zeigen Querschnitte der magnetischen Abschirmung und der Magnetfelderzeugungseinrichtung des NMR-Gyroskops, und -
8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
-
1 a sketch of the energy scheme of a second medium, here Rubidium 87, -
2 shows a sketch to illustrate the precession movements of the polarized electron spins in the first pump region and in the second pump region, -
3 shows an exemplary structure of an NMR gyroscope, -
4 shows a cross section of a section of the NMR gyroscope according to a first embodiment, -
5 shows a cross section of a section of the NMR gyroscope according to a second embodiment, -
6 shows a cross section of a section of the NMR gyroscope according to a third embodiment, -
7A-7D Fig. 12 show cross-sections of the magnetic shield and magnetic field generating means of the NMR gyroscope, and Figs -
8th shows a cross section of a detail of the NMR gyroscope according to a fourth embodiment,
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, e.g 1 has sublevels. For example, the F=1
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 NMR-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.For optical transitions, the selection rule Δ m f =±1.0 applies, where Δ m f describes the difference in the magnetic quantum numbers of the initial and final states. The transitions with Δ m f =±1 can be excited by irradiation with circularly polarized σ ± polarized light. This polarizes the rubidium. An atom that is in the
Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Detektionsanordnung 208, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops 200 um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist. Eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2050 emittiert elektromagnetische Strahlung 2000, insbesondere linear polarisierte elektromagnetische Strahlung.The
Hierbei und analog dazu auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der
Des Weiteren umfasst das NMR-Gyroskop 200 eine magnetische Abschirmung 207, wobei die sich in einem durch die magnetische Abschirmung 207 abgeschirmten Bereich (d. h. dem von der magnetischen Abschirmung 207 umschlossenen Bereich) befindlichen Komponenten gegenüber äußeren Magnetfeldern, wie beispielsweise dem Erdmagnetfeld, sowie den Feldern der elektronischen Komponenten, abgeschirmt, d. h. unbeeinflusst von diesen, sind. Die magnetische Abschirmung 207 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei Schichten, welche den abgeschirmten Bereich umschließen. Die Schichten sind jeweils durch Abstandshalter 202 voneinander beabstandet. Die Abstandshalter 202 können beispielsweise aus einem keramischen oder einem anderen isolierenden Material hergestellt sein. Zwischen den Schichten kann ein Gas, wie beispielsweise Luft eingebracht sein oder es kann zwischen den Schichten ein Vakuum hergestellt sein.Furthermore, the
Die Elektronikanordnung 213, die Beleuchtungsquelle 205 und eine Haupt-Detektionseinheit 2080 sind in diesem Ausführungsbeispiel an einer ersten Seite der magnetischen Abschirmung 207 angeordnet. Hierbei sind insbesondere die Beleuchtungsquelle 205 und die Haupt-Detektionseinheit 2080 außerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet. Die magnetische Abschirmung 207 ist zu der Beleuchtungsquelle 205 und der Haupt-Detektionseinheit 2080 hin offen, sodass die von der Beleuchtungsquelle 205 emittierte elektromagnetische Strahlung 2001 in den abgeschirmten Bereich eindringen kann und sodass die von der sich im abgeschirmten Bereich angeordneten Dampfzellenanordnung 201 transmittierte elektromagnetische Strahlung 2002 aus dem abgeschirmten Bereich austreten kann, um von der Haupt-Detektionseinheit 2080 detektiert zu werden. Die Öffnungen können optional mit Fenstern, durch welche die Strahlen 2001, 2002 ein- bzw.- austreten können, verschlossen sein, sodass das Gas bzw. das Vakuum zwischen den Abschirmschichten aufrechterhalten werden kann.The
Im abgeschirmten Bereich innerhalb der magnetischen Abschirmung 207 ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 angeordnet. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 ist in diesem Ausführungsbeispiel um die Dampfzellenanordnung 201 herum angeordnet und ist dazu eingerichtet, 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 bereitzustellen. In dem in
Die Dampfzellenanordnung 201 umfasst eine erste Dampfzelle 2011a, welche den ersten Pumpbereich 2011 umfasst, und eine zweite Dampfzelle 2012a, welche den zweiten Pumpbereich 2012 umfasst. Innerhalb der Dampfzellen 2011a, 2012a ist jeweils das Sensiermedium 204 angeordnet. Insbesondere kann das Sensiermedium 204 ein zweites Medium, insbesondere ein Alkalimetall, umfassen. Vorzugsweise umfasst das Sensiermedium neben dem zweiten Medium noch ein erstes Medium, insbesondere ein Edelgas. Auf den Dampfzellen 2011a, 2012a sind jeweils Heizelemente 209 angeordnet wobei mittels des Heizelements 209 ein Erwärmen des Sensiermediums 204, insbesondere ein Verdampfen des Alkalimetalls, ermöglicht wird Das Vormagnetisierungsfeld 300 legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums bzw. der Elektronenspins des zweiten Mediums fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds 301 wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums bzw. der Elektronenspins des zweiten Mediums ermöglicht. Das Vormagnetisierungsfeld 300 im ersten Pumpbereich 2011 ist in
Im abschirmten Bereich ist eine erste optische Anordnung 211 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, den von der Beleuchtungsquelle 205 emittierten Lichtstrahl 2001 in
- • einen ersten Pump-
Lichtstrahl 20110, aufweisend eine erste Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium 204 des ersten Pumpbereichs 2011 mit einem ersten Umlaufsinn, - • einen zweiten Pump-
Lichtstrahl 20120, aufweisend eine zweite Polarisation, zum Anregen der Spin-Präzessionsbewegung im Sensiermedium 204 des zweiten Pumpbereichs 2012 mit einem zweiten Umlaufsinn, wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind, und - • einen Auslese-
Lichtstrahl 2000, aufweisend eine dritte Polarisation, zum Auslesen der Spin-Präzessionsbewegungen des ersten Pumpbereichs 2011 und des zweiten Pumpbereichs 2012,
- • a first
pump light beam 20110, having a first polarization, for exciting the spin precession motion in thesensing medium 204 of thefirst pump region 2011 with a first sense of rotation, - • a second
pump light beam 20120, having a second polarization, for exciting the spin precession motion in thesensing medium 204 of thesecond pump region 2012 with a second sense of rotation, the first sense of rotation and the second sense of rotation being opposite to one another, and - • a read-
out light beam 2000, having a third polarization, for reading out the spin precession movements of thefirst pump region 2011 and of thesecond pump region 2012,
Die erste optische Anordnung 211 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf optische Filter sowie einen ersten Strahlteiler 2101 und einen zweiten Strahlteiler 2102 Der erste Strahlteiler 2101 und der zweite Strahlteiler 2102 können als polarisierende Strahlteiler ausgeführt sein. Die von der Beleuchtungsquelle 205 emittierte elektromagnetische Strahlung 2001, welche in diesem Ausführungsbeispiel unpolarisiert ist, tritt durch eine Öffnung in der magnetischen Abschirmung 207 in den abgeschirmten Bereich ein und passiert einen ersten optischen Filter 2111 und einen zweiten optischen Filter 2112 bevor sie auf den ersten Strahlteiler 2101 auftrifft. Mittels der optischen Filter kann eine Lichttransmission des ersten Strahlteilers 2101 festgelegt werden. Insbesondere können die optischen Filter 2111, 2112 als Verzögerungsplatten ausgeführt sein und somit dazu verwendet werden die Intensitäten des ersten Pump-Lichtstrahls 20110 und des Teilstrahls 2004 einzustellen. Der erste Strahlteiler 2101 ist dazu eingerichtet, den von der Beleuchtungsquelle 205 kommenden Lichtstrahl 2001 nach Passieren der optischen Filter 2111, 2112 in den ersten Pump-Lichtstrahl 20110 und den Teilstrahl 2004 aufzuteilen.In this exemplary embodiment, the first
Der erste Pump-Lichtstrahl 20110 passiert einen dritten optischen Filter 2113, hier ein Zirkular-Polarisator, wodurch der erste Pump-Lichtstrahl 20110 eine erste Polarisation erhält. Der zirkular polarisierte erste Pump-Lichtstrahl beleuchtet den ersten Pumpbereich 2011. Dabei wird das Sensiermedium 204, insbesondere das zweite Medium, durch optisches Pumpen angeregt, um eine Spin-Präzessionsbewegung mit einem ersten Umlaufsinn zu erzeugen. Nach Durchgang durch die erste Dampfzelle 2011a wird der erste Pump-Lichtstrahl 20110 von einer ersten Detektionseinheit 2081 erfasst. Die erste Detektionseinheit 2081 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Detektorelement 2083. Als Detektorelement 2083 kann beispielsweise ein Strahlungssensor verwendet werden. Das Detektorelement kann die Strahlungsintensität oder eine Energieflussdichte des ersten Pump-Lichtstrahls 20110 nach Passieren der ersten Dampfzelle 2011a erfassen.The first
Der Teilstrahl 2004 passiert einen vierten optischen Filter 2114, vorzugsweise eine Verzögerungsplatte um die Intensitäten des zweiten Pump-Lichtstrahls 20120 und des Auslese-Lichtstrahls 2000 einzustellen. Anschließend trifft der Teilstrahl 2004 auf den zweiten Strahlteiler, der den Teilstrahl 2004 in den zweiten Pump-Lichtstrahl 20120 und den Auslese-Lichtstrahl 2000 aufteilt. Der zweite Pump-Lichtstrahl 20120 passiert einen fünften optischen Filter 2113, hier ein Zirkular-Polarisator, wodurch der zweite Pump-Lichtstrahl 20120 eine zweite Polarisation erhält. Der zirkular polarisierte zweite Pump-Lichtstrahl 20120 beleuchtet den zweiten Pumpbereich 2012. Eine mögliche Kombination optischer Filter 2111, 2112, 2113, 2114, 2115 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist: der erste optische Filter 2111 ist als Linearpolarisator, der zweite optische Filter 2112 ist als λ/2-Plättchen, der dritte optische Filter 2113 und der fünfte optische Filter 2115 sind jeweils als λ/4-Plättchen und der vierte optische Filter 2114 ist als λ/2-Plättchen ausgeführt. Dabei wird das Sensiermedium 204, insbesondere das zweite Medium, durch optisches Pumpen angeregt, um eine Spin-Präzessionsbewegung mit einem zweiten Umlaufsinn zu erzeugen, wobei der zweite Umlaufsinn und der erste Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind. Nach Durchgang durch die zweite Dampfzelle 2012a wird der zweite Pump-Lichtstrahl 20120 von einer zweiten Detektionseinheit 2082 erfasst. Die zweite Detektionseinheit 2082 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Detektorelement 2083. Als Detektorelement 2083 kann beispielsweise ein Strahlungssensor verwendet werden. Das Detektorelement kann die Strahlungsintensität oder eine Energieflussdichte des zweiten Pump-Lichtstrahls 20120 nach Passieren der zweiten Dampfzelle 2012a erfassen. Alternativ können die erste Detektionseinheit 2081 und/oder die zweite Detektionseinheit 2082 außerhalb der magnetischen Abschirmung, d. h. außerhalb des abgeschirmten Bereichs, in dem die Dampfzellenanordnung 201 und die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 angeordnet sind, angeordnet werden (nicht dargestellt). Dies gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele. Dadurch kann vorteilhafterweise Material, insbesondere Mu-Metall, welches zur magnetischen Abschirmung verwendet werden kann, eingespart werden, wodurch das NMR-Gyroskop 200 leichter und kostengünstiger wird.The
Ist die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds 300 am Ort der ersten Dampfzelle 2011a parallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds 300 am Ort der zweiten Dampfzelle 2012a, so werden die Zirkular-Polarisatoren 2113, 2115 so gewählt, dass die erste Polarisation des ersten Pump-Lichtstrahls 20110 und die zweite Polarisation des zweiten Pump-Lichtstrahls 20120 einander entgegengesetzt zirkular polarisiert sind, d. h. dass beispielsweise der erste Pump-Lichtstrahl 20110 σ+-polarisiert ist und der zweite Pump-Lichtstrahl 20120 σ-polarisiert ist. Dadurch präzedieren die Spins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn.If the magnetic field direction of the
Ist die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds 300 am Ort der ersten Dampfzelle 2011a antiparallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds 300 am Ort der zweiten Dampfzelle 2012a, so werden die Zirkular-Polarisatoren 2113, 2115 so gewählt, dass die erste Polarisation des ersten Pump-Lichtstrahls 20110 und die zweite Polarisation des zweiten Pump-Lichtstrahls 20120 gleichartig zirkular polarisiert sind, d. h. dass beispielsweise der erste Pump-Lichtstrahl 20110 σ+polarisiert ist und der zweite Pump-Lichtstrahl 20120 ebenfalls σ+-polarisiert ist. Dadurch präzedieren die Spins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn.If the magnetic field direction of the
Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine zweite optische Anordnung 212, welche mindestens ein optisches Element zur Strahlführung und/oder zur Strahlformung umfasst, im Strahlengang des Auslese-Lichtstrahls 2000. Die zweite optische Anordnung 212 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Spiegel 2121 und einen zweiten Spiegel 2122, wobei die beiden Spiegel 2121, 2122 derart angeordnet sind, dass der Auslese-Lichtstrahl 2000 durch die Dampfzellenanordnung 201 hindurch zur Haupt-Detektionseinheit 2080 geführt wird. Der erste Spiegel 2121 reflektiert den Auslese-Lichtstrahl 2000, wobei der zweite Spiegel 2122 relativ zum ersten Spiegel 2122 derart angeordnet ist, dass der vom ersten Spiegel 2121 reflektierte Auslese-Lichtstrahl 2000 vom zweiten Spiegel in Richtung Dampfzellenanordnung 201 reflektiert wird. Im Strahlengang des Auslese-Lichtstrahls 2000 zwischen dem zweiten Spiegel 2122 und der zweiten Dampfzelle 2012a ist eine optische Blende 2123 zur Einstellung eines Strahlquerschnitts des Auslese-Lichtstrahls 2000 angeordnet. Die optische Blende 2123 ist Teil der zweiten optischen Anordnung 212. Der Auslese-Lichtstrahl 2000 passiert nach Durchlaufen der optischen Blende 2123 zuerst die zweite Dampfzelle 2012a und anschließend die erste Dampfzelle 2011a. Durch eine Öffnung in der magnetischen Abschirmung 207 tritt der von der Dampfzellenanordnung 201 transmittierte Auslese-Lichtstrahl 2002 aus dem abgeschirmten Bereich in die Haupt-Detektionseinheit 2080 ein. In
Der Auslese-Lichtstrahl 200 weist eine dritte Polarisation, insbesondere eine lineare Polarisation, auf. Die Lichtstrahlen 2001, 2000, 20110, 20120, 2002 verlaufen in Aussparungen, welche in einer Trägerstruktur 214 ausgebildet sind. Die Aussparungen können mit einem Gas, wie beispielsweise Luft, gefüllt sein oder es herrscht ein Vakuum in den Aussparungen. Die Trägerstruktur 214, welche einen Grundkörper des NMR-Gyroskops 200 darstellt, ist innerhalb der magnetischen Abschirmung 207 angeordnet. Der Grundkörper trägt insbesondere die Dampfzellenanordnung 201 und die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206. In diesem Ausführungsbeispiel trägt die Trägerstruktur 214 des Weiteren die erste optische Anordnung 211 und die zweite optische Anordnung 212 sowie die erste Detektionseinheit 2081 und die zweite Detektionseinheit 2082.The read-out
In dem in
Der erste Spiegel 2121 der zweiten optischen Anordnung 2122 ist ebenfalls auf dem außenliegenden Teil der Trägerstruktur 214 angeordnet. Eine Durchlassöffnung in der magnetischen Abschirmung 207, durch welche der reflektierte Auslese-Lichtstrahl 2000 durch die magnetische Abschirmung 207 hindurch in den abgeschirmten Bereich eintreten kann, ist durch ein für den Auslese-Lichtstrahl 2000 transparentes Fenster 215 verschlossen. Dieses Fenster 215 ist in oder an der an den außenliegenden Teil der Trägerstruktur 214 angrenzenden Abschirmschicht der magnetischen Abschirmung 207 angeordnet. Der zweite Spiegel 2122 der zweiten optischen Anordnung 212 sowie die optische Blende 2123 sind wie auch in
In einer hier nicht dargestellten Variante können auch der zweite Spiegel 2122 der zweiten optischen Anordnung 212 und/oder die optische Blende 2123 außerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet werden. Hierzu kann beispielsweise eine durch ein Fenster verschlossene Durchlassöffnung hin zu einer dritten Seite der magnetischen Abschirmung 207 ausgebildet werden, durch welche der von dem zweiten Spiegel 2122 in Richtung Dampfzellenanordnung 201 reflektierte Auslese-Lichtstrahl 2000 in den abgeschirmten Bereich eintreten kann. Die dritte Seite grenzt hierbei an die zweite Seite der magnetischen Abschirmung 207 an.In a variant not shown here, the
Im Fall, dass die magnetische Abschirmung 207 keine Ecken aufweist, durch welche die erste, zweite und dritte Seite voneinander abgegrenzt sind, sind unter den Seiten aneinandergrenzende Oberflächenabschnitte beliebiger Form zu verstehen.In the event that the
In
Alternativ können die Heizlaser 2090 auch innerhalb des abgeschirmten Bereichs angeordnet werden.Alternatively, the
Die Anordnung der Heizlaser 2090 ist nicht auf die in
Die Geometrie der magnetischen Abschirmung 207, die Anzahl an Abschirmschichten sowie die Positionen, die für Spulen vorgesehen werden, können beliebig bei allen Ausführungsbeispielen variiert werden. Eine Verbesserung der magnetischen Abschirmung 207, beispielsweise durch Erhöhung der Anzahl Abschirmschichten, macht das NMR-Gyroskop 200 stabiler und sensitiver, aber auch größer und teurer. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 umfasst Spulen, wobei komplexe, vielschichtige Spulen-Geometrien die Sensitivität erhöhen und den Drift durch erhöhte Homogenität und Stabilität der erzeugten Magnetfelder verringern. Das NMR-Gyroskop 200 kann durch die Wahl der magnetischen Abschirmung 207 und/oder der Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 genau auf die Anwendung abgestimmt werden.The geometry of the
In
In
In
In
Die Abschirmschichten können - wie beispielsweise in den
In
Analog zu
Claims (15)
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US20100123459A1 (en) | 2008-11-17 | 2010-05-20 | Northrop Grumman Guidance And Electronic Company, Inc. | Small optics cell for miniature nuclear magnetic resonance gyroscope |
DE102016010324A1 (en) | 2015-08-20 | 2017-02-23 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. | Arrangement for the high-resolution recording of magnetic field distributions or magnetic field changes |
EP2622177B1 (en) | 2010-10-01 | 2017-11-01 | Halliburton Energy Services, Inc. | Downhole orientation sensing with nuclear spin gyroscope |
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2020
- 2020-09-24 DE DE102020212027.7A patent/DE102020212027A1/en active Pending
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