DE1673804A1

DE1673804A1 - Verfahren und Vorrichtung fuer Atomresonanz mit Spin-Praezession

Info

Publication number: DE1673804A1
Application number: DE19681673804
Authority: DE
Inventors: Bell William E
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1967-01-19
Filing date: 1968-01-18
Publication date: 1971-06-03
Also published as: US3495161A; FR1562937A; GB1219122A

Description

PATENTANWÄLTE 1 ß 7 Q >} Π /

DR. CLAUS REINLÄNDER | Q / O O U DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 MÜNCHEN 23 MAINZER STRASSE 5 V1 P155 D

VARIAN ASSOCIATES

Palo Alto, California

V. St. v. Amerika

Verfahren und Vorrichtung für Atomresonanz mit Spin-Präzession

Priorität; 19· Januar 1967 - Vereinigte Staaten von Amerika Serial Wo. 610 3I8

Die Erfindung betrifft allgemein die optisch angetriebene Spin-Präzession von Atomresonatorsystemen, wie sie in Atomfrequenznormalen und Atomdampf-Magnetometern verwendet werden, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art, in der eine Einrichtung, beispielsweise eine Pookels-Zelle, zur Modulation der Polarisation des Antriebslichtes eines Lichtstrahles zwischen links drehender und rechts drehender Rotationspolarisation bei einer gewissen Frequenz hervorzurufen, um eine Präzession der Atomresonatoren zu bewirken· Im Falle eines Dampfmagnetometers ruft die

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abwechaelnd links drehende und rechts drehende Polarisation eine Präzession der Atomresonatoren ohne Intensitätsmodulation der angelegten Strahlung hervor. Im Falle eines Atomfrequenznormals wird das abwechselnd links drehend und rechts drehend polarisierte Lioht durch einen links drehenden oder rechts drehenden Zirkularpolarisator geleitet, ehe es auf die Atomresonatoren einwirken kann, um entweder eine rechts drehende oder links drehende zirkularpolarisierte Schwingung zu erzeugen, die mit der "bestimmten Frequenz intensitätsmoduliert ist, um die Spin-Präzession der Atome anzutreiben.

Die Spin-Präzession von Systemen.aus Atomresonatoren, beispielsweise Dämpfen von Hb, Cs, He, Hg, K oder Na, ist dadurch hervorgerufen worden, dass das System aus Atomresonatoren mit optischer Strahlung angetrieben wurde, die mit einer gewissen Frequenz, moduliert wurde, typischerweise der Atomresonanzfrequenz der Spin-Präzession. Eine solche Anordnung ist in der US Patentschrift 3 173 082 beschrieben.

Bei dem bekannten Atomdampfmagnetometer wurde die angelegte optische Strahlung intensitätsmässig mit der Präzessionsfrequenz moduliert, um eine Spin-Präzession oder Resonanz der Atomresonatoren hervorzurufen. Die Resonanz der Atomresonatoren wurde mit einer Photozelle detektiert, die die Absorption der angelegten Strahlung durch die präzedierenden Atomresonatoren überwacht. Die Absorption wurde daduroh detektiert, dass die Intensität eines Lichtstrahles überwacht wurde, der durch den Atomdampf zur Photozelle hindurchtrat. Die präzedierenden Atome modulieren die Intensität des Lichtes, das von der Photozelle überwacht wird, und zwar mit der Präzessions-

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frequenz und deren Harmonischen. Die Detektion der Präzessionsabsorptionskomponente im detektierten Licht ist jedoch sehr schwierig, weil dieses Signal durch die angelegte Intensitätsmodulation des Lichtes bei dieser Frequenz maskiert wird; diese Intensitätsmodulation war jedoch erforderlich, um die Präzession der Atome überhaupt hervorzurufen. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die zweite Harmonische des detektierten Präzessionssignals zu verwenden, dieses Signal durch zwei zu teilen und zum Lichtintensitätsmodulator zurückzukoppeln, um eine ungedämpfte Präzession der Atome zu bewirken. Aber auch bei einem solchen Vorgehen treten Schwierigkeiten auf.

Im Falle des Atomfrequenznormals liegt die Intensitätsmodulation der treibenden optischen Strahlung typischerweise bei einer erheblich höheren Frequenz, entsprechend einem feldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Resonanzübergang. Es ist vorgeschlagen worden, die Intensität des Antriebslichtes mittels einer Kerrzelle zu modulieren, oder durch Modulation der Intensität der HF-erregten Lampe, die als Quelle für die optische Strahlung diente. Es ist jedoch schwierig, diese Einrichtungen dazu zu verwenden, die Intensität der optischen Strahlung mit Frequenzen zu modulieren, die ausreichend hoch sind, um viele der Hyperfeinstruktur-Frequenzen zu erreichen, die zwischen 252 MHz für Kalium 41 und 9193 MHz bei Zäsium liegen.

Erfindungsgemäss wird eine Einrichtung, beispielsweise eine Pockels-Zelle, vorgesehen, mit der der Drehsinn der zirkulären Polarisation oder Rotatiouspolarisetion eines Strahls aus optischer Pumpstrahlung

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mit einer Frequenz moduliert wird, um eine Spin-Präzession eines
Atomresonatorsystems hervorzurufen. Ein solcher Modulator kann noch in Frequenzbereichen arbeiten, in denen die Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenzen liegen.

Im Falle eines Atomdampfmagnetometers moduliert der Rctetionspolarisationsmodulator den Drehsinn der zirkulären Polarisation der optischen Strahlung, 'die auf den Atomdampf fallt. Die Modulationsfrequenz wird so gewählt, dass eine Spin-Präzession der Atomresonatoren bei einer Frequenz hervorgerufen wird, die von der Grosse des Magnetfeldes
im Atomdampf abhängt. Die Spin-Präzession der Atomresonatoren wird dadurch detektiert, dass die Amplitudenmodulation der durch den
Dampf tretenden Strahlung durch die Spin-Präzession überwacht wird. Die Spin-Präzessions-Frequenz wird detektiert und dient als Maß für die Magnetfeldintensität. Ein Hauptvorteil eines Pockels-Zellen-Modulators liegt darin, dass die Intensität der optischen Strahlung nicht moduliert zu werden braucht, um eine Spin-Präzession hervorzurufen, so dass die Detektion der Intensitätsmodulation des durchgelassenen Teils der angelegten Strahlung durch die Spin-^räzession der Atomresonatoren erleichtert wird. Mit anderen 'orten, die Spin-Präzessionsmodulation des überwachten Lichtes wird nicht durch die= vorhergehende Modulation der Intensität der benutzten optischen Strahlung maskiert, mit der die Spin-Präzession hervorgerufen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Magnetometers wird eine Komponente des detektierten Spin-Präzessions-

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signals des überwachten Lichtes zum Rotationspolarisationsmodulator (Pockels-Zelle) zurückgekoppelt, um die Polarisation der benutzten optischen Strahlung mit einer Frequenz zu modulieren, mit der eine sich selbst unterhaltende Spin-Präzession der Atomresonatoren hervorgerufen wird. Die Spin-Präzessionen unterhalten sich damit selbst bei einer· Frequenz, die von der Intensität des Magnetfeldes abhängt. Ein Maß für diese Frequenz ist ein MaB für das Magnetfeld.

Bei einem Atomfrequenznormal nach der Erfindung wird die benutzte optische Strahlung mit der Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz intensitätsmoduliert, weil die Atomresonatoren keine magnetische Polarisation besitzen, die gekoppelt werden kann, indem lediglich der Polarisationssinn der benutzten Strahlung moduliert wird. Der Zirkularpolarisationsmodulator, beispielsweise die Pockels-Zelle, wird jedoch dadurch in einen Intensitätsmodulator umgewandelt, dass die ausgehende Strahlung durch einen links oder rechts drehenden Zirkuj.arpolarisator hindurchgeschickt wird, so dass das Licht in Impulse konstanter Intensität mit nur einem Polarisationssinn zerhackt.wird_t und diese Impulse treten bei der Modulationsfrequenz auf. Die Hyperfeinstruktur-Resonanz des Atomdampfes wird detektiert und dazu verwendet, die Ausgangsfrequenz des Normals zu kontrollieren.

Der Vorteil eines Intensitätsmodulators mit einer Pockels-Zelle als Komponente besteht darin, daas eine kontinuierliche Intensitätsmodulation der benutzten optischen Strahlung beiden relativ hohen Frequenzen der Hyp«rfeinstruktur-Resonanzübergänge leicht möglich ist.

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Die bisher verwendeten Kerr-Zellen werden bei längerem kontinuierlichen Betrieb mit Mikrowellenfrequenzen leicht überhitzt.

Durch die Erfindung soll ein verbessertes Atomresonatorsystem mit optischem Antrieb verfügbar gemacht werden.

Erfindungagemäss wird ein Modulator zur Modulation der auf das Atomresonatorsystem wirkenden optischen Strahlung mit einer Frequenz, mit der eine Spin-Präzession der Atomresonatoren hervorgerufen wird, verwendet, der eine Einrichtung, beispielsweise eine Pockels-Zelle, enthält, mit der der Drehsinn der Zirkularpolarisation der optischen Strahlung moduliert wird, so dass relativ hohe Modulationsfrequenzen leicht erreicht werden können.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung wird die benutzte optische Strahlung mit einer Antriebsfrequenz moduliert, um eine magnetfeldabhängige Spin-Präzession hervorzurufen, und die angelegte optische Strahlung, die die Spin-Präzession antreibt, wird hauptsächlich nur so mit der Antriebsfrequenz moduliert, dass der Drehsinn der Zirkularpolarisation, nicht aber die Intensität moduliert wird, so dass die Intensitätsmodulation der benutzten Strahlung durch das präzedierende Spinsystem leichter detektiert werden kann·

Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die Intensitätsmodulation der benutzten Strahlung durch das präzedierende Spinsystem detektiert und so rückgekoppelt, dass aer Rotationspolarisationsmodulator, beispielsweise die Pockels-Zelle, angetrieben wird, so dass ein sich seibat unterhaltendes Spin-Präzessions-Magnetometer erhalten wird«

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SAD ORiQlNAL.

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Gemäfis eihei· weiteren Ausbildung der Erfindung wird ein Modulator zur Modulation der Intensität einer optischen Strahlung verwendet, der einen Modulator zur Modulation des Drehsinns der Zirkularpolarisation einer optischen Strahlung und einen Zirkularpolarisator enthält, der entweder links drehend oder rechts drehend arbeitet und f.mf den Ausgpng des Zirkularpol arisationsinodulators wirkt, so dass der /\ us gang dec Zirkularpolarisa tors in eine intensitätsmodul i erte optische Strahlung umgewandelt wird.

Ein solcher Modulator wird gemäss einer speziellen Ausbildung der Erfindung in einem Frequenznormal verwendet, das mit einem Atomresonalorsystem arbeitet und bei dem eine feldunabhängige Hyperfeinstruktur-hpin-Fräzession der Atomresonatoren durch diesen Modulator hervorgerufen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines bekannten optisch angetriebenen Spin-i'räzessionssystems aus Atomresonatorenj F.i.g. 2 ein sehematisch.es Blockschaltbild eines optisch angetriebenen Spin-Präzessionssystems aus Atomresonatoren mit Merkmalen der Erfindung!

Fig. 3 schematisch einen Fockels-Zellen-Modulator; Fig. 4 schematisch die Intensität einer optischen Strahlung in Abhängigkeit von der Durchstinmun^ für den Ausgang des Modulators nach Fig. 3}

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Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild eines Dampfmagnetometers

mit Merkmalen der Erfindung}
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild eines Dampfmagnetometers mit Merkmalen der Erfindung, das gekennzeichnet ist durch eine sich selbst unterhaltende Schwingung bei der Spin-

Präzessions-Frequenz;
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild eines Atomfrequenznormals mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 8 schematisch einen Hochfrequenz-Pockels-Zellen-Modulator; und Fig. 9 schematisch eine andere Ausführungsform einer Pockels-Zelle,

In Fig» 1 ist ein bekanntes optisch angetriebenes Spin-Präzessionssystem von Atomresonatoren dargestellt. Genauer gesagt, eine optisch transparente Gaszelle 1 enthält einen atomischen Dampf (Gas) unter einem niedrigen Druck. Geeignete Atomdämpfe sind Cs, Rb, Na, K, Hg und He. Vorzugsweise wird der aktive Atomdampf dadurch gepuffert, dass er mit einem inerten Gas gemischt wird, beispielsweise N„, A usw.

Eine Lampe 2 liefert einen Strahl 3 einer optischen Pumpstrahlung, mit der der aktive Atomdampf in der Gaszelle 1 auf ein nicht im Gleichgewicht befindliches Energieniveau gepumpt wird, von dem Spin-Präzession induziert werden kann. Ein Strahlmodulator 4, beispielsweise eine nicht vorgespannte Flüssigkeits-Kerr-Zelle, moduliert die Intensität der optischen Pumpstrahlung, die zur Gaszelle 1 geliefert wird. Ein Zirkularpolarisator 5 polarisiert die der Gaszelle zugeführte optische Pumpstrahlung zirkulär»

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Ein optischer Detektor 6, beispielsweise eine Photozelle, ist am Abschlussende des optischen Strahlweges 3 angeordnet, um die Intensität des Strahles 5 zu überwachen, nachdem dieser durch die Gaszelle hindurchgetreten ist. Bin Magnetfeld Ho durchdringt die Gaszelle 1, und der Strahl 3 wird in einer solchen Richtung angelegt, dass eine merkliche Komponente des Magnetfeldes senkrecht zur Richtung des Strahls 3 liegt.

Das Magnetfeld Ho spa.ltet die Energieniveaus der Atomresonatoren in Zeeman-Unterniveaus auf. Spin-Präzessionen, entsprechend magnetfeldabhängigen Zeeman-Übergängen, werden dadurch hervorgerufen, dass die Intensität des Pumplichtes mit der Spin-Präzessions-(Larmor-) Frequenz gepulst wird. Das pulsierende Licht baut eine grosse resultierende präzedierende Spinpolarisation auf, die in jedem Zyklus gerade genug Licht absorbiert, um die Präzession aufrechtzuerhalten. Das Pumplicht ist aus, wenn es dazu neigen könnte, die resultierende Polarisation zu zerstören. Das durchgelassene Licht, oder das vom Photodetektor detektierte Licht, hat ein Maximum, wenn das Licht mit der Spin-Präzessions-(Larmor-)Frequenz pulsiert.

Ein Niederfrequenz-Wobbelgenerator 7 moduliert bei einer Frequenz von beispielsweise 100 Hz die Intensität des Magnetfeldes Ho mit Spulen 10, so dass die Spin-Präzessions-Bedingungen sioh mit einer niedrigen Wobbeifrequenz ändern. Die detektierte Lichtintensität iat also mit der Wobbeifrequenz moduliert. Das detektierte Lichtsignal wird mit einem Niederfrequenzverstärker 8 verstärkt und einem Plafctenpaar eines Oszillographen 9 zugeführt. Die Wobbeifrequenz wird dem anderen Paar Oezillographenplatten zugeführt, um eine

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typische Hesonanzumhüllende auf dem Oszillographen hervorzurufen» Statt dessen könnte die niederfrequente Wobbelung die Modulationsfrequenz uj um die mittlere Spin-Präzessions-Frequenz modulieren, wodurch das gleiche Ausgangssignal auf dem Oszillographenschirm 9 erreicht würde.

Bei diesem bekannten System absorbiert die präzedierende Spinpolarisation optische Strahlung aus dem Strahl einmal in jedem Präzessionszyklus. Die Grosse der absorbierten Strahlung fällt auf ein Minimum, wenn die Modulationsfrequenz präzise gleich der Spin-Präzessions-Frequenz ist. Diese Absorptionskomponente bei der Spin-Präzessions-Frequenz ist schwer in dem bekannten System nach Fig. 1 zu detektieren, weil der Strahl vom Modulator 4 bereits mit der Spin-Präzessions-Frequenz intensitätsmoduliert ist« Das kleine Absorptionssignal bei dieser Frequenz wird also durch die bereits vorhandene Modulation maskiert. ^s

In Fig. 2 ist eine Atomresonanzvorrxchtung ähnlich der nach Fig. 1 dargestellt, die jedoch erfindungsgemässe Merkmale aufweist. Die Vorrichtung ist gleich der nach Fig. 1, nur dass der Strahlmodulator 4 und der Zirkularpolarisator 5 durch einen linearen Polarisator 11 und einen Pockels-Zellen-Strahlmodulator 12 ersetzt sind. Die Pockels-Zelle wird mit der Spin-Präzessions-(Larmor-)Frequenz c~> erregt und arbeitet auf den linear polarisierten optischen Strahl 3» um diesen linear polarisierten optischen Strahl in eine zirkulär polarisierte Strahlung umzuwandeln. Zusätzlich moduliert die Pockels-Zelle den Drehsinn der Zirkularpolarisation des Strahls 3 ^fflit der Modulations-

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frequenz <^> . Der Strahlausgang der Pockels-2elle ist also durch eine konstante Intensität gekennzeichnet, die zwischen links drehender und rechts drehender Zirkularpolarisation in jedem Halbzyklus wechselt, wie in Figp 4 dargestellt ist.

Bs wurde in der erwähnten TJS Patentschrift 3 173 082 erwähnt, dass, wenn die Zirkularpolarisation der angelegten optischen Pumpstrahlung bei der Spin-Präzessions-Frequenz zwischen links drehender und rechts drehender Polarisation moduliert würde, sich ein erheblicher Anstieg des detektierten Spin-Präzessions-Signals ergibt.

Ein Vorteil des Systems nach Fig. 2 gegenüber dem bekannten liegt darin, dass die Intensität der angelegten Strahlung nicht notwendigerweise moduliert werden muss, um die Spin-Präzession 4iervorzurufen. Dementsprechend ist es wesentlich einfacher, die Spin-Präzessions-Absorption des durchgelassenen Lichtes bei der Spin-Präzessions-Frequenz i^j zu detektieren, weil unter diesen Bedingungen die einzige erhebliche Intensitätsmodulation des Strahls bei der Spin-Präzessions-Frequenz sich durch die optische absorption durch die präzedierende Spinpolarisr:tion ergibt.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach Fig. 2 gegenüber der bekannten besteht darin, dass die Pockels-Zelle in der Lage ist, den Polarisationssinn des Strahls 3 bei erheblich höheren Frequenzen zu modulieren, als das mit anderen, bisher vorgeschlagenen Strahlintensitätsmodulatoren möglich ist.

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Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist in Verbindung mit einer Pockels-Zelle zur Modulation des Drehsinns der RotationspolariBation des Lichtstrahles beschrieben worden, andere Einrichtungen, beispielsweise spezielle elektrisch vorgespannte Kerr-Zellen und nicht vorgespannte Festkörper-Kerr-Zellen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Unter dem Ausdruck "Pockels¹¹-Zelle sollen deshalb alle Pockels-Zellen und solche Kerr-Zellen verstanden verden, die eine Rotationspolarisation des Lichtstrahles hervorrufen.

In Fig. 3 ist ein Pockels-Zellen-Modulator 15 dargestellt. Der Modulator 15 enthält eine Pockels-Zelle 16, die aus einer Sektion aus piezoelektrischem Material 17 besteht, beispielsweise einem Einkristall aus Kalium Dihydrogen Phosphat oder Kalium Didenterium Phosphat, die von der Harshaw Chemical Co., Inc., Cleveland, Ohio, geliefert werden. Optisch transparente leitende Elektroden 18 sind an den Enden der Kristallsektion 17 gebildet. Ein Oszillator 19 liegt über den Elektroden 18, um den Kristall 17 mit der Modulationsfrequenz (~* zu treiben. Im Betrieb verzögert der Kristall die Phase einer der zirkulär rotierenden Komponenten dee linear polarisierten optischen Strahle um 90 » so daes sich ein zirkulär polarisierter Auegang sit einem Drehsinn ergibt. Is anderen Halbzyklus der angelegten Spannung wird die andere rotierende Komponente der linear P©le3riei©qpt#n Strahlung ua 90® versögert, β© dass ei» eirkular polar-ieierter Ausgang pit entgegengesetzten Drehsinn entsteht.

Statt dessen keim die Pockele^Zelle 16 durch eine Feetkörper-Kerr-Zelle

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ersetzt warden, die im wesentlichen genauso aufgebaut ist wie in Pig. 3 veranachaulicht ist, nur dass die Elektroden 18 an den Seiten des Kerr-Zellen-Kristalls statt an den Enden angeordnet sind, um ein Wecheelfeld rechtwinkelig zum Strahl 3 zu erzeugen. Geeignete Fest« körper-Kerr-Zellen-Krietalle sind Kalium-Niobat,■ Kaiium-Tantalat, Barium-fitanat und Kalium-Lithium-Kiobat. Auch Flüssigkeits-Kerr-Zellen können als Strahlmodulatoren verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie elektrisch auf einen Wert vorgespannt sind, mit dem Verzögerungen um eine ganze Zahl von halben Wellenlängen in der verzögerten Lichtkomponente beim Durchgang durch die Zelle hervorgerufen wird. Das üblichste Flüssigkeits-Kerr-Zellen-Material ist flüssiges Nitrobenzol.

In Fig. 5 is* ein Atomdampfmagnetometer mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Genauer gesagt, die Vorrichtung ist ähnlich der nach Fig. 2 aufgebaut, nur dass die Wobbelfrequenz-Ausgangssignalkomponente im Ausgang des Wobbelfrequenzverstärkere 3 einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 21 über einen Phasenschieber 22 zugeführt wird. Ein V/obbelfrequenz-Bezugssignal wird dem anderen Eingang des phasenempfindlichen Detektors 21 zugeführt» Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 21 ist ein Gleiohsignal, dessen Phasenlage und Amplitude proportional der Differenz zwischen der Strahlmodulationsfrequenz 6-J und der feldabhängigen Spin-Präzessions-(Larmor-)Frequenz der Atomresonatoren proportional ist. Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors dient aJs Fehlersignal, das einem Tuner des strahlnodule tors 12 zugeführt wird, um die Modulationsfrequenz auf die Spin-Präzessions-Frequenz zu korrigieren. Die Spin-Präzessionswird dadurch gemessen, dass ein Teil der Strahlrnodulations-

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frequenz te einem Frequenzzähler 23 zugeführt wird, der die Frequenz, zählt und einen Ausgang liefert/ der die Magnetfeldintensität Ho angibt.

In Fig» 6 ist eine andere Ausführungsform eines Dampfmagnefcomaters mit Merkmalen" der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Auegangssignalkomponente des Photodetektors 6, die die Spin-Präzessions-Frequenz cj hat, mit einem Verstärker 24 verstärkt und über einen veränderlichen Phasenschieber 22 zurückgekoppelt, um die Pookels-Zelle 16 anzutreiben. Die Phasenlage der Rückkopplung wird mit Phasenschieber 22 so nachgestellt, dass eine sich selbst unterhaltende Schwingung oder Spin-Präzeesion der Atomresonatoren im Magnetfeld Ho erhalten wird. Die Spin—fräzeaaions-Frequenz wird abgefragt und dem Frequenzzähler 23 zugeführt, um eine Messung der Magnetfeldintensität zu erhalten.

Die Verwendung das Pookels-Zellen-Modulators 16 bei dem sich selbst unterhaltenden Spin-Prazessions-Mngnetometer nach Fig. 6 ist besonders erwünscht, weil die Poekels-Zelle fceinelntensitätsmodulationskomponenten einführt. Solche Komponenten würden sonst die Spin-Präzessions-Absorptionssignalkomponenten im vom Photodetektor 6 aufgenommenen Signal stören.

In Fig. 7 ist ein Atomfrequenznormal mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung ist ähnlich dem Magnetometer nnch Fig. 5 auf gebaut, indem es sich um eine Vorrichtung handelt, bei der die Mitte

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der Strahlmodulationsfrequenz ω mit der Spin-^räzessions-Frequenz fo mittels einer niederfrequenten Wobbelung verrastet wird, die die Spin-Präzessions-Bedingungen mit einer niedrigen Wobbeifrequenz wobbelt, um ein Frequenzregelsignal abzuleiten. Bei der Vorrichtung nach Fig. 7 haben die Spin-Präzessionen jedoch wesentlich höhere Frequenzen, entsprechend einem feldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Übergang, beispielsweise 6,88 GHz für Rb-Dampf und 9,193 GHz für Cs-Dampf.

Darüber hinaus ist die Gaszelle 1 vorzugsweise gegen &.s magnetische Erdfeld mit einem Magnetschirm 26 auf eine geeignete geringe Feldintensität,beispielsweise 20 Mikrogauss abgeschirmt, um ein Frequenzziehen zweiter Ordnung der Spin-Präzessions-Frequenz zu eliminieren. Da ein feldunabhängiger Übergang verwendet wird, wird das modulierte Pumplicht nicht mit einer magnetischen Polarisation der Spins gekoppelt. Dementsprechend wird der Lichtstrahl so gerichtet, dass das magnetische Feld Ho in der Gaszelle 1 eine merkliche Komponente parallel zur Richtung des Strahles 3 hat. Eine geeignete Orientierung ist ein Winkel von 45 zwischen der Richtung des Strahls 3 unct der Richtung des schwachen Feldes Ho, von beispielsweise 100 Mikrogauss* Da eine magnetische Spinpolarisation nicht verwendet wird, ergibt eine Umkehr des Drehsinne der Rotationspolarisation des Pumplichtes in jedem HaIbsyklue 4er Spin-Präzessions-Frequenz keine Spin-j^azes&ion. Statt dessen »ues der Strahl 5 &it der Spin-Präzesaions-Frequens intensität smoduliert werden.

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BADORlGWAi.

Ein besonders geeigneter Strahlintensitätemodulator wird dadurch erhalten, dass der modulierte Strahlauegang der Pockels-Zelle 16 durch einen links oder rechts drehenden Zirkularpolarisator 27 geführt wird. Der Zirkularpolarisator blockiert den einen Halbzyklus dee Lichtes, das nicht den Drehsinn der Rotationspolarisation dieses Polarisators hat, so daes der Strahl mit der Modulationsfrequenz der Pockels-Zelle intensitätsmoduliert wird.

Ein Kristalloszillator 2Θ dient dazu, eine stabile Quelle für Schwingungen mit einer geeigneten niedrigen Frequenz, beispielsweise 5 MHz, zu schaffen. Die Ausgangsspannung des Kristalloszillators wird einer Frequenz-Syntheseschaltung 29 zugeführt, in der die feldunabhängige Hyperfeinstruktur-Präzessions-Frequenz co synthetisiert wird, um den Pockels-Zellen-Strahlmodulator 16 anzutreiben. Die Frequenz-Syntheseschaltung 29 wandelt auch das Kristalloszillator-Signal in passendere Ausgangsfrequenzsignale um, beispielsweise 100 kHz, ein MHz und 5

Der Niederfrequenz-Wobbelgenerator 7 dient dazu, die Frequenz des die Pockels-Zelle antreibenden Signales über und unter die Spin-Präzessions-Frequenz mit einer geeigneten niedrigen Frequenz, beispielsweise 100 Hz, zu wobbeln. Dadurch wird eine niederfrequente Wobbeikomponente im detektierten Spin-Präzessions-Signal am Ausgang des Photodetektors 6 hervorgerufen. Diese niederfrequente Komponente wird im Verstärker 8 verstärkt und einem Eingang des Phasendetektors 21 zugeführt, in dem sie mit dem niederfrequenten Wobbelsignal

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vom Wobbelgenerator 7 verglichen wird. Dar einstellbare Phasansohiaber 22 erlaubt eine richtige Nachstellung der relativen Fhasenlagen der beiden verglichenen Wobbelfrequenzsignale, um am Ausgang eine Gleichspannung zu erzeugen, die dem Kristalloszillator 28 so zugeführt wird, dass die Abstimmung des Kristalloszillators 28 so korrigiert wird, dass die Mittenfrequenz des synthetisierten Spin-Präzessions-Signales präzise gleich der Spin-Präzessions-Frequenz der Atomresonatoren ist. Auf diese Weise werden Frequenznormalausgänge frequenzmässig oder phasenmässig mit den Atomresonatoren verrastet.

Die Pockels-Zelle 16 bildet in Kombination mit dem Zirkularpolarisator 27 einen besonders gut geeigneten Strahlintensitätsmodulator, weil bei dieser Kombination leicht mit Modulationsfrequenzen im GHz-Bereioh gearbeitet werden kann, in denen eine Modulation mit anderen Mitteln sehr schwer zu erreichen ist.

Der Strahlmodulator 16 ist zwar in Verbindung mit einem Betrieb bei einer feldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz beschrieben worden, bei einer anderen Ausführungsform wird der Strahlmodulator 16 jedoch auf einer Neoharmonisohen der Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz betrieben·

In Fign. 8 und 9 sind Fockels-Zellen-Schaltungen für hohe Mikrowellenfrequenz·η dargestellt, beispielsweise im Bereich von 2 bis 20 GHz. Genauer gesagt, die Pockels-Zelle nach Fig. θ weist einen Kristall 17 auf, mit dem es möglich let, das modulierende elektrische Feld quer zun optischen Strahlweg 3 anzubringen* Der Kristall ist im Luftspalt

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eines einspringenden torischen Hohlraumresonators 31 angeordnet. StrahlBoher 32 sind in den einander gegenüberstehenden Seitenwänden des Hohlraumresonators 31 vorgesehen« um den Strahl hindurchzulassen. Röhren 33» deren Querabmessungen unter der Grenafrequenz bei der Spin-Präzessions-Frequenz <-j liegen, Bind mit dem Strahl weg 3 ausgefluchtet, um eine Belastung des Hohlraums 31 mit den Strahllöchern 32 zu verhindern. Eine Eingangs-Koppelschleife 34 dient dazu, das synthetisierte Modulationssignal tj in den Hohlraum 31 einzukoppeln. Der Hohlraum 31 ist auf die Modulationsfrequenz t-> abgestimmt.

GemäsB Fig. 9 ist der Pookela-Zellen-Krietall 17 derart aufgebaut, dass das Modulationsfeld in einer Richtung parallel zum optischen Strahlweg 3 einwirkt. Sie Strahllb'oher 35 sind in einander gegenüberliegenden einspringenden Teilen des Hohlraums 31 angeordnet. Die Rohre 33 sind mit dem Strahlweg 3 ausgefluchtet und arbeiten unter der unteren Grenzfrequenz, um eine Belastung des Hohlraumresonators 31 zu verhindern.

Sie eohematisohen Schaltbilder sind zur besseren Übersichtlichkeit vereinfacht worden. Besondere die verschiedenen optischen Pumpschemata und -geräte sind nicht im einzelnen dargestellt, weil solche Geräte bekannt sind. Beispielsweise wird beim optisohen Pumpen von Rb-Dampf typisoherweise eine ab-85-Interferenz-Filterzelle verwendet, und beim Pumpen yon He werden typisoherweise Einrichtungen verwendet, mit deneneine Elektronenentladung innerhalb der Gaszelle 1 erregt wird.

/Patentansprüche „

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Claims

16/3804 V1 PI55 D Patentansprüche

1. Verfahren zum Hervorrufen von Spin-Präzessionen in einem System aus Atomresonatoren, bei dem die Atomresonatoren mit einer rotationspolarisierten optischen Pumpstrahlung bestrahlt werden, um Spin-Präzessionen der Atomresonatoren hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsinn der Rotationspolarisation der angelegten Pumpstrahlung mit einer gewissen Frequenz moduliert wird und die Intensität der verwendeten modulierten optischen Pumpstrahlung bei der gewissen Modulationsfrequenz im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Pumpstrahlung, die durch das System von Atomresonatoren hindurchgetreten ist, detektiert wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Pumpstrahlung in Form eines Strahles verwendet wird, der unter einem merklichen Winkel zu einem in einer Richtung wirkenden Magnetfeld innerhalb des Atomresonatorsystems gerichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Pumpstrahlung mit bei einer gewissen Frequenz moduliertem Drehsinn der Rotationspolarisation und konstant gehaltener Intensität durch einen Zirkularpolarisator geführt wird, um ihre Modulation des

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Drehsinns der Rotationspolarisation in eine Intensitätsmodulation bei der gewissen Frequenz umzuwandeln.

5· Atomresonanzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4 mit einem Atomresonatorsystem, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Strahle einer optischen Strahlung, deren Wellenlänge dazu*geeignet ist, ein optisches Pumpen des Atomresonatorsystems herbeizuführen, einer Einrichtung, mit der der Strahl aue optischer Pumpstrahlung moduliert wird und die modulierte Strahlung dem System von Atomresonatoren zugeführt wird, wobei die Frequenz der Modulation der angelegten Strahlung eine gewisse Frequenz hat, mit der eine Spin-Präzession der Atomresonatoren hervorgerufen wird, und einer Einrichtung, mit der die Spin-Präzeseion der Atomresonatoren detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Modulation des Strahls aus optischer Strahlung einen Modulator enthält, mit dem der Drehsinn der Rotationspolarisation der optischen Strahlung des Strahle moduliert wird, so dass eine Modulation der optischen Strahlung bei relativ hohen Frequenzen erleichtert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationspolarisations-Modulator eine Pockels-Zelle, ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5» bei der die Einrichtung zum Detektieren der Spin-Präzession der Atomresonatoren ein Ausgangssignal mit der Spin-Präzessions-Frequenz liefert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückkopplungsweg vorgesehen ist, mit dem das detektierte Spin-Präzessions-

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Signal dem Rotationspolariaationsmodulator zugeführt wird, um den Strahl aus verwendeter optischer Strahlung mit der Spin-Präzessions-Frequenz zu modulieren, um eine sich selbst unterhaltende Präzession des Atomresonanzsystems hervorzurufen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5ι 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Spin-Fräzessionen der Atomresonatoren magnetfeldabhängige Spin-Präzessionen sind·

9· Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Spin-Fräzessionen der Atomresonatoren magnetfeldunabhängige Hyperfeinstruktur-Spin-Präzessionen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotationspolarisator mit nur einem Drehsinn der Polarisation im Weg der modulierten optischen Pumpstrahlung zwischen dem Rotationspolarisationsmodulator und dem System aus Atomresonatoren angeordnet iet, um die Polarisationsmodulation der optischen Strahlung in eine Intensitätsmodulation umzuwandeln.

11. Vorrichtung nach einem der Anaprüohe 7 - 10» dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Detektieren der Spin-Präzessionen und zur Erzeugung eines Ausgangs mit der Spin-Präzessions-Frequenz einen licht» empfindlichen Detektor enthält, der auf die optische Pumpstrahlung anspricht, die durch die mit dem Spin präzedierenden Atomresonatoren ·· hindurohgetreten ist,

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-11» dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Spin-rPräzessionen ■ der Atomresonatoren mit einer zweiten Frequenz moduliert werden können, die merklich tiefer liegt als die Spin-Fräzessions-Frequenz, einem Detektor, mit dem die niederfrequente Modulation der Spin-Präzessionen detektiert wird, und einer Einrichtung, die auf die detektierte niederfrequente Modulationskomponente anspricht, um die höhere Frequenz der optischen Pumpmodulation auf der korrekten Mittenfrequenz zu halten, um die Spin-Präzession dekr Atomresonatoren hervorzurufen.

13* Vorrichtung nach Anspruch 12, in Form eines Frequenznormals, bei dem die Spin-Präzessionen bei einer magnetfeldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz der Atomresonatoren erfolgen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der eine Ausgangsfrequenz für das Frequenznormal abgeleitet wird, die mittels Signalen stabilisiert ist, die von den feldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Spin-Präzessionen der Atomresonatoren abgeleitet werden.

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