DE2010334A1

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Info

Publication number: DE2010334A1
Application number: DE19702010334
Authority: DE
Priority date: 1969-03-06
Filing date: 1970-03-05
Publication date: 1970-10-01
Also published as: NL7002918A; GB1301001A; FR2036194A5; US3652926A

Description

DipL-Sng. Egon Prinz Dr. Gerlrud Heuser

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth München

' Telefon; 83 15"1Q'--" \

Postscheckkonto: Mönchen 117078 :' -.

Unser Zeichen; 3? 845

8000 München 60, \ Ernsbsrgerstrasse 19

101, Boulevard Murat, Paris l6e/FrankreiGh

Pumplichtmagnet oraet er

Die Erfindung bezieht sich auf Pumplichtanordnungen zur Messung der Stärke eines Magnetfelds* Sie betrifft insbesondere Alkalidampfmgnetomet®%>_s bei welchen eine Absorptionszelle verwendet wird_s deren Wände innen mit einer Auskleidung versehen sind. Diese Auskleidung ermöglicht es, daß die unter der Wirkung des Pumplichts

Bu/ku

ausgerichteten

ausgerichteten Alkaliatome ihre Ausrichtung beibehalten, wenn sie Stöße mit den Wänden der Zelle erleiden. Bei dieser Art von Anordnung wird daa optische Pumpen durch eine Lichtquelle bewirkt, welche zwei Linien D₁ und D₂ aussendet, die mittels eines linearen Polalsators und eines Vlertelwellenlängen-Doppelbrechungsplättchens im gleichen Sinn zirkulär polarisiert sind. Die beiden Linien D₁ und D₂ addieren ihre Wirkungen bezüglich des optischen Pumpens, aber beim optischen Nachweis der Strahlungsübergänge treten entgegengesetzte Wirkungen auf, wenn man die Änderungen der Lichtintensität der aus der Absorptionszelle austretenden Strahlungen D₁ und D₂ vergleicht. Um eine gute optische Uachweisempfindlichkeit zu erzielen, wird man dazu gefüllt, zwischen der Absorptionszelle und dem photoelektrisciien Wandler ein Interferenzfilter einzuschalten, welches geeignet ist, eine der Linien ungeschlacht durchzulassen und die andere Linie zu absorbieren. Da <Ue Wellenlängen der beiden Linien sehr benachbart sind, erweiat sich die Filtrierung als schwierig und die optische Nachweisempfindlichkeit wird dadurch verringert»

Die vorliegende Erfindung ashafft ein Pumplichtmagnetο-meter mit einer Absorptionszells* deren Wände mit einer-Auskleidung versehen aiMj. die ils in ler Zelle enthaltenen Alkalimetalle gegen Fehlausrichtung schützt, einer Lichtquelle zum Aussenden tines zwei Im gleichen Sinn zirkulär polarisierte F.missior.slitflan D. und Ώ» enthaltenden LichtDündels 211 dar Ahsa.rptionsaie.lle und eine<n photoelektrischen Wandler, *reXofcer visiert Teil der au 9 der Absorptlonsjcelle ?,a8tr-efeer.dar* Lichtstrahlung auf

nimmt

nimmt jdadureli gekennzeichnet_s daß der Wandler einen linearen Polarisator und ein sswischen der Absorptionszelle und dem Polarisator angeordnetes Doppelbrechungsplättchen aufweistί wobei das Plättchen so geschnitten ist j daß es die Strahlungen B/ und D₂* die es empfängt,, in zwei Strahlungen mit Jeweils parallelen und zur Polarisationsrichtung des Polarisators senkrechten linearen Polarisationen umwandelt.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert,, Es zeigt

.Figur iseheinätisch die Anordnung der optischen Elemente eines bekannten Pumplichtmagnetometers₅

Figur 2 ein der Erläuterimg dienendes Diagramm<,

Figur 3 ein einem linearen Polaisator zugeordnetes Doppeibrechungsplättchen und

Figur 4 scheinatisch ein erfindungsgemäßes Pumplichtmagnetometer* ■■".".■

In Figur i sind die optischen Elemente eines bekannten Magnetometers dargestellt. Auf einer optischen Achse XX ist eine Absorptionsseile 6 angeordnet, welche ein Alkalielementv:im Dampfzustand enthält. Das Alkalielement Ibt der Wirkung des zu messenden Magnetfelds H und der Wirkung eines durch die Erregerwindungen 9 erzeugten Wechselfeldes H^ ausgesetzt. Die in der Zelle 6 enthaltenen Alkallatome werden mittels einer Pumplichtquelle 1 optisch

ausgerichtet 008840/1281 ..-.-" V

ausgerichtet, welche ein zwei sehr benachbarte Strahlungslinien D. und D₂ enthaltendes Lichtbündel aussendet. Das Lichtbündel durchsetzt einen linearen Polarisator 3 und ein Viertelwellenlängen-Doppelbrechungsplättchen 4, so daß beim Austreten aus dem Plättchen 4 die beiden Linien D^ und D« im Sinn Cf*₊ Zirkular polarisiert sind. Linsen 5 und 7 sind auf jeder Seite der Zelle 6 angeordnet, so daß das aus der Lichtquelle 1 kommende Bündel aufgenommen und sodann von der Zelle 6 zum photoelektrischen Wandler 8 übertragen wird. Eine nicht dargestellte elektrische Anordnung läßt in den Erregerwindungen 9 einen Wechselstrom mit der Frequenz f fließen und empfängt die vom Wandler 8 abgegebene Spannung. Die Punktion der elektrischen Anordnung besteht darin, die von ihr abgegebene Frequenz f so zu regeln, daß sie mit der Mittenfrequenz f einer der Strahlungslinien des in der Zelle 6 enthaltenen Alkalidampfes zusammenfällt. Ein Interferenzfilter 2 ist zwischen den Wandler 8 und die Linse 7 eingesetzt, um eine der von der Lichtquelle 1 ausgesandten optischen Linien zu absorbieren. Die optische Ausrichtung der Alkaliatome wird durch eine geeignete Auskleidung begünstigt, welche die Innenwände der Zelle 6 bedeckt. Diese Auskleidung verhindert die Fehlausrichtung der Atome infolge von Stößen auf die Wände. In Figur 2 1st die Verteilung der Quant entfernte oder Quantenniveaus des Natriums dargestellt. Auf der Abszisse 1st die Stärke des Magnetfeldes H_Q aufgetragen, wobei die Aufspaltung der Niveaus F=I und F = 2 des Grundzustande 3 Sl/2 sowie diejenige der Niveaus de·

angeregten Zustande 3 Pl/2 durch den Zeemaneffekt gezeigt 1st. Das Niveau F=I des Grundzustande setzt sich

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aus drei-Unterniveaus zusammen, deren magnetische Quantenzahlen m gleich -I₅ O: und +1 sind. Das Niveau F = 2 spaltet sich in fünf Unterniyeaus m ="-2, -1, O₅ +1 und +2 auf» Bei Abwesenheit des Pumpliehts kann angenommen werden, daß die Unterniveaus im wesentlichen gleiche Atombesetzungen aufweisen. Dies folgt aus dem Boltzmannschen Gleichverteilungsgesetz.

Wenn der Alkalidampf von der im Sinn (f ₊ zirkulär polarisierten .Linie D₁ belichtet wird, erfolgen selektiv optische Absofptionsübergänge zwischen den Unterniveaus des Grundzustends. und dem angeregten Zustand. Ein auf einem Unterniveau m =.' k des Grundsustands befindliches Atom wird auf einUnternlveau m = k + 1 des angeregten Zustands angehoben, wonach es in die Unterniveaus k, k +. 1 und k + 2 des Grundzustands übergeht. Dieser Pumpvorgang führt zu einer Anreicherung des Unterniveaus P = 2, m = +2 auf Kosten der niedrigeren Unterniveaus.

In Figur 2 sind- die Besetzungen der Unterniveaus P = 2, ms -2, -1, G, 1 und 2 skizaiert, wenn das optische Pumpen beendet ist, und in diesem Zustand weist der Alkalidampf eine positive Polarisation iS-Λ auf.

Das gleicheerfolgt _s wenn man die andere Linie D₂ des Pumplichtbündels mit der gleichen Zirkularpolarisation im Sinn <^₊ verwendet. Man kann daher sehen* daß die beiden Linien D^ und D₂ ihre Pumpwirkungen addieren, wenn sie im gleichen Sinn polarisiert sind.

Bezüglich der optischen Erfassung der Strahlungsüber-

Känge

ftfc ilri

gänge stellt man fest, daß die Anwendung des Feldes H₁ nicht die gleichen Wirkungen hat, je nachdem, ob man die Durchlässigkeit des Dampfes bezüglich der Linie D₁ oder bezüglich der Linie D₂ betrachtet.

Die folgende Tabelle zeigt die Übergangswahrscheinlichkeiten eines Natriumatoms, welches eines der Unterniveaus des Grundzustands besetzt.

Unterniveaus Linie D₁ + Linie

F = 2 m = +2 O 6

1 5

2 1»

3 3

4 2

P=Im = +1 3 3

2 h

1 5

m =	+2
m -	+1
m =	O
m =	-1
m =	"2
m =	+ 1
m =	0
m -

Wenn man davon ausgeht, daß «las Pumplicht im Alkalidampf eine positive Polarisation ^S₃) eraeugt hat, so sieht man, daß daa-Unterniveau P a 2, m » +2 eine »täv kere-Besetzung besitzt als die tieferen UnterniveÄMs* Daraus folgt _Λ daß die im Sinn ^₊ polarisierte Linie D

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wenig absorbiert wird, während die Linie D₂ stark absorbiert wird. Tatsächlich weist das am stärksten besetzte Unterniveau F = 2, m = +2 eine Absorptionswahrscheinlichkeit der Linie Dp auf, die wesentlich über der Absorptionswahrscheinlichkeit der Linie D₁ liegt. Wenn man auf den Dampf das Wechselfeld H₁ einwirken läßt und wenn die Frequenz f dieses Feldes nahe der Mittenfrequenz f_Q eines Strahlungsübergangs des Dampfes liegt, unterstützt man einen Ausgleich der Besetzungen der Unterniveaus. Die optische Absorption der Linie D„ vermindert sich und diejenige der Linie D₁ erhöht sich. Da diese beiden entgegengesetzten Wirkungen auf den photoelektrischen Wandler gegeben werden, ergibt sich praktisch ein-resultierendes Meßsignal Null. Man kann diese Schwierigkeit beheben, indem man vor dem photoelektrischen Wandler 8 ein Interferenzfilter 2 anordnet, welches in der Lage 1st, eine der beiden von der Absorptionszelle durchgelassenen Strahlungen auszuscheiden. Dieses Verfahren bietet,den Nachteil, daß es praktisch die eine der beiden Linien nicht vollständig ausschalten kann, da dieselben sehr nahe beieinanderliegen.

Erfindungsgemäß kann die unerwünschte Linie vollständig ausgeschaltet werden, wobei die andere Linie jedoch vollständig durdgelassen wird. Zu diesem Zweck wird das Interferenzfilter durch in Figur 3 dargestellte Polarität or elemente ersetzt.

Die in Figur 3 gezeigte optische Anordnung setzt sich aus einem Doppelbrechungsplättchen 11 und einem linearen Polarisator 10 zusammen. Die Hauptschwingungsrichtungen

OA

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OA und OB des Plättchens 11 sind unter 45° bezüglich der Polarisationsrichtung des Polarisators 10 orientiert. Die Eintrittsfläche des Plättchens 11 empfängt die Strahlungen D₁ und D₂, welche im Sinn C^₊ zirkulär polarisiert sind. Die Dicke e des Plattchens wird so bestimmt, daß diese Strahlungen dasselbe mit aufeinander senkrecht stehenden linearen Polarisationen verlassen.

Insbesondere verläßt die Strahlung D. mit der Wellenlänge A₁ das Plättchen 11 mit einer linearen Polarisation parallel zur Polarisationsrichtung des Polarisators 10. Die andere Strahlung D₂ verläßt das Plättchen 11 in Form einer Welle mit der Wellenlänge A₂, deren lineare Polarisation senkrecht zur Polarisations richtung des Polarisators 10 verläuft.

Die Bestimmung der Dicke e des Plättchens 11 wird folgendermaßen durchgeführt:

Die Strahlung D. wird beim Durchgang durch das Plättchen einer Phasenverschiebungsdifferenz Δ,ψ* unterworfen, während die Strahlung D„ einer Phasenverschiebungsdifferenz Δ*Ρ₂ unterworfen wird.

Die Phasenverschiebungsdifferenzen müssen die folgenden Beziehungen erfüllen:

- ΤΓ/2 = 2

eA η

wobei

0 0 9 8 4 0 / 1 2 ii 1

wobei PL die Vakuumwellenlängeder Linie D₁₃ ^₂ Vakuumwellenlänge der Linie D₂, k. und k« positive gan ze Zahlen und ^n die Differenz zwischen dem außerordentlichen Brechungsindex η und dem ordentlichen Brechungsindex n^des das Plättchen bildenden doppelbrechenden Materials sind. Es wird angenommen, daß die Eintritts- und Austritt s.f Iac he des Plättchens parallel zur optischen Achse des doppelbrechenden Materials lie gen. :....""

Diese Beziehungen führen zur folgenden Bedingung:

Wenn man X* ^und A₂ kennt, kann man zwei ganze Zahlen fc> und k₂ wählen, welche in zufriedenstellender Weise diese Bedingung erfüllen. Sodann kann man leicht die Dicke e des Plättchens 11 berechnen.

Beispielsweise werden bei einem mit Cäsiumdampf arbeitenden Magnetometer für das optische Pumpen die Wellenlängen A₁ = 89²O $ und A₂ - 8521 8 verwendet.

Wenn man das Plättchen 11 aus einem Quarzblock schnei-, det, dessen Brechungsindizes η und η sich um ^n = 0,0085 unterscheiden, so sieht man, daß die Zahlen kj =30 und k₂ = 31 die oben erwähnte Bedingung erfüllen. Infolgedessen hat die aus den vorangehenden Formeln abgeleitete Dicke des Plättchens 11 einen Wert e = 3008 Mikrometer. Die vorangehenden Brechnungen zeigen, daß

man

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- ίο -

man bei Wahl der Wellenlängen X₁ und X₂ von zwei im gleichen Sinn zirkulär polarisierten Strahlungen eine Dicke des Plättchens finden kann, bei der eine Umwandlung dieser Strahlungen in längs zweier aufeinander senkrecht stehender Richtungen linear polarisierte Strahlungen möglich ist. In der Praxis ist es nicht erforderlich, daß die aus dem doppelbrechenden Plättchen austretenden Strahlungen genau linear polarisiert sind. Dies erleichtert die Bestimmung der Zahlen k_A und k₂, indem k = k. = k„ gesetzt wird. Man erhält dadurch:

Mit Hilfe dieser letzteren Formel findet man für den Fall von Cäsium:

ί (A₂ +X₁)

— = 10,3.

Wenn man die ganze Zahl k = 10 setzt, so sieht man, daß die Dicke des Plättchens 11 gleich e = 986 Mikrometer genommen werden kann.

In Figur 4 1st ein erfindungsgemäßes Pumplichtmagnetometer schematisch dargestellt.

Es widest eine einen Alkalidampf enthaltende Absorptions zelle 16, eine von einem Generator 22 gespeiste Licht-

Quelle

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quelle .12 zum Aussenden von zwei optischen Linien D. und Dp, welche in der Lage sind, den in der Zelle 16 enthaltenen Dampf optisch zu pumpen, und einen photoelektrischen Detektor 20 auf, welcher das von der Zelle 16 durchgelassene Licht aufnimmt. Zwischen der Lichtquelle 12 und der Zelle/16 ist ein linearer Polarisator 13 j ein Viertelwellenlängen-Doppelbrechungsplättchen 14 und eine Linse 15 angeordnet. Zwischen der Zelle l6 und dem Detektor 20 ist eine Linse 17, ein Doppelbrechungsplättchen 1.8 und ein linearer Polarisator 19 angeordnet. Die | Zelle l6 wird einem Wechselfeld H. ausgesetzt, welches durch die Erregerschleifen 21 erzeugt wird. Diese Erregerschleifen 21 werden von einem Strom mit der Frequenz f durchflossen, der von der Schaltung 23 geliefert wird, wobei diese Schaltung einen mit dem Detektor 20 verbundenen Steuereingang besitzt*

Die Schaltung 23 ist so ausgebildet, daß die Frequenz f mit der Frequenz f zusammenfällt, welche einen der Strahlungsübergänge des. Dampfes kennzeichnet. Das Plättchen 18 empfängt zwei Strahlungen D₁ und D₂, welche im gleichen Sinn zirkulär polarisiert sind, und wandelt sie g in Strahlungeri mit aufeinander senkrecht stehenden linearen Polarisationen um. Die Polarisationsrichtung des PolarIsators 19 ist parallel zur Winkelhalbierenden der Haupt Schwingungsrichtungen des Plättchens 1.8. orientiert, so daß zum Detektor 20 nur eine der vom Alkalidampf durchgelassenen zwei Linien übertragen wird.

Patentansprüche 009840/1281

Claims

Pat entansprüche

Iy Pumplichtmagnetometer mit einer einen Alkalidampf enthaltenden Resonanzzelle, deren Wände innen mit einer die Fehlausrichtung der Älkaliatome bei Stößen verhindernden Schicht verkleidet sind, wobei die Zelle mittels eines Lichtbündels optisch gepumpt wird, welches von einer zur Erzeugung von zwei Linien D. und D„ des Emissionsspektrums des Dampfes mit Zirkularpolarisationen im gleichen Sinn geeigneten Lichtquelle erzeugt wird, und wobei das aus der Zelle austretende Licht über eine optische Filtereinrichtung von einem photoelektrischen Wandler aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung aus einer Polarisationseinrichtung besteht, welche geeignet ist, nur eine der Linien D. und D„ zum Wandler durchzulassen.
2. Pumplichtmagnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoreinrichtung aufweist: ein doppelbrechendes Plättchen mit einer Eintrittsfläche zum Aufnehmen der von der Zelle kommenden, zirkulär polarisierten Lichtenergie und einer Austrittsfläche parallel zur Eintrittsfläche und einen linearen Polarisator, welcher nach der genannten Austrittsfläche so angeordnet ist, daß seine Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° mit den Hauptschwingungsrichtungen des Plättchens einschließt, wobei der Abstand zwischen diesen Flächen so gewählt ist, daß die den Linien D. und D_

ent sprechenden 009840/1281

entsprechenden Anteile der zirkulär polarisierten Lichtenergie, welche von der Eintrittsfläche aufgenommen werden, in Anteile von in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen linear polarisierter Lichtenergie umge--. wandelt werden.
3. Pumplichtmagnetometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen aus einem doppelbrechenden Medium geschnitten ist, dessen ordentlicher und außerordentlicher Brechungsindex sich um einen Betrag Δη unterscheiden, die Linien D ' und D₂ jeweils Wellenlängen X . und /tp besitzen und der genannte Abstand etwa gleich

₂JA₂
und ist, wobei k_± und

positive ganze Zahlen sind.
4. PumpIichtmagnetometer nach Anspruch 3_s dadurch gekenn zeichnet, daß die Zahlen k. und k₂ gleich sind.
5. Pumplichtmagnetometer nach Anspruch 3₃ dadurch gekenn zeichnet, daß der Alkalldampf ein Cäsiumdampf ist und daß das doppelbrechehde Medium Quarz ist.

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