EP2158496A2 - Method and device for measuring magnetic fields - Google Patents

Method and device for measuring magnetic fields

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EP2158496A2
EP2158496A2 EP08756818A EP08756818A EP2158496A2 EP 2158496 A2 EP2158496 A2 EP 2158496A2 EP 08756818 A EP08756818 A EP 08756818A EP 08756818 A EP08756818 A EP 08756818A EP 2158496 A2 EP2158496 A2 EP 2158496A2
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EP
European Patent Office
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frequency
modulation
dark
generator
magnetic field
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Withdrawn
Application number
EP08756818A
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German (de)
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Inventor
Roland Lammegger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Graz
Forschungsholding TU Graz GmbH
Original Assignee
Technische Universitaet Graz
Forschungsholding TU Graz GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

Abstract

The invention relates to a method which makes use of the Zeeman effect for measuring magnetic fields, by way of dark resonances. According to said method, a measuring cell (14) is exposed to the magnetic field (B) to be measured and contains the atoms of a measuring medium in a buffer gas, a radiation source (11) being provided for exciting the atoms by radiation and being connected to the modulation frequency generator and emitting electromagnetic radiation with different frequencies. A frequency detector (17) is mounted downstream of the measuring cell (14) and comprises a control loop (18) for the frequency tuning to a dark resonance frequency. The invention is characterized in that at least one modulator (22) for modulating a comparatively high first modulation frequency with a lower second modulation frequency, thereby producing a double sideband structure, is mounted downstream of the modulation frequency generator (24) to couple a plurality of dark resonances using the electromagnetic radiation (12) modulated therewith, substantially only one frequency being detected according to the magnetic field-dependent frequency shift.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern Method and device for measuring magnetic fields
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern auf Basis der Magnetfeldabhängigkeit der Energieniveaus von atomaren oder molekularen Quantensystemen (Zeeman-Effekt) mit Hilfe von Dunkelresonanz, gemäß den einleitenden Teilen der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method and a device for measuring magnetic fields based on the magnetic field dependence of the energy levels of atomic or molecular quantum systems (Zeeman effect) by means of dark resonance, according to the introductory parts of the independent claims.
Die Dunkelresonanz ist ein Resonanzphänomen, das durch einen quantenmechanischen Interferenzeffekt bei atomaren oder molekularen Systemen auftritt. Ein mit resonanter elektromagnetischer Strahlung angeregtes quantenmechanisches System wird in einen destruktiven Superpositionszustand der Wellenfunktionen der Grundzustände des Quantensystems versetzt. In diesem Zustand ist das quantenmechanische System vom Anregungsprozess der elektromagnetischen Strahlung entkoppelt. Ein Medium bestehend aus solchen Systemen wird als Folge dieses Phänomens transparent. Die verminderte Absorption führt aus Gründen der Energieerhaltung zu einer verminderten Fluoreszenzstrahlung. Das Medium erscheint dunkler, woraus die Bezeichnung Dunkelresonanz resultiert. Die Beobachtung dieses Effektes erfordert die Einhaltung gewisser Bedingungen hinsichtlich der elektronischen Struktur (so genanntes Λ-System) . Die Linienbreiten der CPT-Resonanzen (CPT - Cohe- rent population trapping) können sehr gering sein, wodurch sich diese Resonanzen für Präzisionsmessungen eignen (z.B. CPT-Atom- uhr, CPT-Magnetometer) .Dark resonance is a resonance phenomenon that occurs through a quantum mechanical interference effect in atomic or molecular systems. A quantum mechanical system excited by resonant electromagnetic radiation is set in a destructive superposition state of the wave functions of the ground states of the quantum system. In this state, the quantum mechanical system is decoupled from the excitation process of the electromagnetic radiation. A medium consisting of such systems becomes transparent as a result of this phenomenon. The reduced absorption leads to a reduced fluorescence radiation for reasons of energy conservation. The medium appears darker, resulting in the term dark resonance. The observation of this effect requires the observance of certain conditions with regard to the electronic structure (so-called Λ-system). The linewidths of CPT resonances (CPT) may be very low, making these resonances suitable for precision measurements (e.g., CPT atomic clock, CPT magnetometer).
CPT-Dunkelzustände oder Dunkelresonanzen können im einfachsten Fall in einem quantenmechanischen System, bestehend aus drei Energieniveaus, beobachtet werden. Voraussetzung für die Beobachtung der CPT-Dunkelresonanzen ist die gegenseitige Kopplung der drei Energieniveaus mittels eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes (z.B. durch mehrere Laserfrequenzen). Diese Kopplung kann im einfachsten Fall durch Anregung von zwei der drei möglichen (energetischen) Übergänge des Drei-Niveau-Systems hergestellt werden. Das Strahlungsfeld muss dann aus zwei (spektralen) Komponenten verschiedener Frequenz (bichromatisches elektromagnetisches Feld) bestehen, d.h. es wird ein bichromatisches elektromagnetisches Feld eingesetzt. In Fig. 1 ist dieser Sachverhalt graphisch dargestellt. Die Energieniveaus werden ganz allgemein durch die quantenmechanischen Zustände | 1>, | 2> und | 3> beschrieben. Diese Art der Niveau-Bezeichnung ist zunächst willkürlich gewählt. Sie kann in einem konkreten quantenmechanischen System (z.B. der Hyper- feinstruktur eines Alkalimetall-Atomdampfes, wie sie auch erfindungsgemäß vorliegen kann) durch die spektroskopische Notation der jeweiligen Energieniveaus ersetzt werden. Hinter der Bezeichnung der Energieniveaus steckt eigentlich die entsprechende quantenmechanische Wellenfunktion. Kenntnisse über diese Wellenfunktionen sind aus der Theorie der Atome (Moleküle) zu gewinnen. Diese Informationen sind für alle hier genannten atomaren Niveaus bekannt.CPT dark states or dark resonances can be observed in the simplest case in a quantum mechanical system consisting of three energy levels. Prerequisite for the observation of the CPT dark resonances is the mutual coupling of the three energy levels by means of an electromagnetic radiation field (eg by several laser frequencies). This coupling can be made in the simplest case by exciting two of the three possible (energetic) transitions of the three-level system. The radiation field must then consist of two (spectral) components of different frequency (bichromatic electromagnetic field), ie a bichromatic electromagnetic field is used. In Fig. 1, this fact is shown graphically. The energy levels are generally determined by the quantum mechanical states | 1>, | 2> and | 3> described. This type of level designation is initially chosen arbitrarily. It can be replaced by the spectroscopic notation of the respective energy levels in a specific quantum mechanical system (eg the hyperfine structure of an alkali metal atomic vapor, as can also be present according to the invention). Behind the name of the energy levels is actually the corresponding quantum mechanical wave function. Knowledge of these wave functions can be gained from the theory of atoms (molecules). This information is known for all atomic levels mentioned here.
In Fig. 1 sind die beiden Frequenzkomponenten eines bichromatischen elektromagnetischen Feldes (z.B. Laserfeld) mit vi und v2 bzw. M1 und CO2 (Kreisfrequenz) gekennzeichnet. Die Energie der Niveaus wird in Fig. 1 durch die jeweilige äquivalente Frequenz Q1 = E1/h (mit i = 1... 3) angegeben. Aus Fig. 1 mit der darin dargestellten Pfeilkonfiguration ist ersichtlich, warum dieses Anregungsschema „Λ-System" genannt wird. In diesen Anregungsschemen und speziell im Kontext der Dynamik der Dunkelresonanzen sind folgende (an sich bekannte) Großen wichtig (vgl. Fig. 1), nämlich:In Fig. 1, the two frequency components of a bichromatic electromagnetic field (eg laser field) with vi and v 2 and M 1 and CO 2 (angular frequency) are characterized. The energy of the levels is given in Fig. 1 by the respective equivalent frequency Q 1 = E 1 / h (with i = 1 ... 3). 1, with the arrow configuration shown therein, it can be seen why this excitation scheme is called the "Λ system." The following (known per se) magnitudes are important in these excitation schemes and especially in the context of the dynamics of the dark resonances (see FIG. namely:
das Zwei-Photonen-Detuning δL:the two-photon detuning δ L :
δL = (Q3 - Q2) - ω2 (1)δ L = (Q 3 - Q 2 ) - ω 2 (1)
und das Raman-Detuning δR: and the Raman-Detuning δ R :
wobei Δ2χ = Ω2 - Q2 die Aufspaltfrequenz der Niveaus 11> und |2> ist.where Δ 2 χ = Ω 2 - Q 2 is the splitting frequency of the levels 11> and | 2>.
Anhand dieser Größen kann das Verhalten der Dunkelresonanzen bei variablen Anregungsfrequenzen (Frequenzen des bichromatischen elektromagnetischen Feldes) besonders übersichtlich diskutiert werden . Das Raman-Detuning δR kann als Frequenzdifferenz zwischen der Grundzustands-Hyperfeinstrukturaufspaltung Δ2i = vHFS (beim Alkali- metallisotop 87Rb liegt die Frequenz vHFs bei ca. 6,8 GHz) und einer Mikrowellengeneratorfrequenz vRF angesehen werden. Die Dunkelresonanz tritt, wie aus Fig. 2A und 2B (wo die Dispersion D bzw. Absorption A von CPT-Dunkelresonanzen (in beliebigen Einheiten) veranschaulicht sind) ersichtlich ist, nur in einem sehr kleinen Frequenzintervall um δR = 0 Hz auf. Die Veränderung der Energie (oder gleichbedeutend die Änderung der Frequenzen cύi und ω2 in Fig. 1) der atomaren/molekularen Niveaus unter Einfluss äußerer Magnetfelder spiegelt sich gerade in der Änderung von δR wider (siehe Gleichung 2) . Demgemäß steht die erzielbare Empfindlichkeit bei der Bestimmung des Magnetfeldes in direktem Zusammenhang mit dem Frequenzintervall (um δR = 0 ) , in dem die Dunkelresonanz auftritt. Diese Eigenschaft der „Sensitivität" der Dunkelresonanzen gegenüber einem Raman-Detuning δR ≠ 0 ist daher ein wesentlicher Punkt.On the basis of these quantities, the behavior of the dark resonances at variable excitation frequencies (frequencies of the bichromatic electromagnetic field) can be discussed particularly clearly. The Raman detuning δ R can be regarded as a frequency difference between the ground state hyperfine structure splitting Δ 2 i = v HFS (for the alkali metal isotope 87 Rb, the frequency v HFs is approximately 6.8 GHz) and a microwave generator frequency v RF . As can be seen from FIGS. 2A and 2B (where the dispersion D or absorption A of CPT dark resonances are illustrated (in arbitrary units)), the dark resonance occurs only in a very small frequency interval around δ R = 0 Hz. The change in the energy (or, equivalently, the change in the frequencies cύi and ω 2 in FIG. 1) of the atomic / molecular levels under the influence of external magnetic fields is reflected in the change of δ R (see equation 2). Accordingly, the achievable sensitivity in the determination of the magnetic field is directly related to the frequency interval (by δ R = 0) in which the dark resonance occurs. This property of the "sensitivity" of the dark resonances to a Raman detonation δ R ≠ 0 is therefore an essential point.
Das Raman-Detuning wird häufig durch einen Radiofrequenz (RF) - oder Mikrowellengenerator kontrolliert, welcher einen Laser moduliert. In diesem Frequenzbereich ist eine Einstellgenauigkeit des Generators von 0,1...0,001 Hz ohne Weiteres möglich. Die CPT-Resonanzlinie kann daher auch mit dieser Genauigkeit „abgetastet" werden.Raman detuning is often controlled by a radio frequency (RF) or microwave generator that modulates a laser. In this frequency range, a setting accuracy of the generator of 0.1 ... 0.001 Hz is readily possible. The CPT resonance line can therefore also be "sampled" with this accuracy.
Die Frequenzbreite (= Linienbreite) der CPT-Resonanz wird maßgeblich durch die sog. Zerfallsrate der Grundzustandskohärenz, die im Wesentlichen ein Maß für die Lebensdauer der Dunkelresonanz ist, vorgegeben. Diese Zerfallsrate setzt sich im Allgemeinen aus mehreren Faktoren zusammen, die wiederum in intrinsische (von der Quantendynamik herrührende) Zerfallsraten (z.B. der spontane Übergang der Population von Niveau j 2> nach Niveau | 1> und in äußere Zerfallsprozesse eingeteilt werden können.The frequency width (= linewidth) of the CPT resonance is largely determined by the so-called decay rate of ground state coherence, which is essentially a measure of the lifetime of the dark resonance. This rate of decay is generally composed of several factors which, in turn, can be classified into intrinsic (quantum dynamics derived) decay rates (e.g., the spontaneous transition of the population from level j 2> to level | 1>) and external decay processes.
Um eine möglichst kleine Linienbreite der Dunkelresonanzen (und damit eine hohe Empfindlichkeit des Magnetometers) zu erreichen, muss die Zerfallsrate der Grundzustandskohärenz minimiert werden. Dies wird erreicht, indem die Niveauanordnung des Quantensystems so gewählt wird, dass der Übergang von Niveau \2> nach I 1> ein sog. dipolverbotener Übergang ist. Die Zerfallsrate der Grundzustandskohärenz ist in diesem Fall weitestgehend durch äußere Einflüsse (z.B. durch Stöße der im Dunkelzustand befindlichen Atome mit einer Gefäßwand) bestimmt.In order to achieve the smallest possible line width of the dark resonances (and thus a high sensitivity of the magnetometer), the decay rate of the ground state coherence must be minimized. This is achieved by choosing the level arrangement of the quantum system such that the transition from level \ 2> to I 1> is a so-called dipole-forbidden transition. The decay rate of the ground state coherence is determined in this case as far as possible by external influences (eg by impacts of the atoms in the dark state with a vessel wall).
Durch den Einsatz eines sog. Puffergases wird die Stoßrate mit der Wand stark reduziert. Bei geeignet gewähltem Puffergasdruck reduziert sich somit die mittlere freie Weglänge der in den Dunkelzustand gepumpten Quantensysteme wesentlich. Eine Diffusionsbewegung der Quantensysteme ist die Folge. Der Effekt der Flugzeitverbreiterung der Dunkelresonanz vermindert sich daher stark.By using a so-called buffer gas, the impact rate with the wall is greatly reduced. With a suitably selected buffer gas pressure, the mean free path of the quantum systems pumped into the dark state is thus substantially reduced. A diffusion movement of the quantum systems is the result. The effect of time-of-flight broadening of dark resonance is therefore greatly reduced.
Durch die geschilderten Maßnahmen werden letztendlich effektive Lebensdauern der Grundzustandskohärenz von 1...30ms erreicht. Folglich bedeutet dies, dass die Frequenzbreite der Dunkelresonanz signifikant reduziert wird. Die Empfindlichkeit des Magnetometers erhöht sich daher in gleicher Weise.The described measures ultimately achieve effective lifetimes of ground state coherence of 1 ... 30ms. Consequently, this means that the frequency width of the dark resonance is significantly reduced. The sensitivity of the magnetometer therefore increases in the same way.
An das Puffergas ist allerdings die Forderung zu stellen, dass die Zerfallsrate der Grundzustandskohärenz durch dieses Gas (und die resultierenden Stöße) nicht wesentlich vergrößert wird. AlsHowever, the requirement of the buffer gas is that the rate of decay of ground state coherence by this gas (and the resulting collisions) is not significantly increased. When
(Puffer-) Gase mit den geforderten Eigenschaften kommen beispielsweise die Edelgase oder molekulare Gase wie Stickstoff und Methan etc. in Frage. Die elektronische Struktur dieser Gase ist derart, dass lediglich eine geringe Überlappung der Wellenfunktionen des Puffergases mit den Wellenfunktionen der Gundzustände(Buffer) gases with the required properties are, for example, the noble gases or molecular gases such as nitrogen and methane, etc. in question. The electronic structure of these gases is such that only a slight overlap of the wave functions of the buffer gas with the wave functions of the ground states
I 1> und i 2> des im Dunkelzustand befindlichen Quantensystems gegeben ist. Die, wenn auch geringe, Überlappung dieser Wellenfunktionen ist bei einem Stoß allerdings für eine systematische Frequenzverschiebung der Dunkelresonanz verantwortlich, die von der Puffergasdichte und der Temperatur des Puffergases abhängig ist. Der Ursprung der Beeinflussung der Dunkelresonanzfrequenz bei einem derartigen Stoßvorgang liegt im Wechselspiel von Van der Walls-Kräften und Austauschwechselwirkungen von Quantensystem und Puffergas.I 1> and i 2> of the dark state quantum system is given. However, the overlap of these wave functions, albeit small, is responsible for a systematic frequency shift of the dark resonance, which depends on the buffer gas density and the temperature of the buffer gas. The origin of the influence of the dark resonance frequency in such a collision process lies in the interplay of Van der Walls forces and exchange interactions of quantum system and buffer gas.
Diese (unerwünschte) Frequenzverschiebung beeinflusst die Genauigkeit und Langzeitstabilität des Magnetometers wesentlich. Ein Rückschluss von der Dunkelresonanzfrequenz auf das Magnetfeld (vgl. nachfolgende Gleichung 3) ist nicht mehr streng durch Naturkonstante und den Frequenzwert von vHFs gegeben. Bei Anwesenheit eines Puffergases sind diese druck- und temperaturabhängigen Frequenzverschiebungen der ungestörten Frequenz vHFS aufgrund von überlagert.This (unwanted) frequency shift significantly affects the accuracy and long-term stability of the magnetometer. A conclusion from the dark resonance frequency on the magnetic field (see equation 3 below) is no longer strictly given by the natural constant and the frequency value of v HF s. In the presence of a buffer gas, these pressure and temperature-dependent frequency shifts of the undisturbed frequency v HFS are due to superimposed.
Im Gegensatz zur „Sensitivität" der Dunkelresonanzen gegenüber dem Raman-Detuning steht die Unempfindlichkeit gegenüber dem Zwei-Photonen-Detuning δL (siehe Gleichung 1) . Eine quantenmechanische Analyse zeigt, dass hier die Linienbreiten ^Frequenz- breiten) der optischen Übergänge zwischen den Niveaus | 1>- | 3> und |2>-|3> (siehe Fig. 1) maßgebend sind. Das Zwei-Photonen-Detuning δL kann aus diesem Grund durchaus Werte von 10...20% der Linienbreite dieser optischen Übergänge annehmen (z.B. 50-100 MHz bei Verwendung von atomaren Rubidiumdampf als Quantensystem) , ohne das die Dunkelresonanz signifikant an Signalhöhe verliert.In contrast to the "sensitivity" of the dark resonances compared to the Raman-detuning, the insensitivity to the two-photon-detuning δ L (see equation 1) is shown by a quantum-mechanical analysis showing that the line widths ^ frequency-widths) of the optical transitions between the Levels | 1> - | 3> and | 2> - | 3> (see Fig. 1) .Thus, the two-photon detuning δ L may well have values of 10... 20% of the line width of this optical Transitions assume (eg 50-100 MHz when using atomic rubidium vapor as a quantum system), without losing the dark resonance significantly at signal height.
An die Laserstabilität werden daher keine großen Anforderungen gestellt. Es genügt oft ein freilaufender, d.h. unstabilisier- ter, Laser.Therefore, no great demands are placed on the laser stability. Often a freewheeling, i. unstabilized, laser.
Das Verhalten der CPT-Resonanzen wird anhand der 87Rb-Di~Linie als konkretes Quantensystem (neben vielen weiteren Möglichkeiten) diskutiert. Neben der Möglichkeit der Realisierung von Λ-artigen Anregungsschemen tritt in Rubidium (wie bei allen anderen Alkalimetallen) der erwünschte dipolverbotene Übergang zwischen den Grundzuständen auf.The behavior of the CPT resonances is discussed on the basis of the 87 Rb-Di ~ line as a concrete quantum system (among many other possibilities). In addition to the possibility of realizing Λ-like excitation schemes, in Rubidium (as with all other alkali metals) the desired dipole-forbidden transition between the ground states occurs.
In Fig. 3 ist die Realisierung eines Λ-Anregungsschemas innerhalb der 87Rb-Hyperfeinstruktur der D1-LInIe ausgeführt. Durch die spezielle Wahl der Grundzustände | 1> und | 2> in Form der beiden magnetischen Unterzustände |52S1/2F = 1 mF = 1> und 152Si/2F = 2 mF = 1> ergibt sich eine Magnetfeldabhängigkeit der GrundzustandsaufSpaltungsfrequenz durch den bekannten Zeeman-Ef- fekt. Da es sich um Grundzustände der D-Linien handelt, gelingt die quantenmechanische Lösung des Problems ohne Störungsrechnung. Die Aufspaltung kann daher für „beliebige" magnetische Flussdichten B angegeben werden. In Fig. 3 sind schematisch, mit starken Linien, Magnetfeld-abhängige CPT-Dunkelresonanzen in der 87Rb-Di-Linie gezeigt: In Fig. 3 geben (F, mF) bzw. (F1, m'f) Gesamt-Drehimpuls-Quantenzahlen bzw. magnetische (Sub-) Quantenzahlen des Grundzustandes und des angeregten Zustandes, vB die Frequenzverschiebung durch den Zee- man-Effekt, vges die Gesamt-Frequenzaufspaltung im Magnetfeld, VHFS die Frequenz der Aufspaltung des Grundzustandes (ohne Magnetfeld) , v2i und V22 die Frequenzen des elektromagnetischen Feldes, die die Anregung im Λ-System mit der Nummer n = +2 bewirken, und λ die Schwerpunktswellenlänge des Übergangs 152S172 > → 152P1/2 > an.FIG. 3 shows the realization of a Λ excitation scheme within the 87 Rb hyperfine structure of the D 1 line. By the special choice of ground states | 1> and | 2> in the form of the two magnetic substates | 5 2 S 1/2 F = 1 m F = 1> and 15 2 Si / 2 F = 2 m F = 1> the magnetic field dependence of the ground state splitting frequency is given by the known Zeeman Ef fect. Since these are ground states of the D-lines, the quantum-mechanical solution of the problem succeeds without disturbance calculation. The splitting can therefore be specified for "any" magnetic flux densities B. FIG. 3 shows schematically, with strong lines, magnetic field-dependent CPT dark resonances in the 87 Rb-Di line: In FIG. 3, (F, m F ) and (F 1 , m ' f ) give total Angular momentum quantum numbers or magnetic (sub-) quantum numbers of the ground state and of the excited state, v B the frequency shift due to the Zeeman effect, v ges the total frequency splitting in the magnetic field, V HFS the frequency of the splitting of the ground state (without magnetic field ), v 2 i and V 22 are the frequencies of the electromagnetic field that cause the excitation in the Λ-system with the number n = +2, and λ the center-of-mass wavelength of the transition 15 2 S 172 > → 15 2 P 1/2 > ,
Aus Fig. 3 ist generell die Abhängigkeit von vges = vHFS + 2vB ersichtlich. Im Bereich kleiner Felder (z.B. |B| <^C ITesla) kann die an sich bekannte Breit-Rabi-Formel in ihrer linearisierten Form (linearer Zeeman-Effekt) verwendet werden. Mit der Numme- rierung der CPT-Dunkelresonanzen durch n = mF1 + mF2 und durch die Wahl von Δm = mr2 - mF1 ergibt sich für vges (B - magnetische Flussdichte [T] ) :From Fig. 3, the dependence of v ges = v HFS + 2v B is generally apparent. In the field of small fields (eg | B | <^ C ITesla), the well-known Breit-Rabi formula can be used in its linearized form (linear Zeeman effect). With the numbering of the CPT dark resonances by n = m F1 + m F2 and by the choice of Δm = m r2 - m F1, we obtain for v ges (B - magnetic flux density [T]):
Vgea=vHFS + ^2 I^ 1^ h [n ( gJ-gI)+ 8 AiTLg1]B ( 3 )V gea = v HFS + ^ 2 I ^ 1 ^ h [n (g J -g I ) + 8 AiTLg 1 ] B (3)
Die Größen gJr gx und Ik stehen in Gl . 3 für den Feinstruktur-Lan- dE-Faktor (gα) bzw. den Atmokern-LandE-Faktor (gτ) und für den Kernspin (Ik) , PB bezeichnet das Bohr 'sehe Magneton. Diese Größen sind bekannt und liegen tabelliert vor.The quantities g Jr g x and I k are given in Eq. 3 for the fine-structure LANDE factor (g α ) or the Atmokern-LandE factor (g τ ) and for the nuclear spin (I k ), P B denotes the Bohr magneton. These sizes are known and are tabulated.
Die linearisierte Form der Breit-Rabi-Formel wird im weiteren Textverlauf nur aus Gründen der einfacheren Notation der Gleichungen angegeben. Die geschilderten Prinzipien sind auch bei Anwendung der exakten Form der Breit-Rabi-Formel gültig.The linearized form of the Breit-Rabi formula is given in the remainder of the text only for reasons of simpler notation of the equations. The described principles are also valid when using the exact form of the Breit-Rabi formula.
Die Frequenz VHFS entspricht der Aufspaltungsfrequenz der Grundzustände bei B = O (s. Fig. 3) und ist bei den Alkalien sehr genau bekannt. Diese Aufspaltungsfrequenz vHFS beträgt bei 87Rb beispielsweise 6,834 682 610 904 29(9) GHz. Der gα-Faktor ist von der jeweiligen Elektronenkonfiguration abhängig. Aus Gleichung 3 kann für die 87Rb-D1-LInIe ein VerschiebungskoeffizientThe frequency V HF S corresponds to the splitting frequency of the ground states at B = O (see Fig. 3) and is very well known in the case of the alkalis. This splitting frequency v HFS at 87 Rb is, for example, 6.834 682 610 904 29 (9) GHz. The g α factor depends on the respective electron configuration. From Equation 3 can be a shift coefficient for the 87 Rb-D 1 line
C = n-7kHz/μT berechnet werden. Daraus ergibt sich für das inC = n-7kHz / μT can be calculated. It follows for the in
Fig. 3 dargestellte Λ-System ein Wert von 2vB/B = 14kHz/μT.Fig. 3 illustrated ein system has a value of 2v B / B = 14kHz / μT.
Magnetfelder können prinzipiell (vgl. z.B. WO 2004/051299; oder Peter D.D. Schwindt et al . , „Chip-scale atomic magnetometer"", Applied Physics Letters, Vol. 85, Nr. 26, 27. Dezember 2004, S. 6409-6411) durch das in der Fig. 3 gezeigte einzelne Λ-System gemessen werden. Für die Erzeugung der Dunkelresonanz wäre hier ein zirkulär polarisiertes, bichromatisches Strahlungsfeld mit den Frequenzkomponenten V1 und v2 erforderlich. Die beiden Frequenzkomponenten des Laserfeldes können in Form von Seitenbändern, die durch Modulation des Lasers entstehen, realisiert werden.Magnetic fields can in principle (see, eg, WO 2004/051299;... And Peter DD Schwindt et al, "chip-scale atomic magnetometer", "Applied Physics Letters, Vol 85, No. 26, December 27, 2004, pp 6409-. 6411) are measured by the single Λ system shown in FIG. For generating the dark resonance, a circularly polarized, bichromatic radiation field with the frequency components V 1 and v 2 would be required here. The two frequency components of the laser field can be realized in the form of sidebands, which are produced by modulation of the laser.
Wird in weiterer Folge die Frequenz des Modulationsgenerators durch eine Regelschleife ständig auf (v21 - V22) ~ vges = 0 gehalten, so kann gemäß Gleichung 3 von der Frequenz des Modulationsgenerators Vmod = 1/2 (v21 - V22) auf das Magnetfeld B geschlossen werden. Die Genauigkeit des Magnetometers ist durch systematische (Fehler-) Einflüsse, die die Frequenzlage der CPT-Resonanz in unerwünschter Weise beeinflussen, limitiert. Diese systematischen Frequenzverschiebungen resultieren, wie bereits geschildert, zum einen aus der Wechselwirkung der im Dunkelzustand befindlichen Quantensysteme (z.B. Atome oder Moleküle) mit einem Puffergas (siehe weiter oben) und zum anderen aus der intrinsischen Genauigkeit der Frequenzmessung, mit der die CPT-Resonanz- frequenz bestimmt werden kann.If the frequency of the modulation generator is subsequently kept at (v 21 - V 22 ) ~ v ges = 0 by a control loop, Vmod = 1/2 (v 21 - V22) can be applied to the frequency of the modulation generator according to Equation 3 Magnetic field B to be closed. The accuracy of the magnetometer is limited by systematic (error) influences that undesirably affect the frequency position of the CPT resonance. These systematic frequency shifts result, as already described, on the one hand from the interaction of the dark state quantum systems (eg atoms or molecules) with a buffer gas (see above) and, on the other hand, from the intrinsic accuracy of the frequency measurement with which the CPT resonances. frequency can be determined.
Das bedeutet aber, dass die Frequenz vHFS wesentlich vom verwendeten Puffergas, vom Puffergasdruck und von der Umgebungstemperatur abhängt. Beispielsweise kann sich die Frequenz der Dunkelresonanz bei veränderlicher Temperatur bereits um 5 Hz/K verschieben. Bei einer Änderung der Puffergastemperatur von 1 K könnte diese Drift nicht von einer Änderung des B-Feldes von 360 pT unterschieden werden. Dies ist in Anbetracht der sonst erzielbaren Genauigkeit von ΔB « 1...10 pT eine erhebliche Einschränkung. Zur Vermeidung der Temperaturdrift wäre eine aufwändige Temperaturstabilisierung einer Messzelle, in der sich die Quantensysteme (z.B. Rubidium, Cäsium) befinden, notwendig. Die erforderliche Genauigkeit der Temperaturstabilisierung müsste in dem genannten Beispiel ΔT « 0,01 K betragen, um die sonst denkbaren Genauigkeiten zu erreichen. Die Möglichkeit, mit einem System gemäß Fig. 3 Magnetfelder mit höchster Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu messen, geht trotz thermalisierter Zelle verloren, da eine hysteresefreie Wiederholbarkeit der Zellentem¬ peratur trotz Temperaturstabilisierung technisch nicht möglich ist.However, this means that the frequency v HFS depends essentially on the buffer gas used, the buffer gas pressure and the ambient temperature. For example, the frequency of the dark resonance at a variable temperature may already shift by 5 Hz / K. If the buffer gas temperature changes from 1 K, this drift could not be distinguished from a change in the B field of 360 pT. This is a significant limitation given the otherwise achievable accuracy of ΔB «1 ... 10 pT. To avoid the temperature drift, a complex temperature stabilization of a measuring cell in which the quantum systems (eg rubidium, cesium) are located would be necessary. The required accuracy of the temperature stabilization would have to be in the example mentioned ΔT << 0.01 K in order to achieve the otherwise conceivable accuracies. The ability to compete with a system according to FIG. 3, magnetic fields with high accuracy and repeatability, lost despite thermalized cell because a hysteresis repeatability of Zellentem ¬ temperature is technically impossible despite temperature stabilization.
Eine weitere Fehlerquelle bei der bekannten Magnetfeldmessung mit Dunkelresonanz liegt darin, dass die Stabilität des RF-Gene- rators, mit dem vges bestimmt wird, ebenfalls die Genauigkeit der B-Feld-Messung begrenzt. Gängige und noch finanziell erschwingliche Generatoren weisen eine Langzeitstabilität von Δv/v «« 10"9 pro Monat auf. Bei vges * VHFS = 6,8 GHz ergibt sich damit eine Drift von ca. 7 Hz pro Monat. Diese entspricht einer systematischen Drift des Magnetometers von 500 pT pro Monat.Another source of error in the known magnetic field measurement with dark resonance is that the stability of the RF generator with which v ges is determined also limits the accuracy of the B-field measurement. Common and still financially affordable generators have a long-term stability of Δv / v «" 10 "9 per month, with v ges * V HF S = 6.8 GHz resulting in a drift of approximately 7 Hz per month systematic drift of the magnetometer of 500 pt per month.
Ein modifiziertes Messprinzip ist im Artikel R. Lammegger et al., „A Magnetometer Based on Quantum Interference Effects", 13th International School on Quantum Electronics: Laser Physics and Applications, Proceedings of SPIE VoI 5830, Bellingham, WA, 2005, Seiten 176-180, (ähnlich auch: A. Huss et al., „Polariza- tion-dependent sensitivity of level-crossing, coherent-populati- on-trapping resonances to stray magnetic fields", Sept. 2006, Journal of the Optical Society of America B (Optical Physics) , Opt. Soc. America, USA; AN 9057678; INSPEC/IEE Datenbank bzw. Vol. 23, S. 1729-1736) beschrieben, wobei die Eignung von CPT- Resonanzen in einer „Hanle^-Konfiguration hinsichtlich der Anwendung bei einem Magnetometer erläutert wird, und wobei das Messprinzip auf ein Level-Crossing abgestellt ist, d.h. die CPT- Resonanzen treten dann und nur dann auf, wenn das Gesamtmagnetfeld, dem die Atome (nämlich Rubidium-Atome) ausgesetzt sind, den Wert B = O hat. Die CPT-Resonanz dient somit bei diesem Magnetometer als „O-Feld-Marker" . Das anliegende Magnetfeld wird demgemäß so bestimmt, dass zum messenden Magnetfeld ein Kompensationsmagnetfeld angelegt wird; dieses Kompensationsmagnetfeld wird regelungstechnisch so festgelegt, dass die CPT-Resonanz auftritt. Da diese nur bei einem Magnetfeld B = O auftritt, müssen das zu messende Magnetfeld und das Kompensationsmagnetfeld gleich groß, dabei entgegengesetzt gerichtet, sein. Das Kompensationsmagnetfeld wird durch ein Solenoid, eine lange zylindrische Spule, erzeugt, wobei über den Spulenstrom dieses Solenoids letztendlich das zu messende Magnetfeld eruiert wird. Hieraus ergibt sich, dass das Messprinzip auf einer Strommessung basiert .A modified measurement principle is in Article R. Lamb Egger et al, "A magnetometer Based on Quantum Interference Effects", 13 th International School on Quantum Electronics. Laser Physics and Applications, Proceedings of SPIE VoI 5830, Bellingham, WA, 2005, page 176 -180, (similarly: A. Huss et al., "Polariza- tion-dependent sensitivity of level-crossing, coherent-popu- lation-trapping resonances to stray magnetic fields", Sept. 2006, Journal of the Optical Society of America B (Optical Physics), Opt Soc. America, USA; AN 9057678; INSPEC / IEE Database and Vol. 23, pp. 1729-1736), the suitability of CPT resonances in a "Hanle" configuration is explained with respect to the application in a magnetometer, and wherein the measuring principle is geared to a level crossing, ie the CPT resonances occur if and only if the total magnetic field to which the atoms (namely rubidium atoms) are exposed, the Value B = O has. The applied magnetic field is thus determined in such a way that a compensation magnetic field is applied to the measuring magnetic field, and this compensation magnetic field is regulated in such a way that the CPT resonance occurs this only occurs at a magnetic field B = O, the magnetic field to be measured and the compensation magnetic field the same size, but opposite, be. The compensation magnetic field is generated by a solenoid, a long cylindrical coil, whereby the coil current of this solenoid ultimately determines the magnetic field to be measured. It follows that the measuring principle is based on a current measurement.
Im Artikel E.B. Aleksandrov, ,,A new model of quantum magnetome- ter: a single-cell Cs-K tandem based on four-quantum resonance in <39>K atoms" JuIy 2000; Technical Physics; Vol. 45, No. 7; MAIK Nauka; Russia; AN 6716360; INSPEC/IEE Datenbank, S. 931-936, ist ein optisch gepumptes Cäsium-Kalium (Tandem) -Magnetometer geoffenbart, wobei allerdings ein solches optisch gepumptes Magnetometer grundsätzlich verschieden von einem CPT- Magnetometer ist. Bei optisch gepumpten Magnetometern wird die Depolarisation des Alkali-Dampfes mit Hilfe eines modulierten AC-Magnetfelds erreicht; die optische Anregung erfolgt mit einem unmodulierten Laser oder mit einer Spektrallampe; eine derartige Anregungsquelle wäre für die Anregung von CPT-Dunkelresonanzen unzureichend.In the article E.B. Aleksandrov, "A new model of quantum magnetometer: a single-cell Cs-K tandem based on four-quantum resonance in <39> K atoms" Juicy 2000; Technical Physics; Vol. 45, No. 7; MAIK Nauka ; Russia; AN 6716360; INSPEC / IEE database, pages 931-936, discloses an optically pumped cesium-potassium (tandem) magnetometer, but such an optically-pumped magnetometer is fundamentally different from a CPT magnetometer Magnetometers rely on a modulated AC magnetic field to depolarize the alkali vapor, which is excited by an unmodulated laser or a spectral lamp, and such an excitation source would be insufficient to excite CPT dark resonances.
Im Artikel Hwang Lee et al., „Quantum limit sensitive of cohe- rent dark-state magnetometers" 19. Mai 2002; Conference on Ia- sers and electro-optics (CLEO 2002). Technical Digest. Postconference edition. Long Beach, CA, Trends in optics and photonics (TOPS); Washington, WArOSA, US; AN XP010606401; NPL/EPO Datenbank, S. 36-37 (ähnlich auch Brandt S. et al., „Ma- gnetometry and frequency references with coherent dark states" 17-21. Juni 1996; Proceedings of 20th Biennial Conference on Pre- cision Electromagnetic Measurements; Braunschweig, Germany; AN 5483666; INSPEC/IEE Datenbank, S. 190) wird die theoretisch erreichbare Empfindlichkeitsgrenze eines konventionellen Dunkelzu- stands-Magnetometers beruhend auf der Anregung einer einzigen Dunkelresonanz behandelt, wobei im besonderen ein „dark-state"- Magnetometer mit interferometrischem Aufbau dargelegt wird.In the article Hwang Lee et al., "Quantum limit sensitive of cohesive dark-state magnetometers" May 19, 2002; Conference on lasers and electro-optics (CLEO 2002) .Technical Digest., Postconference edition, Long Beach, CA. , Trends in optics and photonics (TOPS); Washington, WAOSA, US; XP010606401; NPL / EPO database, pp. 36-37 (similarly to Brandt S. et al., "Magnetometry and frequency references with coherent dark states "17-21 June 1996; Proceedings of 20 th Biennial Conference on Precision Electromagnetic Measurements; Braunschweig, Germany; AN 5483666; INSPEC / IEE Database, p. 190) bases the theoretically achievable sensitivity limit of a conventional dark state magnetometer treated on the excitation of a single dark resonance, wherein in particular a "dark-state" magnetometer is shown with interferometric structure.
Im Artikel Shirley J.H. et al . , „Zeeman coherences and dark states in optically pumped cesium frequency Standards", 27. Juni 1994, Precision Electromagnetic Measurements, 1994 Conference on Boulder, New York, NY USA, IEEE; AN XP010123851; NPL/EPO Daten- bank S. 150-151, wird auf die Vermeidung von „trapped states" in der Präparationsregion von Cäsium-Atomstrahl-Atomuhren eingegangen, wobei speziell die Problematik von Atomuhren, im Gegensatz zu Magnetometern, behandelt wird.In the article Shirley JH et al. , "Zeeman coherences and dark states in optically pumped cesium frequency standards", June 27, 1994, Precision Electromagnetic Measurements, 1994 Conference on Boulder, NY, NY USA, IEEE; ON XP010123851; NPL / EPO Data Bank p. 150-151, deals with the avoidance of "trapped states" in the preparation region of cesium atomic-beam atomic clocks, with particular attention to the problem of atomic clocks, in contrast to magnetometers.
In ähnlicher Weise geht es auch bei der US 2004/0202050 Al um den Betrieb einer Atomuhr, wobei hier unter anderem der Zeeman- Effekt ausgenutzt wird, um sowohl die Atomuhr-Frequenz als auch das Magnetfeld auf definierte Werte zu verriegeln.Similarly, US 2004/0202050 Al also deals with the operation of an atomic clock, in which, among other things, the Zeeman effect is exploited in order to lock both the atomic clock frequency and the magnetic field to defined values.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern vorzusehen, wobei über lange Zeiträume eine genaue Messung auch bei äußerst kleinen Magnetfeldern, beispielsweise in der Größenordnung von μG bis einigen wenigen G, ermöglicht wird. Dabei wird insbesondere angestrebt, die Messung so durchführen zu können, dass die vorstehend diskutierten systematischen Fehlereinflüsse, die sich in der Frequenz des Grundzustandes, also der Frequenz vHFS (p,T) manifestieren, eliminiert werden, und es soll eine alleinige Messung nur der Magnetfeld-abhängigen Größe (vgl. den zweiten Term in der obigen Gleichung 3) erfolgen. Es wäre dann eine von den genannten Fehlereinflüssen, wie Puffergas, Puffergastemperatur und -druck, freie Messung des Magnetfeldes B möglich.It is an object of the invention to provide a method and a device for measuring magnetic fields, wherein over long periods an accurate measurement even in extremely small magnetic fields, for example in the order of μG to a few G, is possible. In particular, the aim is to be able to carry out the measurement in such a way that the systematic error influences discussed above, which manifest themselves in the frequency of the ground state, ie the frequency v HFS (p, T), are eliminated, and a sole measurement of only the Magnetic field-dependent size (see the second term in the above equation 3). It would be possible then one of the mentioned error influences, such as buffer gas, buffer gas temperature and pressure, free measurement of the magnetic field B.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.To achieve this object, the invention provides a method and an apparatus for measuring magnetic fields as defined in the independent claims. Particularly advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Messtechnik werden mehrere Dunkelresonanzen miteinander gekoppelt, wie nachstehend noch ausführlicher erläutert werden wird, wobei eine polychromatische Strahlung als ein elektromagnetisches Feld, insbesondere ein Lichtfeld bzw. Laserstrahlung mit verschiedenen Frequenzkomponenten verwendet wird. Dieses polychromatische elektromagnetische Feld kann bevorzugt durch einen mehrstufigen Modulationsprozess eines Lasers als Strahlungsquelle erreicht werden. Anders als beim Stand der Technik wird somit ein zweiter Modulations- oder Mischprozess angewandt, wobei vorzugsweise ein Ringmodulator oder Ringmischer zum Mischen eines niederfrequenten Modulationssignals mit einem ersten, hochfrequenten Signal eines Mikrowellengenerators verwendet wird. Auf diese Weise ergeben sich nach dem Mischprozess die gewünschten Frequenzkomponenten, insbesondere in Form einer doppelten Seitenbandstruktur, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird. Um dabei nur die Magnetfeld-abhängigen Frequenzkomponenten erfassen zu können bzw. eine gleichzeitige Ausbildung aller Dunkelresonanzen des Systems zu erzielen, wird zweckmäßig die erste Modulationsfrequenz, die hochfrequente Modulationsfrequenz, gleich der Aufspaltungsfrequenz vHFs gewählt, und für die zweite, niederfrequente Modulationsfrequenz ergibt sich dann - nach Abstimmung auf die Resonanz - ein Wert vB, wobei diese zweite Modulationsfrequenz von der ersten Modulationsfrequenz völlig getrennt behandelt werden kann. Die zweite Modulationsfrequenz wird von einem Niederfrequenz-Generator, insbesondere einem Spannungs/Frequenz-Wandler oder einem Digi- tal-Data-Synthesis (DDS) -Frequenzgenerator, erzeugt, der über einen Regelkreis permanent so abgeglichen wird, dass das Raman- Detuning für alle Λ-Systeme gleich 0 ist (CPT-Bedingung) . Durch die Verwendung eines Ringmodulators ist praktisch keine Einschränkung beim zu messenden Magnetfeld (entsprechend der zweiten Modulationsfrequenz) gegeben. Dieser Vorteil ergibt sich durch die im Allgemeinen sehr hohen Bandbreiten (GHz-Bereich) solcher Mischer. Bei einer direkten Ansteuerung des HF-Generators würden hingegen die Bandbreiten der Generator-internen (PLL-) Phasenregelkreise die maximal mögliche NF-Modulationsfrequenz auf ca. 100 kHz beschränken. Es könnten auf diese Weise Magnetfelder nur bis zu maximal 0,1 G gemessen werden. Die Verwendung eines Ringmischers erlaubt hingegen den vollen Messbereich (einige Gauss) des CPT-Magnetometers auszunutzen.In the measurement technique according to the invention, several dark resonances are coupled together, as will be explained in more detail below, wherein a polychromatic radiation is used as an electromagnetic field, in particular a light field or laser radiation with different frequency components. This polychromatic electromagnetic field can preferably be achieved by a multi-stage modulation process of a laser as a radiation source. Unlike the prior art, therefore, a second modulation or mixing process is used, preferably a ring modulator or ring mixer is used for mixing a low-frequency modulation signal with a first, high-frequency signal of a microwave generator. In this way, the desired frequency components result after the mixing process, in particular in the form of a double sideband structure, as will be explained in more detail below. In order to be able to detect only the magnetic field-dependent frequency components or to achieve a simultaneous training of all dark resonances of the system, the first modulation frequency, the high-frequency modulation frequency, equal to the splitting frequency v HFs is suitably chosen, and then results for the second, low-frequency modulation frequency - After tuning to the resonance - a value v B , this second modulation frequency can be treated completely separated from the first modulation frequency. The second modulation frequency is generated by a low-frequency generator, in particular a voltage / frequency converter or a Digital Data Synthesis (DDS) frequency generator, which is constantly adjusted via a control loop so that the Raman detuning for all Λ systems is equal to 0 (CPT condition). By using a ring modulator, there is virtually no restriction on the magnetic field to be measured (corresponding to the second modulation frequency). This advantage results from the generally very high bandwidths (GHz range) of such mixers. In the case of a direct control of the HF generator, on the other hand, the bandwidths of the generator-internal (PLL) phase locked loops would limit the maximum possible LF modulation frequency to approximately 100 kHz. In this way, magnetic fields could only be measured up to a maximum of 0.1 G. The use of a ring mixer, however, allows the full range (some gauss) of the CPT magnetometer to be exploited.
Als weiterer Vorteil ergibt sich durch diese Art der Modulation mittels Ringmischer, dass es sich um eine Amplitudenmodulation handelt. Bei dieser Modulationsart treten (unabhängig vom Modulationsindex) nur die Seitenbänder erster Ordnung auf. Dies trägt dazu bei, dass die multichromatische Strahlung nur die gewünschten Frequenzkomponenten beinhaltet. Die direkte Ansteuerung des HF-Generators mit der zweiten Moduliationsfrequenz würde hingegen eine Frequenzmodulation bedeuten, wobei abhängig vom Modulationsindex Seitenbänder höherer Ordnung auftreten, welche das Spektrum der Dunkelresonanzen verkomplizieren können.As a further advantage results from this type of modulation by means of ring mixer, that it is an amplitude modulation. In this type of modulation occur (regardless of the modulation index) only the first-order sidebands. This contributes to the multichromatic radiation containing only the desired frequency components. The direct control of the HF generator with the second modulation frequency, however, would mean a frequency modulation, wherein depending on the modulation index sidebands higher order occur, which can complicate the spectrum of dark resonances.
Bei der beschriebenen Amplitudenmodulation des Ringmischers kann überdies leicht ein trägerloser Betrieb erreicht werden, bei dem die HF-Modulationsfrequenz im Spektrum fehlt. Für die Messung ist dies ein Vorteil, da die zugehörige Dunkelresonanz (mit der Nummer n = 0) ohnehin nicht benötigt wird. Diese Dunkelresonanz erzeugt lediglich einen störenden Signaluntergrund, der mit einem phasenempfindlichen Nachweis entfernt werden müsste.Moreover, in the described amplitude modulation of the ring mixer, a strapless operation can easily be achieved in which the RF modulation frequency is absent in the spectrum. This is an advantage for the measurement because the associated dark resonance (with the number n = 0) is not needed anyway. This dark resonance produces only a disturbing signal background, which would have to be removed with a phase-sensitive detection.
Um beim Messen auch einen Scan-Modus zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers selektiv an den Ausgang eines Rampengenerators anschaltbar ist. Mit dieser Betriebsart können die niederfrequenten Seitenbänder abgetastet und die Dunkelresonanzen aufgezeichnet werden. In der verriegelten Betriebsart, bei aktiver Servoschleife, sind die NF-Seitenbänder mit den gemäß dem Zeeman-Effekt aufgespaltenen Dunkelzuständen gekoppelt.In order to enable a scan mode during measurement, it is favorable if the input of the voltage / frequency converter can be selectively connected to the output of a ramp generator. With this mode, the low frequency sidebands can be sampled and the dark resonances can be recorded. In the locked mode, with active servo loop, the LF sidebands are coupled to the dark states split according to the Zeeman effect.
Wie bereits mehrfach erwähnt wxrd als Quelle für die elektromagnetische Strahlung bevorzugt ein Laser verwendet, und insbesondere ist die Strahlungsquelle durch einen VCSEL-Laser gebildet. Diesem VCSEL-Laser kann zur Temperaturstabilisierung ein Temperaturregelkreis zugeordnet sein.As already mentioned several times, wxrd preferably uses a laser as the source of the electromagnetic radiation, and in particular the radiation source is formed by a VCSEL laser. This VCSEL laser can be assigned a temperature control loop for temperature stabilization.
Das Mehrfach-Modulationssignal wird zweckmaßigerweise der Strahlungsquelle über einen Abschwächer zugeführt, um so das Modulationssignal mit der optimalen Energie an diese anlegen zu können.The multiple modulation signal is expediently fed to the radiation source via an attenuator in order to be able to apply the modulation signal with the optimum energy to it.
Als besonders vorteilhaft hat sich im Falle der Verwendung von Alkalimetall-Atomen in der Messzelle erwiesen, wenn der Modulationsfrequenzgenerator eine erste Modulationsfrequenz im Bereich von mehreren GHz, insbesondere 3,4 GHz oder 6,8 GHz im Fall von 87Rb, erzeugt und die zweite Modulationsfrequenz bis zu einigen MHz beträgt, damit ein Messbereich von einigen Gauß (G) erreicht wird.In the case of the use of alkali metal atoms in the measuring cell, it has proven particularly advantageous if the modulation frequency generator generates a first modulation frequency in the range of several GHz, in particular 3.4 GHz or 6.8 GHz in the case of 87 Rb, and the second Modulation frequency up to a few MHz, so that a measuring range of a few Gauss (G) is achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:The invention will be described below with reference to preferred embodiments, to which, however, it should not be restricted, and further explained with reference to the drawings. In detail in the drawing:
Fig. 1 ein grundsätzliches, bereits vorstehend erläutertes Schema zur Veranschaulichung des bekannten Drei-Niveau-Systems, in dem CPT-Dunkelresonanzen beobachtet werden können;Fig. 1 is a basic, already explained above scheme for illustrating the known three-level system in which CPT dark resonances can be observed;
Fig. 2A und 2B in Diagrammen die Dispersion D bzw. Absorption A von CPT-Dunkelresonanzen (in beliebigen Einheiten) über dem Ra- man-Detuning δR (kHz) , und zwar für die Parameter 2-Photonen-De- tuning δL = 0 Hz, Rabifrequenzen gi = g2 = 20 kHz, Zerfallsrate des Grundzustandes = 100 Hz;FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the dispersion D or absorption A of CPT dark resonances (in arbitrary units) over the Raman detuning δ R (kHz), for the parameters 2-photon tuning δ L = 0 Hz, Rabi frequencies gi = g 2 = 20 kHz, decay rate of the ground state = 100 Hz;
Fig. 3 das ebenfalls bereits erläuterte, bekannte Schema der Magnetfeld-abhängigen CPT-Dunkelresonanzen in der 87Rb-D1-LInIe, zur Veranschaulichung der Frequenzverschiebungen vB durch den Zeeman- Effekt bei den verschiedenen Anregungen im Λ-System;FIG. 3 shows the known scheme of the magnetic field-dependent CPT dark resonances in the 87 Rb-D 1 line, likewise explained above, for illustrating the frequency shifts v B by the Zeeman effect in the various excitations in the Λ-system;
Fig. 4 ein der Fig. 3 vergleichbares Schema, in dem jedoch erfindungsgemäß die simultane Kopplung mehrerer Dunkelresonanzen am Beispiel der 87Rb-D1-LInIe veranschaulicht ist, wobei die gebildeten Λ-Systeme mit den Indizes n = -2,0,2 nummeriert sind;FIG. 4 shows a scheme comparable to FIG. 3, in which, however, according to the invention, the simultaneous coupling of a plurality of dark resonances is illustrated using the example of the 87 Rb-D 1 line, the formed Λ systems having the indices n = -2.0, 2 numbered;
Fig. 5 in einem Diagramm die Gesamt-Dunkelresonanzamplitude bei einem solchen System mit gekoppelten Dunkelresonanzen, und zwar bei unterschiedlichen HF-Oszillator-Verstimmungen δv in Einheiten der CPT-Linienbreite ΔvCPτ, wobei die Gesamt-Dunkelresonanzamplitude Lg = La-2 + La+2 für vier verschiedene Frequenzverstimmungen δ^ gezeigt ist;5 shows a diagram of the total dark resonance amplitude in such a system with coupled dark resonances, namely with different RF oscillator detunings δv in units of the CPT line width Δv CP τ, wherein the total dark resonance amplitude L g = L a - 2 + L a + 2 is shown for four different frequency detunings δ ^ ;
Fig. 6 in einem Diagramm für die selben HF-Oszillator-Verstimmungen wie in Fig. 5 die jeweiligen Kurven entsprechend der 1. Ableitung der Gesamt-Dunkelresonanzamplitude;Fig. 6 is a graph for the same RF oscillator detuning as in Fig. 5, the respective curves corresponding to the 1st derivative of the total dark resonance amplitude;
Fig. 7 ein Schema in der Art eines Blockschaltbildes zur Veranschaulichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Messvorrichtung;Fig. 7 is a schematic diagram in the form of a block diagram for illustrating a preferred embodiment of the measuring device according to the invention;
Fig. 8 eine für die Kopplung der Dunkelresonanzen erforderliche, spektrale Zusammensetzung des Signals am Ausgang des durchstimm- baren Frequenzgenerators gemäß Fig. 7, bestehend aus Trägerfrequenz und Seitenbändern erster und zweiter Ordnung;8 a required for the coupling of the dark resonances, spectral composition of the signal at the output of the tunable frequency generator according to FIG. 7, consisting of carrier frequency and first and second order sidebands;
Fig. 9, in Teilfiguren 9A, 9B und 9C, ein Rampensignal (Fig. 9A) auftretend am Ausgang des Frequenzgenerators von Fig. 7, ein überlagertes Rampen- und Modulationssignal (Fig. 9B) am Ausgang der Addierereinheit von Fig. 7 und ein entsprechend moduliertes Ausgangssignal des Frequenzgenerators (Fig. 9C) ;Fig. 9, in sub-figures 9A, 9B and 9C, a ramp signal (Fig. 9A) appearing at the output of the frequency generator of Fig. 7, a superimposed ramp and modulation signal (Fig. 9B) at the output of the adder unit of Fig. 7 and Figs correspondingly modulated output of the frequency generator (Figure 9C);
Fig. 10 in den Teilfiguren 10A und 1OB, das Eingangssignal kommend von der Addierereinheit gemäß Fig. 7 und das hochfrequente Ausgangssignal (GHz-Bereich) des in Fig. 7 dargestellten Mischers, und zwar einmal ohne (Fig. 10A) und einmal mit Gleichspannungsanteil ED (Fig. 10B) ;10 in sub-figures 10A and 10B, the input signal coming from the adder unit according to FIG. 7 and the high-frequency output signal (GHz range) of the mixer shown in FIG. 7, once without (FIG. 10A) and once with DC component E D (Fig. 10B);
die Figuren 11 bis 14 Frequenzmodulationsspektren (FM-Spektren) bei unterschiedlicher Wahl der Modulations- und Resonanzparameter der gekoppelten Dunkelresonanzen (wie weiter unten noch näher erklärt wird) , wobei jeweils in den Teilfiguren IIA bis 13A Detaildarstellungen mit entsprechenden Parameterstudien angegeben sind; undFigures 11 to 14 frequency modulation spectra (FM spectra) with different choice of modulation and resonance parameters of the coupled dark resonances (as will be explained in more detail below), in each case in the subfigures IIA to 13A detailed representations are given with corresponding parameter studies; and
Fig. 15A und 15B FM-Spektren der gekoppelten Dunkelresonanzen für einen allgemeinen Satz von Modulations- und Resonanzparametern.Figures 15A and 15B show FM spectra of the coupled dark resonances for a general set of modulation and resonance parameters.
Wie bereits vorstehend erwähnt, werden bei der erfindungsgemäßen Messtechnik die einleitend anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten, beim Stand der Technik gegebenen systematischen Fehlereinflüsse dadurch beseitigt, dass die Frequenz des Grundzustandes vHFS, die von äußeren Einflüssen (wie etwa vom Druck, von der Temperatur und von der Art des Puffergases) auf das im Dunkelzustand befindliche Quantensystem abhängig ist, formal von jenem Term der Gleichung 3, der vom Magnetfeld B abhängt, abgespaltet wird. Die Frequenzen vHFS und vB werden demnach getrennt erzeugt, wobei die alleinige Messung der zur Frequenz vB proportionalen Größe (s. den zweiten Teil der obigen Gleichung 3) eine Bestimmung des Magnetfeldes B ermöglicht, in der die genannten Fehlereinflüsse vermieden sind. Dies wird anhand des Schemas gemäß Fig. 4 ersichtlich, in der drei Λ-Systeme mit einem polychromatischen elektromagnetischen Feld (Lichtwellenfeld) mit den Frequenzkomponenten v_2i...V22 gezeigt sind. Die gebildeten Λ-Systeme sind in Fig. 4 mit den Indizes n = -2,0,2 nummeriert; die Frequenzkomponenten j des elektromagnetischen Feldes, die die Anregung im Λ-System mit der Nummer n = i bewirken, sind mit V1J (j = 1,2 und i = -2,0, +2) indiziert; viges bezeichnet die Gesamt-FrequenzaufSpaltung im Magnetfeld der Grundzustände des Λ-Systems mit der Nummer n = i. Die Bedeutung der verbleibenden Symbole ist identisch mit denen der Fig. 3. Das polychromatische Feld gemäß Fig. 4 kann technisch durch einen mehrstufigen Modulationsprozess erreicht werden.As already mentioned above, in the measurement technique according to the invention, the systematic error influences explained in the prior art with reference to FIGS. 1 to 3 are eliminated by determining the frequency of the ground state v HFS which is dependent on external influences (such as on pressure, the temperature and the nature of the buffer gas) to the quantum system in the dark state, is formally split off from the term of equation 3 which depends on the magnetic field B. Accordingly, the frequencies v HFS and v B are generated separately, the sole measurement of the variable proportional to the frequency v B (see the second part of Equation 3 above) makes it possible to determine the magnetic field B in which the aforementioned error influences are avoided. This can be seen by the scheme of FIG. 4, in which three Λ systems with a polychromatic electromagnetic field (light wave field) with the frequency components v_ 2 i ... V 22 are shown. The Λ-systems formed are numbered in Figure 4 with the indices n = -2,0,2; the frequency components j of the electromagnetic field causing the excitation in the Λ-system with the number n = i are indicated by V 1J (j = 1,2 and i = -2,0, +2); v iges denotes the total frequency splitting in the magnetic field of the ground states of the Λ-system with the number n = i. The meaning of the remaining symbols is identical to that of FIG. 3. The polychromatic field according to FIG. 4 can be technically achieved by a multi-stage modulation process.
Gemäß einer ersten Modulationsstufe wird der Laser (Laserfrequenz vL) durch ein RF- (HF-) Signal mit der Frequenz vmodi — IVHFS moduliert. Dadurch entsteht eine Seitenbandstruktur der Laserstrahlung in Form von vOi = vL + vmodi; vL; und V02 = vL - vmodl; es ergeben sich hierbei insgesamt drei Frequenzkomponenten (die Laserfrequenz beträgt im Fall von 87Rb als Quantensystem etwa 377 THz.According to a first modulation stage, the laser (laser frequency v L ) is modulated by an RF (RF) signal having the frequency v modi - I V HFS. This results in a sideband structure of the laser radiation in the form of v O i = v L + v mod i; v L ; and V 02 = v L - v modl ; This results in a total of three frequency components (the laser frequency is in the case of 87 Rb as a quantum system about 377 THz.
Wird die RF-Generatorfrequenz als veränderbar angenommen, so tritt bei einer Durchstimmung der Frequenz vmodi nur die Dunkelresonanz mit der Nummer n = 0 an der Stelle vmodl = l/2vHFsR = 0; vgl. obige Gleichung 2) auf. Das Λ-System n = 0 wird folglich durch die Seitenbänder vOi = vL + 1/2VHFS und V02 = vL - l/2vHFS gebildet. Diese Dunkelresonanz (n = 0) ist aufgrund bekannter atomphysikalischer Gegebenheiten „nur" in zweiter Ordnung vom Magnetfeld abhängig. Die Position dieser Dunkelresonanz kann daher für die hier angestellten Betrachtungen (zunächst) als vom Magnetfeld unabhängig angenommen werden. Allerdings gilt weiterhin VHFS = VHFS(P/T), d.h. die Abhängigkeit von Druck p und Temperatur T des Puffergases ist gegeben. Um nun - zusätzlich zum Λ- System n = 0 - auch die beiden vom Magnetfeld B abhängigen Λ- Systeme mit den Nummern n = -2 und n = 2 zu bilden, müssen gemäß Fig. 4 die zusätzlichen Frequenzkomponenten v., v.22 und V+21, V+22 erzeugt werden. Dies wird durch einen zweiten, nachstehend noch näher anhand der Fig. 7 erläuterten Mischprozess erreicht. In diesem Mischprozess wird das RF-Signal, also die erste Modulationsfrequenz V1-OdI, nochmals - vorzugsweise mit Hilfe eines Ringmodulators (Ringmischers), vgl. Fig. 7 - mit einem zweiten, niederfrequenten Modulationssignal vmod2 gemischt. Auf diese Weise ergeben sich nach dem Mischprozess im Mikrowellenbereich die Frequenzkomponenten v_2RF = vmotn - vmod2, v0RF = vmodl und V+2RF = vmodi + vmod2- An sich ist die Art, wie diese Modulation erreicht wird, für das Wirkungsprinzip nicht entscheidend, jedoch bietet der Einsatz eines Ringmodulators wesentliche technologische Vorteile, wie weiter unten näher erläutert wird.If the RF generator frequency is assumed to be variable, then, with a tuning of the frequency v mod i, only the dark resonance with the number n = 0 occurs at the position v modl = 1 / 2v HFsR = 0, see Equation 2 above). on. The Λ system n = 0 is thus formed by the sidebands v O i = v L + 1 / 2V H FS and V 02 = v L - 1 / 2v HFS . This dark resonance (n = 0) is "only" second-order dependent on the magnetic field due to known atomic physical conditions, so that the position of this dark resonance can be (initially) assumed to be independent of the magnetic field for the observations made here, but V HFS = V HFS (P / T), ie the dependence of pressure p and temperature T of the buffer gas is given.To now - in addition to the Λ system n = 0 - also the two vom systems dependent on the magnetic field B with the numbers n = -2 and n to form = 2, the additional frequency components need to FIG. 4 v. 2α, v. 22 and V +21 V generated +22. This is accomplished by a second, still explained in more detail below with reference to Fig. 7 mixing process . In This mixing process, the RF signal, ie the first modulation frequency V 1 - OdI , again - preferably using a ring modulator (ring mixer), see. Fig. 7 - mixed with a second, low-frequency modulation signal v mod2 . In this way, after the mixing process in the microwave range, the frequency components v_ 2RF = v motn -v mod2 , v 0RF = v mod1 and V + 2R F = v mod i + v mod2 -in itself the way in which this modulation is achieved , not critical for the principle of operation, however, the use of a ring modulator offers significant technological advantages, as will be explained in more detail below.
Werden nun die beiden Mischprozesse (wie bereits dargelegt, besteht der erste Modulationsprozess in der bloßen Modulation des Lasers, also z.B. in einer Strommodulation bei Halbleiter-Laserdioden) in ihrer Wirkung zusammengenommen, so ergibt sich ein multichromatisches elektromagnetisches Feld (Laserfeld) mit den folgenden Frequenzkomponenten:Now, if the two mixing processes (as already stated, the first modulation process in the mere modulation of the laser, ie in a current modulation in semiconductor laser diodes) taken together in their effect, the result is a multichromatic electromagnetic field (laser field) with the following frequency components :
V22 = VL - ( vmodi + Vmod2 ) V02 = VL - Vmodl v_22 = vL — ( vmodi — vraod2 ) VL = VL V 22 = V L - (v mod i + V mod2 ) V02 = V L - V modl v_ 22 = v L - (v mod i - v raod2 ) V L = V L
V-21 = VL + ( Vmodl - Vmod2 ) V0I = VL + Vmodl V-21 = V L + (V modl -V mod2 ) V 0 I = V L + V modl
V2x = VL + (vmodl + vmod2 ) ( 4 )V 2x = V L + (v modl + v mod2 ) (4)
Der Vergleich dieser Beziehungen mit dem Anregungsschema der Fig. 4 zeigt, dass alle notwendigen Frequenzkomponenten für die Anregung aller Λ-Systeme vorhanden sind. Eine Dunkelresonanz, d.h. eine Veränderung in der Absorption des hier beispielhaft betrachteten Alkali-Dampfes als Quantensystem; vgl. auch Fig. 2, tritt genau dann auf, wenn für eines der in Fig. 4 angeführten Λ-Systeme die Bedingung δR = 0 erfüllt ist. Eine gleichzeitige Ausbildung aller drei Dunkelresonanzen ist also unter der Bedingung δR_2 = δR0 = δR+2 = 0 gegeben (s. Gleichung 2) . Bei einem multichromatischen Strahlungsfeld der Art von Gleichung 4 wird diese Bedingung unmittelbar erreicht, wenn gilt:The comparison of these relationships with the excitation scheme of FIG. 4 shows that all the necessary frequency components for the excitation of all Λ-systems are present. A dark resonance, ie a change in the absorption of the alkali vapor considered here by way of example as a quantum system; see. also Fig. 2, occurs exactly when the condition δ R = 0 is satisfied for one of the in-systems cited in Fig. 4. A simultaneous formation of all three dark resonances is thus given under the condition δ R _ 2 = δ R0 = δ R + 2 = 0 (see Equation 2). In the case of a multichromatic radiation field of the type of equation 4, this condition is reached directly if:
Vmodl~lVHFS - n - V modl ~ l V HFS - n -
[InKgj-gJ+ βΔmgjB [InKgj-gJ + β ΔmgjB
:s): S)
Aus diesen Gleichungen (5) ist ersichtlich, dass die Modulationsfrequenzen vmodl und vmod2 getrennt behandelt werden können. Bevorzugt wird vmodl = l/2vHFS eingestellt und so belassen. Die zweite Modulationsfrequenz vmoά2 wird durch einen Niederfrequenz- Generator erzeugt, der über einen Regelkreis permanent so abgeglichen wird, dass δR-2 = δR+2 = 0 erfüllt bleibt, also die CPT- Bedingung gegeben ist. Wie bereits erwähnt, ist die Angabe der linearisierten Breit-Rabi-Formel nur aus Gründen der einfacheren Notation der Gleichungen gemacht. Das Messprinzip behält auch bei Anwendung der exakten Form der Breit-Rabi-Formel seine Gültigkeit .From these equations (5), it can be seen that the modulation frequencies v modl and v mod2 can be treated separately. Preferably v modl = l / 2v HFS is set and left so. The second modulation frequency v moά2 is generated by a low-frequency generator, which is permanently adjusted via a control circuit so that δ R - 2 = δ R + 2 = 0 remains satisfied, that is, the CPT condition is given. As already mentioned, the specification of the linearized Breit-Rabi formula is only made for the sake of simpler notation of the equations. The measuring principle remains valid even when using the exact form of the Breit-Rabi formula.
In einer technischen Realisierung kann die Magnetfeldmessung gemäß den Gleichungen 5 durch die viel einfachere Bestimmung von vmod2 (vmod2 ≤ MHz-Bereich) durchgeführt werden. Aus dieser Aufspaltung ergibt sich bezüglich Genauigkeit und Stabilität des Magnetfeldes ein entscheidender Vorteil, der dieses Messprinzip außerordentlich genau und langzeitstabil macht.In a technical realization, the magnetic field measurement according to equations 5 can be carried out by the much simpler determination of v mod 2 (v mod2 ≦ MHz range). From this splitting results in terms of accuracy and stability of the magnetic field, a decisive advantage that makes this measurement principle extremely accurate and long-term stability.
Für die Erzeugung der RF-Signale vmodl (im GHz-Bereich) kann eine im Handel erhältliche hochstabile Zeitbasis in Form eines tempe- raturstabiliserten Quarz-Oszillators (OCXO - oven controlled crystal oscillator) mit einer Stabilität von ca. Δv/v ~ 10"9 pro Monat verwendet werden. Würde das Magnetfeld über die Messung der Frequenz von nur einer Dunkelresonanz mit Hilfe des RF-Si- gnals erfolgen, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, so resultierte trotz der hohen Stabilität eine systematische Drift (= fiktives Magnetfeld) von ca. 500 pT pro Monat (Zahlenwerte für 87Rb) .For the generation of the RF signals v modl (in the GHz range) can be a commercially available highly stable time base in the form of a temperature-stabilized quartz oscillator (OCXO - oven controlled crystal oscillator) with a stability of approximately Δv / v ~ 10 "9 are used per month. If done, the magnetic field by measuring the frequency of only one dark resonance using the RF-Si gnals, as is the case in the prior art, so a systematic drift resulted despite the high stability (= fictitious magnetic field) of about 500 pT per month (numerical values for 87 Rb).
Durch die oben geschilderte Möglichkeit der getrennten Bestimmung von vmod2 reduzieren sich die systematischen Fehler, die durch die Oszillator-Drift bedingt sind, bei einer Magnetfeldbestimmung über vmod2 auf ΔBsysC = vrood2/vHFS ΔB ≤ 0,5/7000 • 500 pT = 0,035 pT. (Diese Zahlen sind für den Fall eines "Rb-Magnetome- ters bei Magnetfeldmessungen in der Größenordnung von 0,7G H vmod2 * 0,5 MHz angenommen (Erdmagnetfeld « 0,5 G).) Durch den mehrstufigen Modulationsprozess ist also eine ganz erhebliche Reduzierung (z.B. Faktor 7000) der durch die Oszillator-Drift bedingten systematischen Fehlereinflüsse möglich.By the above described possibility of the separate determination of v mod2 , the systematic errors, which are caused by the oscillator drift, are reduced to ΔB sysC = v rood2 / v HFS ΔB ≤ 0.5 / 7000 in a magnetic field determination via v mod2. 500 pT = 0.035 pT. (These numbers are for the case of a "Rb magnetome- For magnetic field measurements of the order of magnitude of 0.7G H v mod2 * 0.5 MHz assumed (geomagnetic field "0.5 G).) The multistage modulation process is therefore a very significant reduction (eg factor 7000) due to the oscillator drift conditional systematic errors possible.
Die Aufteilung der Modulation in zwei Stufen ermöglicht die separate Auswertung der vom Magnetfeld B abhängigen Frequenz vmod2. Durch diese Maßnahme gelingt es, die systematischen (äußeren) Einflüsse (z.B. durch ein Puffergas) auf die Frequenz A12 (bzw. vHFS) des Quantensystems zu eliminieren, da zur Magnetfeldbestimmung nur die Komponente vB = vmod2 herangezogen wird. Ein Vergleich von Gleichung (3) und Gleichung (5) zeigt, dass die Frequenz vB = vmod2 nicht von der ggf. beeinflussten (gestörten) Frequenz vHFS abhängig ist. Von Bedeutung ist, dass kein Einfluss von vmodi auf die Position der Dunkelresonanzen (und somit auch auf Vn1Od2) besteht. Durch diese Entkopplung ist zusätzlich gewährleistet, dass die systematischen Einflüsse (durch z.B. Druck und Temperatur eines Puffergases) auf die Position des Signals der gekoppelten Dunkelresonanzen in einem gewissen (von der Breite der Dunkelresonanz abhängigen (siehe nachstehende Gleichung 9)) Bereich - auch ohne aktive Korrektur durch einen weiteren Regelkreis - eliminiert werden kann. Der systematische Fehler der B- Feld-Messung aufgrund .von Temperatureinflüssen strebt gegen Null.The division of the modulation in two stages allows the separate evaluation of the magnetic field B dependent frequency v mod2 . By this measure, it is possible to eliminate the systematic (external) influences (eg by a buffer gas) to the frequency A 12 (or v HFS ) of the quantum system, since only the component v B = v mod2 is used to determine the magnetic field. A comparison of equation (3) and equation (5) shows that the frequency v B = v mod2 is not dependent on the possibly influenced (disturbed) frequency v HFS . It is important that there is no influence of v m odi on the position of the dark resonances (and thus also on Vn 1 Od 2 ). By this decoupling is additionally ensured that the systematic influences (by eg pressure and temperature of a buffer gas) on the position of the signal of the coupled dark resonances in a certain (depending on the width of the dark resonance (see equation 9 below)) range - even without active Correction by another control loop - can be eliminated. The systematic error of the B-field measurement due to temperature influences tends towards zero.
Wie weiter unten noch erklärt wird, kann aus Gleichung (39) ein Signal abgeleitet werden, das eine aktive Korrektur (mit Hilfe eines Regelkreises 43 in Fig. 7) der Frequenz vroodi ermöglicht. Auf diese Weise ist die Aufrechterhaltung der oben erläuterten Entkopplung nicht mehr von der Linienbreite der Dunkelresonanz abhängig. Das Magnetometer kann somit mit höchster Auflösung (d.h. mit kleinsten Linienbreiten der Dunkelresonanzen) betrieben werden. Selbst systematische Fehlereinflüsse der Größe vHFS-2vmodi>ΔvCPτ spielen keine Rolle mehr.As will be explained below, from Equation (39) a signal can be derived which allows for active correction (with the aid of a control loop 43 in FIG. 7) of the frequency v rood i. In this way, the maintenance of the decoupling explained above is no longer dependent on the line width of the dark resonance. The magnetometer can thus be operated with the highest resolution (ie with the smallest line widths of the dark resonances). Even systematic errors of size v HFS -2v mod i> Δv C Pτ no longer matter.
Für kleine Werte des Raman-Detunings δR_2, δR+2 κ 200 Hz «: Δvhom == 6MHz und des Zwei-Photonen-Detunings δL <§: Δdoppler « 500 MHz kann die Frequenzabhängigkeit der Absorption und die Frequenzabhängigkeit der Dispersion des Mediums (s. auch Fig. 2) durch einfa- che Lorentzfunktionell beschrieben werden:For small values of Raman detuning δ R _ 2 , δ R + 2 κ 200 Hz «: Δv hom == 6MHz and of two-photon detuning δ L <§: Δ doppler « 500 MHz, the frequency dependence of the absorption and the Frequency dependence of the dispersion of the medium (see also Fig. 2) by simple be described Lorentzfunktionell:
( 6 )(6)
Der Index a bedeutet, dass es sich um eine Lorentzfunktion mit absorptivem Charakter handelt. Der Index -2 bzw. +2 kennzeichnet die Nummer n der Dunkelresonanz. Die Größe hn, mit n=-2 bzw. +2, legt die Höhe (Signalstärke) der Dunkelresonanz mit der Nummer n fest. In den folgenden Betrachtungen wird mit guter Näherung h-.2=h+2 angenommen. Diese Näherung ist für Dunkelresonanzen in Puffergaszellen gerechtfertigt, da die Lebensdauern der angeregten Zustände durch das Puffergas stark reduziert werden. Trotz des optischen Pumpens durch das σ-polarisierte elektromagnetische Feld (Laserlicht) stellen vermehrte Spontanzerfälle in alle mF-Zustände eine Gleichverteilung der Population (Besetzung) über alle mP-Zustände her.The index a means that it is a Lorentz function with absorptive character. The index -2 or +2 indicates the number n of the dark resonance. The quantity h n , with n = -2 or +2, determines the height (signal strength) of the dark resonance with the number n. In the following considerations is with good approximation h-. 2 = h +2 assumed. This approximation is justified for dark resonances in buffer gas cells because the lifetimes of the excited states are greatly reduced by the buffer gas. Despite the optical pumping through the σ-polarized electromagnetic field (laser light), increased spontaneous decay in all m F states produces an even distribution of the population (occupation) over all m P states.
Die weiteren Ausdrücke im Nenner von Gleichung 6 haben folgende Bedeutung: Die Größe ΔvCPT ist als volle Breite der Dunkelresonanz in halber Signalhöhe definiert (FWHM - Füll Width at Half Maximum) . Weiters gilt: sind die entsprechenden Raman-Detunings der Dunkelresonanzen mit der Nummer n. Die Variable ist die Frequenzdifferenz zwischen der Dunkelresonanz n=0 (0-0 Übergang) und der RF- Oszillator-Frequenz vmodl. Für einen perfekt abgestimmten RF-Os- zillator ergibt sich demnach der Wert δv=0.The further terms in the denominator of Equation 6 have the following meaning: The quantity Δv CPT is defined as the full width of the dark resonance at half the signal height (FWHM - filling width at half maximum). Furthermore: are the corresponding Raman detunings of the dark resonances with the number n. The variable is the frequency difference between the dark resonance n = 0 (0-0 transition) and the RF oscillator frequency v modl . For a perfectly matched RF oscillator, the value δv = 0 results.
Da beide Dunkelresonanzen über das multichromatische Laserfeld gekoppelt werden, ist nur die Größe Lg=La-2+La+2 detektierbar . Bei einer Magnetfeldmessung ist laut Gleichung 6 die NF-Generatorfrequenz vmod2 die variable Größe. Der NF-Generator wird über einen Regelkreis so abgestimmt, dass vmod2 gerade mit der Frequenz, bei der die Gesamtabsorption maximal wird (Lg(vmOd2) = max.)f übereinstimmt. Dies zeigt auch die Fig. 5, in der die Ge- samt-Dunkelresonanzamplitude Lg=La-2+La+2 bei unterschiedlichen RF- Oszillator-Verstimmungen δv (in Einheiten der CPT-Linienbreite ΔvCET) veranschaulicht ist. Für δv ≤ V3/ 6 ΔvCPT ist bei vmod2 = 1/2CB nur ein einziges globales Maximum gegeben, welches als Lockpunkt (Verriegelungspunkt) für den NF-Oszillator (der vmod2 generiert) dient. Weitere Parameter in Fig. 5 sind: Magnetfeld (in Frequenz-Einheiten) CB = 10, Einzel-Dunkelresonanzamplitude h_2=h+2=l . (Die Zahlenwerte der Parameter sind frei gewählt, damit das Grundprinzip anschaulich dargestellt werden kann.)Since both dark resonances are coupled via the multichromatic laser field, only the quantity L g = L a - 2 + L a + 2 is detectable. In a magnetic field measurement according to equation 6, the NF generator frequency v mod2 is the variable size. The AF generator is tuned via a control loop so that v mod2 is just at the frequency at which the total absorption becomes maximum (L g (v mOd2 ) = max.) f matches. This is also shown in FIG. 5, in which the total dark resonance amplitude L g = L a - 2 + L a + 2 is illustrated with different RF oscillator detunings δv (in units of the CPT line width Δv CET ). For .DELTA.V ≤ V 3/6 .DELTA.v CPT is 1 / 2C-B, where only a single global maximum at v = mod2, which as Lockpunkt (locking point) for the LF-oscillator (v mod2 the generated) is used. Further parameters in FIG. 5 are: magnetic field (in frequency units) CB = 10, single dark resonance amplitude h_ 2 = h + 2 = 1. (The numerical values of the parameters are freely chosen, so that the basic principle can be clearly illustrated.)
Die Größe CB (Einheit einer Frequenz) steht aufgrund des Zeeman- Effekts mit dem äußeren Magnetfeld B in funktionellem Zusammenhang (vgl. Gleichung 3) ; sie ist wie δv ein Parameter in der Gleichung von Lς=La-2+La+2 •The quantity CB (unit of a frequency) is functionally related to the external magnetic field B due to the Zeeman effect (see equation 3); it is like δv a parameter in the equation of L ς = L a - 2 + La + 2 •
Die Erhaltung der Genauigkeit ist gewährleistet, wenn für das Maximum der Gesamt-Dunkelresonanzamplitude gilt: , und dies gilt auch dann, wenn die Verstimmung des RF-Oszillators δv φ 0 ist.The preservation of the accuracy is guaranteed if the maximum of the total dark resonance amplitude applies: , and this is true even if the detuning of the RF oscillator δv φ 0.
Dies kann durch die Bildung der 1. Ableitung von Gleichung 6 nachgeprüft werden, vgl. auch Fig. 6.This can be verified by the formation of the first derivative of Equation 6, cf. also Fig. 6.
Wie aus den Fig. 5 und 6 ersehen werden kann, ergeben sich im allgemeinen Fall drei reelle Nullstellen. Die Position dieser Nullstellen kann analytisch durch die Lösung der folgenden Gleichung erreicht werden:As can be seen from FIGS. 5 and 6, three real zeros result in the general case. The position of these zeros can be analytically achieved by the solution of the following equation:
dL„ ΔvcPT ( δv +CB-2vmod2)dL "Δvc PT (δv + CB-2v mod2 )
= h. dv +2 mod2 = h. dv +2 mod2
[ 17( δv + CB-2vmod2)2+-ΔvL][17 (δv + CB-2v mod2 ) 2 + -ΔvL]
Mit der Bedingung h+2 = h_2 ( die wie ausgeführt sehr gut erfüllt ist) ergeben sich so folgende Positionen der Nullstellen:With the condition h +2 = h_ 2 (which satisfies very well, as stated ), the following positions of the zeros result:
vNi,3=^CB±-^-4δv2+4Vδv2Δv^τ +4δv4-Δv^PT v N i, 3 = ^ CB ± - ^ - 4δv 2 + 4Vδv 2 Δv ^ τ + 4δv 4 -Δv ^ PT
V112=--CB (8)V 112 = - CB (8)
Die Nullstelle vN2 entspricht dabei einem Fixpunkt (vgl. Fig. 6), der streng bei liegt. Diese Nullstellen, die einem Maximum von Lg an der Stelle entspricht, ist unabhängig vom RF-Generator-Detuning vmodl, unabhängig von vHFs = ^HFS(P/T) und unabhängig von der CPT-Linienbreite ΔvCPT.The zero point v N2 corresponds to a fixed point (see Fig. 6), the strict at lies. These zeros, which is a maximum of L g at the point is independent of the RF generator detuning v modl , independent of v HFs = ^ HFS (P / T) and independent of the CPT line width Δv CPT .
In der technischen Realisierung wird eine geeignete Regelflanke durch einen phasenempfindlichen Nachweis von L9 erreicht, wobei es sich hierbei um eine an sich übliche Lock-In-Technik handelt. Bei einem solchen Detektionsverfahren wird unter geeigneter Wahl der Modulationsparameter - der NF-Generator wird entsprechend nochmals moduliert - die 1. Ableitung von Lg (wie in Fig. 6 dargestellt) generiert. Damit kommt nur der Punkt vmod2~vN2~~ 2^^ als eindeutiger Lockpunkt für den NF-Generator in Frage. Ein bestimmter Grenzwert für δv darf allerdings nicht überschritten werden. Dieser Grenzwert ist durch das Verschwinden der 2. Ableitung von Lg an der Stelle vmod2~vN2~1.CB charakterisiert.In the technical realization, a suitable control edge is achieved by a phase-sensitive detection of L 9 , which is a conventional lock-in technique. In such a detection method, the modulation of the modulation parameters-the NF generator is correspondingly modulated again-generates the first derivative of L g (as shown in FIG. 6) with a suitable choice. Thus, only the point v mod2 ~ v N2 ~ ~ 2 ^^ as a clear lock point for the NF generator in question. However, a specific limit value for δv must not be exceeded. This limit is characterized by the disappearance of the second derivative of L g at the position v mod2 ~ v N2 ~ 1.CB.
Aufgrund dessen ergibt sich für die RF-Generator-Verstimmung δv die Bedingung:Due to this, the condition for the RF generator detuning δv is as follows:
δv=(vHFS-2vraodl)<^-ΔvCPT~0,289ΔvCPT (9)δv = (v HFS -2v raodl ) <^ - Δv CPT ~ 0.289Δv CPT (9)
Bei Linienbreiten von ΔVCPT ~ 100...200 Hz ergibt sich eine noch tolerierbare Drift des RF-Oszillators von ca. δv * 30...60 Hz. Dieser Grenzwert wird aber bei einer Oszillator-Stabilität von Δv/v = 10"9 bei vmod=vHE.Ξ=3, 4GHz nicht überschritten.For line widths of ΔV C PT ~ 100 ... 200 Hz, a tolerable drift of the RF oscillator of approx. Δv * 30 ... 60 Hz results. However, this limit value becomes at an oscillator stability of Δv / v = 10 "9 at v mod = v HE . Ξ = 3, 4GHz not exceeded.
Durch einen Regelkreis (siehe Regelkreis 43 in Fig. 7) werden Frequenzabweichungen des Oszillators (23 in Fig. 7) von der No- minalfrequenz aktiv korrigiert. Dieser Regelkreis kann mit großer Zeitkostante betrieben werden, da die Genauigkeit des Magnetometers nicht durch eine Frequenzdrift δv ≠ 0 beeinflusst wird.By a control circuit (see control circuit 43 in Fig. 7) are frequency deviations of the oscillator (23 in Fig. 7) from the No- Minimum frequency actively corrected. This control loop can be operated with a high time constant, since the accuracy of the magnetometer is not influenced by a frequency drift δv ≠ 0.
In der Darlegung des Messprinzips wurde die CPT-Resonanz mit der Nummer n = 0 nicht in Betracht gezogen. Beim phasenempfindlichen Nachweis der Dunkelresonanzen mit den Nummern n = ±2 wird lediglich der NF-Generator mit derjenigen Frequenz moduliert, welche bei der Demodulation des Photodiodensignals als Mischfrequenz verwendet wird. Am Ausgang eines Lock-In-Verstärkers, der der Photodiode nachgeschaltet ist (s. Fig. 7), tritt folglich nur noch das Signal der Dunkelresonanz mit der Nummer n = ±2 sichtbar auf. Der konstante, durch die Dunkelresonanz n = 0 erzeugte Signaluntergrund kann deshalb außer Betracht gelassen werden.In the presentation of the measuring principle, the CPT resonance with the number n = 0 was not considered. In the case of the phase-sensitive detection of the dark resonances with the numbers n = ± 2, only the LF generator is modulated at the frequency which is used as the mixing frequency in the demodulation of the photodiode signal. Consequently, only the signal of the dark resonance with the number n = ± 2 appears visible at the output of a lock-in amplifier, which is connected downstream of the photodiode (see FIG. The constant signal background generated by the dark resonance n = 0 can therefore be disregarded.
Durch einen trägerlosen Betrieb des Ringmischers kann überdies die Erzeugung der Dunkelresonanz n = 0 wie erwähnt überhaupt vermieden werden.By a strapless operation of the ring mixer, moreover, the generation of dark resonance n = 0 as mentioned can be avoided at all.
Die Detektion der Dunkelresonanzen erfolgt mit einem phasenempfindlichen Nachweis (Lock-In-Techniken) , um eine geeignete Regelflanke mit Nulldurchgang für die Stabilisierung des NF- Oszillators zu erhalten. Die Analyse zeigt, dass der Stabilisierungspunkt mit dem Linienschwerpunkt übereinstimmt, solange die Frequenzdrift des RF-Oszillators (und/oder die Drift von vHFS) ca. 30% der erzielten CPT-Resonanzbreite nicht überschreitet. Aufgrund der typischen CPT-Linienbreiten ΔVCPT % 100...200 Hz und der typischen Drift herkömmlich erhältlicher Quarz-Oszillatoren von ca. 10~9 pro Monat kann erwartet werden, dass die Abweichung der RF-Oszillatorfrequenz den erlaubten Bereich praktisch nie ver- lässt. Da die Frequenz des Linienschwerpunktes (= Lockpunkt) durch sehr genau bekannte Beziehungen mit dem äußeren Magnetfeld verknüpft ist, kann mit der vorliegenden Technik der Kopplung mehrerer Dunkelresonanzen ein praktisch driftfrei arbeitendes Magnetometer realisiert werden. In der (weiter unten ausgeführten) erweiterten Analyse wird durch einen weiteren Regelkreis 43 (siehe Fig. 7) ein Verfahren angegeben, mit dessen Hilfe auch beliebig große Abweichungen der Oszillatorfrequenz ausgeglichen werden können. In der Physik sowie in der Technik gehören Frequenzmessungen zu den genauesten und am besten erforschten Messmethoden. Das Messprinzip des Magnetometers beruht letztendlich auf der Bestimmung einer Differenzfrequenz zweier atomarer (molekularer) Übergangsfrequenzen. Die gemessene Frequenz kann somit unter Verwendung genau bekannter quantenmechanischer Zusammenhänge mit dem, auf die Quantensysteme einwirkenden, äußeren Magnetfeld verknüpft werden.The detection of the dark resonances is carried out with a phase-sensitive detection (lock-in techniques) in order to obtain a suitable zero-crossing control edge for the stabilization of the LF oscillator. The analysis shows that the stabilization point agrees with the line center of gravity as long as the frequency drift of the RF oscillator (and / or the drift of v HFS ) does not exceed approximately 30% of the CPT resonance bandwidth achieved. Due to the typical CPT line widths ΔV C PT % 100 ... 200 Hz and the typical drift of commonly available quartz oscillators of about 10 ~ 9 per month, it can be expected that the deviation of the RF oscillator frequency practically never verifies the allowed range - leaves. Since the frequency of the line center of gravity (= lock point) is linked by very well-known relationships with the external magnetic field, with the present technique of coupling multiple dark resonances a virtually drift-free magnetometer can be realized. In the extended analysis (explained below), a further control loop 43 (see FIG. 7) indicates a method by means of which arbitrarily large deviations of the oscillator frequency can also be compensated. Frequency measurements are among the most accurate and best researched measurement methods in physics and engineering. The measuring principle of the magnetometer is ultimately based on the determination of a difference frequency of two atomic (molecular) crossover frequencies. The measured frequency can thus be linked using exactly known quantum mechanical relationships with the external magnetic field acting on the quantum systems.
In Fig. 7 ist schematisch in einem Blockschaltbild eine Ausfüh- rungsform eines derartigen CPT-Magnetometers wie vorstehend dem Prinzip nach erläutert veranschaulicht. Die gezeigte VorrichtungFIG. 7 diagrammatically illustrates in a block diagram an embodiment of such a CPT magnetometer as explained above in principle. The device shown
10 zur Magnetfeldmessung enthält als Strahlungsquelle 11 für die Abgabe einer elektromagnetischen Strahlung eine Lasereinrichtung, insbesondere einen VCSEL-Laser, dessen Laserstrahl 12 über optische Elemente 13 (inkl. Graufilter ND, Linse Ll und λ/4- Plättchen QW) durch eine Messzelle 14 und dahinter über eine Linse L2 auf eine Photodiode 15 gerichtet wird. Der VCSEL-Laser10 for measuring the magnetic field contains as a radiation source 11 for the emission of electromagnetic radiation, a laser device, in particular a VCSEL laser whose laser beam 12 via optical elements 13 (incl. ND gray filter, Ll lens and λ / 4-plate QW) by a measuring cell 14 and behind it is directed to a photodiode 15 via a lens L2. The VCSEL laser
11 hat beispielsweise eine Frequenz von ca. 377 THz (im Fall von 87Rb) . Die Messzelle 14 ist vorzugsweise mit einem Puffergas gefüllt und enthält die anzuregenden Quantensysteme, beispielsweise Rb- oder Cs-Atome. Der Durchmesser des Laserstrahls 12 im Bereich der Messzelle 14 beträgt beispielsweise ca. 2-8mm, wobei, wie Experimente gezeigt haben, ausreichend schmale Dunkelresonanzen mit einer genügenden Auflösung des Magnetometers erreicht werden können. Die unter den optischen Elementen vorgesehene Viertelwellenlänge-Verzögerungsplatte (λ/4-Plättchen) QW bewirkt eine zirkuläre Polarisation. Auf diese Weise werden mehrere Dunkelresonanzen unterschiedlicher Frequenz (Zeeman Effekt) durch gepaarte σ-Übergänge herbeigeführt. Die Photodiode 15 ist eine rauscharme Photodiode; das Signal/Rausch- (SN-) Verhältnis wird weiters durch Temperatur, Länge, Druck, etc. der Messzelle 14 beeinflusst, wobei es gelingt, ein hohes S/N-Verhältnis bei einer entsprechenden Abstimmung dieser Parameter und insbesondere bei der Verwendung von Rb oder Cs in der Messzelle 14 zu erreichen. Es hat sich gezeigt, dass das S/N-Verhältnis durch Erwärmen der Messzelle 14 auf ca. 30°-60°C zusätzlich erhöht werden kann. Weiters ist, wenn auch in Fig. 7 nicht dargestellt, eine Temperaturstabilisierung für die Messzelle 14 von Vorteil für diesen Zweck.For example, 11 has a frequency of approximately 377 THz (in the case of 87 Rb). The measuring cell 14 is preferably filled with a buffer gas and contains the quantum systems to be excited, for example Rb or Cs atoms. The diameter of the laser beam 12 in the region of the measuring cell 14 is for example approximately 2-8 mm, whereby, as experiments have shown, sufficiently narrow dark resonances can be achieved with sufficient resolution of the magnetometer. The quarter wave retardation plate (λ / 4 plate) QW provided under the optical elements causes circular polarization. In this way, several dark resonances of different frequency (Zeeman effect) are brought about by paired σ-transitions. The photodiode 15 is a low noise photodiode; the signal / noise (SN) ratio is further influenced by temperature, length, pressure, etc. of the measuring cell 14, wherein it is possible to achieve a high S / N ratio with a corresponding tuning of these parameters and in particular when using Rb or to reach Cs in the measuring cell 14. It has been shown that the S / N ratio can be additionally increased by heating the measuring cell 14 to about 30 ° -60 ° C. Furthermore, although not shown in Fig. 7, a temperature stabilization for the measuring cell 14 is advantageous for this purpose.
Der rauscharmen Photodiode 15 ist ein besonders rauscharmer Verstärker 16 nachgeschaltet, wobei die Photodiode 15 und der Verstärker 16 zusammen zu einer Detektoreinheit 17 für das zu messende Magnetfeld B, dem die Messzelle 14 ausgesetzt ist, gehören.The low-noise photodiode 15 is followed by a particularly low-noise amplifier 16, wherein the photodiode 15 and the amplifier 16 together belong to a detector unit 17 for the magnetic field B to which the measuring cell 14 is exposed.
Der vorstehend erläuterte optische Teil der Vorrichtung 10 kann größtenteils Metall-frei ausgebildet werden, so dass dieser Teil keine eigenen Magnetfelder hervorruft; insbesondere kann auch die Messzelle 14 einfach mit Multimode-Lichtfasern verbunden sein.The above-explained optical part of the device 10 can be made largely metal-free, so that this part does not cause its own magnetic fields; In particular, the measuring cell 14 can also be simply connected to multimode optical fibers.
Dem Detektor 17 ist ein Regelkreis 18 mit zwei Lock-In-Verstär- kern 19, 20 zugeordnet, die zur Verriegelung ("Lock-In") auf die detektierte Dunkelresonanz-Frequenz dienen, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird, und die von an sich herkömmlicher und daher nicht näher beschriebener Bauart sind.The detector 17 is associated with a control circuit 18 with two lock-in amplifiers 19, 20, which serve for locking ("lock-in") on the detected dark resonance frequency, as will be explained in more detail below, and that of are conventional and therefore unspecified type.
Für die vorzunehmende Messung wird' die Laserstrahlung 12 (bzw. das zugehörige elektrische Signal) mittels einer Modulationseinheit 21 und eines Mischers 22 mehrstufig moduliert. Die Modulationseinheit 21 enthält einen temperaturstabilisierten Quarz- Oszillator 23 (OCXO - oven controlled crystal oscillator) , dem ein RF-Synthesizer (RF-Generator) 24 nachgeschaltet ist, um die erste Modulationsfrequenz fest einzuregeln, beispielsweise auf einen Wert von 6,8 GHz im Fall von 81Rb, bei einer Frequenz des RF-Generators 24 von 3,4 GHz. Die Oszillator-Referenzeinheit 23 ist bevorzugt ein an sich bekannter, hochstabiler Präzisions-Oszillator mit geringem Phasenrauschen und mit einer Kurzzeitstabilität von ≤ 4 • 10"13 sowie einer Drift von ≤ 10"9 pro Monat. Das so erhaltene hochfrequente erste Modulationssignal wird dem Mischer 22, der in Form eines Ringmischers ausgebildet ist, zugeführt, wo das HF-Modulationssignal mit einem von einem durchstimmbaren (Nieder) Frequenz-Generator 25 in Form eines Spannungs/Frequenz-Wandlers oder eines Digital-Data-Synthesis- (DDS-) Generators erzeugten zweiten, niederfrequenten Modulationssignal moduliert wird. Die erste, hochfrequente Modulationsfrequenz des Oszillators 24 wird wie erwähnt durch den Regel- kreis 43 auf die Frequenz v^^v+^+v^J^v^wß^G/fc^e?) eingestellt, wogegen die niederfrequente zweite Modulationsfrequenz das Maß für die Frequenz vB bildet und dementsprechend mit Hilfe einer noch näher zu erläuternden elektronischen Servo- bzw. Regelschleife abgestimmt wird.The laser radiation is 12 (or the associated electrical signal) by means of a modulation unit 21 and a mixer 22 modulates a plurality of stages to be carried out for the measurement '. The modulation unit 21 contains a temperature-stabilized quartz oscillator 23 (OCXO - oven-controlled crystal oscillator), which is followed by an RF synthesizer (RF generator) 24 in order to control the first modulation frequency, for example to a value of 6.8 GHz in FIG Case of 81 Rb, at a frequency of the RF generator 24 of 3.4 GHz. The oscillator reference unit 23 is preferably a per se known, highly stable precision oscillator with low phase noise and with a short-term stability of ≤ 4 x 10 -13 and a drift of ≤ 10 -9 per month. The high-frequency first modulation signal thus obtained is fed to the mixer 22, which is in the form of a ring mixer, where the RF modulation signal is fed to one of a tunable (low) frequency generator 25 in the form of a voltage / frequency converter or a digital mixer. Data Synthesis (DDS) generator second modulated low-frequency modulation signal is modulated. The first, high-frequency modulation frequency of the oscillator 24 is as mentioned by the rule circle 43 to the frequency v ^^ v + ^ + v ^ J ^ v ^ w ß ^ G / fc ^ e?), whereas the low-frequency second modulation frequency forms the measure of the frequency v B and accordingly with the help of an even closer is tuned to explanatory electronic servo or control loop.
Das so modulierte hochfrequente Modulationssignal wird über einen Abschwächer 26 sowie über eine sog. Bias-Tee-Einstell- schaltung 27 mit einer Induktivität 28 und einem Kondensator 29 der Strahlungsquelle bzw. Laserdiode 11, d.h. dem VCSEL-Laser, zugeführt, um die abgegebene Laserstrahlung entsprechend, wie vorstehend erläutert, „doppelt" zu modulieren, um so die gewünschte Kopplung von mindestens zwei Dunkelresonanzen zu ermöglichen. Dem Laser 11 ist weiters ein Stromtreiber 30 (Konstantstromquelle) sowie überdies ein Temperaturstabilisierungskreis 31 zugeordnet.The thus modulated high-frequency modulation signal is transmitted via an attenuator 26 and via a so-called bias tee setting circuit 27 with an inductance 28 and a capacitor 29 of the radiation source or laser diode 11, i. as described above, so as to allow the desired coupling of at least two dark resonances, to the laser, as well as a temperature stabilization circuit 31 assigned.
Zum Abstimmen auf beispielsweise zwei aufgrund eines externen Magnetfeldes bewirkte Zeeman-aufgespaltene Dunkelresonanzen dient ein Servokreis (elektronischer Regler) 32, der über einen Schalter Sl, mit dem ersten Lock-In-Verstärker 18 verbindbar ist. Der Ausgang des Reglers 32 ist über eine Addierstufe 33 an den durchstimmbaren Frequenz-Generator 25 gelegt, an dessen Ausgang nicht nur - über eine weitere Addierstufe 34 - der Ringmischer 22, sondern auch ein Frequenzzähler 35 angeschlossen ist, um so das zu messende Magnetfeld B durch Anwendung von Gleichung (5) zu bestimmen. Der Frequenzzähler 35 ist weiters an den Oszillator 23 angeschlossen, mit dem auch ein Modulationsfrequenzgenerator 36 verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Lock-In- Verstärker 19 verbunden ist und überdies über einen Schalter S3 mit dem RF-Generator 24 verbunden werden kann, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird. Mit diesem Modulationsfrequenzgenerator 36 ist überdies ein in Fig. 7 nicht näher dargestellter Prozessor oder Rechner verbunden, über den auch die Messergebnisse, gegebenenfalls nach einer Bearbeitung, etwa auf einem Display oder auf einem Drucker ausgegeben werden können.To tune to, for example, two caused by an external magnetic Zeeman-split dark resonances is a servo circuit (electronic controller) 32, which is connected via a switch Sl, with the first lock-in amplifier 18. The output of the controller 32 is connected via an adder 33 to the tunable frequency generator 25, at the output not only - via a further adder 34 - the ring mixer 22, but also a frequency counter 35 is connected so as to measure the magnetic field B by using equation (5). The frequency counter 35 is further connected to the oscillator 23, to which also a modulation frequency generator 36 is connected, the output of which is connected to the lock-in amplifier 19 and, moreover, can be connected to the RF generator 24 via a switch S3, as further will be explained in more detail below. With this modulation frequency generator 36, a not further shown in Fig. 7 processor or computer is also connected, via which the measurement results, optionally after processing, for example, can be output on a display or on a printer.
Der Frequenzzähler 35 und der Modulationsfrequenzgenerator 36 erhalten als Referenz-Zeitbasis die Frequenz (10 MHz) des Oszillators 23 zugeführt. Auf diese Weise wird eine hohe Stabilität im gesamten System sichergestellt. Der Modulationsfrequenzgenerator 36 kann auch ein DDS (DDS - Digitaler-Daten-Synthesi- zer) sein, der von dem nicht gezeigten PC oder Mikroprozessor gesteuert wird, und der die Modulationsquelle für die phasenempfindliche Detektion über den Lock-In-Verstärker 19 bildet.The frequency counter 35 and the modulation frequency generator 36 are supplied with the frequency (10 MHz) of the oscillator 23 as the reference time base. In this way, a high stability ensured throughout the system. The modulation frequency generator 36 may also be a DDS (Digital Data Synthesizer) controlled by the PC or microprocessor (not shown) and forming the modulation source for the phase-sensitive detection via the lock-in amplifier 19.
Zum Betrieb in einem Scan-Modus ist ferner ein RampengeneratorFor operation in a scan mode is also a ramp generator
37 vorgesehen, der über einen Schalter S2 mit der Addierstufe 33 verbunden werden kann, wobei in dieser Betriebsart, in der der Schalter Sl offen ist, die Niederfrequenz-Seitenbänder abgetastet und die Dunkelresonanzen aufgezeichnet werden können, wie nachstehend erläutert wird. Im verriegelten Modus, in dem der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet ist, sind die NF-Seitenbänder mit den Zeeman-Dunkelresonanzen gekoppelt.37, which can be connected via a switch S2 to the adder 33, wherein in this mode, in which the switch Sl is open, the low-frequency sidebands sampled and the dark resonances can be recorded, as will be explained below. In the locked mode, in which the switch S1 is closed and the switch S2 is opened, the LF sidebands are coupled to the Zeeman dark resonances.
Aus der Fig. 7 ist schließlich noch ersichtlich, dass die zweite Addierstufe 34 mit einem zweiten Eingang an eine SpannungsquelleFinally, it can also be seen from FIG. 7 that the second adder 34 has a second input to a voltage source
38 angeschlossen ist. Weiters ist der Ausgang des Mischers 22 über einen Isolator 39, mit einem Abschlusswiderstand 40, mit dem Abschwächer 26 verbunden. Der zweite Lock-In-Verstärker 20 ist an einen Frequenzvervielfacher 41 angeschlossen und über einen Schalter S4 mit einem weiteren Servokreis oder Regler 42 verbindbar, an den der RF-Generator 24 angeschlossen ist.38 is connected. Furthermore, the output of the mixer 22 is connected to the attenuator 26 via an isolator 39 having a termination resistor 40. The second lock-in amplifier 20 is connected to a frequency multiplier 41 and connected via a switch S4 with another servo circuit or regulator 42, to which the RF generator 24 is connected.
Anschließend soll nun mehr im Detail die Wirkungsweise der Messvorrichtung gemäß Fig. 7 erläutert werden. Aus Systematikgründen sei vorab auf das Signal am Ausgang der Addierstufe 33 hingewiesen, dass sich aus dem Modulationssignal En, (t) des Modulationsgenerators 36Subsequently, the operation of the measuring device according to FIG. 7 will now be explained in more detail. For reasons of systematics, reference should be made in advance to the signal at the output of the adder 33 that results from the modulation signal E n , (t) of the modulation generator 36
Ea{t)^Emexp[iωmt}+c.c. (10)E a {t) ^ E m exp [iω m t} + cc (10)
einerseits und aus dem Signal ERaπ,p des Rampengenerators 37 ERaπ,p oder aber (je nach Stellung der Schalter Sl und S2) aus dem Steuersignal Est des elektronischen Reglers 32 zusammensetzt. Das resultierende Gesamtsignal on the one hand and from the signal E Raπ , p of the ramp generator 37 E Raπ , p or (depending on the position of the switches Sl and S2) from the control signal E st of the electronic controller 32 composed. The resulting total signal
stellt das Modulationssignal dar, mit dem der durchstimmbare Frequenzgenerator 25 moduliert wird. Der Term E(t) ist in der Gleichung 11 - je nach Schalterstellung von Sl und S2 - mit ERarnp oder Est gleichzusetzen. Zur Berechnung des modulierten Ausgangssignals E3 (t) des Generators 25 muss die Momentanphase durch Integration aus der Momentankreisfrequenz gebildet werden. Für dieses Ausgangssignals E3 (t) ergibt sich daher die Beziehung: f Ke{EM(r)} dr + φ0)} + c.c. (12)represents the modulation signal with which the tunable Frequency generator 25 is modulated. The term E (t) can be equated with E Rarnp or E st in equation 11, depending on the switch position of Sl and S2. To calculate the modulated output signal E 3 (t) of the generator 25, the instantaneous phase must be formed by integration from the instantaneous motor frequency. For this output signal E 3 (t), therefore, the relationship results: f Ke {E M (r)} dr + φ 0 )} + cc (12)
Die Kreisfrequenz ω stellt die Mittenfrequenz des Generators 25 bei Em = 0 dar; φ0 ist die Anfangsphasenlage bei τ = 0.The angular frequency ω represents the center frequency of the generator 25 at E m = 0; φ 0 is the initial phase position at τ = 0.
Im Fall eines geschlossenen Regelkreises 18 (Schalter Sl und Schalter S2 offen) und unter der Annahme stationärer Verhältnisse ergibt sich (bei Ausführung der Integration mit Gleichung 11 als Integrand) die analytische Form des Ausgangssignals des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 wie folgt:In the case of closed loop 18 (switch S1 and switch S2 open) and assuming steady state conditions, the analytic form of the output of the tunable frequency generator 25 is (as integrating with equation 11 as integrand) as follows:
&z(t) e.τp i (ωot + ß sm(ωmt)) + c.c. & z (t) e.τp i (ωot + β sm (ω m t)) + cc
1 +°° ( 13 )1 + °° (13)
= 2E° Σ JΛß) ^xp[i{ω0 + nujm)t] + c.c. n——oo= 2 E ° Σ J Λβ) ^ xp [i {ω 0 + nuj m ) t] + cc n - oo
In dieser Gleichung (13) sind mit Jn (ß) Besselfunktionen der Ordnung n angegeben. Die Größe ß ist der Modulationsindex und hier durch den Zusammenhang ß definiert. Diese Größe ß ist ein Maß für die, auf die Modulationsfrequenz ωm bezogene, maximale Abweichung der Momentanfrequenz von der Mittenfrequenz .In this equation (13), B n functions ( n ) are given by J n (β). The size ß is the modulation index and here by the relationship ß Are defined. This quantity β is a measure of the maximum deviation of the instantaneous frequency from the center frequency related to the modulation frequency ω m .
In Fig. 8 ist schematisch das Spektrum der Frequenzen am Ausgang des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 unter stationären Verhältnissen (eingelockter Zustand) gezeigt. Die Pfeilrichtung in negativer n-Richtung für das Seitenband ωora symbolisiert eine Phasenverschiebung von π relativ zur Trägerfrequenz ω0. Seitenbänder der Ordnung n ≥ ± 2, also ω0 ± 2ωra, werden aufgrund ihrer geringen Amplitude in der weiteren Analyse nicht berücksichtigt.FIG. 8 schematically shows the spectrum of the frequencies at the output of the tunable frequency generator 25 under steady-state conditions (locked state). The arrow direction in the negative n-direction for the sideband ω ora symbolizes a phase shift of π relative to the carrier frequency ω 0 . Side bands of the order n ≥ ± 2, ie ω 0 ± 2ω ra , are not taken into account in the further analysis because of their low amplitude.
Im Folgenden wird der Einfachheit halber ein Modulationsindex ß ≤ 1 angenommen. In diesem Bereich ist das Signal/Rausch-Verhältnis optimal. Diese Näherung vereinfacht die mathematische Ableitung entsprechender Ausdrücke, da lediglich die Frequenzkomponenten n = 0,±l berücksichtigt werden. Es sei angemerkt, dass Schlussfolgerungen bezüglich des Auftretens der entsprechenden Signale der Dunkelresonanzen bei bestimmten Frequenzwerten auch für den Fall ß > 1 gültig bleiben.In the following, for the sake of simplicity, it becomes a modulation index ß ≤ 1 assumed. In this range the signal-to-noise ratio is optimal. This approximation simplifies the mathematical derivation of corresponding expressions, since only the frequency components n = 0, ± l are taken into account. It should be noted that conclusions regarding the occurrence of the corresponding signals of the dark resonances at certain frequency values also remain valid for the case β> 1.
Im Fall eines offenen Schalters Sl und geschlossenen Schalters S2 ergibt sich ein scannender Betriebsmodus, der die Aufzeichnung des gesamten Dunkelresonanzspektrums erlaubt. Das rampen- förmige (bzw. dreiecksförmige) Signal des Rampengenerators 37, vgl. Fig. 9A, bewirkt in Verbindung mit dem Modulationssignal des Modulationsgenerators 36, vgl. Fig. 9B, ein zeitlich stetiges Anwachsen (bei gleichzeitigem Wobbein) der Momentanfrequenz des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25. (Das Wobbein mit der Frequenz ωm bewirkt der Modulationsgenerator 36.) Die analytische Form des Ausgangssignals E3 (t) des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 lautet unter diesen Voraussetzungen:In the case of an open switch Sl and closed switch S2 results in a scanning operating mode, which allows the recording of the entire dark resonance spectrum. The ramp-shaped (or triangular) signal of the ramp generator 37, cf. 9A, in conjunction with the modulation signal of the modulation generator 36, cf. Fig. 9B, a temporally continuous increase (while wobbling) the instantaneous frequency of the tunable frequency generator 25. (The wobble with the frequency ω m causes the modulation generator 36.) The analytical form of the output signal E 3 (t) of the tunable frequency generator 25 is under these conditions:
E3(t)E 3 (t)
In der Gleichung 14 liefert die (reelwertige) Funktion ERamp mit ERamp (τ) ~ A-Ramp ' τ V τe[O.Tj ein linear ansteigendes Signal im Intervall [0,T], das (periodisch fortgesetzt) den gewünschten rampenförmigen Signalverlauf ergibt, vgl. Fig. 9A.In Equation 14, the (real-valued) function E Ramp with E Ram p ( τ ) ~ A-Ramp ' τ V τe [O.Tj gives a linearly increasing signal in the interval [0, T], which (periodically continued) the desired ramp-shaped waveform results, see. Fig. 9A.
Die funktionelle Form des Signals ERamp(τ) ist nicht auf ein (lineares) Rampensignal beschränkt. Das linear ansteigende Rampensignal vereinfacht jedoch den mathematischen Ausdruck für die MomentanfrequenzThe functional form of the signal E Ramp (τ) is not limited to a (linear) ramp signal. However, the linearly increasing ramp signal simplifies the mathematical expression for the instantaneous frequency
ω(t) Enmιιp{τ)dτ ( 15 ) des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 . Nach der Demodulation des Photodiodensignals ( s . Detektoreinheit 17 in Fig . 7 ) durch den Lock-In-Verstärker 19 kann durch das (zeitlich) lineare Glied in Gleichung 15 ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Frequenz der Seitenbänder n • ωm und dem momentanen Ausgangssignal des Rampengenerators 37 hergestellt werden.ω (t) En mιιρ {τ) dτ (15) of the tunable frequency generator 25. After the demodulation of the photodiode signal (see detector unit 17 in FIG the lock-in amplifier 19 can be made by the (temporally) linear member in equation 15, a unique relationship between the frequency of the sidebands n • ω m and the current output signal of the ramp generator 37.
In Fig. 9 zeigt im Einzelnen die Teil-Fig. 9A das rampenförmige Signal des Rampengenerators 37, Fig. 9B das Summensignal bestehend aus dem Rampensignal und dem Modulationssignal des Modulationsgenerators 36 und Fig. 9C das Ausgangssignal des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 bei Frequenzmodulation mit dem Summensignal. Die Parameter (Amplituden, Modulationsindex, Zeitachse) sind so gewählt, dass eine übersichtliche Darstellung gegeben ist. Die typische ZeitSkala in Fig. 9 liegt bei ms. Das typische Verhältnis von VCO (25) -Grundfrequenz/VCO Modulationsfrequenz liegt im Bereich von 5...10000.In Fig. 9 shows in detail the part-FIG. 9A shows the ramp signal of the ramp generator 37, FIG. 9B shows the sum signal consisting of the ramp signal and the modulation signal of the modulation generator 36, and FIG. 9C shows the output signal of the tunable frequency generator 25 in frequency modulation with the sum signal. The parameters (amplitudes, modulation index, time axis) are chosen so that a clear representation is given. The typical time scale in Fig. 9 is ms. The typical ratio of VCO (25) fundamental frequency / VCO modulation frequency is in the range of 5 ... 10,000.
Weiters sind in Fig. 10, in den Teil-Fig. 10A und 1OB, das Eingangssignal E3 (t) und das Ausgangssignal E4 (t) des Hochfrequenzmischers 22 mit (Fig. 10B) und ohne (Fig. 10A)Furthermore, in Fig. 10, in the part-FIG. 10A and 10B, the input signal E 3 (t) and the output signal E 4 (t) of the high-frequency mixer 22 with (Fig. 10B) and without (Fig. 10A)
Gleichspannungsanteil ED in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. Für eine übersichtliche Darstellung wurde dabei das Verhältnis der Frequenzen ωR0 = 100 (anstatt ca. 4000) gewählt. Die charakteristische Zeitskala ist vom zu messenden Magnetfeld abhängig und beträgt ca. ms...μs.DC voltage component E D shown as a function of time. For a clear representation, the ratio of the frequencies ω R / ω 0 = 100 (instead of about 4000) was chosen. The characteristic time scale depends on the magnetic field to be measured and is approx. Ms ... μs.
Aus Fig. 4 und der zugehörigen Beschreibung geht hervor, dass für die Kopplung der Dunkelresonanzen n = 0 und n = ±2 die Frequenzkomponenten vHFs und v±2ges erforderlich sind. Diese Frequenzkomponenten können durch einen Mischprozess des Ausgangssignals des durchstimmbaren Frequenzgenerators 25 mit dem Signal des Radiofrequenz-Synthesizers 24 gleichzeitig erzeugt werden. Bei diesem Mischprozess handelt es sich um eine multiplikative Operation, die im Hochfrequenzmischer 22 ausgeführt wird. Mit Hilfe der Addiereinheit 34 und der ED-Spannungsquelle 38 kann dem Ausgangssignal E3 (t) des durchstimmabaren Frequenzgenerators 25 eine Gleichspannungskomponente ED hinzugefügt werden, s. auch Fig. 1OB. Diese Maßnahme erlaubt es je nach Höhe von ED die Amplitude der Trägerfrequenz ωR = 2π VHFS/2 im Mikrowellenbereich zu steuern. Am Ausgang des Mischers 22 ergibt sich daher das Signal E4 (t) wie folgt: 1 +o° 1From Fig. 4 and the accompanying description it is apparent that for the coupling of the dark resonances n = 0 and n = ± 2, the frequency components v H Fs and v ± 2 ges are required. These frequency components can be simultaneously generated by a mixing process of the output signal of the tunable frequency generator 25 with the signal of the radio-frequency synthesizer 24. This mixing process is a multiplicative operation performed in the high frequency mixer 22. By means of the adding unit 34 and the E D voltage source 38, a DC component E D can be added to the output signal E 3 (t) of the tuning-frequency generator 25, s. also Fig. 1OB. This measure makes it possible, depending on the height of E D, to control the amplitude of the carrier frequency ω R = 2π · V H FS / 2 in the microwave range. At the output of the mixer 22, therefore, the signal E 4 (t) results as follows: 1 + o ° 1
E^t) = -ME0E2 Y] Jn(ß) exp[i(ωR±(ω0+nωm))t] + -MEnE2 ezp[iωRt] +c.c. ( 16 ) n= — ooE ^ t) = -ME 0 E 2 Y] Jn (β) exp [i (ω R ± (ω 0 + nω m )] t] + -ME n E 2 ezp [iω R t] + cc (16) n = - oo
(Darin 'berücksichtigt die Größe M die Charakteristik des Mischers 22.)(Here, the size M takes into account the characteristics of the mixer 22)
Wird nun beispielsweise ED = O gewählt, s. Fig. 1OA, so verschwindet die Trägerfrequenz. Auf diese Weise werden nur die magnetfeldabhängigen Dunkelresonanzen n = ±2 durch die Frequenzkomponenten v±2 gekoppelt. Dieser Fall wird während des eingelockten Zustandes (Mess-Betriebszustand) eingenommen, d.h. wenn der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 offen ist. Die vom Magnetfeld unabhängige Dunkelresonanz n = 0 wird aufgrund der fehlenden Trägerfrequenz nicht mehr angeregt.If, for example, E D = O is selected, s. Fig. 10A, the carrier frequency disappears. In this way, only the magnetic field-dependent dark resonances n = ± 2 are coupled by the frequency components v ± 2 . This case is taken during the locked state (measurement operating state), ie when the switch Sl is closed and the switch S2 is open. The magnetic field independent dark resonance n = 0 is no longer excited due to the missing carrier frequency.
Die Wahl ED ≠ 0 ermöglicht hingegen, den Oszillator 24 exakt auf die Frequenz QR = 2π • vHFs/2 abzustimmen. In diesem Betriebszustand (und nur in diesem) ist der Oszillator 24 noch durch den Modulationsgenerator 36 zu modulieren, d.h. der Schalter S3 ist geschlossen. Dieser Betriebszustand des Magnetometers wird nur eingenommen, wenn die Frequenz des Oszillators 24 auf die Frequenz ωHFs abgestimmt wird.On the other hand, the choice E D ≠ 0 allows the oscillator 24 to be tuned exactly to the frequency Q R = 2π · v HFs / 2. In this operating state (and only in this), the oscillator 24 is still to be modulated by the modulation generator 36, that is, the switch S3 is closed. This operating state of the magnetometer is only assumed when the frequency of the oscillator 24 is tuned to the frequency ω HFs .
Der Isolator (Zirkulator) 39 ist ein übertragungsunsymmetrisches 3-Tor mit der Eigenschaft, die einfallenden elektromagnetischen Wellen jeweils an das nächste Tor (= Anschluss) weiter zu reichen (1-2-3) .The isolator (circulator) 39 is a transmission unbalanced 3-port having the property of passing the incident electromagnetic waves respectively to the next port (= port) (1-2-3).
Der Isolator 39 bewirkt folglich, dass die durch eine elektrische Fehlanpassung der VCSEL-Laserdiode 11 zustande kommende reflektiert Welle gemäß der Darstellung in Fig. 7 im Isolator 39 im Gegenuhrzeigersinn, in Pfeilrichtung, an den Abschlusswiderstand 40 weiter gereicht wird, wo sie vollständig absorbiert wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass diese reflektierte Welle an den Mischer 22 gelangt und dort mit dem vorwärts (in Richtung VCSEL-Laserdiode 11) laufenden Wellenfelds oder mit E3 (t) interferiert.The insulator 39 thus causes the reflected wave resulting from electrical mismatching of the VCSEL laser diode 11, as shown in FIG. 7, to be passed in the insulator 39 in the counterclockwise direction, in the direction of the arrow, to the terminating resistor 40, where it is completely absorbed , In this way, this reflected wave is prevented from reaching the mixer 22 where it interferes with the forward wave field (in the direction of the VCSEL laser diode 11) or with E 3 (t).
Am Knotenpunkt Induktivität 28/Kapazität 29 und VCSEL-Laserdiode 11 tritt die für den Betrieb des VCSEL 11 notwendige Überlage- rung des Signals E4 (t) und des VersorgungsStroms (von der Konstantstromquelle 30 kommend) auf.At the node inductance 28 / capacitance 29 and VCSEL laser diode 11 occurs the necessary for the operation of the VCSEL 11 tion of the signal E 4 (t) and the supply current (coming from the constant current source 30).
Die notwendige Trennung der Mikrowellensignale und des Versorgungsstroms des VCSEL 11 wird durch die im Bias-Tee 27 enthaltene Induktivität 28 und Kapazität 29 erreicht.The necessary separation of the microwave signals and the supply current of the VCSEL 11 is achieved by the inductance 28 and capacitance 29 contained in the bias tee 27.
Die Kapazität 29 des Bias-Tee 27 schützt den Mikrowellensignalpfad vor der Gleichspannung an der VCSEL-Diode 11, die sich im Betrieb durch den eingeprägten Versorgungsstroms einstellt. Einer Sättigung des Mischers 22 durch diesen Gleichpegel wird daher entgegengewirkt. Die Induktivität 28 des Bias Tee 27 stellt andererseits durch eine Tiefpass-Wirkung sicher, dass keine Mikrowellensignale zur Konstantstromquelle vordringen können. Die Abstrahlung dieser Mikrowellensignale nach außen hin wird daher unterbunden.The capacitance 29 of the bias tee 27 protects the microwave signal path from the DC voltage at the VCSEL diode 11, which adjusts in operation by the impressed supply current. Saturation of the mixer 22 by this DC level is therefore counteracted. The inductance 28 of the bias tee 27 on the other hand ensures by a low-pass effect that no microwave signals can penetrate to the constant current source. The radiation of these microwave signals to the outside is therefore prevented.
Die hochfrequente Modulation des eingeprägten Versorgungsstroms der VCSEL-Diode bewirkt u.a. wie an sich bekannt periodische Änderungen des Brechungsindexes im (nicht näher dargestellten) Lasermedium im Laser-Resonator. Als unmittelbare Folge dieser periodischen Änderungen ergibt sich eine Amplituden- und Frequenzmodulation der emittierten Laserstrahlung:The high-frequency modulation of the impressed supply current of the VCSEL diode causes i.a. As is known, periodic changes in the refractive index in the (not shown) laser medium in the laser resonator. As a direct consequence of these periodic changes there is an amplitude and frequency modulation of the emitted laser radiation:
I r f iI r f i
E6 (i) = -EL exp i (ωLt + L, / EΛ (r) dτ) + c.c.E 6 (i) = -E L exp i (ω L t + L, / E Λ (r) dτ) + cc
-fώo 4-cc 4-oc-fώo 4-cc 4-oc
1 2 ψ" >> Σ MC) ∞P PK + a )t] II ( Σ ^) ^P [* ^«Ϊ]) H + ca. l= -x1 2 ψ " >> Σ MC ) ∞P PK + a ) t ] II (Σ ^) ^ P [* ^« Ϊ]) H + approx. L = -x
;π: mitπ: with
Bn : — k~,ßΛEaE-2 — Jn —(ß) ω„B n - k ~, ßΛEaE- 2 - Jn - (ß) ω "
Ojn : Oj n :
Der Vektor der elektrischen Feldstärke EL (der Laserstrahlung) gibt den Polarisationszustand an. Die Größe der Modulationskonstante A7 hängt vom Arbeitspunkt des VCSEL ab.The vector of the electric field strength E L (the laser radiation) indicates the polarization state. The magnitude of the modulation constant A 7 depends on the operating point of the VCSEL.
Das mulitchromatische Laserfeld unmittelbar nach der VCSEL-Quel- Ie ist (bis auf die Vernachlässigung eines kleinen Beitrages einer Amplitudenmodulation durch die nicht-lineare Kennlinie des VCSEL 11) durch Gleichung 17 gegeben. In der Näherung kleiner Modulationsindizes (Bn, C<1) wird besser ersichtlich, dass bei geeigneter Wahl der Frequenz ωL (optischer Bereich) und der Modulationsfrequenzen (COR, ω0 und ωm) alle für die Kopplung der Dunkelresonanzen erforderlichen Frequenzen in der Gleichung 17 enthalten sind. Diese Näherung ist weiters auch für eine korrekte Beschreibung des realen Betriebszustandes der Magnetometer- Vorrichtung brauchbar, da durch die Wahl von Bn, C< 1 die Intensität der nicht resonanten, höheren harmonischen Frequenzkomponenten (j,l ≥±2) weitgehend vermieden wird. (Dies gilt nicht für den Modulationsindex ß, für den auch höhere harmonische Anteile von Bedeutung (besonders n = ±2) sind.) In dieser Näherung vereinfacht sich die Gleichung 17 zu:The multi-chromatic laser field immediately after the VCSEL source is given by Equation 17 (except for the neglect of a small contribution of amplitude modulation by the non-linear characteristic of the VCSEL 11). In the approximation of small modulation indices (B n , C <1), it can be better seen that with a suitable choice of the frequency ω L (optical range) and the modulation frequencies (CO R , ω 0 and ω m ) all the frequencies required for the coupling of the dark resonances are included in the equation 17. This approximation is also useful for a correct description of the real operating state of the magnetometer device, since the choice of B n , C <1, the intensity of the non-resonant, higher harmonic frequency components (j, l ≥ ± 2) is largely avoided. (This does not apply to the modulation index β, for which higher harmonic components are also of importance (especially n = ± 2).) In this approximation, Equation 17 simplifies to:
Beim Betrieb des Magnetometers wird zwischen der Vorstabilisierung des RF-Synthesizers 24 und dem eigentlichen „Messmodus" unterschieden. Im ersten Fall (mit geschlossenem Schalter S3) werden durch E0 = 0 alle Koeffizienten Bn = 0. Es ergeben sich daher nur harmonische Komponenten j ωR (s. Gleichung 17) um die Frequenz des optischen Überganges ωL inkl. den um ωL + j • ωR ( I j | > 0) angeordneten Seitenbändern n ωm. Die Seitenbänder sind für die Generierung des Fehlersignals der Vorstabilisierung erforderlich. Es sei angemerkt, dass die zusätzliche Modulation des RF-Synthesizers 24 in diesem Betriebszustand aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in der Gleichung 17 berücksichtigt ist. Von der mathematischen Struktur würde noch ein Produktterm (vgl. Gleichung 17) hinzukommen.In the operation of the magnetometer, a distinction is made between the pre-stabilization of the RF synthesizer 24 and the actual "measuring mode." In the first case (with the switch S3 closed), all coefficients B n = 0 are obtained by E 0 = 0 j ω R (see Equation 17) around the frequency of the optical transition ω L including the sidebands n ω m arranged around ω L + j • ω R (I j |> 0) The sidebands are used to generate the It should be noted that the additional modulation of the RF synthesizer 24 in this operating state is not included in the equation 17 for the sake of clarity, and a product term (see Equation 17) would be added to the mathematical structure.
Dieser Betriebszustand wird in weiterer Folge nicht weiter dis- kutiert, da diese Vorstabilisierung nur dann eintritt, wenn der RF-Synthesizer 24 eine (eigentlich unzulässige) Abweichung aufweist.This operating state will subsequently not be discussed any further. because this pre-stabilization occurs only when the RF synthesizer 24 has an (actually unacceptable) deviation.
Bei der Messung von äußeren Magnetfeldern sind die Parameter En = 0 bzw. C = O gesetzt (der Schalter S3 ist offen, der Schalter Sl ist geschlossen) . Die Gleichung 18 vereinfacht sich daher nochmals zu:When measuring external magnetic fields, the parameters E n = 0 and C = 0 are set (switch S3 is open, switch S1 is closed). Equation 18 is therefore simplified again to:
Aus der Gleichung 19 ist besonders gut ersichtlich, dass sowohl die Frequenzkomponenten ωL + ωR + (ωo+nωm) und ωL - ωR Ψ (ω0 + nωm) (mit n = 0) zur Kopplung aller Dunkelresonanzen als auch alle Frequenzkomponenten ωL + ωR ± (ωo+nωra) und ωL - ωR T (ω0 + nωm) (mit n ≠ 0) für den phasenempfindlichen Nachweis durch den Lock- In-Verstärker 19 vorhanden sind.It can be seen particularly clearly from equation 19 that both the frequency components ω L + ω R + (ω o + nω m ) and ω L - ω R Ψ (ω 0 + nω m ) (where n = 0) for coupling all the dark resonances and all the frequency components ω L + ω R ± (ω o + nω ra ) and ω L - ω R T (ω 0 + nω m ) (where n ≠ 0) for the phase-sensitive detection by the lock-in amplifier 19 are.
Die transversale Modenstruktur des elektromagnetischen Feldes E6 eines VCSEL entspricht aufgrund der geometrischen Abmessungen des aktiven Mediums dem Gauß ' sehen O-O-Mode. Das transversale Intensitätsprofil folgt demgemäß einer Gauß ' sehen Funktion. Dem Laserfeld kann eindeutig ein Polarisationszustand zugeordnet werden. Im Fall eines VCSEL-Lasers ist die emittierte elektromagnetische Welle weitgehend linear polarisiert. Das elektromagnetische Feld E6 der Gleichungen 17 bis 19 kann in der Form eines Jones-Vektors The transverse mode structure of the electromagnetic field E 6 of a VCSEL corresponds to the Gaussian OO mode due to the geometrical dimensions of the active medium. The transverse intensity profile thus follows a Gaussian function. The laser field can be clearly assigned a polarization state. In the case of a VCSEL laser, the emitted electromagnetic wave is largely linearly polarized. The electromagnetic field E 6 of Equations 17-19 may be in the form of a Jones vector
angesetzt werden. Beispielsweise ist ein weitgehend linearer Polarisationszustand von E6 (t) mit der Polarisationsebene 45° zur x-Richtung durch Ex = Ey und φ = n -TΓ, WeN0 charakterisiert (vgl. letzter Ausdruck in Gleichung 20) . Die Bildung von Λ-förmigen Anregungsschemata (s. Fig. 4) und deren Kopplung ist mit einem linear, zirkulär oder allgemein polarisierten E6-FeId möglich. Der beim Betrieb des Magnetometers gewünschte Polarisationszustand von E5 wird durch die Lage der Hauptachsen des λ/4-Plättchens (QW in Fig. 7) relativ zu den Komponenten von E6 eingestellt.be set. For example, a largely linear polarization state of E 6 (t) with the plane of polarization 45 ° to the x direction is characterized by E x = E y and φ = n -TΓ, WeN 0 (see last expression in Equation 20). The formation of Λ-shaped excitation schemes (see Fig. 4) and their coupling is possible with a linear, circular or generally polarized E 6 -FeId. The desired polarization state of E 5 during operation of the magnetometer is set by the position of the main axes of the λ / 4 plate (QW in FIG. 7) relative to the components of E 6 .
Die Übertragungseigenschaft des λ/4-Plättchens QW wird durch eine 2x2 Jones-Matrix T mit (Φτ = ±π/2) angegeben:The transmission property of the λ / 4 plate QW is given by a 2x2 Jones matrix T with (Φ τ = ± π / 2):
B FrM(O . TT-PB 1I(IIl) - (I 0 1 ^ ° \ ) (I ^ &'Wy - I ( 0 ' ü ° )M( B £faW ^ I ^ B FrM ( O.T T -P -P B 1 I ( I I l ) - (I 0 1 ^ ° \ ) (I ^ & 'Wy - I ( 0 ' ü °) M ( B £ fa W ^ I ^
Zirkular polarisiertes Licht E7 wird (unter Verwendung von Gleichung 19) dann erzeugt, wenn linear polarisiertes Licht (E6) mit der Polarisationsebene im Winkel von 45° zu den Hauptachsen auf das λ/4-Plättchen einstrahlt.Circularly polarized light E 7 is generated (using Equation 19) when linearly polarized light (E 6 ) with the polarization plane at 45 ° to the principal axes radiates onto the λ / 4 plate.
Linear polarisiertes Licht E7 tritt hingegen auf, wenn die Polarisationsebene von E6 mit einer der Hauptachsen des λ/4-Plätt- chens übereinstimmt. Beispielsweise ergibt sich für Ex = EL und Ey = 0 (Φ = beliebig) wiederum in x-Richtung polarisiertes Licht:In contrast, linearly polarized light E 7 occurs when the polarization plane of E 6 coincides with one of the major axes of the λ / 4 plate. For example, for E x = E L and E y = 0 (Φ = arbitrary), polarized light is again obtained in the x-direction:
Bei einem beliebig gewählten Winkel der Polarisationsebene des linear polarisierten Wellenfeldes E6 (t) mit den Hauptachsen von QW ergibt sich hingegen ein elliptisch polarisiertes, elektromagnetisches Feld E7 (t). Mathematisch wird dieser Umstand ersichtlich, wenn in Gleichung 21 E5x ≠ E6y und ψ - π-τr. neN0 gesetzt werden.At an arbitrarily chosen angle of the polarization plane of the linearly polarized wave field E 6 (t) with the principal axes of QW, on the other hand, an elliptically polarized, electromagnetic field E 7 (t) results. Mathematically, this fact becomes apparent when in Equation 21 E 5x ≠ E 6y and ψ - π-τr. neN 0 are set.
Durch die Wahl des Winkels der Hauptachse des λ/4-Plättchens QW relativ zur Polarisationsebene der linear polarisierten elektromagnetischen Welle E6 (t) kann der entsprechend gewünschte Polari- sationszustand von E7 (t) (linear, zirkulär, elliptisch) eingestellt werden. Welcher Polarisationszustand der geeignetste ist, hängt vom Winkel einer eventuell vorhandenen Vorzugsrichtung des zu messenden (äußeren) Magnetfeldes und von der Ausbreitungsrichtung von E7 (t) ab.By selecting the angle of the main axis of the λ / 4 plate QW relative to the polarization plane of the linearly polarized electromagnetic wave E 6 (t), the corresponding desired polarization be set state of E 7 (t) (linear, circular, elliptical). Which polarization state is the most suitable depends on the angle of any preferred direction of the (magnetic) magnetic field to be measured and on the propagation direction of E 7 (t).
Die maximale Empfindlichkeit wird beispielsweise bei einem Magnetfeld B in (normal zur) Ausbreitungsrichtung von E7 (t) erreicht, wenn eine zirkuläre (lineare) Polarisation von E7 (t) gewählt wird.The maximum sensitivity is achieved, for example, at a magnetic field B in (normal to) the propagation direction of E 7 (t) when a circular (linear) polarization of E 7 (t) is selected.
In der Messzelle 14 kommt es sodann zur Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes E7 (t) mit dem Atomensemble. Zur Beschreibung der quantenmechanischen Vorgänge eines (statistisch verteilten) Atomensembles (z.B. Alkali-Atomdampf) wird hier der semi-klassische Zugang (kein quantisiertes elektromagnetisches Feld) über den sog. Dichtematrix-Formalismus gewählt. Um den Spontanzerfallmechanismen (z.B. Relaxation aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand, Relaxation durch Stöße, etc.) Rechnung zu tragen, werden in den Dichtematrix-Gleichungen phänomenologische Zusatzterme R(t) (Relaxations-Operator genannt) hinzugefügt: In the measuring cell 14, the interaction of the electromagnetic field E 7 (t) with the atomic ensemble occurs. In order to describe the quantum mechanical processes of a (statistically distributed) atomic ensemble (eg alkali-atomic vapor), the semi-classical approach (no quantized electromagnetic field) is chosen via the so-called density matrix formalism. In order to account for the spontaneous decay mechanisms (eg relaxation from the excited state into the ground state, relaxation by collisions, etc.), phenomenological additional terms R (t) (called the relaxation operator) are added in the density matrix equations:
In dieser Gleichung 24 setzt sich der Hamiltonoperator Η = HQ + V(i) aus dem Hamiltonoperator Ji0 des ungestörten Atoms sowie aus einem zeitabhängigen (Stör-)Term V(t) zusammen, der die Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern beschreibt. Dieser Wechselwirkungsterm lautet in der Dipol-Näherung rBohr) '■In this equation 24, the Hamiltonian Η = H Q + V (i) is composed of the Hamiltonian Ji 0 of the undisturbed atom and of a time-dependent (disturbance) term V (t) describing the interaction with the electromagnetic fields. This interaction term in the dipole approximation rBohr) '
V(t) = -ä-E(t) (25) V (t) = -a-E (t) (25)
Die Größe ά bezieht sich auf das betrachtete Dipolmoment des atomaren Überganges. Die Kopplung des atomaren Systems des Ensembles mit dem elektromagnetischen Feld erfolgt gemäß der Gleichung 25, wenn E(t) = E7 (t) gesetzt wird.The size ά refers to the considered dipole moment of the atomic transition. The coupling of the ensemble's atomic system with the electromagnetic field is done according to Equation 25 when E (t) = E 7 (t) is set.
Für N-Niveaus lautet die Gleichung 24 in Komponentenform: d 1 N For N-levels, equation 24 in component form reads: d 1 N
-PlJ{t) = -iωυPυ(t) + ^ ∑ [VAt)PxAt) - PAWkAt)] + Rυit)- PlJ {t) = -iω υPυ (t) + ^ Σ [VAt) PxAt) - PAWkAt)] + Rυit)
Der Dipoloperator V(t), durch den die Kopplung mit dem multichromatischen Laserfeld (Gleichung 17 bzw. Gleichung 21) hergestellt wird, lautet in dieser Komponentendarsteilung: The dipole operator V (t), through which the coupling with the multichromatic laser field (equation 17 or equation 21) is produced, is in this component illustration:
Das Differentialgleichungssystem (Gleichung 26 mit dem rtiul- tichromatischen Laserfeld E7 (t) gemäß Gleichung 27) stellt im allgemeinen Fall ein sehr kompliziertes System dar, das innerhalb der Alkali-D-Linien meist mehr als 250 unbekannte Größen hat. Die Lösung dieses mathematischen Problems kann in dieser Allgemeinheit nur auf numerischem Weg erfolgen.The differential equation system (equation 26 with the dichroic-chromatic laser field E 7 (t) according to equation 27) represents a very complicated system in the general case, which usually has more than 250 unknown quantities within the alkali D lines. The solution of this mathematical problem can only be done numerically in this generality.
Eine Möglichkeit, dennoch genäherte analytische Ausdrucke für die Größen pυ zu erhalten, besteht in der Annahme, dass die Linienbreite der Dunkelresonanzen im Vergleich zu der Aufspaltung der Zeeman-Subniveaus klein ist. Unter diesen Umständen ist die Entartung der verschiedenen Niveaus aufgehoben. Die atomaren Niveaus (Gleichungssysterα 26) sind bezüglich der Anregung durch das Feld E7 (t) derart voneinander entkoppelt, dass sich ein Anregungsschema in der Art von Fig. 4 ergibt, wobei zusatzlich ein Ein-Photonen-Ubergang zwischen 52Si/2F = 2,mF = -2 → 52Pi/2F' = 2, i% = -1 auftritt. Auf diese Weise wird es möglich, das komplizierte System der Gleichung 26 auf drei Λ-Systeme, die „nur" über den inkohärenten Prozess des Spontanzerfalls (über i?(0) gekoppelt sind, zu reduzieren.One way to obtain yet approximate analytical expressions for the quantities p υ is to assume that the linewidth of the dark resonances is small compared to the splitting of the Zeeman sub-levels. Under these circumstances, the degeneration of the various levels is abolished. The atomic levels (equation syst. 26) are decoupled with respect to the excitation by the field E 7 (t) such that an excitation scheme results in the manner of FIG. 4, wherein additionally a single-photon transition between 5 2 Si / 2 F = 2, m F = -2 → 5 2 Pi / 2F '= 2, i% = -1 occurs. In this way, it becomes possible to reduce the complicated system of Equation 26 to three Λ systems which are "only" coupled via the incoherent process of spontaneous decay (via i ((0).
Die Losungen der Dichtematrixgleichungen in der an sich bekannten RWA-Näherung (RWA - Rotating Wave Approximation) sind für Λ-Systeme plus ein Verlustniveau, das die verbleibende inkohärente Kopplung beschreibt, bekannt.The solutions of the density matrix equations in the conventional RWA (Rotating Wave Approximation) approximation are known for Λ-systems plus a loss level describing the remaining incoherent coupling.
Die Größe pnn(t) gibt den (prozentuellen) Anteil der Atome des statistischen Ensembles im Zustand n an.The quantity p nn (t) indicates the (percentage) portion of the atoms of the statistical ensemble in the state n.
Die Großen pnm(t) = σnm(t) exp[iωnm] werden Kohärenzen genannt. Der Realteil und der Imaginärteil der Kohärenzen (pnm(t) bzw. σnm(t)) der optischen Übergänge stehen im funktionellen Zusammenhang mit dem Brechungsindex und dem Dämpfungsindex des Mediums (Atomensembles) .The Great nm p (t) = σ nm (t) exp [iω nm] coherences can be mentioned. Of the The real part and the imaginary part of the coherences (p nm (t) and σ nm (t)) of the optical transitions are functionally related to the refractive index and the attenuation index of the medium (atomic ensemble).
Als Beispiel ist die Lösung für die Kohärenzen σ13 der stationären Dichtematrix angegeben. Die Lösungen sind als eine Reihe von Lorentzfunktionen £f's und Cfss angegeben.As an example, the solution for the coherences σ 13 of the stationary density matrix is given. The solutions are given as a series of Lorentz functions £ f ' s and Cf ss .
Im(σi3) = )Im (σi 3 ) = )
Die Funktion Cf'B (Cf**) ist symmetrisch (schiefsymmetrisch) bezüglich des Raman-Detunings δR.The function Cf ' B (Cf **) is symmetric (skew-symmetric) with respect to the Raman detonation δ R.
Die Parameter iJ^k und ißk i sind von der Feldstärke E1 und von den Dipolmatrixelementen dnm abhängig. Das Zwei-Photonen-Detu- ning δL in Gleichung 28 bewirkt eine Abweichung von einer reinen Lorentzfunktion £"ÄS (Cf"*). Dieser Einfluss ist allerdings von höherer Ordnung {iΛ[δc/iΛl < 1, < 1 und für entsprechende k, 1 5R -C 1), wenn 5L < δd<ippιer « 500MHz eingehalten wird. Durch die Laserstabilisierung auf den entsprechenden atomaren Übergang wird ein Zwei-Photonen-Detu- ning von maximal |δLi≤10MHz erreicht. Das Raman-Detuning δR in Gleichung 28 ist die eigentlich magnetfeldabhängige Größe und kann abhängig vom jeweils betrachteten A-System (n = -2,0, +2) mit δR_2, δRo und δR+2 identifiziert werden. Eine graphische Darstellung von Re(σi3) und Im(σi3) unter der Bedingung ( δL < δdoppisr) ist in der Fig. 2 angegeben.The parameters i J ^ k and i β k i depend on the field strength E 1 and on the dipole matrix elements d nm . The two-photon detonation δ L in Equation 28 results in a deviation from a pure Lorentz function £ " ÄS (Cf" *). However, this influence is of a higher order {iΛ [δc / iΛl <1, <1 and for corresponding k, 1 5R -C 1), if 5 Ld <ipp ι he «500MHz is maintained. The laser stabilization on the corresponding atomic transition results in a two-photon detonation of a maximum of | δ L i≤10 MHz. The Raman detonation δ R in Equation 28 is the actual magnetic field-dependent variable and can be identified with δ R _ 2 , δ Ro and δ R + 2 , depending on the particular A system considered (n = -2.0, +2). A plot of Re (σ i3 ) and Im (σ i3 ) under the condition (δ Ldopp i sr ) is given in FIG.
Zur Herstellung dieser funktionellen Zusammenhänge zwischen den Kohärenzen σnm und dem Real- bzw. Imaginärteil der Suszeptibilität X = X' + ''-λ" des Mediums (= Atomdampf) werden Ergebnisse der Elek- trodynamik herangezogen:In order to produce these functional relationships between the coherences σ nm and the real or imaginary part of the susceptibility X = X '+ "-λ" of the medium (= atomic vapor), results of the electrons trodynamics used:
P(Z,t) = JV„«Tr(dp) (29) P ( Z , t) = JV " « T r (dp) (29)
P(M) = (χ' + iχ")E(z,t)P (M) = (χ '+ iχ ") E (z, t)
Darin bezieht sich Nact auf die molare Dichte der Atome im gasförmigen Zustand.N act refers to the molar density of the atoms in the gaseous state.
Für konkrete Berechnungen wird die Polarisation P(z, t) in ihre Komponenten zerlegt behandelt. Um den Dopplereffekt richtig zu berücksichtigen, müssen die Dichtematrixelemente zusätzlich über alle Geschwindigkeitsklassen (mit der Gewichtung der vorherrschenden Geschwindigkeitsverteilung (meist Maxwell-Vertei¬ lung) ) gemittelt werden.For concrete calculations, the polarization P (z, t) is decomposed into its components. To account for the Doppler effect correctly, the density matrix elements must also has all the speed classes ((with the weighting of the prevailing velocity distribution mostly Maxwell distri ¬ lung)) are averaged.
σ. σ.
Mit den Gleichungen 29 und 30 gelingt es, eine Verbindung zwischen den mikroskopischen (quantenmechanischen) Größen und den beobachtbaren makroskopischen Größen (Suszeptibilitäten) herzustellen (bei Betrachtung eines Λ-Systems) :Equations 29 and 30 make it possible to establish a connection between the microscopic (quantum mechanical) quantities and the observable macroscopic quantities (susceptibilities) (when considering a Λ-system):
Die Atomdampf-Messzelle 14 des Magnetometers arbeitet beispielsweise in einem Temperaturbereich bis etwa 50° C (Rubidium) . Unter diesen Betriebsbedingungen kann der Atomdampf noch als optisch dünn angesehen werden. In diesem Bereich finden nur Einfachstreuungen von Photonen an den Atomen statt, wodurch die Gültigkeit des Beer-Lambert-Schwächungsgesetzes gegeben ist:The atomic vapor measuring cell 14 of the magnetometer operates, for example, in a temperature range up to about 50 ° C (rubidium). Under these operating conditions, the atomic vapor can still be considered as optically thin. In this range, only single scattering of photons at the atoms takes place, whereby the validity of the Beer-Lambert law of attenuation is given:
B(t,L) = - ∑ Ej{t 0) exp [ύvjt] exp [%L (l + (^ {Uj) + tχ"(Wj))/2)] + c.c. (32 )B (t, L) = - Σ Ej {t 0) exp [ύvjt] exp [% L (l + (^ { Uj ) + tχ "( Wj )) / 2)] + cc (32)
:i~ιI ~ ι
Zusätzlich zu einer exponentiellen Dämpfung tritt aufgrund des Einflusses von X eine linear mit dem optischen Weg anwachsende Phasenverschiebung auf. Dies ist eine unmittelbare Konsequenz des von Eins verschiedenen Brechungsindexes.In addition to exponential attenuation, due to the influence of X, a phase shift increasing linearly with the optical path occurs. This is an immediate consequence of of one different refractive index.
Zur einfacheren Handhabung der Gleichungen und zur besseren Übersichtlichkeit werden die für die Ausbreitung relevanten funktio- nellen Zusammenhänge in einem Ausbreitungsoperator Ε zusammengefasst :For easier handling of the equations and for better clarity, the functional correlations relevant for the propagation are summarized in a propagation operator Ε:
Ej(t.L) = ^E7 (i,0) exp [i{kjL + ω3t)] exp [*(χΗ) + .χV;))/2] + c.c.Ej (tL) = ^ E 7 (i, 0) exp [i {kjL + ω 3 t)] exp [* (χΗ) + .χV;)) / 2] + cc
= -F3E1 exp [i(fc,L + ü;,t)]] + c.c. = -F 3 E 1 exp [i (fc, L + u;, t)]] + cc
Dieser Operator hat Vektorcharakter mit den Komponenten x und y und die spektralen Komponenten F3, die mit dem jeweiligen ω-, korrespondieren.This operator has vector character with the components x and y and the spectral components F 3 , which correspond to the respective ω-.
Der Ausbreitungsoperator F3 beschreibt somit die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder mit dem Atomensemble. Der Index des Ausbreitungsoperators bezieht sich auf die spektrale Komponente ω-,, auf die der Operator angewandt wird. Die Größe L gibt die (geometrische) Länge des optischen Weges an und kann hier mit der Länge (im cm-Bereich) der spektroskopischen Messzelle 14 gleichzeitig werden.The propagation operator F 3 thus describes the interaction of the electromagnetic fields with the atom ensemble. The index of the propagation operator refers to the spectral component ω-, to which the operator is applied. The size L indicates the (geometric) length of the optical path and here can be simultaneously with the length (in the cm range) of the spectroscopic measuring cell 14.
Durch die Anwendung des Ausbreitungsoperators F1 auf das multichromatische Wellenfeld E7 (t), das am Eingang der spektroskopischen Messzelle 14 auftritt, erhält man das multichromatische Wellenfeld E8 (t) unmittelbar nach der Zelle 14 wie folgt: By applying the propagation operator F 1 to the multichromatic wave field E 7 (t) occurring at the input of the spectroscopic measuring cell 14, the multichromatic wave field E 8 (t) immediately after the cell 14 is obtained as follows:
+OO (C) exp [l{ωL + jωR)f]+ OO (C) exp [1 {ω L + jω R ) f]
2 y j FjJ3 f = — OO2 yj F j J 3 f = - OO
; 34 :; 34:
+ OO π F1 J1 (Bn ) cxp [i I ω„ t] ) + c. c.+ OO π F 1 J 1 (B n ) cxp [i I ω "t]) + cc
/ n n=— oo ( Σ Dieses Wellenfeld. E8 (t) beinhaltet die volle Information, die aus der Wechselwirkung mit dem Atomdampf resultiert./ nn = - oo (Σ This wave field. E 8 (t) contains the full information resulting from the interaction with the atomic vapor.
Neben den verschiedenen funktionellen Abhängigkeiten der oben angeführten Parameter (vgl. z.B. Gleichung 17 und 34) erweist sich die funktionelle Abhängigkeit von der Frequenz ω0 des durch- stimmbaren Frequenzgenerators 25 als die wichtigste. Diese Frequenz ω0 ist in dem Sinn variabel, als sie solange variiert wird, bis die Dunkelresonanzen n = -2,0, +2 in einer einzigen (beobachtbaren) Dunkelresonanz zusammenfallen. Diese Frequenz überbrückt gewissermaßen die durch den Zeeman-Effekt (vgl. Gleichung 3) entstehende Aufspaltung der magnetischen Subniveaus. Stimmt die Frequenz ω0 mit der Zeeman-AufSpaltungsfrequenz überein, so wird formal wieder eine Niveauentartung hergestellt. Die Λ-förmigen Anregungsschemata sind unter diesen -Umständen gekoppelt. Das Signal E8(t,L) (die Signalform im Zeitbereich) hängt daher wesentlich vom Wert ω0 relativ zu den atomaren Subniveaus ab. Ermöglicht Es(t,L) diese Information, so kann die regelungstechnische Problemstellung, nämlich den durchstimmbaren Oszillator 25 genau auf diese Subniveau-AufSpaltung abzustimmen, gelöst werden. Um dies zu erreichen, wird das allgemeine multichromatische Wellenfeld durch den Photodetektor 15 in ein elektrisches Signal umgeformt. Bei einem Photodetektor handelt es sich um ein sog. quadratisches Element, bei dem das elektrische Signal, der Photostrom iph(t), proportional zur auftreffenden Intensität (Leistung) der elektromagnetischen Strahlung ist: In addition to the various functional dependencies of the above-mentioned parameters (cf., for example, Equations 17 and 34), the functional dependence on the frequency ω 0 of the tunable frequency generator 25 proves to be the most important. This frequency ω 0 is variable in the sense that it is varied until the dark resonances n = -2.0, +2 coincide in a single (observable) dark resonance. This frequency effectively bypasses the splitting of the magnetic sublevels resulting from the Zeeman effect (see Equation 3). If the frequency ω 0 coincides with the Zeeman splitting frequency, a level degeneracy is again formally established. The Λ-shaped excitation schemes are coupled under these circumstances. Therefore, the signal E 8 (t, L) (the waveform in the time domain) depends substantially on the value of ω 0 relative to the atomic sublevels from. Enables E s (t, L) this information, so the control technical problem, namely to tune the tunable oscillator 25 exactly to this sub-level split can be solved. To achieve this, the general multichromatic wave field is converted by the photodetector 15 into an electrical signal. A photodetector is a so-called square element in which the electrical signal, the photocurrent ip h (t), is proportional to the incident intensity (power) of the electromagnetic radiation:
Darin wird die Größe Hph{\) Photodioden-Responsivität genannt; Zvac ist der Wellenwiderstand des Vakuums.Therein the size H p h {\) is called photodiode responsiveness; Z vac is the characteristic impedance of the vacuum.
Die Integration gemäß Gleichung 35 wird über das gesamte Intensitätsprofil ausgeführt. Der Wert der Konstanten GL richtet sich nach der konkreten Form des Intensitätsverlaufs in Abhängigkeit von den (zur Laserausbreitungsrichtung transversalen) Ortskoordinaten. In allen hier angestellten Betrachtungen kann deshalb für die elektrischen Feldstärken Ex der größte Wert des transversalen Profils gesetzt werden (die Ortsabhängigkeit ist dann in GL enthalten) . Der Prozess des Quadrierens stellt für die mathemati- sehe Analyse eine Verkomplizierung dar, da unter der unendlichen Vielfalt der Frequenzkomponenten zusätzlich Mischterme der Summen und Differenzfrequenzen auftreten.The integration according to equation 35 is carried out over the entire intensity profile. The value of the constant G L depends on the specific form of the intensity profile as a function of the (to the laser propagation direction transverse) spatial coordinates. In all considerations made here, therefore, the greatest value of the transversal profile can be set for the electric field strengths E x (the location dependence is then contained in G L ). The process of squaring represents the mathematical see analysis is a complication, since in addition to the infinite variety of frequency components mixed terms of the sums and difference frequencies occur.
Eine weitere Vereinfachung gelingt jedoch durch die Berücksichtigung des Umstandes, dass der verwendete Photodetektor 15 Frequenzen im optischen Bereich (~ 10" Hz) nicht zeitaufgelöst registrieren kann. + const (36)However, a further simplification is achieved by taking into account the fact that the photodetector 15 used can not register time-resolved frequencies in the optical range (~10 "Hz). + const (36 )
Das zweite Gleichheitszeichen in Gleichung 36 ist gültig, da die Summanden |-£f| und |i5|2| periodische Funktionen der Zeit mit einer Frequenz von 2ωL ~ 1014 rad/s sind und der Photodetektor 15 aufgrund seiner Tiefpasswirkung nur deren Mittelwert registriert. Durch den phasenempfindlichen Nachweis des Photodiodensignals braucht weiters der (zeitlich) konstante Wert const. nicht weiter berücksichtigt werden. Die Auswertung des gemischten Terms 2E&B$ der Gleichung 36 liefert ein zum Photodetektorstrom proportionales Signal, das für die weitere Auswertung von Bedeutung ist. Bei der Berechnung des gemischten Terms wird das multichromatische elektromagnetische Feld in Form der Gleichung 19 in Verbindung mit dem Ausbreitungsoperator F herangezogen.The second equal sign in Equation 36 is valid because the summands | - £ f | and | i5 | 2 | periodic functions of the time with a frequency of 2ω L ~ 10 14 rad / s and the photodetector 15 registered only their mean value due to its low-pass effect. Due to the phase-sensitive detection of the photodiode signal further needs the (time) constant value const. not considered further. The evaluation of the mixed term 2E & B $ of Equation 36 provides a signal proportional to the photodetector current which is important for further evaluation. In the calculation of the mixed term, the multichromatic electromagnetic field in the form of equation 19 in conjunction with the propagation operator F is used.
E*(i, £) =2J0 2(C)jE^F* 1 + i ∑ IS.M - 2 Σ I^W ∞β2SJn E * (i, £) = 2J 0 2 (C) jE ^ F * 1 + i Σ IS.M - 2 Σ I ^ W ∞β2SJ n
+ac +3O+ ac + 3O
1 / N1 / N
2 ∑ Σ BkB1 [ R[P1^F;) COs(UJk - LJ1)Y - Q[F1^F1 *] sm{iük - ωι)t J ( 37 ) fc=— oo l~ — _c2 Σ Σ BkB 1 [R [P 1 ^ F;) COs (UJk - LJ 1 ) Y - Q [F 1 ^ F 1 * ] sm {iü k - ωι) t J (37) fc = - oo l ~ - c
_ i V Z^ Z V^ BkB1 (Jt[FtF1'] cos(ωk + ωt)t + %[FkF;] άn{ωk + ωt)tj k=— oc /— — oc_ I VZ ^ ZV ^ BkB 1 (Jt [F t F 1 '] cos (ω k + ω t) t +% [F k F] aN {ω k + ω t) t j k = - oc / - - oc
(Darin bedeuten ?J?[..] bzw. Q'[..] heißt Realteil von [..] bzw. Ima- giniärteil von [..].)(In this case, J? [..] or Q '[..] is called the real part of [..] or the imaginary part of [..].)
Der funktionelle Zusammenhang (Gleichung 37) beschreibt das gesamte Dunkelresonanzspektrum (die gekoppelten Dunkelresonanzen) unter der Anregung des multichromatischen Laserfeldes in der Näherung kleiner Modulationsindizes (Bn, C < 1) und unter der Voraussetzung, dass der Detektor 17 die Frequenzkomponenten des elektrischen Feldes, die im optischen Bereich liegen, nicht zeitaufgelöst detektieren kann. Die Gleichung 37 ist der Inbegriff des Prinzips der Kopplung der Dunkelresonanzen bei der Messung von Magnetfeldern unter Zuhilfenahme des CPT- (Coherent Population Trapping) -Effektes. Aus diesem zusammengesetzten Signal müssen die für den Magnetometerbetrieb zweckmäßigsten Anteile extrahiert werden.The functional relationship (Equation 37) describes the total dark resonance spectrum (the coupled dark resonances) under the excitation of the multichromatic laser field in the approximation of small modulation indices (B n , C <1) and assuming that the detector 17 contains the frequency components of the electric field, which are in the optical range, can not detect time-resolved. Equation 37 is the epitome of the principle of coupling the dark resonances in the measurement of magnetic fields with the aid of the CPT (Coherent Population Trapping) effect. From this composite signal, the most appropriate for magnetometer operation shares must be extracted.
Aufgrund des Leistungsniveaus von P = 1...100μW kann die Einheit 17 (Photodetektor 15 und Verstärker 16) lediglich Frequenzanteile des Signals iPh(t) bis maximal einige MHz zeitaufgelöst registrieren. Die Frequenzkomponenten im GHz-Bereich sind daher am Eingang des Lock-In-Verstärkers 19 nicht mehr vorhanden.Due to the power level of P = 1 ... 100μW, the unit 17 (photodetector 15 and amplifier 16) can register only frequency components of the signal i Ph (t) up to a maximum of a few MHz in a time-resolved manner. The frequency components in the GHz range are therefore no longer present at the input of the lock-in amplifier 19.
Am Ausgang der Detektoreinheit 17 ist eine dem Photostrom des Photodetektors 15 proportionale SpannungAt the output of the detector unit 17 is a proportional to the photocurrent of the photodetector 15 voltage
Mt) = Ü(ω)Rτiph(i) = ψ^Ü(ω)RτGLΕl{i,L)Mt) = Ü (ω) R τ i ph (i) = ψ ^ Ü (ω) R τ G L Εl {i, L)
gegeben (die Proportionalität wird durch die Transimpedanz Rτ und die (Gesamt-) Übertragungsfunktion Ü(ω) der Einheit 17 hergestellt) ; diese Spannung ist ihrerseits (außer den hochfrequenten Anteilen (s. oben)) zum Signal E8(t,L) proportional. Die Aufgabe des Lock-In-Verstärkers 19 besteht nun in der Selektion der für den Magnetometerbetrieb geeigneten Frequenzkomponenten von us(t). In den Vorfaktoren der Frequenzkomponenten ist die benötigte Information der Stärke des äußeren Magnetfeldes in Form des Bre- chungs- (δ3) und Dämpfungsindexes (Φj) der Dunkelresonanzen enthalten. Auf Basis der Gleichung 37 haben sich für den Magnetometerbetrieb die Frequenzkomponenten + α+ift+2 <r2Ä+2+2 • y ~ <L2-3 + 5_2-i + <5+2-ι-i - δ+2+.3 j cosωmigiven (the proportionality is produced by the transimpedance R τ and the (total) transfer function U (ω) of the unit 17); in turn, this voltage is proportional to the signal E 8 (t, L) (except for the high-frequency components (see above)). The task of the lock-in amplifier 19 now consists in the selection of suitable for the magnetometer frequency components of u s (t). The pre-factors of the frequency components include the required information of the strength of the external magnetic field in the form of the refractive index (δ 3 ) and the attenuation index (Φj) of the dark resonances. Based on Equation 37, the frequency components for magnetometer operation + α + ift + 2 <r 2Ä + 2 + 2 • y ~ <L 2 -3 + 5_ 2 -i + <5 + 2 -i-i - δ + 2 + .3 j cosω m i
+ fl+lö+2 <r'2ή+2+2 • ( - + 2Φ-2-2 ~ Φ-2-1 + Φ+2+S ~+2+i + (D+24.3 J ShlüJmt+ fl + lo + 2 <r '2ή + 2 + 2 • (- + 2Φ-2-2 ~ 2-1-Φ + Φ + 2 + S ~+ 2 + i + (D +24. 3 J ShlüJ m t
+ α hlo+:J e-'u+a+2 ■ ( - 2 - (L2-I - 2(5_2_2 + <5_2-3 + ^-2+1 - 2^2+2 + (J+a+s) cos 2ωt)1f+ α hl o +: J e - 'u + a + 2 ■ (- 2 - (L 2 -I - 2 ( 5_ 2 _ 2 + <5_ 2 - 3 + ^ -2 + 1 - 2 ^ 2 + 2 + (J + a + s) cos 2ω t) 1 f
+ «+i«+Λ e-M+2+2 • ( - ώ_2-3 - Φ-2-1 + 0+2+1 ~ Φ+2+3) mi 2ωmt ]+ «+ I« + Λ e - M + 2 + 2 • (- ώ_2-3 - Φ-2-1 + 0 + 2 + 1 ~ Φ + 2 + 3) mi 2ω m t]
V / ( 39 ) als geeignet erwiesen, wobei zur besseren Übersicht Ü(ω) = 1 + Oj gewählt wurde. Entsprechende Spektraldarstellungen sind in den Fig. 11 bis 14 gezeigt. In der Gleichung 39 sind andere Indizes verwendet, um eine kompaktere Schreibweise der Gleichung zu ermöglichen. Die Indizes ±1, ±2 und ±3 der Gleichung 39 beziehen sich auf die Frequenzkomponenten: ω_3 := ωR — ω0 — ωm ω_2 := CUR — UJQ ω_i :=ωκ-w0m V / (39) proved to be suitable, with Ü (ω) = 1 + Oj was selected for clarity. Corresponding spectral representations are shown in FIGS. 11 to 14. In Equation 39, other indices are used to allow a more compact notation of the equation. The indices ± 1, ± 2 and ± 3 of equation 39 refer to the frequency components: ω_ 3 : = ω R - ω 0 - ω m ω_ 2: = CUR - UJQ ω_i: = ω κ -w 0 + ω m
^o := ωR ^ o: = ω R
(40) ω+1 := ωR + ωQ — ωm ω+2 := ωR + ωo(40) ω +1 : = ω R + ω Q - ω m ω + 2: = ω R + ω o
W+3 := ωR + ω0 + ωm W +3 : = ω R + ω 0 + ω m
Die Indizes n und j von δnj und φ^ beziehen sich hier auf die n- te Dunkelresonanz (n = -2, 0, +2) , die durch die j-te Frequenzkomponente (j = -3... +3) erzeugt wird.The indices n and j of δ nj and φ ^ here refer to the nth dark resonance (n = -2, 0, +2), which is represented by the j-th frequency component (j = -3 ... +3). is produced.
Die Selektion der Ausdrücke ~ ωm und ~ 2ωm in der Gleichung 39 wird durch Ausnützung der Orthogonalität von trigonometrischen Funktionen erreicht. Die technische Realisierung dieser Selektion erfolgt demgemäß durch die Multiplikation von ua(t) mit einer (oder mehreren) Sinus/Cosinus-Schwingungen, die die Frequenz cωra (c = 1,2) und die Phase C^LOCMΠ aufweisen. Eine anschließende Filterung aller zeitabhängigen Anteile ~2ωm von U9 (t) ergibt ein elektrisches Signal U9 (t) , das proportional zu den Vorfaktoren von sin(cωt) und cos(cωt) (c = 1,2) ist (s. auch Fig. 11 bis 14). (Die Übertragungsfunktion des elektronischen Filters (digital oder analog) wird mit ÜL bezeichnet.)The selection of the expressions ~ ω m and ~ 2ω m in Equation 39 is achieved by taking advantage of the orthogonality of trigonometric functions. The technical realization of this selection is accordingly carried out by the multiplication of u a (t) with one (or more) sine / cosine oscillations having the frequency cω ra (c = 1,2) and the phase C ^ LOCMΠ . Subsequent filtering of all time-dependent components ~ 2ω m of U 9 (t) yields an electrical signal U 9 (t) which is proportional to the precursors of sin (cωt) and cos (cωt) (c = 1,2) (s also Fig. 11 to 14). (The transfer function of the electronic filter (digital or analog) is designated Ü L ).
u9{t)=ÜLus(tyuLockMsm{c-ωmt+φLockι„) (41) u 9 {t) = Ü L u s (tyu LockM sm {c m t + φ Lockι ") (41)
Ob diese Multiplikation durch digitale Schaltkreise (digitaler Lock-In-Verstärker 19) oder, wie in Fig. 7 skizziert, auf analogem Weg realisiert wird, ist von untergeordneter Bedeutung. Beide Verfahren sind an sich Stand der Technik und führen im Wesentlichen zum gleichen Endresultat. In den Fig. 11 bis 15 sind die einzelnen Komponenten des Signals U9 (t) dargestellt. Diese Signale stimmen abgesehen von einem zusätzlichen Faktor, der von der Charakteristik des Multiplikationsprozesses stammt, mit den Vorfaktoren der Terme sin(cωmt) und cos(cωmt) der Gleichung 39 überein. In diesen Beispielen sind die Parameter der Linienbreite δv = 50 Hz (s. Gleichung 28) und die Frequenz des Modulationsfrequenzgenerators 36 so gewählt (vm = ωm/2π = 2kHz) , dass sie typischen Werten eines realen Magnetometers entsprechen.Whether this multiplication by digital circuits (digital lock-in amplifier 19) or, as sketched in Fig. 7, realized in an analogous way, is of minor importance. Both methods are state of the art in their own right and essentially lead to the same end result. FIGS. 11 to 15 show the individual components of the signal U 9 (t). These signals agree with the pre-factors of the terms sin (cω m t) and cos (cω m t) of Equation 39 except for an additional factor stemming from the characteristic of the multiplication process. In these examples, the parameters of the line width are .DELTA.V = 50 Hz (s. Equation 28) and the frequency of the modulation frequency generator 36 so selected (v m = ω m / 2π = 2kHz) to correspond to the typical values of a real magnetometer.
Die unabhängige Größe ist in allen Fällen die Frequenz ω0 des durchstimmbaren Generators 25. Diese Frequenz wird letztendlich durch Messung mittels des Frequenzzählers 35 - und entsprechender Umrechnung - zur Bestimmung des Magnetfeldes B herangezogen. Der Regelkreis 18 des Magnetometeraufbaus der Fig. 7 ist so beschaffen (s. unten), dass ωo/2π = vB = C • B gewährleistet ist (vgl. Gleichung 5). In den Fig. 11 bis 15 stimmt dieser Punkt mit dem Ursprung des jeweiligen Koordinationssystems überein. Der Frequenznullpunkt der Abbildungen wurde daher zweckmäßig in den Punkt vB = C • B gelegt, der mit der Position der Dunkelresonanz bei einer konkreten Magnetfeldmessung übereinstimmt.The independent variable is in all cases the frequency ω 0 of the tunable generator 25. This frequency is finally used by measurement by means of the frequency counter 35 - and corresponding conversion - for the determination of the magnetic field B. The control circuit 18 of the magnetometer structure of Fig. 7 is such (see below) that ω o / 2π = v B = C • B is ensured (see Equation 5). In FIGS. 11 to 15, this point coincides with the origin of the respective coordination system. The frequency zero point of the images was therefore expediently placed in the point v B = C • B, which coincides with the position of the dark resonance in a specific magnetic field measurement.
Die Amplituden der Einzelkomponenten sind auf 1 normiert. Daraus folgt, dass der Betrag der Maxima der Gesamtsignale ≥ 1 ist. Die Frequenzwerte auf den Abszissen der Fig. 11 bis 15 sind in kHz angegeben.The amplitudes of the individual components are normalized to 1. It follows that the magnitude of the maxima of the total signals is ≥ 1. The frequency values on the abscissa of Figs. 11 to 15 are indicated in kHz.
Im Einzelnen zeigt Fig. 11 das Frequenzmodulationsspektrum des gesamten Absorptionssignals (Vorfaktor zu cosωmt; s. Gleichung 39) der gekoppelten Dunkelresonanzen, wobei die Verstimmung des Mikrowellengenerators 24 δv = 0 Hz beträgt. In Fig. IIA ist ein vergrößerter Bereich hieraus gezeigt, wobei diese Verstimmung δv = 0, 10, 25 bzw. 50 Hz beträgt und dementsprechend vier Graphen dargestellt sind.Specifically, Fig. 11 shows the frequency modulation spectrum of the total absorption signal (pre-factor to cosω m t; s equation 39) of the coupled dark resonances, where the detuning of the microwave generator 24 is δv = 0 Hz. In Fig. IIA, an enlarged region thereof is shown, wherein this detuning δv = 0, 10, 25 and 50 Hz and accordingly four graphs are shown.
Die Fig. 12 zeigt das Frequenzmodulationsspektrum des gesamten Dispersionssignals (Vorfaktor zu sinωrat; s. Gleichung 39) der gekoppelten Dunkelresonanzen, wobei die Verstimmung des Mikro- Wellengenerators 24 δv = 0 Hz beträgt. Die Darstellung in Fig. 12A zeigt wiederum einen vergrößerten Bereich, wobei wieder vier Kurven, für die Verstimmungen δv = 0, 10, 25 bzw. 50 Hz, dargestellt sind.FIG. 12 shows the frequency modulation spectrum of the total dispersion signal (pre-factor to sinω ra t; s, equation 39) of the coupled dark resonances, wherein the detuning of the micro-resonance Wave generator 24 δv = 0 Hz. The illustration in FIG. 12A once again shows an enlarged range, again showing four curves for which detunings δv = 0, 10, 25 or 50 Hz.
In Fig. 13 ist das Frequenzmodulationsspektrum des gesamten Signals des Vorfaktors zu cos2ωmt (s. Gleichung 39) der gekoppelten Dunkelresonanzen veranschaulicht, wobei die Verstimmung des Mikrowellengenerators 24 δv = 0 Hz betragt. In Fig. 13A ist wiederum ein vergrößerter Bereich gezeigt, wobei vier Kurven, für die Verstimmungen δv = 0, 10, 25 bzw. 50 Hz, dargestellt sind.In Fig. 13, the frequency modulation spectrum of the entire pre-factor signal to cos2ω m t (see Equation 39) of the coupled dark resonances is illustrated, the detuning of the microwave generator 24 being δv = 0 Hz. In Fig. 13A, an enlarged area is again shown, with four curves for which detunings δv = 0, 10, 25 and 50 Hz, respectively.
Aus Fig. 14 ist sodann das Frequenzmodulationsspektrum des gesamten Signals des Vorfaktors zu sin2ωmt (s. Gleichung 39) der gekoppelten Dunkelresonanzen ersichtlich, wobei die Verstimmung des Mikrowellengenerators 24 δv = 0 Hz betragt.From Fig. 14, the frequency modulation spectrum of the entire signal of the pre-factor to sin2ω m t (see equation 39) of the coupled dark resonances can be seen, wherein the detuning of the microwave generator 24 δv = 0 Hz.
Die Spektren gemäß den Fig. 11 bis 14 ergeben sich unter der Bedingung, dass die Breite der Dunkelresonanz kleiner ist als die Modulationsfrequenz, also Δi/ < !/„ . Dieser Umstand äußert sich anschaulich dadurch, dass die Einzelpeaks, deren Abstand immer 2ωm betragt, im In-Phase-Spektrum der Fig. 11 deutlich voneinander getrennt erscheinen. In der Darstellung gemäß Fig. IIA ist der rechte Teil des In-Phase-Spektrums vergrößert dargestellt. Die verschiedenen Einzelgraphen dieser Darstellung entsprechen unterschiedlichen Abweichungen δv = VHFS ~2VR der aktuellen Frequenz des Radiofrequenz-Synthesizers 24 von der angestrebten Sollfrequenz vHFS des atomaren Übergangs zwischen den Grundzustanden der in der Messzelle 14 befindlichen Atome. Die erweiterte Systemanalyse zeigt, dass die einleitenden qualitativen Überlegungen bezuglich des Aufspaltens der Dunkelresonanzen m Abhängigkeit von Δv auch für den wichtigen Fall Au <C v,„ sinngemäß richtig sind. Allerdings ist der Linienschwerpunkt des In-Phase-Signals (das In-Phase-Spektrum ist proportional zum Absorptionssignal (~ χ") der CPT-Dunkelresonanz) der Dunkelresonanz um den Frequenzbetrag +vm m Bezug auf die Zentralfrequenz ω0 (bzw. v0) des Frequenzgenerators 25 verschoben.The spectra according to FIGS. 11 to 14 result on the condition that the width of the dark resonance is smaller than the modulation frequency, ie Δi / <! / ". This circumstance is clearly illustrated by the fact that the individual peaks, the distance of which is always 2ω m , appear clearly separated from one another in the in-phase spectrum of FIG. In the illustration according to FIG. IIA, the right-hand part of the in-phase spectrum is shown enlarged. The various individual graphs of this representation correspond to different deviations ΔV = V HFS ~ 2V R of the current frequency of the radio-frequency synthesizer 24 from the desired target frequency v HFS of the atomic transition between the ground states of the atoms located in the measuring cell 14. The extended system analysis shows that the introductory qualitative considerations concerning the splitting of the dark resonances with the dependence on Δv are also correct analogously for the important case Au <C v, ". However, the line center of gravity of the in-phase signal (the in-phase spectrum is proportional to the absorption signal (~ χ ") of the CPT dark resonance) of the dark resonance by the frequency amount + v m m with respect to the center frequency ω 0 (or v 0 ) of the frequency generator 25 is shifted.
Das In-Phase-Signal der gekoppelten Dunkelresonanzen unter der Be- dingung Au <C vm ist als Regelsignal für den Frequenzgenerator 25 weniger geeignet, da es (neben den unerwünschten Frequenzoffset) bezüglich seines Linienschwerpunktes keine Punktsyxnmetrie aufweist, vgl. auch Fig. 11.The in-phase signal of the coupled dark resonances under the Condition Au <C v m is less suitable as a control signal for the frequency generator 25, since it (in addition to the unwanted frequency offset) has no point symmetry with respect to its line centroid, cf. also Fig. 11.
Das Frequenzmodulationsspektrum des Dispersionssignals, s. Fig. 12, ist im Fall Δz>- <C v-m. hingegen als Regelsignal für den durch- stimmbaren Frequenzgenerator 25 gut geeignet. Die Systemanalyse zeigt, dass der mittlere Teil des Spektrums punktsymmetrisch bezüglich des Linienschwerpunktes ist und somit als Eingangssignal für den Regler 32 herangezogen werden kann. Des Weiteren stimmt der Linienschwerpunkt (= Nullstelle) mit der Frequenz des Frequenzgenerators 25 überein.The frequency modulation spectrum of the dispersion signal, s. Fig. 12 is in the case Δz> - <C v- m . however, as a control signal for the tunable frequency generator 25 well suited. The system analysis shows that the middle part of the spectrum is point-symmetrical with respect to the line center of gravity and thus can be used as an input signal for the controller 32. Furthermore, the line center of gravity (= zero) coincides with the frequency of the frequency generator 25.
Bei geschlossenem Schalter Sl wird die Frequenz des Frequenzgenerators 25 durch die Wirkung des Reglers 32 immer auf die Frequenz des Linienschwerpunkts (= Nullstelle) stabilisiert. Der Lock- Punkt entspricht dem Punkt V0=O in Fig. 12. Da in dieser Abbildung der Frequenzwert vB=C.B dem Ursprung entspricht, kann bei geschlossener Regelschleife die Frequenz des Generators 25 V0=VB=CB (siehe auch Gleichung 5 und zugehörige Erklärung) direkt zur Messung des äußeren Magnetfeldes B herangezogen werden.With the switch S1 closed, the frequency of the frequency generator 25 is always stabilized by the action of the controller 32 to the frequency of the line center of gravity (= zero point). The lock point corresponds to the point V 0 = 0 in FIG. 12. Since in this figure the frequency value v B = CB corresponds to the origin, the frequency of the generator 25 V 0 = V B = CB (see also equation 5 and associated explanation) are used directly for measuring the external magnetic field B.
Der Servo-Block bzw. Regler 32 besteht im einfachsten Fall aus einem analogen (oder digitalen) Folgeregelsystem bestehend beispielsweise aus Verstärker- (P), Integrier- (I), und Differenzierer-Einheiten (D) (PID-Regler) . Die Realisierung erfolgt im Falle eines analog aufgebauten Reglers 32 durch diskrete elektronische Komponenten und im Falle eines digitalen Reglers durch die software-mäßige Implementierung der entsprechenden Rechenoperationen (PID etc.) in einer digitalen Recheneinheit.The servo block or controller 32 consists in the simplest case of an analog (or digital) sequential control system consisting for example of amplifier (P), integrating (I), and differentiating units (D) (PID controller). The implementation takes place in the case of an analog controller 32 constructed by discrete electronic components and in the case of a digital controller by the software-moderate implementation of the corresponding arithmetic operations (PID, etc.) in a digital processing unit.
Beiden Realisierungsmöglichkeiten (analog sowie digital) des Reglers 32 ist gemeinsam, dass das Auffinden des Lock-Punktes über die gleichzeitige Erfüllung der BedingungenBoth realization options (analog and digital) of the controller 32 have in common that finding the lock point on the simultaneous fulfillment of the conditions
Amplitude = Sollwert = 0Amplitude = setpoint = 0
Vorzeichen der Regelflanksteigung = positivSign of the rule slope = positive
erfolgt. (Ob das Vorzeichen positiv oder negativ ist, hängt von - Al - der Regelflanke ab. In Fig. 12 ergibt sich ein positives Vorzeichen. )he follows. (Whether the sign is positive or negative depends on - Al - the rule edge off. In Fig. 12, there is a positive sign. )
Bezüglich der gleichzeitigen Erfüllung beider genannten Kriterien ist das Signal der Fig. 12 eindeutig. Das heißt, bei geschlossenem Schalter Sl wird die Frequenz γ0 des Generators 25 automatisch und eindeutig auf den Punkt vo=vB=C.B (Ursprung der Fig. 12) abgestimmt. Die Frequenz V0 = vB entspricht also automatisch der Frequenzaufspaltung der Zeeman-Subniveaus (= der Aufspaltung der Dunkelresonanzen) . Durch Messung der Frequenz ω0 bzw. V0 kann daher direkt auf das äußere (zu messende) Magnetfeld geschlossen werden.With regard to the simultaneous fulfillment of both mentioned criteria, the signal of FIG. 12 is unique. That is, with the switch S1 closed, the frequency γ 0 of the generator 25 is automatically and uniquely tuned to the point v o = v B = CB (origin of FIG. 12). The frequency V 0 = v B thus automatically corresponds to the frequency splitting of the Zeeman sub-levels (= the splitting of the dark resonances). By measuring the frequency ω 0 or V 0 can therefore be closed directly to the outer (to be measured) magnetic field.
Sowohl in der einleitenden qualitativen Betrachtung als auch in der vorstehend erweiterten Systemanalyse (vgl. auch Fig. 12) zeigt sich, dass die Verstimmung des Mikrowellengenerators 24 nicht die Lage des Linienschwerpunktes der Signale gemäß Fig. 11 und 12 beeinflusst. Die Genauigkeit der Magnetfeldmessung, die über die Lage des Linienschwerpunktes erfolgt, wird daher durch eine Mikrowellengeneratordrift nicht beeinflusst.Both in the introductory qualitative analysis and in the system analysis expanded above (see also FIG. 12), it can be seen that the detuning of the microwave generator 24 does not influence the position of the line center of gravity of the signals according to FIGS. The accuracy of the magnetic field measurement, which takes place via the position of the line center of gravity, is therefore not influenced by a microwave generator drift.
Der maximal zulässige Bereich der Mikrowellengeneratordrift ist bei der Verwendung des Signals von Fig. 11 als Regelsignal nicht durch δv ≤ 0,289ΔVCPT (mit ΔvCPT = Δv) gegeben, da es sich im Falle Δι/ <c vm bei den Graphen der Fig. 11 und 12 um zwei voneinander unabhängige Signale (~χ' und ~χ") handelt, die getrennt voneinander durch die Gleichungen 28 und 31 definiert sind. Im Bereich Δi/<i/„ gilt daher die (schwächere) Bedingung δv ≤ 0,5ΔVCPT.The maximum permissible range of the microwave generator drift when using the signal from FIG. 11 as a control signal is not given by δv ≤ 0.289ΔV C PT (with Δv CPT = Δv), since in the case of Δι / <cv m in the graphs of FIG 11 and 12 are two independent signals (~ χ 'and ~ χ "), which are defined separately from each other by Equations 28 and 31. Therefore, in the range Δi / <i /", the (weaker) condition δv ≤ 0 holds , 5ΔV CPT .
Für den Fall Δv S> u gilt allerdings die einleitend getroffene Annahme, dass das Regelsignal der ersten Ableitung des Absorptionssignals entspricht. Diese einleitend angestellten Überlegungen können also direkt übernommen werden. Anschaulich kann man sich dieses Verhalten vorstellen, indem die Modulationsfrequenz als immer kleiner werdend angenommen wird. Die beiden Peaks in Fig. 11 des Absorptionssignals rücken in der Folge immer weiter zusammen, bis sich schließlich im Grenzfall die erste Ableitung des Absorptionssignals ergibt. Durch die unterschiedlichen Vorzeichen entsteht ein punktsymmetrisches Signal. Beide erzeugten Seitenbänder (bei Variation von V0) fallen schließlich gleichzei- tig unter das Linienprofil der Dunkelresonanz (vgl. hierzu auch den Vorfaktor zu Term cosωmt der Gleichung 39) .In the case Δv S> u , however, the assumption made in the introduction that the control signal corresponds to the first derivative of the absorption signal applies. These introductory considerations can therefore be taken over directly. Illustratively, this behavior can be imagined by assuming that the modulation frequency is becoming ever smaller. The two peaks in FIG. 11 of the absorption signal continue to converge in the sequence until finally, in the limiting case, the first derivative of the absorption signal results. The different signs produce a point-symmetric signal. Both generated sidebands (with variation of V 0 ) finally coincide tig below the line profile of the dark resonance (compare also the pre-factor to term cosω m t of equation 39).
In Fig. 13 (oder Fig. 15B) ist der zum Vorfaktor des Temas cos(2ωmt) gehörige Signalanteil dargestellt, vgl. auch Gleichung 39.FIG. 13 (or FIG. 15B) shows the signal component belonging to the pre-factor of the temas cos (2ω m t), cf. also equation 39.
Mehr im Einzelnen zeigt Fig. 15A das Frequenzmodulationsspektrum, im Falle von vm ~ Δv des zum Term ~ sin2ωmt gehörigen Regelsignalanteils der gekoppelten Dunkelresonanzen, wogegen Fig. 15B das entsprechende Spektrum des zum Term ~ cos2ωmt gehörigen Korrekturregelsignalanteils veranschaulicht, vgl. auch Gleichung 39. In beiden Darstellungen, Fig. 15A und 15B, beträgt die Verstimmung des Mikrowellengenerators 24 δv = 0, 10, 25 bzw. 50 Hz, so dass jeweils vier Kurven dargestellt sind.More specifically, Fig. 15A shows the frequency modulation spectrum in the case of v m ~ Δv of the control signal component of the coupled dark resonances associated with the term ~ sin 2ω m t, whereas Fig. 15B illustrates the corresponding spectrum of the correction control signal component associated with the term ~ cos 2ω m t. also equation 39. In both illustrations, FIGS. 15A and 15B, the detuning of the microwave generator 24 is δv = 0, 10, 25 and 50 Hz, respectively, so that four curves are shown.
Diesen Abbildungen gemäß Fig. 13 oder 15B kann entnommen werden, dass im eingeregelten Zustand (Schalter Sl geschlossen) der Wert dieses Signals bei ω0 im direkten funktionellen Zusammenhang mit der Verstimmung δv = vHFs - 2vR des RF-Generators 24 steht. Dieses Signal kann daher im Magnetometeraufbau direkt dazu benutzt werden, die Frequenz des Generators 24 auf den Wert δv = 0 zu stabilisieren. Auf diese Weise kann eine während des Magnetometerbetriebs auftretende Drift des Generators 24 immer ausgeglichen werden. Die Steilheit der Regelflanke erreicht durch diese Maßnahme ständig ihren Maximalwert. Der Betriebszustand des Regelkreises 18 ist ständig optimiert, da stets die größte Empfindlichkeit (größtes Signal/Rausch-Verhältnis) erreicht wird.It can be seen from these figures according to FIG. 13 or 15B that in the adjusted state (switch S1 closed), the value of this signal at ω 0 is in direct functional relationship with the detuning δv = v HFs -2v R of the RF generator 24. This signal can therefore be used directly in the magnetometer to stabilize the frequency of the generator 24 to the value δv = 0. In this way, a drift of the generator 24 occurring during magnetometer operation can always be compensated. The steepness of the control edge achieved by this measure constantly their maximum value. The operating state of the control circuit 18 is constantly optimized, since always the greatest sensitivity (greatest signal / noise ratio) is achieved.
In einer technischen Realisierung des Magnetorneters kann dieses Signal durch die synchrone Demodulation des Signals der Gleichung 39 im Lock-In-Verstärker 20 in Verbindung mit dem Frequenzvervielfacher 41 generiert werden (s. Fig. 7). Am Ausgang des Reglers 42 ergibt sich schließlich für den Fall Δι/ <C v die Signalkomponente der Fig. 13 oder für den Fall Δ^ « i/m die Signalkomponente der Fig. 15B.In a technical realization of the magnetoremitter, this signal can be generated by the synchronous demodulation of the signal of Equation 39 in the lock-in amplifier 20 in conjunction with the frequency multiplier 41 (see Fig. 7). Finally, at the output of the regulator 42, the signal component of FIG. 13 results for the case .DELTA.ι / <C v or the signal component of FIG. 15B for the case .DELTA.f.sub.i / m .
Zur Vervollständigung dieses Korrekturregelkreises 43 des Generators 24 wird dem zweiten Lock-In-Verstärker 20 der weitere Servokreis bzw. Regler 42 nachgeschaltet, der den Generator 24 zum Zwecke der Frequenzkorrektur und nach Maßgabe von Amplitude (vκ) = max (s. Fig. 13) ansteuert (oR = 2πvR) .To complete this correction loop 43 of the generator 24 is the second lock-in amplifier 20 of the other Connected downstream of the servo circuit or regulator 42, which activates the generator 24 for the purpose of frequency correction and in accordance with amplitude (v k ) = max (see FIG. 13) (o R = 2πv R ).
Dxe Tatsache, dass die Magnetfeldmessung mittels V0 und die Verstimmung des Generators 24 entkoppelt sind, erlaubt einen Betrieb dieses Korrekturregelkreises 43 mit großer Zeitkonstante. Ein gleichzeitiger Betrieb beider Regelkreise 18, 43 ist daher möglich.Dxe fact that the magnetic field measurement by means of V 0 and the detuning of the generator 24 are decoupled, allows operation of this correction loop 43 with a large time constant. A simultaneous operation of both control circuits 18, 43 is therefore possible.
Mit diesen beiden Regelkreisen 18, 43 wird die Möglichkeit geschaffen, dass das Magnetometer ohne weitere Nachkalibrierung arbeiten kann. Es wird gleichzeitig immer der richtige Lockpunkt des Signals der Fig. 12 für die Magnetfeldmessung eingenommen. Durch die permanente Nachkorrektur der Frequenz ωR bzw. vR arbeitet das Magnetometer darüber hinaus immer mit dem maximal erreichbaren Signal/Rausch-Verhaltnis .With these two control circuits 18, 43 the possibility is created that the magnetometer can work without further recalibration. At the same time, always the correct lock point of the signal of FIG. 12 for the magnetic field measurement is assumed. Due to the permanent correction of the frequency ω R or v R , the magnetometer always works with the maximum achievable signal / noise ratio.
Die Gültigkeit der Überlegungen bezuglich der Vorteile der Kopplung von Dunkelresonanzen durch ein multichromatisches Laserfeld ist für beliebige Modulationsfrequenzen vm (bzw. für beliebige Verhaltnisse Δv/vm) gegeben. Um dies zu verdeutlichen, sind die für den Magnetometerbetrieb wichtigen Frequenzmodulationsspek- tren für das Regime vm = Δv angegeben. In den nachfolgenden Beispielen sind die Parameter gleich denen der Fig. 11 bis 14 gewählt.The validity of the considerations regarding the advantages of the coupling of dark resonances by a multichromatic laser field is given for any modulation frequencies v m (or for any ratios Δv / v m ). In order to clarify this, the frequency modulation spectrums important for magnetometer operation are given for the regime v m = Δv. In the following examples, the parameters are the same as those of FIGS. 11 to 14 selected.
Aus dem Graphen des Dispersionssignals der Fig. 15A kann etwa entnommen werden, dass sich selbst in diesem Regime ein geeignetes Regelsignal ergibt, das ein eindeutiges Einrasten des Generators 25 sicherstellt. Der Toleranzbereich bezuglich einer Verstimmung des RF-Synthesizers 24 von δvtal(2Δ.v entspricht etwa dem Toleranzbereich, der für Ai/ <g; vm gültig ist. Ebenso kann aus dem Frequenzmodulationsspektrum der 2ten harmonischen Komponente ein eindeutiges Signal für den Korrekturregelkreis entnommen werden (vgl. hierzu auch Fig. 13) .For example, it can be seen from the graph of the dispersion signal of FIG. 15A that even in this regime a suitable control signal results, which ensures a clear locking of the generator 25. The tolerance range for a detuning of the RF synthesizer 24 from δvtal (2Δ.v corresponds approximately to the tolerance range valid for Ai / <g; v m .) Similarly, a unique signal for the correction control loop can be taken from the frequency modulation spectrum of the second harmonic component (See also Fig. 13).
Die oben dargelegten Prinzipien sind allgemein gültig und somit unabhängig von der Verwendung von digitalen oder analogen Komponenten. Es sollte allerdings beachtet werden, dass bei Em- satz digitaler Komponenten die entsprechenden Verbindungsleitungen des Blockschaltbildes gemäß Fig. 7 als Datenleitungen aufzufassen sind. Viele der in Fig. 7 dargestellten Einheiten sind in diesem Fall softwaremäßig im Programm eines Digitalrechners implementiert. Der Generator 25 kann dann durch einen sog. Digital-Data-Synthesis-Generator (DDS-Generator) gebildet sein, der durch digitale Datenworte gesteuert wird. Die Frequenz ω0 ist dann durch ein Datenwort kodiert.The principles outlined above are generally valid and thus independent of the use of digital or analog components. It should be noted, however, that Set of digital components, the corresponding connection lines of the block diagram of FIG. 7 are to be interpreted as data lines. Many of the units shown in FIG. 7 are in this case implemented by software in the program of a digital computer. The generator 25 can then be formed by a so-called digital data synthesis generator (DDS generator), which is controlled by digital data words. The frequency ω 0 is then coded by a data word.
Bei einer digitalen Realisierung des Generators 25 durch einen DDS-Generator samt Servo kann der Frequenzzähler 35 auch entfallen, da die Frequenz direkt aus dem korrespondierenden Datenwort am Eingang des „Generators" 25 entnommen werden kann. Der Datenstrom kann nun direkt über einen (digitalen) Mikroprozessor in eine Magnetfeldgröße umgerechnet werden. Es sei allerdings noch erwähnt, dass dieser DDS-Generator 25 seinen Takt aus der OCXO-Zeitbasis 23 ableiten sollte, um Stabili- täts- und Genauigkeitseinbußen zu vermeiden. In a digital realization of the generator 25 by a DDS generator together with servo frequency counter 35 can also be omitted, since the frequency can be taken directly from the corresponding data word at the input of the "generator" 25. The data stream can now directly via a (digital) It should, however, be mentioned that this DDS generator 25 should derive its clock from the OCXO time base 23 in order to avoid stability and accuracy losses.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zum Messen von Magnetfeldern (B) auf Basis des Zeeman-Effekts mit Hilfe von Dunkelresonanzen, wobei Quantensysteme, z.B. Atome oder Moleküle, eines Messmediums in einer Messzelle (14) mit elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen Frequenzen bestrahlt und unter Frequenz-Abstimmung angeregt werden, wodurch eine Frequenzaufspaltung mit einer Frequenzverschiebung (VB) ZU Folge des Zeeman-Effekts herbeigeführt wird, wobei eine verminderte Fluoreszenzstrahlung mit einer verminderten Absorption bzw. erhöhten Transmission bei einer Resonanzfrequenz, der Dunkelresonanz, bewirkt wird, welche Magnetfeldabhängig ist, und welche durch die Frequenz-Abstimmung ermittelt wird, um daraus das Magnetfeld zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dunkelresonanzen durch Verwendung einer polychromatischen elektromagnetischen Strahlung (12) gekoppelt werden und dadurch eine nur von der durch das Magnetfeld bewirkten Frequenzverschiebung abhängige Frequenzdetektion zur Magnetfeld-Messung vorgenommen wird.1. A method for measuring magnetic fields (B) based on the Zeeman effect using dark resonances, wherein quantum systems, such as atoms or molecules, a measuring medium in a measuring cell (14) irradiated with electromagnetic radiation having different frequencies and excited with frequency coordination which causes frequency splitting with a frequency shift (V B ) due to the Zeeman effect, causing reduced fluorescence radiation having a reduced absorption at a resonant frequency, the dark resonance, which is magnetic field dependent, and which the frequency tuning is determined in order to determine therefrom the magnetic field, characterized in that a plurality of dark resonances are coupled by using a polychromatic electromagnetic radiation (12) and thereby a dependent only on the magnetic field caused by the frequency shift frequency detection to Magnetf eld measurement is made.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polychromatische elektromagnetische Strahlung durch eine mehrstufige Modulation einer elektromagnetischen Grundstrahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the polychromatic electromagnetic radiation is generated by a multi-stage modulation of an electromagnetic fundamental radiation, in particular a laser radiation.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste hochfrequente Modulationsfrequenz (vmodl) , die im Wesentlichen gleich der Frequenz (vHFS) der Aufspaltung des Grundzustandes der Atome des Messmediums ist, erzeugt wird, mit der die elektromagnetische Grundstrahlung unter Erzeugung einer Seitenband- struktur moduliert wird, und die ihrerseits mit einem relativ dazu niederfrequenten zweiten Modulationssignal (vmod2) moduliert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that a first high-frequency modulation frequency (v modl ), which is substantially equal to the frequency (v HFS ) of the splitting of the ground state of the atoms of the measuring medium is generated, with the basic electromagnetic radiation to generate a sideband structure is modulated, and which in turn is modulated with a relatively low-frequency second modulation signal (v mod2 ).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Modulationsfrequenz (vmodl) fest eingestellt und die zweite Modulationsfrequenz (vmod2) auf den Resonanzzustand abgestimmt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the first modulation frequency (v modl ) is fixed and the second modulation frequency (v mod2 ) is tuned to the resonance state.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das niederfrequente zweite Modulationssignal seinerseits ebenfalls moduliert wird, um seine Abstimmung auf den Resonanzzustand zu erleichtern.5. The method according to claim 3 or 4, characterized that the low frequency second modulation signal in turn is also modulated to facilitate its tuning to the resonant condition.
6. Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern auf Basis des Zee- man-Effekts, mit Hilfe von Dunkelresonanz, mit einer Messzelle6. Apparatus for measuring magnetic fields based on the Zeeman effect, using dark resonance, with a measuring cell
(14), die dem zu messenden Magnetfeld (B) ausgesetzt wird, und die Atome eines Messmediums in einem Puffergas enthält, zu deren Anregung durch Bestrahlung eine Strahlungsquelle (11) vorgesehen ist, die mit einem Modulationsfrequenzgenerator verbunden ist und eine elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen Frequenzen abgibt, und mit einem der Messzelle (14) nachgeordneten Frequenzdetektor (17) mit einer Regelschleife (18) zur Frequenzabstimmung auf eine Dunkelresonanz-Resonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modulationsfrequenzgenerator (24) zumindest ein Modulator (22) zur Modulation einer vergleichsweise hohen ersten Modulationsfrequenz mit einer niedrigeren zweiten Modulationsfrequenz unter Erzeugung einer doppelten Seitenbandstruktur nachgeschaltet ist, um mit der damit modulierten elektromagnetischen Strahlung (12) eine Kopplung von mehreren Dunkelzuständen vorzusehen, bei der im Wesentlichen nur eine Frequenz entsprechend der Magnetfeld-abhängigen Frequenzverschiebung detektiert wird.(14) exposed to the magnetic field (B) to be measured and containing the atoms of a measuring medium in a buffer gas whose excitation by irradiation is provided with a radiation source (11) connected to a modulation frequency generator and an electromagnetic radiation having different Frequencies outputs, and with a measuring cell (14) downstream frequency detector (17) with a control loop (18) for frequency tuning to a dark resonance frequency, characterized in that the modulation frequency generator (24) at least one modulator (22) for modulating a comparatively high first modulation frequency with a lower second modulation frequency is followed by generating a double sideband structure to provide with the thus modulated electromagnetic radiation (12) a coupling of several dark states, wherein substantially only one frequency corresponding to the magnetic field-dependent Frequenzverschie is detected.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulationsfrequenzgenerator (24) auf eine feste Frequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz der Aufspaltung des Grundzustandes der Atome des Messmediums eingestellt ist.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the modulation frequency generator (24) to a fixed frequency substantially equal to the frequency the splitting of the ground state of the atoms of the medium is set.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Regelschleife (43) ein Lock-in-Verstärker (20) vorgesehen ist, der eine Mischfrequenz von einem Frequenzumsetzer (41) zugeführt erhält, und dessen Ausgangssignal dem Modulationsfrequenzgenerator (24) über einen Servokreis (42) zugeführt wird.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that in a further control loop (43) a lock-in amplifier (20) is provided which receives a mixing frequency from a frequency converter (41) supplied, and its output signal to the modulation frequency generator ( 24) is supplied via a servo circuit (42).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modulationsfrequenzgenerator (24) ein Hochfrequenzoszillator (23) als Zeitbasis zugeordnet ist. 9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the modulation frequency generator (24) is associated with a high frequency oscillator (23) as a time base.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzoszillator (23) ein Quarzoszillator ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the high-frequency oscillator (23) is a quartz oscillator.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (22), der die erste Modulationsfrequenz mit der niedrigeren, zweiten Modulationsfrequenz moduliert, ein Ringrαischer ist.11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the modulator (22) which modulates the first modulation frequency with the lower, second modulation frequency is a Ringrαischer.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der niedrigeren, zweiten Modulationsfrequenz ein durchstimmbarer Frequenzgenerator bzw. Spannungs/Frequenz-Wandler (25) vorgesehen ist, der eine vom Messsignal' des Frequenzdetektors (17) abhängige Spannung zugeführt erhält .12. Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that for generating the lower, second modulation frequency, a tunable frequency generator or voltage / frequency converter (25) is provided, the one of the measurement signal 'of the frequency detector (17) dependent voltage supplied receives.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzdetektor (17) einen Lock-in-Verstärker (18) aufweist, von dessen Ausgang dem Frequenzgenerator bzw. Spannungs/Frequenz-Wandler (25) die Eingangsspannung über einen Servokreis (32) zugeführt wird.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the frequency detector (17) has a lock-in amplifier (18), from whose output the frequency generator or voltage / frequency converter (25), the input voltage via a servo circuit (32). is supplied.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Frequenzgenerators bzw. Spannungs/Frequenz-Wand- lers (25) selektiv an den Ausgang eines Rampengenerators (37) anschaltbar ist.14. The device according to claim 13, characterized in that the input of the frequency generator or voltage / frequency converter (25) is selectively connectable to the output of a ramp generator (37).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (11) durch einen VCSEL- Laser gebildet ist.15. Device according to one of claims 6 to 14, characterized in that the radiation source (11) is formed by a VCSEL laser.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem VCSEL-Laser ein Temperatur-Stabilisierungskreis (31) zugeordnet ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the VCSEL laser is associated with a temperature stabilizing circuit (31).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsquelle (11) das Modulationssignal über einen Abschwächer (26) zugeführt wird.17. Device according to one of claims 6 to 16, characterized in that the radiation source (11), the modulation signal via an attenuator (26) is supplied.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Modulationsfrequenzgenerator (24) eine Frequenz im Bereich von bis zu mehreren GHz, insbesondere 3,4 GHz, erzeugt und die niedrigere Modulationsfrequenz bis zu einige MHz beträgt. 18. Device according to one of claims 6 to 17, characterized indicates that the modulation frequency generator (24) generates a frequency in the range of up to several GHz, in particular 3.4 GHz, and the lower modulation frequency is up to a few MHz.
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