KR20210044687A - 자기장 편광 선택 차등을 통한 라디오 주파수 원자 자력계 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
자기장 편광 선택 차등을 통한 라디오 주파수 원자 자력계 및 그 동작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 원자 자력계는, 자기장 신호를 측정하기 위한 원자 자력계에 있어서, 선형 편광된 조사광 및 원형 편광된 펌프광을 출력하는 광원 장치와, 상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제1 투과광을 출력하는 제1 증기 셀과, 상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제2 투과광을 출력하는 제2 증기 셀과, 상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스(bias) 자기장을 인가하는 자기장 인가 장치와, 상기 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호 및 상기 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 상기 자기장 신호를 획득하는 측정 장치를 포함한다.
Description
본 개시는 자기장 편광 선택 차등을 통한 라디오 주파수 원자 자력계 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
원자 자력계(atomic magnetometer) 또는 광학 자력계(optical magnetometer)는 자기장 하에서 빛과 이에 공명하는 원자와의 상호작용을 통해 피측정 대상인 자기장 신호를 측정한다. 원자 자력계를 구성하는 원자는 자기 모멘트가 영이 아닌 원자일 수 있다. 전자는 외부 자기장 하에 있게 되면, 자기장을 중심으로 세차(precession) 운동한다. 세차 운동의 주파수는 외부 자기장에 비례하며 이 값을 라머(Larmor) 주파수라고 한다. 궁극적으로 원자 자력계는 외부 자기장 하에서 전자의 라머 주파수를 측정함으로써 자기장을 측정한다.
원자 자력계의 민감도는 측정된 자기장 신호의 선폭과 자기 잡음에 의해 결정될 수 있다. 자기장 신호의 선폭은 원자 매질의 자화 또는 결맞음이 유지되는 시간과 반비례할 수 있다. 따라서 원자 자력계의 민감도를 향상시키기 위해서는 자화 또는 결맞음 시간을 늘리거나 자기 잡음을 제거해야 할 수 있다.
최근에는 바닥 준위 사이의 스핀 교환 충돌에 희한 완화를 완벽하게 제거하는 스핀교환이완없는(Spin Exchange Relaxation Free; SERF) 방법이 알려져 있다. 스핀교환이완없는 방법은 수 나노 테슬라(nT)의 약한 자기장 하에서 라머 주파수가 원자 간의 스핀 교환 충돌의 비율보다 훨씬 작다면 스핀 교환에 의한 완화를 효과적으로 줄일 수 있다. 이러한 구도에서 각각 원자의 세차 운동은 동일한 위상이 되며, 세차 주파수는 일반적인 Larmor 주파수보다 상대적으로 느려질 수 있다.
하지만 기존의 스핀교환이완없는 원자 자력계는 매우 긴 자화 또는 결맞음 유지 시간을 가지므로(즉 주파수 도메인에서 매우 좁은 선폭을 가지므로), 측정 주파수 대역이 대략 150 Hz 이내로 제한적이며, 이보다 빠르게 변하는 신호에 대해 왜곡이 발생하거나 완전히 측정하지 못할 수 있다. 또한 동작 환경에 있어 절대 영자기장을(zero magnetic field) 요구하므로 진동 잡음과 전원 잡음 등 환경 잡음의 영향을 많이 받는다는 단점이 있다.
반면, 최근 자기장 신호를 활용한 통신 기술에 대한 기대 효과가 높아지고 있다. 통신 및 위치 추적 기술은 기본적으로 전파 신호의 생성, 전송 및 수신에 기반한다. 경우에 따라, 전파 신호는 송신기와 수신기 사이에서 왜곡 또는 감쇄되어 신호의 전달이 원활하지 않게 된다. 특히, 뚜렷한 신호 감쇄가 관측되는 상황에서 통신 및 위치 추적 기술을 수행하기 위해서는 저주파(Very Low Frequency, VLF)대역의 자기 신호가 필요하다.
자기장은 가장 근본적이며 어디에서나 관측 가능한 물리량 중 하나로 모든 전자기적 현상의 정보를 전달한다. 하지만, 저주파 자기장은 쌍극자 특성을 가지며 전달 강도가 거리의 세제곱으로 감쇄하므로 거리에 따른 신호의 측정 범위가 급격하게 감소한다. 아울러 자기장 신호 외에 지구 자기장을 포함하는 외부 자기 잡음 또한 자기장 통신 기술 개발에 있어 걸림돌이 된다.
기존의 자기장 측정 장치는 외부 자기 잡음을 제거하기 위해 경사도 측정기(gradiometer)를 구성하였다. 경사도 측정기는 서로 다른 위치에 배열된 자기장 측정 장치들로부터 각각 측정된 신호를 차등하여 외부 자기 잡음을 제거하는 방식으로 자기장을 측정한다. 하지만 자기장 통신에 있어 자기 신호원과 자기장 측정 장치와의 거리는 수 백 미터(m)이며, 자기장 측정 장치들 사이의 거리는 수 십 센티미터(cm) 내로 자기장 측정 장치들 사이에서 자기장 신호의 뚜렷한 감쇄가 관측되지 않는다.
자기장 측정 장치들이 수 십 센티미터의 간격만을 가지고 신호를 차등할 경우 외부 자기 잡음뿐만 아니라 측정하고자 하는 자기장 신호까지 제거된다. 그러므로 기존의 경사도 측정기는 자기장 통신 기술 개발 및 응용에 활용할 수 없다. 외부 자기 잡음 제거 기술은 자기장 통신 기술 개발에 있어 필수적이다. 따라서 새로운 방식의 외부 자기 잡음 제거 기술의 개발이 요구된다.
실시예들은 증기 셀들이 출력하는 투과광을 차등하여 자기장 신호를 측정하는 자기장 편광선택 측정 기술을 제공할 수 있다.
이를 통해, 실시예들은 외부 자기 잡음을 효과적으로 제거할 수 있으며 자기장을 이용한 통신 기술 개발에 필요한 자기 민감도를 갖는 자기 센서를 제공할 수 있다.
다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따른 원자 자력계는, 자기장 신호를 측정하기 위한 원자 자력계에 있어서, 선형 편광된 조사광 및 원형 편광된 펌프광을 출력하는 광원 장치와, 상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제1 투과광을 출력하는 제1 증기 셀과, 상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제2 투과광을 출력하는 제2 증기 셀과, 상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스(bias) 자기장을 인가하는 자기장 인가 장치와, 상기 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호 및 상기 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 상기 자기장 신호를 획득하는 측정 장치를 포함한다.
상기 광원 장치는, 상기 원형 편광된 펌프광을 출력하는 펌프 광원과, 상기 선형 편광된 조사광을 출력하는 조사 광원을 포함할 수 있다.
상기 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀은 완충 기체를 더 포함할 수 있다.
할 수 있다.
상기 완충 기체는, 헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체일 수 있다.
상기 원자 자력계는, 상기 제1 증기 셀의 온도를 조절하고, 상기 제1 증기 셀의 외부에 위치하는 제1 온도 조절 장치와, 상기 제2 증기 셀의 온도를 조절하고, 상기 제2 증기 셀의 외부에 위치하는 제2 온도 조절 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 자기장 인가 장치는, 상기 제1 증기 셀의 양측에 위치하고, 상기 제1 증기 셀에 바이어스 자기장을 인가하는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍과, 상기 제2 증기 셀의 양측에 위치하고, 상기 제2 증기 셀에 바이어스 자기장을 인가하는 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍과, 상기 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍 및 상기 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍이 생성하는 자기장을 각각 제어하기 위한 바이어스 자기장 제어기를 포함할 수 있다.
상기 바이어스 자기장의 방향은 상기 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행할 수 있다.
상기 자기장 신호는 원형 편광되어 안테나에서 출력될 수 있다.
일 실시예에 따른 원자 자력계 동작 방법은, 자기장 신호를 측정하기 위한 원자 자력계의 동작 방법에 있어서, 알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 원형 편광된 펌프광을 제공하여 상기 알칼리 금속 원자를 광펌핑하는 단계와, 광펌핑된 알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스 자기장을 인가하는 단계와, 바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 선형 편광된 조사광을 제공하는 단계와, 선형 편광된 조사광이 제공된 제1 증기 셀이 출력하는 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호를 검출하는 단계와, 선형 편광된 조사광이 제공된 제2 증기 셀이 출력하는 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호를 검출하는 단계와, 상기 제1 편광 회전 신호 및 상기 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 상기 자기장 신호를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 광펌핑하는 단계는, 펌프 광원을 통해 상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀에 원형 편광된 펌프광을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 조사광을 제공하는 단계는, 조사 광원을 통해 상기 바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 선형 편광된 조사광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀은 완충 기체를 더 포함할 수 있다.
상기 완충 기체는, 헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체일 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제1 증기 셀의 외부에 위치하는 제1 온도 조절 장치를 통해 상기 제1 증기 셀의 온도를 조절하는 단계와, 상기 제2 증기 셀의 외부에 위치하는 제2 온도 조절 장치를 통해 상기 제2 증기 셀의 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 자기장을 인가하는 단계는, 바이어스 자기장 제어기를 통해 상기 제1 증기 셀의 양측에 위치하는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍 및 상기 제2 증기 셀의 양측에 위치하는 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍이 생성하는 자기장을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 바이어스 자기장의 방향은 상기 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행할 수 있다.
상기 자기장 신호는 원형 편광되어 안테나에서 출력될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 원자 자력계 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 원자 자력계를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 원자 자력계의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 원자 자력계를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 원자 자력계의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 원자 자력계 나타낸 도면이다.
원자 자력계(10)는 편광 광원 장치(100), 제1 증기 셀(200), 제2 증기 셀(300), 자기장 인가 장치(400), 및 측정 장치(500)를 포함한다. 원자 자력계(10)는 제1 온도 조절 장치(600), 제2 온도 조절 장치(700) 및 자기 차폐 수단(800)을 더 포함할 수 있다.
원자 자력계(10)는 라디오 주파수(Radio Frequency, RF) 자기장에 의해 변화하는 원자의 스핀 세차(precession) 운동 또는 자기 분극을 통해 원자와 빛의 상호작용을 측정함으로써 라디오 주파수 자기장의 세기와 방향을 측정할 수 있다. 원자 자력계(10)는 이를 자기장 통신 기술에 활용함에 있어 기존의 위치 의존적인 경사도 측정기(gradiometer) 방식의 한계점을 극복할 수 있다.
원자 자력계(10)는 바이어스(bias) 자기장의 방향 및 크기를 조정하여 자기장의 편광을 선택적으로 측정할 수 있다. 피측정 대상인 자기장 신호는 안테나에서 발생할 수 있다. 안테나와 원자 자력계(10)와의 거리는 30 m 내지 300 m일 수 있다. 자기장 신호는 원형 편광되어 안테나에서 출력될 수 있다. 원형 편광의 회전 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향일 수 있다.
원자 자력계(10)는 바이어스(bias) 자기장 하에서 원자의 라머 주파수와 동일한 주파수를 갖는 자기 신호를 자기 공명 현상으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 원자의 스핀 운동을 기술하기 위해 회전 좌표계를 도입하여 바이어스 자기장에 의해 세차하는 원자의 스핀을 이에 대응하는 라머 주파수로 회전하는 좌표계에서 표현할 수 있다. 이 경우, 원자의 스핀 운동을 정적으로 기술할 수 있다. 이때, 펌프광에 의해 양자축(quantum axis, 도 1의 z축)으로 원자의 자화가 형성되며, 라머 주파수에 해당하는 외부 자기 신호를 z축과 수직한 방향으로 인가하면 정적인 상태의 원자 자기분극(자화)는 x-y 평면으로 회전 운동할 수 있다. 이는 자기공명에 의한 자화의 위상 변화일 수 있다. 자기공명에 의한 자화의 위상 변화는 원자의 에너지 상태 간의 밀도 변화를 야기하며 조사광의 편광이 자기장에 비례하여 회전하는 결과를 가져올 수 있다. 따라서 원자 자력계(10)는 투과광의 편광 회전각을 측정하여 자기장의 변화를 관측할 수 있다.
원자 자력계(10)의 측정 주파수 대역폭은 제만 갈라짐(Zeeman Splitting)과 초미세 갈라짐(Hyperfine Splitting)에 의해 결정되며 이 값은 주로 수 킬로 헤르츠(kHz)에서 수 메가헤르츠(MHz)에 이를 수 있다. 이러한 RF(Radio Frequency) 주파수 대역은 상대적으로 저진동수 대역의 진동 잡음이나 전원 잡음의 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 원자 자력계(10)는 기존의 스핀교환이완없는(Spin Exchange Relaxation Free; SERF) 원자 자력계의 단점들을 극복할 수 있다.
또한, 통상적인 라디오 주파수 원자 자력계의 자기 민감도는 스핀교환이완없는 원자 자력계의 자기 민감도를 상회하거나 그 이상일 수 있다. 하지만, 원자 자력계(10)의 통상적인 잡음 레벨은 수 
내지 수 
이므로 해당 주파수 대역의 자기장을 이용한 자기장 통신 기술 개발 및 응용에 적합할 수 있다. 즉, 자기장을 이용한 통신 기술 개발에 있어 자기 신호로 활용될 자기장의 주파수 대역폭은 수 킬로 헤르츠(kHz)에서 수백 킬로 헤르츠(kHz)의 저주파 신호일 수 있다. 저주파 자기장은 쌍극자 특성을 가지며 전달 강도가 거리의 세제곱으로 감쇄하므로 거리에 따른 신호의 측정 범위가 급격하게 감소할 수 있다. 따라서, 원자 자력계(10)를 통해 자기장을 이용한 통신 기술 개발에 필요한 자기 민감도를 갖는 자기 센서를 제공할 수 있다.
원자 자력계(10)는 정확한 자기 신호를 측정하기 위해 자기장 편광선택 측정방법을 이용할 수 있다. 자기장 편광선택 측정방법은 라디오 주파수 원자 자력계에 인가되는 바이어스 자기장의 방향과 원형 편광된 펌프광의 편광 회전 방향 따라 원자의 세차 운동 위상이 변화하는 원리를 이용하는 방법일 수 있다. 예를 들어, 펌프광의 편광이 우원 편광(
)이며 원형 편광의 자기 신호를 측정 할 경우, 바이어스 자기장의 방향이 z 일 때, 원자 스핀은 x-y 평면에서 반시계 방향으로 세차 운동을 할 수 있다. 반대로, 바이어스 자기장의 방향이 -z 일 때, 원자 스핀은 x-y 평면에서 시계 방향으로 세차 운동을 할 수 있다. 하지만, 측정하고자 하는 라디오 주파수의 자기 신호는 상기 기술한 회전 좌표계에서 더 이상 정적인 상태로 기술할 수 없으므로 자기 공명 신호는 관측되지 않을 수 있다. 따라서, 원자 자력계(10)는 두 개 내지 다수의 정렬된 원자 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스 자기장을 인가 한 후, 두 신호에서 측정된 신호를 빼어주면 배경 자기 잡음이 제거된 원형 편광의 자기장 신호만 측정될 수 있다. 더 나아가, 펌프광의 편광이 우원 편광(
)이며 선형 편광의 자기 신호를 측정할 경우, 선형 편광된 자기 신호는 우원 편광과 좌원 편광 신호의 합이므로 바이어스 자기장의 방향에 따라 회전 방향이 서로 반대인 세차 운동이 일어날 수 있다. 이 경우, 각각의 증기 셀에서 측정된 신호를 빼어주면 어떠한 신호도 획득하지 못할 수 있다. 따라서, 상술한 두 경우를 고려하면, 원자 자력계(10)는 배경 잡음이 제거된 원형 편광된 자기장 신호만을 획득할 수 있다. 주파수 대역폭이 수 킬로 헤르츠(kHz)에서 수백 킬로 헤르츠(kHz)인 영역에서 자연 발생하거나 인위적으로 발생되는 자기 신호는 대부분 선형 편광된 자기장 신호일 수 있다. 그리고, 원형 편광된 자기 신호는 장애물에 의해 반사되면 신호의 위상이 90도 바뀔 수 있다. 따라서, 원자 자력계(10)는 측정을 원치 않는 자기장 신호뿐만 아니라 반사되어 왜곡된 자기장 신호 또한 제거할 수 있다.
편광 광원 장치(100)는 조사광 및 펌프광을 출력할 수 있다. 편광 광원 장치(100)는 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 조사광 및 펌프광을 제공할 수 있다.
제1 증기 셀(200)은 조사광을 제공받아 제1 투과광을 출력할 수 있다.
제2 증기 셀(300)은 조사광을 제공받아 제2 투과광을 출력할 수 있다.
자기장 인가 장치(400)는 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 각각 서로 반대 방향의 바이어스 자기장을 인가할 수 있다. 자기장 인가 장치(400)는 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 바이어스 자기장을 인가함으로써 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 포함된 알칼리 금속 원자의 자기공명 주파수 또는 라머 주파수를 조절할 수 있다.
측정 장치(500)는 외부에서 인가되는 원형 편광된 자기장 신호의 영향을 받은 알칼리 금속 원자의 자기분극 또는 자화의 변화를 측정할 수 있다.
측정 장치(500)는 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호를 검출할 수 있다. 측정 장치(500)는 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호를 검출할 수 있다. 측정 장치(500)는 제1 편광 회전 신호 및 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 자기장 신호를 획득할 수 있다.
제1 온도 조절 장치(600)는 제1 증기 셀(200)의 외부에 위치할 수 있다. 제1 온도 조절 장치(600)는 오븐구조체로 구현될 수 있다. 제1 온도 조절 장치(600)는 제1 증기 셀(200)의 온도를 조절할 수 있다.
제2 온도 조절 장치(700)는 제2 증기 셀(300)의 외부에 위치할 수 있다. 제2 온도 조절 장치(700)는 오븐구조체로 구현될 수 있다. 제2 온도 조절 장치(700)는 제2 증기 셀(300)의 온도를 조절할 수 있다.
자기 차폐 수단(800)은 뮤-메탈(Mu-metal) 등의 연자성 합금으로 이루어진 피동적 자기 차폐 수단이거나, 코일의 집합으로 이루어진 능동적 자기 차폐 수단으로 구현될 수 있다.
자기 차폐 수단(800)은 피동적 자기 차폐수단으로 구현될 경우 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)의 주위에 배치되어 외부 환경 자기장을 감소시키는 자성체로 구현될 수 있다. 자기 차폐 수단(800)은 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)을 감싸는 여러겹의 실린더형 뮤-메탈 챔버를 포함하여 구현될 수 있다. 뮤-메탈은 니켈-철 합금(nickel-iron alloy)일 수 있다. 뮤-메탈 챔버는 지구 자기장을 포함하는 외부 자기장의 효과를 최소화시킬 수 있다.
자기 차폐 수단(800)은 능동적 자기 차폐수단으로 구현될 경우 능동 자기 상쇄 기술(active magnetic shielding technique)이 적용될 수 있다. 자기 차폐 수단(800)이 포함하는 자기 상쇄부(magnetic field compensation part; 미도시)는 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)의 주위에 배치되어 외부 환경 자기장 또는 제거되고 남은 잔류 자기장을 제거하도록 상쇄 자기장을 생성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
편광 광원 장치(100)는 펌프 광원(110) 및 조사 광원(150)을 포함할 수 있다.
펌프 광원(110)은 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 원형 편광된 펌프광을 제공할 수 있다. 펌프 광원(110)은 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 원형 편광된 펌프광을 제공함으로써, 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 포함된 알칼리 금속 원자를 광펌핑시킬 수 있다. 예를 들어, 펌프 광원(110)은 외부 공진형 반도체 레이저(External Cavity Diode Laser; ECDL)를 포함할 수 있다.
펌프 광원(110)은 단일 모드 TEM00의 편광 유지 섬유(polarization maintaining fiber)에 통하여 원형 편광의 펌프 광을 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 제공할 수 있다. 펌프 광원(110)의 파장은 알칼리 금속 원자의 D1 라인의 중심에 일치할 수 있다. 펌프 광원(110)이 출력하는 펌프광의 파워는 테이퍼드 증폭기(tapered amplifier)에 의하여 1W까지 증폭될 수 있으며 광의 지름은 한 쌍의 렌즈를 통하여 수 십 mm까지 확장될 수 있다. 광의 확장 폭은 증기 셀의 크기에 의존할 수 있다. 펌프 광원(110)이 출력하는 펌프광은 z축 방향으로 진행할 수 있다.
펌프 광원(110)이 출력하는 펌프 광에 의하여 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 소정의 광이 조사되면, 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300) 내부의 알칼리 금속 원자 증기는 양자역학적 선택 규칙에 의하여 특정 파장의 원형 편광의 광을 흡수할 수 있다. 알칼리 금속원자들은 특정 파장의 원형 편광의 광에 대한 연속된 흡수와 재방출 과정을 통하여 하나의 양자상태로 몰리게 될 수 있다. 즉, 알칼리 금속원자들은 광펌핑되어 펌프광의 진행 방향과 동일한 방향인 양자축으로 원자 분극(자화)을 형성할 수 있다. 알칼리 금속원자들의 자기분극의 방향은 z축 방향이 될 수 있다.
조사 광원(150)은 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 선형 편광된 조사광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 조사 광원(150)이 출력하는 조사광은 외부 공진형 반도체 레이저 또는 펌프광의 일부분을 광학변조기에 통과시켜 발생될 수 있다. 조사 광원(150)이 출력하는 조사광은 포화흡수분광장치(미도시) 및 스펙트로미터(미도시)에 의하여 그 파장이 모니터링 될 수 있다. 조사 광원(150)이 출력하는 조사광은 x 축 방향으로 진행하여 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 제공될 수 있다. 조사 광원(150)이 출력하는 조사 광의 파장은 흡수를 최소화하기 위하여 알칼리족 금속 원자의 D2 라인에서 수 nm 정도 벗어나 유지될 수 있다.
조사 광원(150)은 단일 모드 TEM00의 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber)를 통하여 선형 편광된 조사광을 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 제공할 수 있다. 조사 광원(150)은 1/2 파장판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 1/2 파장판(미도시)은 선형 편광의 방향을 변경할 수 있다. 1/2 파장판(미도시)을 통과한 조사 광은 x축 방향으로 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 제공될 수 있다.
제1 증기 셀(200)은 선형 편광된 조사광을 제공받아 제1 투과광을 출력할 수 있다. 제1 증기 셀(200)은 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나일 수 있다.
제1 증기 셀(200)은 완충 기체를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 완충 기체는 헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체일 수 있다. 제1 증기 셀(200)이 완충 기체를 포함함으로써, 원자 자력계(10)는 민감도가 향상될 수 있다. 예를 들어, 완충 기체가 알칼리 금속 원자와 증기 셀의 벽면과의 충돌을 막아줌으로써, 원자 자력계(10)의 민감도를 향상시킬 수 있다. 일반적으로 알칼리 족 원자의 바닥주위 사이의 결맞음 시간에 가장 큰 영향을 주는 요소는 증기 셀 벽면과 원자의 충돌일 수 있다. 완충 기체에 헬륨, 제논 및 질소 중에서 어느 하나를 사용함으로써 알칼리족 원자와 충돌하더라도 결맞음 또는 자화의 상태 변화에 영향을 주지 않을 수 있다. 즉, 완충 기체는 알칼리족 원자가 증기 셀 벽면으로 확산되는 것을 막아주며 알칼리족 원자와 조사광의 상호작용 시간을 늘려주는 역할을 할 수 있다.
제2 증기 셀(300)은 선형 편광된 조사광을 제공받아 제2 투과광을 출력할 수 있다. 제2 증기 셀(300)은 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나일 수 있다.
제2 증기 셀(300)은 완충 기체를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 완충 기체는 헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체일 수 있다.
자기장 인가 장치(400)는 바이어스 자기장 제어기(410), 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430) 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)을 포함할 수 있다.
바이어스 자기장 제어기(410)는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430) 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)이 생성하는 자기장을 각각 제어할 수 있다.
제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430)은 제1 증기 셀(200)의 양측에 위치할 수 있다. 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430)은 제1 증기 셀(200)에 바이어스 자기장(
)을 인가할 수 있다. 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430)이 제1 증기 셀(200)에 인가하는 바이어스 자기장(
)의 방향은 제1 증기 셀(200)에 포함된 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행할 수 있다.
제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)은 제2 증기 셀(300)의 양측에 위치할 수 있다. 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)은 제2 증기 셀(300)에 바이어스 자기장(
)을 인가할 수 있다. 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)이 제2 증기 셀(300)에 인가하는 바이어스 자기장(
)의 방향은 제2 증기 셀(300)에 포함된 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행할 수 있다.
제1 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430 및 450)은 균일한 자기장을 형성할 수 있는 복수개의 코일부로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430)은 헬름홀츠 코일을 이용하여 구현될 수 있다. 헬름홀츠 코일은 넓은 공간에서 균일한 자기장 분포를 얻을 수 있다.
제1 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430 및 450)이 인가하는 바이어스 자기장의 방향은 자기 편광 선택 측정을 위해 펌프광의 방향과 동일하거나 반대일 수 있다. 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)에 포함된 알칼리 금속 원자는 바이어스 자기장에 의하여, 바이어스 자기장이 인가된 축을 중심으로 세차 운동할 수 있다. 이때, 알칼리 금속 원자의 세차 운동의 각 주파수는 
일 수 있다. 
는 알칼리 금속 원자의 회전자기비율(gyromagnetic ratio)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430 및 450)은 바이어스 자기장 제어기(410)에 연결된 바이어스 자기장 발생 코일, 및 바이어스 자기장을 상쇄하기 위한 바이어스 자기장 상쇄 코일을 포함할 수 있다.
측정 장치(500)는 제1 자기 신호 검출기(510), 제2 자기 신호 검출기(530) 및 차등 신호 측정기(550)를 포함할 수 있다.
제1 자기 신호 검출기(510)는 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호를 검출할 수 있다. 제1 자기 신호 검출기(510)는 제1 편광 회전 신호를 차등 신호 측정기(550)로 출력할 수 있다.
제2 자기 신호 검출기(530)는 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호를 검출할 수 있다. 제2 자기 신호 검출기(530)는 제2 편광 회전 신호를 차등 신호 측정기(550)로 출력할 수 있다.
제1 및 제2 자기 신호 검출기(510 및 530)는 균형 편광계(balanced polarimeter; 미도시)를 포함하여 구현됨으로써, 제1 및 제2 편광 회전 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 균형 편광계는 편광 광 분할기(미도시), 제1 포토 다이오드(미도시), 제2 포토 다이오드(미도시), 및 차등 증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 편광 광 분할기(미도시)는 편광 상태에 따라 광을 분리하는 월라스톤 프리즘(Wollaston prism)으로 구현될 수 있다. 제1 포토다이오드의 출력과 제2 포토 다이오드의 출력은 차등 증폭기(미도시)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 차등 증폭기(미도시)의 출력은 편광 회전각에 비례할 수 있다.
차등 신호 측정기(550)는 제1 편광 회전 신호 및 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 자기장 신호를 획득할 수 있다.
제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)는 전열, 뜨거운 공기의 순환이나 뜨거운 액체의 순환 등을 통해 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)에 포함된 알칼리 금속 원자의 증기압을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)는 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)을 가열하는 가열기(미도시)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)는 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)이 포함하는 알칼리 금속 원자의 종류에 따라 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300)을 섭씨 40 도 내지 200 도로 가열할 수 있다. 가열기(미도시)는 유연한 비자성체에 식각된 가열 호일(Kapton etched heat foil)으로 구현될 수 있다. 가열기(미도시)는 단열 패널(thermal insulating panel)에 의하여 단열될 수 있다. 가열기(미도시)가 포함하는 저항체(미도시)는 콘스탄탄(Constantan)으로 구현될 수 있다. 저항체(미도시)는 되먹임 제어를 통하여 상기 지정 온도를 자동적으로 유지할 수 있다.
제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)는 저항체(미도시)에 1 MHz 내지 10 MHz의 교류 전류를 흘려 열을 발생하는 방법으로 온도를 조절할 수 있다. 제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)의 전류에 의한 자기장은 1 MHz 내지 10 MHz의 자기장을 생성할 수 있다. 이때, 1 MHz 내지 10 MHz의 주파수 대역은 원자 자력계(10)의 공명 주파수 응답에 의하여 영향이 거의 없을 수 있다. 제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700)의 교류 전류 저항선 가열 방식은 종래의 가열 유체를 이용한 온도 조절 방법에 비하여 공간을 획기적으로 줄일 수 있다.
자기 차폐 수단(800)은 제1 및 제2 증기 셀(200 및 300), 제1 및 제2 온도 조절 장치(600 및 700), 제1 및 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430 및 450)을 감싸도록 구현될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 원자 자력계를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 원자 자력계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
원자 자력계(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 원자 자력계(10)가 복수개(n)의 배열로 정렬되어 구현될 수 있다. 이에, 원자 자력계(30)에 포함된 각각의 원자 자력계(10-1 내지 10-n)의 동작에 관한 설명은 생략한다.
원자 자력계(30)에 포함된 각각의 원자 자력계(10-1 내지 10-n)에 인가되는 바이어스 자기장은 소정의 차이를 가지도록 인가될 수 있다. 각각의 원자 자력계(10-1 내지 10-n)에 인가되는 바이어스 자기장은 각각의 증기 셀에 알칼리 금속 원자의 공명 주파수가 수 백 헤르츠에서 수 킬로 헤르츠의 차이를 갖도록 바이어스 자기장이 인가될 수 있다. 이 경우, 원자 자력계(30)는 측정 주파수 대역폭이 상대적으로 넓어질 수 있다.
도 5는 원자 자력계의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 원형 편광된 펌프광을 제공하여 알칼리 금속 원자를 광펌핑할 수 있다(510). 예를 들어, 펌프 광원(110)을 통해 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 원형 편광된 펌프광을 제공할 수 있다. 조사 광원(150)을 통해 바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 선형 편광된 조사광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 증기 셀(200)의 외부에 위치하는 제1 온도 조절 장치(600)를 통해 제1 증기 셀의 온도를 조절할 수 있다. 제2 증기 셀(300)의 외부에 위치하는 제2 온도 조절 장치(700)를 통해 제2 증기 셀(300)의 온도를 조절할 수 있다.
광펌핑된 알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 각각 서로 반대 방향의 바이어스 자기장을 인가할 수 있다(520). 예를 들어, 바이어스 자기장 제어기(410)를 통해 제1 증기 셀(200)의 양측에 위치하는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(430) 및 제2 증기 셀(300)의 양측에 위치하는 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍(450)이 생성하는 자기장을 제어할 수 있다.
바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀(200) 및 제2 증기 셀(300)에 선형 편광된 조사광을 제공할 수 있다(530).
선형 편광된 조사광이 제공된 제1 증기 셀(200)이 출력하는 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호를 검출할 수 있다(540).
선형 편광된 조사광이 제공된 제2 증기 셀(300)이 출력하는 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호를 검출할 수 있다(550).
제1 편광 회전 신호 및 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 자기장 신호를 획득할 수 있다(560).
원자 자력계(10)는 통상적으로 사용하는 측정 위치에 기반한 경사도 측정기(gradiometer)의 한계점을 극복할 수 있다.
원자 자력계(10)는 초전도 양자 간섭 장치에 필적하는 민감도를 가지면서 저온 냉각이 필요 없어 헬륨 등의 값비싼 냉매를 소모하지 아니하며, 반도체 레이저의 사용으로 사용 파워가 작아 유지 비용이 저렴할 수 있다.
원자 자력계(10)는 측정 주파수 대역을 용이하게 가변 가능하며 다수의 원자 자력계(10)의 배열을 통해 상대적으로 주파수 대역을 확장할 수 있으므로 저주파수 자기장 통신 기술 개발에 용이하게 활용할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (18)
- 자기장 신호를 측정하기 위한 원자 자력계에 있어서,
선형 편광된 조사광 및 원형 편광된 펌프광을 출력하는 광원 장치;
상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제1 투과광을 출력하는 제1 증기 셀;
상기 원형 편광된 펌프광에 의해 자기분극되는 알칼리 금속 원자를 포함하고, 상기 선형 편광된 조사광을 제공받아 제2 투과광을 출력하는 제2 증기 셀;
상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스(bias) 자기장을 인가하는 자기장 인가 장치; 및
상기 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호 및 상기 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 상기 자기장 신호를 획득하는 측정 장치
를 포함하는 원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 광원 장치는,
상기 원형 편광된 펌프광을 출력하는 펌프 광원; 및
상기 선형 편광된 조사광을 출력하는 조사 광원
을 포함하는 원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나인
원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀은 완충 기체를 더 포함하는
원자 자력계.
- 제4항에 있어서,
상기 완충 기체는,
헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체인
원자 자력계.
- 제1항에 있어서
상기 제1 증기 셀의 온도를 조절하고, 상기 제1 증기 셀의 외부에 위치하는 제1 온도 조절 장치; 및
상기 제2 증기 셀의 온도를 조절하고, 상기 제2 증기 셀의 외부에 위치하는 제2 온도 조절 장치
를 더 포함하는 원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 자기장 인가 장치는,
상기 제1 증기 셀의 양측에 위치하고, 상기 제1 증기 셀에 바이어스 자기장을 인가하는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍;
상기 제2 증기 셀의 양측에 위치하고, 상기 제2 증기 셀에 바이어스 자기장을 인가하는 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍; 및
상기 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍 및 상기 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍이 생성하는 자기장을 각각 제어하기 위한 바이어스 자기장 제어기
를 포함하는 원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 바이어스 자기장의 방향은 상기 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행한
원자 자력계.
- 제1항에 있어서,
상기 자기장 신호는 원형 편광되어 안테나에서 출력되는
원자 자력계.
- 자기장 신호를 측정하기 위한 원자 자력계의 동작 방법에 있어서,
알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 원형 편광된 펌프광을 제공하여 상기 알칼리 금속 원자를 광펌핑하는 단계;
광펌핑된 알칼리 금속 원자를 포함하는 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 각각 서로 반대 방향의 바이어스 자기장을 인가하는 단계;
바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 선형 편광된 조사광을 제공하는 단계;
선형 편광된 조사광이 제공된 제1 증기 셀이 출력하는 제1 투과광의 편광 상태에 따른 제1 편광 회전 신호를 검출하는 단계;
선형 편광된 조사광이 제공된 제2 증기 셀이 출력하는 제2 투과광의 편광 상태에 따른 제2 편광 회전 신호를 검출하는 단계; 및
상기 제1 편광 회전 신호 및 상기 제2 편광 회전 신호의 차등에 기초하여 상기 자기장 신호를 획득하는 단계
를 포함하는 원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 광펌핑하는 단계는,
펌프 광원을 통해 상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀에 원형 편광된 펌프광을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 조사광을 제공하는 단계는,
조사 광원을 통해 상기 바이어스 자기장이 인가된 제1 증기 셀 및 제2 증기 셀에 선형 편광된 조사광을 제공하는 단계
를 포함하는 원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 알칼리 금속 원자는 포타슘(Potassium;K), 루비듐(Rubidium;Rb), 및 세슘(Cesium;Cs) 중에서 어느 하나인
원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 증기 셀 및 상기 제2 증기 셀은 완충 기체를 더 포함하는
원자 자력계 동작 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 완충 기체는,
헬륨(Helium;He), 제논(Xenon;Xe), 및 질소(Nitrogen;N) 중에서 어느 하나를 사용한 ??칭(Quenching) 기체인
원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 증기 셀의 외부에 위치하는 제1 온도 조절 장치를 통해 상기 제1 증기 셀의 온도를 조절하는 단계; 및
상기 제2 증기 셀의 외부에 위치하는 제2 온도 조절 장치를 통해 상기 제2 증기 셀의 온도를 조절하는 단계
를 더 포함하는 원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 바이어스 자기장을 인가하는 단계는,
바이어스 자기장 제어기를 통해 상기 제1 증기 셀의 양측에 위치하는 제1 바이어스 자기장 생성 코일 쌍 및 상기 제2 증기 셀의 양측에 위치하는 제2 바이어스 자기장 생성 코일 쌍이 생성하는 자기장을 제어하는 단계
를 포함하는 원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 바이어스 자기장의 방향은 상기 알칼리 금속 원자의 자기분극 방향과 평행한
원자 자력계 동작 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 자기장 신호는 원형 편광되어 안테나에서 출력되는
원자 자력계 동작 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/071,530 US11199595B2 (en) | 2019-10-15 | 2020-10-15 | Radio frequency atomic magnetometer through differential magnetic field polarization selection and operation method thereof |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190127908 | 2019-10-15 | ||
| KR20190127908 | 2019-10-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20210044687A true KR20210044687A (ko) | 2021-04-23 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200120620A KR20210044687A (ko) | 2019-10-15 | 2020-09-18 | 자기장 편광 선택 차등을 통한 라디오 주파수 원자 자력계 및 그 동작 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210044687A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114609556A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-06-10 | 中国科学技术大学 | 基于量子放大的磁测量方法 |
-
2020
- 2020-09-18 KR KR1020200120620A patent/KR20210044687A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114609556A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-06-10 | 中国科学技术大学 | 基于量子放大的磁测量方法 |
| CN114609556B (zh) * | 2022-03-22 | 2024-05-03 | 中国科学技术大学 | 基于量子放大的磁测量方法 |
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