RU142546U1

RU142546U1 - QUANTUM MAGNETOMETER

Info

Publication number: RU142546U1
Application number: RU2013149036/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Козлов; Виталий Викторович Шутов; Сергей Александрович Зибров; Виталий Валентинович Васильев; Владимир Леонидович Величанский; Антон Константинович Вершовский; Анатолий Серафимович Пазгалев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЕРГОЦЕНТР"
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-06-27

Abstract

Квантовый магнитометр с лазерной накачкой, включающий полупроводниковый лазер с системой стабилизации частоты излучения, оптическое волокно, оптическую систему, ячейку с парами щелочного металла, через которую проходит вышедшее из волокна лазерное излучение, приемник лазерного излучения, систему обработки и анализа сигнала, радиочастотную катушку, отличающийся тем, что в качестве лазера используют полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором, излучающий с поверхности, в качестве оптического волокна используют полимерное многомодовое волокно с большими числовой и линейной апертурами, а в качестве щелочного металла используют цезий. A laser pumped quantum magnetometer including a semiconductor laser with a radiation frequency stabilization system, an optical fiber, an optical system, a cell with alkali metal vapors through which laser radiation emitted from the fiber, a laser radiation receiver, a signal processing and analysis system, an RF coil by using a semiconductor laser with a vertical resonator emitting from the surface as a laser, using a polymer many modal fiber with high numerical apertures and linear, and the alkali metal is cesium.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в геологоразведке и археологии для локальной магнитометрии.The utility model relates to measuring technique and can be used in geological exploration and archeology for local magnetometry.

Наиболее близким аналогом предлагаемому является квантовый магнитометр, включающий диодный лазер, который формирует пучок поляризованного резонансного излучения накачки, ячейку, содержащую атомы щелочного металла калия, магнитный момент которых прецессирует вокруг магнитного поля, и фотодетектор, служащий для измерения флуоресценции ячейки с атомами калия. Атомы возбуждаются резонансным лазерным излучением и при возращении в основное состояние испускают фотоны, содержащие информацию о магнитном поле [Патент США №6472869].The closest analogue to the proposed one is a quantum magnetometer, including a diode laser, which forms a beam of polarized resonant pump radiation, a cell containing alkali metal atoms of potassium, the magnetic moment of which precesses around the magnetic field, and a photodetector, which measures the fluorescence of the cell with potassium atoms. Atoms are excited by resonant laser radiation and when they return to the ground state, they emit photons containing information about the magnetic field [US Patent No. 6472869].

Недостатками известного устройства являются использование диодного полупроводникового лазера с большим энергопотреблением, одномодового волокна с диаметром сердцевины световода 5 мкм для транспортировки излучения, для введения излучения полупроводникового лазера в подобное волокно необходима фокусирующая оптика, что усложняет конструкцию, а также калия в качестве щелочного металла, для поддержания необходимого давления насыщенных паров которого необходимо обеспечить достаточно высокую температуру ячейки, что также увеличивает энергопотребление.The disadvantages of the known device are the use of a diode semiconductor laser with high energy consumption, a single mode fiber with a core diameter of 5 μm for transporting radiation, focusing optics are necessary for introducing radiation from a semiconductor laser into such a fiber, which complicates the design, as well as potassium as an alkali metal, to maintain the required saturated vapor pressure of which it is necessary to ensure a sufficiently high cell temperature, which also increases power consumption.

Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении энергопотребления магнитометра и понижении рабочей температуры ячейки.The technical result consists in simplifying the design, reducing the power consumption of the magnetometer and lowering the operating temperature of the cell.

Указанный технический результат достигается тем, что в квантовом магнитометре с лазерной накачкой, включающем полупроводниковый лазер с системой стабилизации частоты излучения, оптическое волокно, оптическую систему, ячейку с парами щелочного металла, через которую проходит вышедшее из волокна лазерное излучение, приемник лазерного излучения, систему обработки и анализа сигнала, радиочастотную катушку, в качестве лазера используют полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором, излучающий с поверхности, в качестве оптического волокна используют полимерное многомодовое волокно с большими числовой и линейной апертурами, а в качестве щелочного металла используют цезий.The indicated technical result is achieved in that in a laser pumped quantum magnetometer including a semiconductor laser with a radiation frequency stabilization system, an optical fiber, an optical system, a cell with alkali metal vapors through which the laser radiation emitted from the fiber, a laser radiation receiver, and a processing system and signal analysis, the RF coil, a vertical-cavity semiconductor laser emitting from a surface is used as a laser, as an optical fibers use a polymer multimode fiber with large numerical and linear apertures, and cesium is used as an alkali metal.

Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой изображена блок-схема квантового магнитометра, где: 1 - полупроводниковый лазер, 2 - система стабилизации, 3 - оптическое волокно, 4 - оптическая система, 5 - ячейка с парами щелочного металла, 6 - приемник лазерного излучения, 7 - система обработки и анализа сигнала, 8 - радиочастотные катушки.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1, which shows a block diagram of a quantum magnetometer, where: 1 is a semiconductor laser, 2 is a stabilization system, 3 is an optical fiber, 4 is an optical system, 5 is a cell with alkali metal vapors, 6 is a laser radiation receiver, 7 is a system signal processing and analysis, 8 - radio frequency coils.

Предлагаемый квантовый магнитометр содержит полупроводниковый лазер 1 с вертикальным резонатором, излучающий с поверхности, с системой стабилизации 2 частоты генерации, оптическое волокно 3, оптическую систему 4, ячейку 5 с парами цезия, через которую проходит вышедшее из волокна лазерное излучение, приемник 6 лазерного излучения, систему 7 обработки и анализа сигнала, радиочастотную катушку 8. В качестве оптического волокна используют полимерное многомодовое волокно с большими числовой и линейной апертурами.The proposed quantum magnetometer contains a semiconductor laser 1 with a vertical resonator emitting from the surface, with a stabilization system 2 of the generation frequency, an optical fiber 3, an optical system 4, a cell 5 with cesium vapors through which the laser radiation emitted from the fiber passes, a laser radiation receiver 6, signal processing and analysis system 7, a radio frequency coil 8. As an optical fiber, a polymer multimode fiber with large numerical and linear apertures is used.

Предлагаемый квантовый магнитометр работает следующим образом.The proposed quantum magnetometer operates as follows.

Излучение от лазера 1 через полимерный световод 3 и оптическую систему 4 подается на ячейку с парами цезия 5 соосно с осью ячейки и попадает на приемник лазерного излучения 6. Ось ячейки 5 должна составлять угол около 45° с вектором магнитного поля

. При этом в волоконном световоде 3 происходит частичная потеря мощности, а также деполяризация лазерного излучения. После выхода из световода 3 расходящийся лазерный пучок преобразуется в параллельный лазерный пучок, циркулярно поляризованный оптической системой 4. При прохождении через ячейку 5 с парами цезия циркулярно поляризованное резонансное излучение лазера 1 приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов вдоль направления распространения лазерного пучка. В этом направлении ансамбль атомов приобретает макроскопическую намагниченность. При этом поперечные компоненты магнитного момента каждого атома вращаются вокруг поля с одинаковой ларморовской частотой, но разными независимыми фазами. Из-за разброса по фазам ансамбль атомов не имеет макроскопической поперечной намагниченности. При подаче с помощью радиочастотных катушек 8, охватывающих ячейку с атомами, магнитного поля, осциллирующего на ларморовской частоте и имеющего компоненту перпендикулярную постоянному магнитному полю, вращение поперечных компонент атомов синхронизируется и возникает осциллирующая поперечная намагниченность всего ансамбля. Эта макроскопическая поперечная намагниченность модулирует пропускание лазерного излучения на ларморовской частоте Ω, пропорциональной модулю вектора индукции магнитного поля

, и фотоприемник 6 регистрирует переменный сигнал на этой частоте. Полученный сигнал после усиления и надлежащего фазового сдвига в системе 7 поступает на радиочастотные катушки 8, замыкая петлю обратной связи. В начальный момент при включении света радиочастотного поля нет, на катушки поступает только шум усилителя, ширина полосы (50-500 кГц) которого охватывает все возможные в магнитном поле земли ларморовские частоты. Поэтому в шумовом токе на катушках есть Фурье-компонента на ларморовской частоте. Она создает слабое радиочастотное магнитное поле, которое приводит к возникновению слабой осциллирующей поперечной намагниченности ансамбля атомов, соответствующий сигнал фотоприемника усиливается и т.д. Система возбуждается на ларморовской частоте. Система 7, кроме обработки сигнала с частотой выше 50 кГц, пропорционального абсолютной величине магнитного поля, выделяет низкочастотную компоненту сигнала (с частотой менее 50 кГц), необходимую для стабилизации частоты лазера. В системе 7 осуществляется измерение частоты Ω, из значения которой вычисляется значение индукции измеряемого магнитного поля.The radiation from the laser 1 through the polymer fiber 3 and the optical system 4 is fed to the cell with cesium vapor 5 coaxially with the axis of the cell and reaches the laser radiation receiver 6. The axis of cell 5 should be at an angle of about 45 ° with the magnetic field vector

. In this case, in the optical fiber 3, a partial loss of power occurs, as well as depolarization of the laser radiation. After leaving the fiber 3, the diverging laser beam is converted into a parallel laser beam circularly polarized by the optical system 4. When passing through cell 5 with cesium vapors, the circularly polarized resonant radiation of laser 1 leads to the predominant orientation of the atomic magnetic moments along the direction of propagation of the laser beam. In this direction, an ensemble of atoms acquires macroscopic magnetization. In this case, the transverse components of the magnetic moment of each atom rotate around the field with the same Larmor frequency, but with different independent phases. Due to the phase spread, the ensemble of atoms does not have macroscopic transverse magnetization. When a magnetic field oscillating at a Larmor frequency and having a component perpendicular to a constant magnetic field is supplied by means of radio frequency coils 8, covering the cell with atoms, the rotation of the transverse components of the atoms is synchronized and an oscillating transverse magnetization of the entire ensemble occurs. This macroscopic transverse magnetization modulates the transmission of laser radiation at the Larmor frequency Ω, which is proportional to the magnitude of the magnetic field induction vector

, and the photodetector 6 registers an alternating signal at this frequency. The received signal after amplification and proper phase shift in the system 7 is fed to the radio frequency coils 8, closing the feedback loop. At the initial moment, when the light is turned on, there is no radio-frequency field, only the amplifier noise enters the coils, the bandwidth (50-500 kHz) of which covers all possible Larmor frequencies in the earth's magnetic field. Therefore, in the noise current on the coils there is a Fourier component at the Larmor frequency. It creates a weak radio-frequency magnetic field, which leads to the appearance of a weak oscillating transverse magnetization of an ensemble of atoms, the corresponding photodetector signal is amplified, etc. The system is excited at the Larmor frequency. System 7, in addition to processing a signal with a frequency above 50 kHz proportional to the absolute value of the magnetic field, selects the low-frequency component of the signal (with a frequency of less than 50 kHz), which is necessary to stabilize the laser frequency. In the system 7, a frequency Ω is measured, from the value of which the induction value of the measured magnetic field is calculated.

Благодаря меньшему энергопотреблению полупроводникового лазера с вертикальным резонатором, а также невысокой (около 40°C) рабочей температуре ячейки с парами цезия, поддержание которой обеспечивается при меньшем энергопотреблении, снижается суммарное энергопотребление магнитометра и повышается его экономичность.Due to the lower power consumption of a semiconductor laser with a vertical resonator, as well as the low (about 40 ° C) operating temperature of the cell with cesium vapors, which can be maintained at lower power consumption, the total energy consumption of the magnetometer is reduced and its efficiency is increased.

Использование полупроводникового лазера с вертикальным резонатором вместе с широкоапертурным полимерным световодом обеспечивает эффективный ввод излучения в световод без дополнительных юстируемых оптических узлов, что существенно упрощает конструкцию магнитометра.The use of a semiconductor laser with a vertical resonator together with a wide-aperture polymer optical fiber provides an efficient input of radiation into the optical fiber without additional adjustable optical nodes, which greatly simplifies the design of the magnetometer.

Claims

A laser pumped quantum magnetometer including a semiconductor laser with a radiation frequency stabilization system, an optical fiber, an optical system, a cell with alkali metal vapors through which laser radiation emitted from the fiber, a laser radiation receiver, a signal processing and analysis system, an RF coil by using a semiconductor laser with a vertical resonator emitting from the surface as a laser, using a polymer many modal fiber with high numerical apertures and linear, and the alkali metal is cesium.