RU2733701C1 - Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) - Google Patents
Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2733701C1 RU2733701C1 RU2020110763A RU2020110763A RU2733701C1 RU 2733701 C1 RU2733701 C1 RU 2733701C1 RU 2020110763 A RU2020110763 A RU 2020110763A RU 2020110763 A RU2020110763 A RU 2020110763A RU 2733701 C1 RU2733701 C1 RU 2733701C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- radiation
- probe
- polarization
- cell
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Данное изобретение относится к области квантовых датчиков магнитного поля с оптической накачкой и детектированием, в частности для использования в устройствах многоканальных магниткардиографических и магнитоэнцелографических диагностических систем.This invention relates to the field of quantum magnetic field sensors with optical pumping and detection, in particular for use in devices for multichannel magnetic cardiographic and magnetoencelographic diagnostic systems.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время хорошо известны квантовые магнитометры с оптической накачкой, они же – атомные, или атомарные магнитометры (АМ), которые используют эффект магнитного резонанса (МР) в среде, содержащей ориентированные вдоль магнитного поля парамагнитные атомы. Для возбуждения MP используются периодические фазирующие возмущения (ФВ), резонансные ларморовской частоте прецессии магнитных моментов или ее субгармоникам [1-5]. В качестве ФВ могут выступать создаваемые в содержащей атомы ячейке радиочастотные поля, а также периодическая модуляция интенсивности, поляризации или длины волны излучения оптической накачки.At present, optically pumped quantum magnetometers are well known, they are also atomic or atomic magnetometers (AM), which use the effect of magnetic resonance (MR) in a medium containing paramagnetic atoms oriented along the magnetic field. Periodic phasing disturbances (PV) resonant to the Larmor frequency of the precession of magnetic moments or its subharmonics are used to excite the MP [1-5]. RF fields generated in a cell containing atoms, as well as periodic modulation of the intensity, polarization, or wavelength of the optical pumping radiation, can act as PVs.
В своей стандартной конфигурации АМ способны измерять модуль магнитного поля (МП) B (здесь и далее под величиной МП понимается значение индукции МП), и почти нечувствительны к малым изменениям направления вектора МП B (здесь и далее жирным шрифтом обозначаются векторные величины, т.е. B – это вектор МП, а B – это модуль вектора МП). Преобразование модульных, или скалярных магнитометров в векторные осуществляется посредством наложения на вектор измеряемого МП поперечных изменяющихся во времени калиброванных полей [2]. Этому способу, хотя он и характеризуется относительно высокой чувствительностью, присущи серьезные недостатки – во-первых, необходимость создания стабильных систем магнитных колец, генерирующих эти поля, и, во-вторых, помехи, которые эти калиброванные поля (так же, как и радиочастотные поля, вызывающие МР) создают в работе расположенных поблизости устройств. Последнее обстоятельство препятствует использованию таких устройств в многоканальных магниткардиографических (МКГ) и магнитоэнцелографических (МЭГ) диагностических системах. In their standard configuration, AMs are capable of measuring the modulus of the magnetic field (MF) B (hereinafter, the magnitude of MF is understood as the value of the MF induction ), and are almost insensitive to small changes in the direction of the MF vector B (hereinafter, vector quantities are denoted in bold, i.e. . B is the MF vector, and B is the modulus of the MF vector). Conversion of modular or scalar magnetometers into vector ones is carried out by imposing transverse time-varying calibrated fields on the vector of the measured MF [2]. This method, although it is characterized by a relatively high sensitivity, has serious drawbacks - first, the need to create stable systems of magnetic rings that generate these fields, and, secondly, the interference that these calibrated fields (as well as radio frequency fields , causing MR) create in the work of nearby devices. The latter circumstance prevents the use of such devices in multichannel magnetic cardiographic (MCG) and magnetoencelographic (MEG) diagnostic systems.
Относительно недавно появившиеся магнитометры типа SERF (Spin-Exchange Relaxation Free), основанные на эффекте Ханле и эффекте подавления спин-обменного уширения [6], способны измерять две компоненты МП в декартовой системе координат одновременно, но их функционирование возможно только в сверхслабых (<100 нТл) полях. Эти приборы также используют встроенные системы магнитных колец для модуляции внешнего магнитного поля, что создает сложности при использовании их в системах МКГ и МЭГ.Relatively recently appeared SERF (Spin-Exchange Relaxation Free) magnetometers, based on the Hanle effect and the effect of suppressing spin-exchange broadening [6], are able to measure two MF components in a Cartesian coordinate system simultaneously, but their operation is possible only in superweak (<100 nT) fields. These instruments also use built-in magnetic ring systems to modulate the external magnetic field, which makes them difficult to use in ICG and MEG systems.
Техническая проблема заявленной группы изобретений заключается в решении недостатков аналогов с достижением технического результата, заключающегося в обеспечении возможности применения квантовых датчиков в устройствах многоканальных магниткардиографических (МКГ) и магнитоэнцелографических (МЭГ) диагностических систем. The technical problem of the claimed group of inventions consists in solving the disadvantages of analogs with the achievement of a technical result, which consists in providing the possibility of using quantum sensors in devices of multichannel magnetic cardiographic (MCG) and magnetoencelographic (MEG) diagnostic systems.
Указанный технический результат обеспечивается в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом содержит схему детектирования, выполненную с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча. The specified technical result is provided in a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field consisting of a cell containing paramagnetic alkali metal atoms in a gaseous state, as well as a buffer gas, a thermostat, an optical pumping circuit, while it contains a detection circuit configured to detect variations in transverse the component of the magnetic field without excitation of magnetic resonance in the angle of rotation of the azimuth of polarization of the probe beam in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field, where the angle of rotation is proportional to the component of the magnetic field directed along the axis of the probe beam.
Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.An additional feature is that the thermostat includes an insulating housing, a heating element and a temperature sensor.
Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.An additional feature is that the optical pumping circuit contains a pump radiation injection device, the axis of which is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector, and a circular polarizer of the pump radiation.
Дополнительная особенность заключается в том, что схема детектирования содержит устройство ввода пробного излучения, линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.An additional feature is that the detection circuit contains a probe radiation input device, a probe radiation linear polarizer, and a probe radiation polarization azimuth measurement device.
Дополнительная особенность заключается в том, что ось устройства ввода пробного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля.An additional feature is that the axis of the probe radiation input device is oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector.
Дополнительная особенность заключается в том, что устройство измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.An additional feature is that the device for measuring the azimuth of the polarization of the probe radiation is a linear polarization separator and two photodetectors.
Указанный технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключающемся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В ; располагают устройство ввода пробного излучения, входящего в схему детектирования, таким образом, что ось луча пробного лазерного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанное устройство ввода пробного излучения и линейный поляризатор пробного излучения, входящие в состав схемы детектирования; производят детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробного излучения после прохождения ячейки.The specified technical result is also achieved in the method for measuring the transverse component of a weak magnetic field, which consists in the fact that the pump laser radiation is introduced into the cell through the pump input device and the circular pump radiation polarizer included in the optical pumping circuit, before the pump laser radiation is introduced, the specified radiation input device is oriented pumping so that the axis of the pumping beam is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B ; disposing the probe input device included in the detection circuit in such a way that the axis of the probe laser radiation beam is oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B; a probe laser radiation is introduced into the cell through the specified probe radiation input device and a probe radiation linear polarizer, which are part of the detection circuit; detecting variations of the transverse components of the magnetic field without exciting magnetic resonance in the angle of rotation of the azimuth of the polarization of the probe beam in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field; measure the azimuth of polarization of the probe radiation after passing through the cell.
Указанный технический результат достигается также в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом датчик выполнен с возможностью одновременного измерения двух поперечных компонент вектора магнитного поля, для чего содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей. The specified technical result is also achieved in a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field, consisting of a cell containing paramagnetic alkali metal atoms in a gaseous state, as well as a buffer gas, a thermostat, an optical pumping circuit, while the sensor is configured to simultaneously measure two transverse component of the magnetic field vector, for which it contains two detection circuits made with the possibility of detecting variations in the transverse components of the magnetic field without exciting magnetic resonance in the angles of rotation of the azimuth of polarization of the probe beams in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field, where the angles of rotation are proportional to the components of the magnetic field directed along the axes of the probing rays.
Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.An additional feature is that the thermostat includes an insulating housing, a heating element and a temperature sensor.
Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.An additional feature is that the optical pumping circuit contains a pump radiation injection device, the axis of which is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector, and a circular polarizer of the pump radiation.
Дополнительная особенность заключается в том, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.An additional feature is that each of the detection circuits contains a probe radiation input device (LD1 and LD2), a linear polarizer of the probe radiation, and a device for measuring the azimuth of the polarization of the probe radiation.
Дополнительная особенность заключается в том, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.An additional feature is that each of the devices for measuring the azimuth of polarization of the probe radiation is a linear polarization separator and two photodetectors.
Дополнительная особенность заключается в том, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.An additional feature is that the probe radiation input devices are located in such a way that the axes of the probe laser radiation beams (LD1 and LD2) are oriented perpendicular to the direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other.
Указанный технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, заключающемся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (Лд1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования; производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки.The specified technical result is also achieved in the method for measuring the transverse component of a weak magnetic field, which consists in the fact that the pump laser radiation is introduced into the cell through the pump input device and the circular pump radiation polarizer included in the optical pumping circuit, before the pump laser radiation is introduced, the said input device is oriented radiation pumping, so that the axis of the pump beam is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B; orienting the probe laser radiation beams into the cell through the probe laser radiation input devices (LD1 and LD2), located in such a way that the axes of the probe laser radiation beams are oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other; a probe laser radiation is introduced into the cell through the indicated probe radiation input devices (Ld1 and LD2) and linear polarizers of probe radiation, which are part of the detection circuits; detecting variations of the transverse components of the magnetic field without exciting magnetic resonance in the angles of rotation of the azimuth of polarization of the probe beams in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field; measure the azimuth of polarization of the probe radiation after passing through the cell.
Технический результата достигается также в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом датчик выполнен с возможностью производить одновременное измерение двух поперечных компонент вектора магнитного поля, а также модуля вектора магнитного поля и содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей, термостат дополнительно содержит систему катушек для создания радиочастотного поля или устройство модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной частоте, либо ее субгармониках.The technical result is also achieved in a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field, consisting of a cell containing paramagnetic alkali metal atoms in a gaseous state, as well as a buffer gas, a thermostat, an optical pumping circuit, while the sensor is configured to simultaneously measure two transverse component of the magnetic field vector, as well as the modulus of the magnetic field vector and contains two detection circuits made with the possibility of detecting variations in the transverse components of the magnetic field without exciting magnetic resonance at the angles of rotation of the azimuth of polarization of the probe beams in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field, where the angles of rotation are proportional the components of the magnetic field directed along the axes of the probe beams, the thermostat additionally contains a system of coils for creating a radio-frequency field or a device for modulating the intensity of the pump radiation at the resonant frequency, or its subharmo nikah.
Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.An additional feature is that the thermostat includes an insulating housing, a heating element and a temperature sensor.
Дополнительная особенность заключается в том, что система катушек размещена в термостате, либо снаружи термостата.An additional feature is that the coil system is located in the thermostat or outside the thermostat.
Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.An additional feature is that the optical pumping circuit contains a pump radiation injection device, the axis of which is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector, and a circular polarizer of the pump radiation.
Дополнительная особенность заключается в том, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.An additional feature is that each of the detection circuits contains a probe radiation input device (LD1 and LD2), a linear polarizer of the probe radiation, and a device for measuring the azimuth of the polarization of the probe radiation.
Дополнительная особенность заключается в том, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.An additional feature is that each of the devices for measuring the azimuth of polarization of the probe radiation is a linear polarization separator and two photodetectors.
Дополнительная особенность заключается в том, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.An additional feature is that the probe radiation input devices are located in such a way that the axes of the probe laser radiation beams (LD1 and LD2) are oriented perpendicular to the direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other.
Кроме того, технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключающееся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования; производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки, создают радиочастотное поле либо модулируют интенсивность излучения накачки на резонансной частоте, производят измерение модуля магнитного поля.In addition, the technical result is also achieved in the method for measuring the transverse component of a weak magnetic field, which consists in the fact that the pump laser radiation is introduced into the cell through the pump input device and the circular pump radiation polarizer included in the optical pumping circuit, before the pump laser radiation is introduced, the specified device is oriented inputting the pumping radiation, so that the axis of the pumping beam is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B; orienting the probe laser radiation beams into the cell through the probe laser radiation input devices (LD1 and LD2), located in such a way that the axes of the probe laser radiation beams are oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other; a probe laser radiation is introduced into the cell through the specified probe radiation input devices (LD1 and LD2) and linear polarizers of the probe radiation, which are part of the detection circuits; detecting variations of the transverse components of the magnetic field without exciting magnetic resonance in the angles of rotation of the azimuth of polarization of the probe beams in the cell directly at the frequency of variations of the magnetic field; measuring the azimuth of the polarization of the probe radiation after passing through the cell, creating a radio-frequency field or modulating the intensity of the pumping radiation at the resonant frequency, and measuring the modulus of the magnetic field.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
В данной заявке реализованы квантовые датчики для прецизионного измерения компонент магнитного поля (МП), перпендикулярных начальному направлению вектора МП (компонентный магнитометр). Принцип работы датчика основан на эффекте вращения поляризации резонансного излучения при прохождении через ячейку, содержащую ориентированные вдоль магнитного поля парамагнитные атомы (нелинейный, или парамагнитный эффект Фарадея). Датчик работоспособен в широком диапазоне МП. Максимальная чувствительность достигается при модуле МП, равном ширине линии магнитного резонанса (МР) в ячейке. При условии подавления технических шумов до уровня дробовых шумов чувствительность в полосе один герц достигает единиц фемтотесла. This application implements quantum sensors for precision measurement of the magnetic field (MF) components perpendicular to the initial direction of the MF vector (component magnetometer). The principle of operation of the sensor is based on the effect of the rotation of the polarization of resonant radiation when passing through a cell containing paramagnetic atoms oriented along the magnetic field (nonlinear or paramagnetic Faraday effect). The sensor is efficient in a wide range of MP. The maximum sensitivity is achieved when the MF modulus is equal to the width of the magnetic resonance (MR) line in the cell. Provided that technical noise is suppressed to the level of shot noise, the sensitivity in the one-hertz band reaches femtotesla units.
В отличие от существующих прецизионных датчиков слабого поля, основанных на явлениях оптической накачки и магнитного резонанса (Mx-магнитометры [1-5] и магнитометры на эффекте Ханле, в том числе магнитометры на эффекте SERF [6]), датчик не предполагает использования искусственно созданных переменных либо постоянных магнитных полей МП, а потому может без каких-либо ограничений быть использован для работы в массивах датчиков в диагностических системах МКГ и МЭГ. Более того, датчик не использует явление магнитного резонанса (МР), а потому функционален без использования радиочастотных полей или других фазирующих возмущений (ФВ). Однако введение ФВ в схему датчика позволит дополнительно к значениям одной или двух поперечных компонент вектора МП измерять также его модуль, и тем самым получать полную информацию о векторе МП. Unlike the existing precision low-field sensors based on the phenomena of optical pumping and magnetic resonance (Mx magnetometers [1-5] and magnetometers based on the Hanle effect, including SERF magnetometers [6]), the sensor does not imply the use of artificially created variable or constant magnetic fields MF, and therefore can be used without any restrictions to work in arrays of sensors in diagnostic systems ICG and MEG. Moreover, the sensor does not use the phenomenon of magnetic resonance (MR), and therefore is functional without the use of radio frequency fields or other phasing disturbances (FV). However, the introduction of the PV into the sensor circuit will allow, in addition to the values of one or two transverse components of the MF vector, to measure its modulus, and thereby obtain complete information about the MF vector.
Принцип работы датчика основан на парамагнитных свойствах атомной среды, а конкретно – на следующих эффектах:The principle of operation of the sensor is based on the paramagnetic properties of the atomic medium, and specifically on the following effects:
Э1. Эффект ориентации атомарных магнитных моментов циркулярно поляризованным резонансным излучением накачки, заключающийся в следующем. Каждый фотон излучения накачки несет угловой момент, направленный вдоль оси распространения луча. Этот момент передается атому, что приводит к изменению направления его магнитного момента, и, как результат – к ориентации магнитного момента ансамбля атомов вдоль направления луча накачки. A1. The effect of orientation of atomic magnetic moments by circularly polarized resonant pumping radiation is as follows. Each photon of pump radiation carries an angular momentum directed along the beam propagation axis. This moment is transferred to the atom, which leads to a change in the direction of its magnetic moment, and, as a result, to the orientation of the magnetic moment of the ensemble of atoms along the direction of the pumping beam.
Э2. Эффект осреднения поперечных по отношению к магнитному полю компонент магнитного момента ансамбля атомов в прецессии момента в магнитном поле, заключающийся в следующем. Частота прецессии магнитных моментов атомов (ларморовская частота) ω L в первом приближении пропорциональна индукции магнитного поля B: E2. The effect of averaging the components of the magnetic moment of an ensemble of atoms transverse to the magnetic field in the precession of the moment in a magnetic field is as follows. The precession frequency of the magnetic moments of atoms (Larmor frequency) ω L in the first approximation is proportional to the induction of the magnetic field B :
где γ – гиромагнитное отношение, для атомов цезия (Cs) составляющее 2π⋅ (3.5 Гц/нТл), а для атомов рубидия-87 (87Rb) составляющее 2π⋅(7.0 Гц/нТл). Если изначально (вследствие квантовой неопределенности, либо вследствие неполной параллельности луча накачки магнитному полю) магнитный момент отдельного атома оказывается ориентирован под углом к МП, он начинает прецессировать вокруг направления вектора МП. Если индукция МП достаточно велика для того, чтобы за время T 2 релаксации поперечной компоненты магнитного момента атомарные моменты совершили несколько оборотов с частотой ω L периодов ларморовской прецессии, то благодаря прецессии происходит эффективное осреднение и обнуление поперечной (по отношению к МП) компоненты магнитного момента, и суммарный момент M атомного ансамбля оказывается параллелен МП вне зависимости от направления луча накачки. При этом модуль суммарного момента M атомного ансамбля оказывается пропорционален проекции волнового вектора излучения накачки на направление вектора МП. Таким образом, при рассмотрении только тех процессов, частоты которых ω малы по сравнению с ларморовской частотой (ω << ω L ), в отсутствие ФВ коллективный магнитный момент M усредняется также по ансамблю атомов, а потому коллинеарен МП в любой момент времени.where γ is the gyromagnetic ratio, for cesium atoms (Cs) it is 2π ⋅ (3.5 Hz / nT), and for rubidium-87 ( 87 Rb) atoms it is 2π ⋅ (7.0 Hz / nT). If initially (due to quantum uncertainty or due to incomplete parallelism of the pump beam to the magnetic field) the magnetic moment of an individual atom turns out to be oriented at an angle to the MF, it begins to precess around the direction of the MF vector. If the magnetic flux density of the MF is large enough for the atomic moments to complete several revolutions with the frequency ω L of the periods of the Larmor precession during the relaxation time T 2 of the transverse component of the magnetic moment, then due to the precession, the effective averaging and zeroing of the transverse (with respect to the MF) component of the magnetic moment occurs, and the total moment M of the atomic ensemble turns out to be parallel to the MF regardless of the direction of the pump beam. In this case, the modulus of the total moment M of the atomic ensemble turns out to be proportional to the projection of the wave vector of the pump radiation onto the direction of the MF vector. Thus, when considering only those processes whose frequencies ω are small in comparison with the Larmor frequency (ω << ω L ), in the absence of a PV, the collective magnetic moment M is also averaged over the ensemble of atoms, and therefore is collinear with the MF at any time instant.
Э3. Парамагнитный, или нелинейный эффект Фарадея, заключающийся в следующем. При прохождении сквозь атомную среду пробного линейно поляризованного луча, длина волны которого близка к длине волны атомарного оптического перехода (в оптимальном случае – отстроена от центра контура оптического поглощения на несколько его ширин [5]), наличие ненулевой проекции суммарного атомарного момента M на направление распространения пробного луча приводит к возникновению циркулярного двулучепреломления, и как следствие – к вращению азимута поляризации пробного луча. Угол поворота пропорционален гиротропной восприимчивости, обусловленной суммарным магнитным моментом M. В схеме, в которой пробный луч изначально направлен перпендикулярно к вектору МП, угол вращения азимута поляризации пробного луча пропорционален поперечной компоненте МП. Этот эффект, в частности, используется в Mx магнитометрах с детектированием МР по повороту плоскости поляризации пробного луча [5], с тем отличием, что в этих устройствах детектируется переменная поперечная компонента магнитного момента, осциллирующая на ларморовской частоте. E3. Paramagnetic, or nonlinear Faraday effect, which is as follows. When a linearly polarized probe beam passes through an atomic medium, the wavelength of which is close to the wavelength of an atomic optical transition (in the optimal case, it is detuned from the center of the optical absorption contour by several of its widths [5]), the presence of a nonzero projection of the total atomic moment M on the propagation direction of the probe beam leads to the appearance of circular birefringence, and, as a consequence, to the rotation of the polarization azimuth of the probe beam. The angle of rotation is proportional to the gyrotropic susceptibility due to the total magnetic moment M. In a scheme in which the probe beam is initially directed perpendicular to the MF vector, the rotation angle of the polarization azimuth of the probe beam is proportional to the transverse MF component. This effect, in particular, is used in Mx magnetometers with MR detection based on the rotation of the plane of polarization of the probe beam [5], with the difference that these devices detect a variable transverse component of the magnetic moment, oscillating at the Larmor frequency.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:
На фиг.1 – Схема квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля., где :Figure 1 - Schematic of a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field., Where:
1 - 1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии; 1 - 1 - cell containing paramagnetic atoms in a gaseous state;
2 – термостат; 2 - thermostat;
3 – ввод излучения накачки; 3 - input of pump radiation;
4 – круговой поляризатор; 4 - circular polarizer;
5 – ввод пробного излучения; 5 - input of probe radiation;
6 – линейный поляризатор; 6 - linear polarizer;
7 – измеритель азимута поляризации пробного излучения; 7 - measuring the azimuth polarization of the probe radiation;
ЛН – луч оптической накачки; LN - optical pumping beam;
ЛД – луч детектирования (пробный луч). LD - detection beam (probe beam).
Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.Arrows indicate the direction of radiation polarization: a round arrow corresponds to circular polarization, a straight line - to linear polarization.
На фиг.2 – Схема квантового датчика для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля, где:Figure 2 - Schematic of a quantum sensor for measuring two transverse components of a weak magnetic field, where:
1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии; 1 - cell containing paramagnetic atoms in a gaseous state;
2 – термостат; 2 - thermostat;
3 – ввод излучения накачки; 3 - input of pump radiation;
4 – круговой поляризатор; 4 - circular polarizer;
5,8 – ввод пробного излучения; 5.8 - input of probe radiation;
6,9 – линейный поляризатор; 6.9 - linear polarizer;
7,10 – измеритель азимута поляризации пробного излучения; 7.10 - probe polarization azimuth meter;
ЛН – луч оптической накачки; LN - optical pumping beam;
ЛД – луч детектирования (пробный луч). LD - detection beam (probe beam).
Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.Arrows indicate the direction of radiation polarization: a round arrow corresponds to circular polarization, a straight line - to linear polarization.
На фиг.3 – Схема квантового датчика для измерения двух поперечных компонент и модуля слабого магнитного поля, где:Figure 3 - Scheme of a quantum sensor for measuring two transverse components and the modulus of a weak magnetic field, where:
1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии; 1 - cell containing paramagnetic atoms in a gaseous state;
2 – термостат; 2 - thermostat;
3 – ввод излучения накачки; 3 - input of pump radiation;
4 – круговой поляризатор; 4 - circular polarizer;
5,8 – ввод пробного излучения; 5.8 - input of probe radiation;
6,9 – линейный поляризатор; 6.9 - linear polarizer;
7,10 – измеритель азимута поляризации пробного излучения; 7.10 - probe polarization azimuth meter;
11 – система катушек для создания радиочастотного поля. 11 - a system of coils for creating a radio frequency field.
ЛН – луч оптической накачки; LN - optical pumping beam;
ЛД – луч детектирования (пробный луч). LD - detection beam (probe beam).
Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.Arrows indicate the direction of radiation polarization: a round arrow corresponds to circular polarization, a straight line - to linear polarization.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Работа первого варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующем.The operation of the first version of the quantum sensor, which implements a method for measuring the transverse component of a weak magnetic field, is as follows.
Квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, собранный по двухлучевой схеме устроен согласно схеме на фиг.1. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Пробное лазерное излучение вводится в ячейку через устройство ввода пробного излучения (5), расположенного таким образом, что ось луча пробного лазерного излучения (ЛД) ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B , а также через линейный поляризатор пробного излучения (6),. После прохождения поляризатора (6) азимут поляризации пробного излучения направлен под углом φ к плоскости, образованной осями пробного луча и луча накачки После прохождения ячейки азимут поляризации пробного излучения, в общем случае изменившийся на угол Δφ, измеряется устройством измерения азимута поляризации пробного излучения (7), в простейшем случае представляющим собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.A quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field, assembled according to a two-beam scheme, is arranged according to the diagram in FIG. 1. Cell (1) containing paramagnetic atoms of an alkali metal (potassium, rubidium, or cesium) in a gaseous state, as well as a buffer gas that prevents the relaxation of the magnetic moments of atoms on the walls of the cell, is placed in a thermostat (2), which includes a heat-insulating body, a heating element, and temperature sensor. The pump laser radiation is introduced into the cell through the pump radiation input device (3) and the pump radiation circular polarizer (4). The pump radiation injection device (3) should be oriented in such a way that the axis ( z- axis) of the pump radiation beam (LN) is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B. The probe laser radiation is introduced into the cell through the probe radiation injection device (5) located in such a way that the axis of the probe laser radiation (LD) beam is oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B , as well as through the linear polarizer of the probe radiation (6). After passing through the polarizer (6), the polarization azimuth of the probe radiation is directed at an angle φ to the plane formed by the axes of the probe beam and the pump beam.After passing through the cell, the polarization azimuth of the probe radiation, which in the general case changed by the angle Δφ , is measured by a device for measuring the azimuth of the probe radiation polarization (7 ), which in the simplest case is a linear polarization separator and two photodetectors.
В отсутствие излучения накачки средний магнитный момент атомов равен нулю, и вращение поляризации пробного луча отсутствует. Включение излучения накачки приводит к возникновению усредненного по ансамблю атомов и по времени магнитного момента M , согласно эффекту Э1, направленного строго вдоль вектора МП B , согласно эффекту Э2. In the absence of pump radiation, the average magnetic moment of the atoms is zero, and there is no rotation of the polarization of the probe beam. Switching on the pump radiation leads to the appearance of a magnetic moment M averaged over the ensemble of atoms and over time, according to the effect E1, directed strictly along the MF vector B , according to the effect E2.
Считаем, что ось z направлена вдоль распространения излучения накачки. Пусть в начальный момент времени датчик ориентирован так, что вектор МП, а следовательно, и вектор M также направлены вдоль оси z. Рассмотрим два предельных случая:We consider that the axisz directed along the propagation of the pump radiation. Let the sensor at the initial moment of time be oriented so that the MF vector, and hence the vector M also directed along the axisz... Consider two limiting cases:
1. Если пробный линейно поляризованный луч направлен строго перпендикулярно к МП, то он также направлен строго перпендикулярно к среднему магнитному моменту M , а потому включение накачки не способно изменить азимут его поляризации φ, согласно эффекту Э3 (то есть Δφ = 0). 1. If the probe linearly polarized beam is directed strictly perpendicular to the MF, then it is also directed strictly perpendicular to the average magnetic moment M , and therefore the pumping on is not able to change the azimuth of its polarization φ , according to the E3 effect (that is, Δ φ = 0 ) .
2. Если, напротив, пробный луч направлен параллельно МП, то он также направлен параллельно среднему магнитному моменту M , а следовательно, согласно эффекту Э3, азимут его поляризации повернется на максимально возможный при данных условиях накачки угол Δφ = Δφ max . Этот угол, в свою очередь, пропорционален гиротропной восприимчивости, обусловленной суммарным магнитным моментом M , а, следовательно, зависит от интенсивности излучения накачки, ее направления, и т.д. В дальнейшем будем считать, что излучение накачки всегда направлено вдоль оси z, и угол между направлением излучения накачки и вектором МП обусловлен отклонениями вектора МП. Все прочие параметры накачки будем считать постоянными. 2. If, however, a test beam is directed parallel to the MT, it is also directed parallel to the average magnetic moment M, and hence the effect according to E3, the azimuth of polarization rotated through the maximum possible angle when Δ φ = Δ φ max data pump conditions. This angle, in turn, is proportional to the gyrotropic susceptibility due to the total magnetic moment M and, therefore, depends on the intensity of the pump radiation, its direction, etc. In what follows, we will assume that the pump radiation is always directed along the z axis , and the angle between the direction of the pump radiation and the MF vector is due to deviations of the MF vector. All other pump parameters will be considered constant.
Рассмотрим общий случай, когда вектор МП отклоняется от оси z в плоскости xOz на угол α. Поскольку M || B , Consider the general case when the MF vector deviates from the axisz in planexOz by an angle α. Because the M || B ,
sin(α) = B x /B = M x /M, (2)sin ( α ) = B x / B = M x / M, (2)
где B x и M x являются проекциями векторов МП и среднего магнитного момента на направление пробного луча х.WhereB x andM x are the projections of the vectors of the MF and the mean magnetic moment onto the direction of the probe beamx...
При α ≠ 0 появляется ненулевая проекция МП, а следовательно – и момента M на направление пробного луча х, и, как следствие – азимут поляризации пробного луча поворачивается на угол Δφ, который и является сигналом в предлагаемой схеме. Величина сигнала Δφ при постоянной скорости накачки в такой системе пропорциональна M x :When α ≠ 0, a nonzero projection of the MF appears, and hence the moment M on the direction of the probe beam x , and, as a consequence, the polarization azimuth of the probe beam is rotated by the angle Δφ, which is the signal in the proposed scheme. The magnitude of the signal Δφ at a constant pumping rate in such a system is proportional to M x :
Δφ = Δφ max ·(M x /M) = Δφ max ·sin(α), (3) Δφ = Δφ max · (M x / M) = Δφ max · sin (α), ( 3)
Эффективность накачки при отклонении вектора МП от направления излучения накачки на угол α пропорциональна проекции волнового вектора на вектор МП, согласно эффекту Э2. Эта проекция, в свою очередь, пропорциональна cos(α), поэтомуThe pump efficiency when the MF vector deviates from the direction of the pump radiation by an angle α is proportional to the projection of the wave vector onto the MF vector, according to the E2 effect. This projection, in turn, is proportional to cos ( α ), therefore
При малых углах отклонения сигнал линеен по α, по мере увеличения угла чувствительность к малым изменениям α падает, достигая нуля при α = 45º. Выразим угловые зависимости через компоненты вектора МП B : At small angles of deviation, the signal is linear in α , as the angle increases, the sensitivity to small changes in α decreases, reaching zero at α = 45º. Let us express the angular dependence in terms of the components of the MF vector B :
где B Z является проекцией вектора МП на ось z луча излучения накачки. Тогда where B Z is the projection of the MF vector onto the z axis of the pump radiation beam. Then
При небольших углах отклонения (B x << B) последним сомножителем в (6) можно пренебречь. Окончательно получаемFor small deflection angles ( B x << B ), the last factor in (6) can be neglected. Finally we get
Предельная, то есть ограниченная дробовым шумом фототока, чувствительность такой схемы равнаThe limiting, i.e. limited by the shot noise of the photocurrent, the sensitivity of such a scheme is
где Δφ SN – величина случайного поворота азимута поляризации, обусловленная дробовым шумом.where Δ φ SN is the value of the random rotation of the polarization azimuth due to shot noise.
Из (7) следует, что с ростом модуля поля B величина сигнала падает пропорционально 1/B. С другой стороны, как было указано выше, для эффективного осреднения и обнуления поперечной по отношению к МП компоненты магнитного момента требуется, чтобы модуль МП был достаточно велик для того, чтобы за время T 2 релаксации поперечной компоненты магнитного момента атомарные моменты успевали совершить несколько оборотов с частотой ω L периодов ларморовской прецессии:It follows from (7) that with increasing field modulusB signal value drops proportionally to 1 /B... On the other hand, as indicated above, for effective averaging and zeroing of the component of the magnetic moment transverse to the MF, it is required that the MF modulus is large enough forT 2 relaxation of the transverse component of the magnetic moment, the atomic moments had time to complete several revolutions with a frequencyω L periods of Larmor precession:
Из (1) и (9) следует, чтоIt follows from (1) and (9) that
где Г – ширина линии МР, выраженная в рад/с, Г B = Г/γ – ширина линии МР, выраженная в единицах индукции МП.where Г is the width of the MR line, expressed in rad / s, Г B = Г / γ is the width of the MR line, expressed in units of the magnetic field induction.
Таким образом, максимальная чувствительность датчика реализуется в минимальных МП, удовлетворяющих условию (10). При стандартной для ячейки с буферным газом ширине линии МР Г B = 100 нТл оптимальной будет величина МП порядка B = 600 нТл. Снижение величины МП до B = Г B = 100 нТл приведет к дальнейшему увеличению амплитуды сигнала.Thus, the maximum sensor sensitivity is realized in the minimum MF that satisfy condition (10). At the standard line width for a cell with a buffer gas, MR G B = 100 nT, the MF value of the order of B = 600 nT will be optimal. A decrease in the MF value to B = G B = 100 nT will lead to a further increase in the signal amplitude.
Достижимую в данной схеме максимальную чувствительность можно оценить, отталкиваясь от достигнутой к настоящему времени чувствительности Mx-магнитометров, использующих двухлучевую схему с детектированием вращения азимута поляризации пробного луча [7]. Следует отметить, что в результате эффекта Э2 благодаря прецессии магнитных моментов происходит эффективное осреднение и обнуление поперечной по отношению к МП компоненты магнитного момента, и суммарный момент M атомного ансамбля оказывается параллелен МП вне зависимости от направления луча накачки. Таким образом, направление магнитного момента M, а следовательно, и величина Δφ поворота азимута поляризации пробного луча не зависит от направления луча накачки до тех пор, пока увеличение угла между лучом накачки и МП не начнет приводить к заметному снижению эффективности накачки.The maximum sensitivity attainable in this scheme can be estimated based on the sensitivity achieved to date of Mx magnetometers using a two-beam scheme with detection of the rotation of the polarization azimuth of the probe beam [7]. It should be noted that as a result of the A2 effect, due to the precession of the magnetic moments, the magnetic moment component transverse to the MF is effectively averaged and zeroed, and the total moment M of the atomic ensemble turns out to be parallel to the MF regardless of the direction of the pump beam. Thus, the direction of the magnetic moment M and, consequently, the magnitude of the rotation Δφ of the polarization azimuth of the probe beam does not depend on the direction of the pump beam until an increase in the angle between the pump beam and the MF begins to lead to a noticeable decrease in the pump efficiency.
Быстродействие предлагаемой схемы ограничено только ларморовской частотой: при повороте вектора МП суммарный магнитный момент M следует за вектором МП, достигая нового равновесного положения за времена, сопоставимые с периодом прецессии; поэтому датчик сохраняет свою чувствительность во всем диапазоне частот ω < ω L . При B = 100 нТл быстродействие датчика на атомах Cs ограничено частотой 350 Гц (соответственно, быстродействие датчика на 87Rb ограничено частотой 700 Гц), и эта величина растет пропорционально B. The speed of the proposed scheme is limited only by the Larmor frequency: when the MF vector rotates, the total magnetic moment M follows the MF vector, reaching a new equilibrium position in times comparable to the precession period; therefore the sensor retains its sensitivity over the entire frequency rangeω < ω L ... WhenB = 100 nT, the response speed of the Cs-atom sensor is limited by the frequency of 350 Hz (correspondingly, the response speed of the sensor at87Rb is limited to 700 Hz), and this value increases proportionallyB.
Необходимо отметить, что реализация предельной чувствительности требует подавления технических, в первую очередь – лазерных шумов до уровня дробового шума фототока во всей полосе детектирования сигнала. Поскольку детектирование сигнала происходит не на частоте прецессии, как в Mx магнитометрах, и не на частоте модуляции МП, как в магнитометрах на эффекте Ханле (в т.ч. магнитометрах SERF), а непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча, технические низкочастотные шумы должны быть подавлены до уровня дробовых методами активной стабилизации.It should be noted that the implementation of the limiting sensitivity requires the suppression of technical, primarily laser noise to the level of the shot noise of the photocurrent in the entire signal detection band. Since the signal is detected not at the precession frequency, as in Mx magnetometers, and not at the MF modulation frequency, as in magnetometers based on the Hanle effect (including SERF magnetometers), but directly at the frequency of magnetic field variations, where the rotation angle is proportional to the component magnetic field directed along the axis of the probe beam, technical low-frequency noise should be suppressed to the level of shot by active stabilization methods.
Работа второго варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующем Квантовый датчик для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля устроен согласно схеме на фиг.2. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Два луча пробного лазерного излучения вводится в ячейку через два устройства ввода пробного излучения (5, 8), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B и перпендикулярно друг другу (оси x и y), а также два линейных поляризатора пробного излучения (6, 9). После прохождения ячейки азимуты поляризации двух лучей пробного излучения измеряются устройствами измерения азимута поляризации пробного излучения (7, 10), в простейшем случае представляющими собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника. Work of the second option a quantum sensor that implements a method for measuring the transverse component of a weak magnetic field is as follows A quantum sensor for measuring two transverse components of a weak magnetic field is arranged according to the diagram in FIG. 2. Cell (1) containing paramagnetic atoms of an alkali metal (potassium, rubidium, or cesium) in a gaseous state, as well as a buffer gas that prevents the relaxation of magnetic moments of atoms on the walls of the cell, is placed in a thermostat (2), which includes a heat-insulating body, a heating element, and temperature sensor. The pump laser radiation is introduced into the cell through the pump radiation input device (3) and the pump radiation circular polarizer (4). The pump radiation input device (3) should be oriented in such a way that the axis (axisz) of the pump beam (LN) is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B. Two beams of probe laser radiation are introduced into the cell through two devices for introducing probe radiation (5, 8), located in such a way that the axes of the probe laser radiation (LD1 and LD2) are oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other (axisx andy), as well as two linear polarizers of probe radiation (6, 9). After passing through the cell, the polarization azimuths of two probe radiation beams are measured by devices for measuring the polarization azimuth of the probe radiation (7, 10), which in the simplest case are a linear polarization separator and two photodetectors.
Датчик работает по принципу, аналогичному принципу работы квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (фиг. 1). Используя два пробных луча, перпендикулярные магнитному полю (МП) и друг другу, получают два независимых сигнала от двух поперечных компонент МП, параллельных осям x и y, и измеряют два угла отклонения МП.The sensor operates on a principle similar to that of a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field (Fig. 1). Using two probe beams perpendicular to the magnetic field (MF) and to each other, two independent signals are obtained from two transverse MF components parallel to the x and y axes, and two angles of the MF deflection are measured.
Детектирование положения пробных лучей относительно плоскости x0y осуществляется измерением приращения сигнала при включении и выключении излучения накачки в тестовом МП, параллельном оси z. Приращение сигнала в каждом канале будет наблюдаться только при наличии угла между соответствующим пробным лучом плоскости x0y. The position of the probe beams relative to the x0y plane is detected by measuring the signal increment when the pump radiation is turned on and off in the test MF parallel to the z axis. The signal increment in each channel will be observed only if there is an angle between the corresponding probe beam of the x0y plane .
Оси локальной системы координат датчика однозначно определяются направлениями пробных лучей в ячейке, и при использовании плоскопараллельных пластин в качестве окон ячейки направление этих осей может быть определено оптическими методами с точностью, ограниченной только расходимостью лазерного излучения.The axes of the local coordinate system of the sensor are uniquely determined by the directions of the probe beams in the cell, and when plane-parallel plates are used as cell windows, the direction of these axes can be determined by optical methods with an accuracy limited only by the divergence of the laser radiation.
Работа третьего варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующемThe operation of the third version of the quantum sensor, which implements a method for measuring the transverse component of a weak magnetic field, is as follows
Квантовый датчик устроен согласно схеме, представленной на фиг. 3. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Два луча пробного лазерного излучения вводится в ячейку через два устройства ввода пробного излучения (5, 8), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B и перпендикулярно друг другу (оси x и y), а также два линейных поляризатора пробного излучения (6, 9). После прохождения ячейки азимуты поляризации двух лучей пробного излучения измеряются устройствами измерения азимута поляризации пробного излучения (7, 10), в простейшем случае представляющими собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника. В термостат, либо снаружи термостата помещается система катушек (11) для создания радиочастотного поля либо устройство для модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной (ларморовской) частоте (либо ее субгармониках).The quantum sensor is arranged according to the circuit shown in FIG. 3. Cell (1) containing paramagnetic atoms of an alkali metal (potassium, rubidium or cesium) in a gaseous state, as well as a buffer gas that prevents the relaxation of the magnetic moments of atoms on the walls of the cell, is placed in a thermostat (2), which includes a heat-insulating housing, a heating element and temperature sensor. The pump laser radiation is introduced into the cell through the pump radiation input device (3) and the pump radiation circular polarizer (4). The pump radiation injection device (3) should be oriented in such a way that the axis ( z- axis) of the pump radiation beam (LP) is oriented parallel to the expected direction of the magnetic field vector B. Two probe laser radiation beams are introduced into the cell through two probe radiation injection devices (5 , 8), located in such a way that the axes of the probe laser radiation beams (LD1 and LD2) are oriented perpendicular to the expected direction of the magnetic field vector B and perpendicular to each other (axes x and y ), as well as two linear polarizers of the probe radiation (6, 9) ... After passing through the cell, the polarization azimuths of two probe radiation beams are measured by devices for measuring the polarization azimuth of the probe radiation (7, 10), which in the simplest case are a linear polarization separator and two photodetectors. A system of coils (11) is placed in the thermostat or outside the thermostat to create a radio-frequency field or a device for modulating the intensity of pump radiation at the resonant (Larmor) frequency (or its subharmonics).
Квантовый датчик для измерения для измерения двух поперечных компонент и модуля слабого магнитного поля работает по способу, аналогичному способу работы квантового датчика для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля (фиг. 2). Используя два пробных луча, перпендикулярные магнитному полю (МП) и друг другу, можно получить два независимых сигнала от двух поперечных компонент МП, параллельных осям x и y, и измерить два угла отклонения МП. Измерение модуля МП осуществляется посредством введения в схему датчика устройства для создания радиочастотного поля либо для модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной (ларморовской) частоте, что позволяет выровнять фазы прецессии магнитных моментов и тем самым обеспечить условия наблюдения макроскопической прецессии среднего магнитного момента с частотой ω L , пропорциональной индукции МП. Регистрируя посредством входящего в схему измерителя азимута поляризации пробного излучения компоненту угла поворота пробного луча Δφ, осциллирующую на частоте ω L , и измеряя частоту осцилляции угла Δφ, можно дополнительно производить измерение модуля МП.A quantum sensor for measuring two transverse components and a weak magnetic field modulus operates in a manner similar to a quantum sensor for measuring two transverse components of a weak magnetic field (Fig. 2). Using two probe beams perpendicular to the magnetic field (MF) and to each other, it is possible to obtain two independent signals from two transverse MF components, parallel to the x and y axes, and measure two angles of the MF deflection. The MF module is measured by introducing a device into the sensor circuit to create a radio-frequency field or to modulate the intensity of pump radiation at the resonant (Larmor) frequency, which makes it possible to align the phases of the precession of magnetic moments and thereby provide the conditions for observing the macroscopic precession of the mean magnetic moment with the frequency ω L , proportional to the MF induction. By registering the component of the probe beam rotation angle Δφ , oscillating at the frequency ω L , by means of the probe polarization azimuth meter included in the circuit, and measuring the oscillation frequency of the Δφ angle, it is possible to additionally measure the MF module.
Как и в случае квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (фиг. 1), максимальная чувствительность датчика реализуется в минимальных МП, удовлетворяющих условию (10). При стандартной для ячейки с буферным газом ширине линии МР Г B = 100 нТл оптимальной будет величина МП порядка B = 600 нТл. Снижение величины МП до B = Г B = 100 нТл приведет к дальнейшему увеличению амплитуды сигнала, но в случае использования фазирующего возмущения (ФВ) (фиг. 3) вызовет ошибки, связанные с неполным осреднением прецессирующей компоненты момента.As in the case of a quantum sensor for measuring the transverse component of a weak magnetic field (Fig. 1), the maximum sensitivity of the sensor is realized in the minimum MF that satisfy condition (10). At the standard line width for a cell with a buffer gas, MR G B = 100 nT, the MF value of the order of B = 600 nT will be optimal. A decrease in the MF value to B = Г B = 100 nT will lead to a further increase in the signal amplitude, but in the case of using a phasing disturbance (PV) (Fig. 3), it will cause errors associated with incomplete averaging of the precessing moment component.
Список литературыBibliography
[1] Е.Б. Александров, А.К. Вершовский. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии. - УФН, том 179, вып.6, стр.605-637 (2009).[1] E.B. Alexandrov, A.K. Vershovsky. Modern radio-optical methods of quantum magnetometry. - UFN, volume 179,
[2] M. D. Prouty, R. Johnson, I. Hrvoic, and A. K. Vershovskiy. Optical magnetometry. ed. D. Budker, D.F.J. Kimball, Cambridge: Cambridge University Press. 2013. P.319–336.[2] M. D. Prouty, R. Johnson, I. Hrvoic, and A. K. Vershovskiy. Optical magnetometry. ed. D. Budker, D.F.J. Kimball, Cambridge: Cambridge University Press. 2013. P.319–336.
[3] W.E. Bell, A.L. Bloom // Phys Rev. 1957. V.107. №6. P.1559.[3] W.E. Bell, A.L. Bloom // Phys Rev. 1957. V.107. No. 6. P.1559.
[4] W. Gawlik, J. Kowalski, R. Neumann, and F. Träger // Opt. Commun. 1974. V.12. №4. P.400.[4] W. Gawlik, J. Kowalski, R. Neumann, and F. Träger // Opt. Commun. 1974. V.12. No. 4. P.400.
[5] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis // Rev. Mod. Phys. 2002. V.74. №4. P.1153.[5] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis // Rev. Mod. Phys. 2002. V.74. No. 4. P.1153.
[6] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis // Phys. Rev. Lett. 2002. V.89. №13. P.130801.[6] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis // Phys. Rev. Lett. 2002. V.89. No. 13. P.130801.
[7] S. J. Smullin, I. M. Savukov, G. Vasilakis, R. K. Ghosh, and M. V. Romalis // Phys. Rev. A 80, 033420[7] S. J. Smullin, I. M. Savukov, G. Vasilakis, R. K. Ghosh, and M. V. Romalis // Phys. Rev. A 80, 033420
Claims (42)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110763A RU2733701C1 (en) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110763A RU2733701C1 (en) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2733701C1 true RU2733701C1 (en) | 2020-10-06 |
Family
ID=72926726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020110763A RU2733701C1 (en) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2733701C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789203C1 (en) * | 2022-03-29 | 2023-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical quantum magnetometer |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU438345A1 (en) * | 1973-01-16 | 1976-12-05 | Предприятие П/Я Р-6681 | Optically pumped quantum magnetometer |
| RU2158932C2 (en) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Method for receiving signals from optical pumping magnetometers and optical pumping magnetometer |
| RU127486U1 (en) * | 2012-12-14 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | QUANTUM Mz - MAGNETOMETER |
| RU142546U1 (en) * | 2013-11-05 | 2014-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЕРГОЦЕНТР" | QUANTUM MAGNETOMETER |
| US20140320123A1 (en) * | 2013-04-25 | 2014-10-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical pumping magnetometer and magnetic sensing method |
-
2020
- 2020-03-13 RU RU2020110763A patent/RU2733701C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU438345A1 (en) * | 1973-01-16 | 1976-12-05 | Предприятие П/Я Р-6681 | Optically pumped quantum magnetometer |
| RU2158932C2 (en) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Method for receiving signals from optical pumping magnetometers and optical pumping magnetometer |
| RU127486U1 (en) * | 2012-12-14 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | QUANTUM Mz - MAGNETOMETER |
| US20140320123A1 (en) * | 2013-04-25 | 2014-10-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical pumping magnetometer and magnetic sensing method |
| RU142546U1 (en) * | 2013-11-05 | 2014-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЕРГОЦЕНТР" | QUANTUM MAGNETOMETER |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.К. Вершовский, С.П. Дмитриев, А.С. Пазгалев, "Квантовый магнитометр с оптической накачкой, комбинирующий достоинства MX- и MZ-устройств", Журнал технической физики, том 83, вып. 10, 2013. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789203C1 (en) * | 2022-03-29 | 2023-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical quantum magnetometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6463423B2 (en) | Optical pumping magnetometer | |
| US10184796B2 (en) | Chip-scale atomic gyroscope | |
| US20150022200A1 (en) | Optically pumped magnetometer and optical pumping magnetic force measuring method | |
| JP6077050B2 (en) | Atomic sensor system | |
| JP5972006B2 (en) | Optical pumping magnetometer and magnetic force measuring method | |
| Shah et al. | High Bandwidth Atomic Magnetometery<? format?> with Continuous Quantum Nondemolition Measurements | |
| JP5854736B2 (en) | Nuclear magnetic resonance imaging apparatus and nuclear magnetic resonance imaging method | |
| Bevilacqua et al. | Multichannel optical atomic magnetometer operating in unshielded environment | |
| JP5854735B2 (en) | Nuclear magnetic resonance imaging apparatus and nuclear magnetic resonance imaging method | |
| EP2816367B1 (en) | Single-beam radio frequency atomic magnetometer | |
| US20130027034A1 (en) | Nuclear magnetic resonance magnetometer employing optically induced hyperpolarization | |
| Petrenko et al. | Single-beam all-optical nonzero-field magnetometric sensor for magnetoencephalography applications | |
| Zhang et al. | Stable atomic magnetometer in parity-time symmetry broken phase | |
| KR101014370B1 (en) | Proton precession magnetometer sensor measurable in all direction | |
| US9541398B2 (en) | Chip-scale atomic gyroscope | |
| RU2654967C1 (en) | Method of measuring the characteristics of the magnetic field | |
| US10901052B1 (en) | Atomic magnetometer | |
| RU2733701C1 (en) | Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions) | |
| WO2015156841A1 (en) | Chip-scale atomic gyroscope | |
| RU2704391C1 (en) | Method of controlling an atomic magnetometric sensor when operating as part of a multichannel diagnostic system | |
| Xu et al. | Measuring the enhancement factor of the hyperpolarized Xe in nuclear magnetic resonance gyroscopes | |
| Yu et al. | Comparative measurement of transverse nuclear magnetization of polarized 129 Xe and 131 Xe by spin-exchange optical pumping | |
| RU207277U1 (en) | Nuclear gyroscope | |
| RU201524U1 (en) | Quantum gyroscope | |
| Li et al. | Self-Driven Hybrid Atomic Spin Oscillator |