SU438345A1 - Квантовый магнитометр с оптической накачкой - Google Patents

Description

(54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

1

Изобретение относитс  к области квантовой магнитометрии.

Известны квантовые магнитометры на парах щелочных металлов, в которых использован принцип оптической накачки и детектировани  переходов основного состо ни  щелочных атомов. В таких магнитометрах дл  накачки и детектировани  переходов примен ют циркул рно-пол5физован- ный свет газоразр дной лампы с парами

рабочего вещества, а да  устранени  мертвых зон (зон отсутстви  сигнала) и уменьшени  зависимости результата измерени  величины магнитного пол  от ориентации магнитометра относительно вектора измер емого магнитного пол  - компенсационный метод.

В магнитометрах используют две, четыре или шесть резонансных  чеек с парами рабочего веществе, имеющих свои каналы регистрации резонанса, соединенные таким образом чтобы ориентадионные зависимости каждого из каналов взаимно компеин сировались. Такой метод компенсации требует точного поддержани  параметров всех

каналов, что практически сложно, особенно в щироком диапазоне значений измер емого пол , иэ-за частичного или полного перекрыти  группы близких по частотам переходов , образующих рабочий резонанс, частоты и амплитуды которых мен ютс  с величиной посто нного магнитного пол  и ориентацией относительно него оптической оси измерительного канала.

Цель изобретени  - устранение зависимости результатов измерени  от ориентации магнитометров в пространстве, повышение чувствительности и получение линейной по измер емому магнитному полю шкалы в квантовом магнитометре с оптической накачкой .

Claims (1)

1. Это достигаетс  тем, что в предлагаемо магнитометре система возбуждени  радиопол  выполнена в виде точечного дипол  или системы диполей (например двух запитанных параллельно диполей с ортогональными плоскост ми пол ризации), резонансна   чейка расположена в зоне индукции диполей,накачк и детектирование переходов осуществл етс  непол ризованным светом, а в схеме магнитометра измер етс  разность частот двух переходов между состо ни ми сверхтонкой структуры рабочего вещества. На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 - стру тура уровней основного состо ни  щелочного атома с  дерным спином 1 3/2 в слабом магнитном поле и расположение в шкале частот, разрешенных правилами отбора переходов; на фиг. 3- пространственна  конфигураци  пол . Магнитометр содержит спектральную лампу 1 непол ризованного источника накачки , .резонансную  чейку 2 с парами рабочего вещества, установленные так, что свет от спектральной лампы попадает на фотоприемник 3 через резонансную  чейку. Система 4 возбуждени  радиопоп  выполнена в виде дипол  или двух параллельно запитанных диполей и размещена около резонансной  чейки таким образом, чтобы последн   находилась в зоне индукции диполей . Спектральна  лампа, резонансна   чейка, фотоприемник и система возбуждени  радиопол  помещены в термостат 5, Система возбуждени  радиопол  св зана с блоком 6 формировани  частот переходов , к входным цеп м которого присоединены опорный генератор 7 и перестраиваемые генераторы 8 и 9. Входные цепи систем 10, 11 автоматической подстройки частоты подключены к фотоприемнику, а выходные цепи - к перестраиваемым генераторам. Частотомер 12 присоединен к блоку формировани  частот переходов, причем между спектральной лампой и резонансной  чейкой установлена  чейкафильтр 13. Известно, что разность населенностей между состо ни ми сверхтонкой структуры может быть достигнута и контролироватьс  при облучении рабочих паров непол ризованным светом источника, содержащего спектральные компоненты, вызывающие переходы преимущественно с одного уровн сверхтонкой структуры в возбужденные со сто ни . Отсутствие пол ризации в свете накачки приводит к тому, что веро тности поглощени  света накачки атомами в основном состо нии не завис т от направлени  распространени  света накачки относительно вектора измер емого магнитного пол , и позвол ет осуществить накачку, ньзавис д ую от ориентации, и контроль населенностей магнитных подуровней, принадлежащих одному сверхтонкому состо нию . Все магнитные подуровни тп одного из сверхтонких состо ний (фиг. 2) приобретают в результате действи  света накачки населенность, избыточную по отношению к населенност м магнитных подуровней второго сверхтонкого СОСТОЯНИЯэ и этот процесс не зависит от ориентации посто нного магнитного пол . Частоты переходов Л 1д-ту 41,0 завис т от величины досто нного маг.нкгного пол  HO и при малых пол х с точностью до квадратичного члена могут быть записаны в виде тп, -m.j o-tTi vVTa F f r-Z42 53 Ht, ГЦ, + Б(-т -v-m гд Ti Тг посто нные дл  рабочего вещества, а VQ - частота расщеплени  сверхтонкой структуры рабочего ве щества . На фиг. 2 обозначены разрешенные переходы между состо ни ми сверхтонкой структуры и взаимное расположение соответствующих резонансов в щкале частот дл  случа  вещества с 5здерным спином например или К), Разностна  частота,двух переходов, симметричных oi носительно частоты перехода Т тп О (например t), Ьд фиг, 2),.линейно зависит от величины посто нного магнитного пол  Н о и не содержит в  вном виде зависимости от частоты сверхтонкого расщеплени  Vj -Уд 2(,111 t )Но;Что представл ет определенные удобства дл  метрологии. Частоты линий by,bj имеют макси мальную и противоположную одна цруго& по знаку зависимость от величины магнит ного пол , и применение дл  измерений в магнитометре разнсхзтной частоты этих двух переходов позвол ет получить выигрыш в чувствительности в 2( Т + Т } раза по сравнению с магнитометрами, в коД F 0 ATn, i. торых использовань переходы Дл  возбуждени  линий Ъ jjj Од магнитна  компонента резонансного радаопоп  должна быть ортогональна посто нному полю и дл  устранени  мертвых зон в пределах образца должно быть создано неоднородное по ориентации радиополе. Предлагаемый магнитометр работает следующим образом. Спектральна  лампа источника накачки имеет в спектре излучени  компоненту, совпадающую с линией поглощени  в спектре рабочего вещества, соответствующую переходам с одного из уровней сверхто1Е КОЙ структуры основного СОСТО5ШИЯ Т {например f 2, фиг, 2) в возбуждениые Электронны.е состо ни . Свет спектральной лампы направлен на -резонансную 5иейку, содержащую пары рабочего вещес ва, а прошедший через  чейку свет контр лируетс  фотоприемником, Излучение спектральной лампы источника накачки непол ризовано и все магнит дые состо ни  тп уровн  в парах рабочего вещества в резонансной  чейке оказываютс  в результате действи  света накачки равномерно опустошенными в поль зу состо ни  1, Одновременно измене ние населенности, любого из состо ний тп 7 2 приводит к изменению прозрачности  чейки дл  света накачки и регистрируетс  фотоприемником. Оба эти процесса не завис т от взаимной ориентации вектора измер емого посто нного магнитного пол  и направлени  распространени  света накачки , так как последний непол ризован. Система возбуждени  радиопоп  выпол нена в виде одного петлевого вибратора или системы петлевых вибраторов (точечных диполей), размеры которых малы по сравнению с размерами резонансной  чейки . Резонансна   чейка установлена в зон индукции диполей таким образом, чтобы в рабочем объеме существовали области с ортогональными ориентаци ми вектора радиопсот  (фиг, 3)s например, дл  двух параллельно запитанных диполей с ортогональными плоскост ми пол ризации, Спектральна  лампа, резонансна   чейка , система возбуждени  радиопол  и фотоприемник помещены в термостат, поддерживающий рабочую температуру резонансной  чейки и спектральной лампы. Сис тема возбуждени  радиопоп  запитана от блока формировани  частоты переходов , в котором из сигналов с частотой опорного генератора и сигналов с частотами перестраиваемых генераторов образуютс  сигнала с частотами Л) V , соответствующими переходам , Значение каждой из этих двух частот определ етс  час тотой соответствующего перестраиваемого генератора и частотой опорного генератора и не зависит от частоты второго перестраиваемого генератора. При совпадении любой из двух частот Vj VA с частотой соответствующего перехода увеличиваетс  Населенность состо ши  т., и соответственно уменыпаетс  интенсивность света, щ)иход щего на фотоприемник. Выходной сигнал фотоприемника поступает на две независимые системы 10 и 11 автоматической подстройки частоты, управл ющие частотами соответствующих перестраиваемых генераторов. Система автоматической подстройки частоты выполнены по известному принципу экстремума регул торов и состо т из усилител  сигнала ошибки, сканирующего генератора и с ронного детектора, выход которого под..virijriH К исполнительным устройствам СОО1 ве с:тиующего перестраиваемого ге- нератор;;:, I-Jail.; а л к сканирующего генератора С тнхронный детектор и ввоJJOC TV:- ;-. : гра ваемый генератор или в WJr .; .: ;: бЛ)л ::);.;, лИДЯ частоты переходов дл  vv,:a или частотной модул ции С0о;о- й-;; . лги св зи общеприн ты дл  в рй.п-;::чЮ; систем автоматической подстройки частоты по линии поглощени  в радиоспектроскопии . Системы автоматической подстройки частоты раздел ют сигналы ошибок, поступающие с фотоприемника, и управл ют частотами соответствующих перестраиваемых генераторов, поддержива  значени  их частот таким образом, чтобы частоты выходного сигнала блока формировани  частот переходов, поступающие на систему возбуждени  радиопол , оставались равными частотам рабочих переходов. Одновременно в блоке формировани  частот переходов образуетс  сигнал с част ртой ,равной разности частот переходов. Этот сигнал не содержит частоты опорного генератора, а следовательно, и нестабильности частоты опорного генератора, так как обе частоты поддерживаютс  равными частотам рабочих переходов с точностью до ошибок след щих систем Сигнал с разностной частотой поступает на частотомер 12, измер ющий как частоту, так и величину посто нного магнитного пол , вследствие того, что разностт, частот бочих переходов измен етс  лиипйно : личиной посто нного магнитол о пола . При измерении ориентацкгг гакого магнитометра относительно векглг;, измер емого магнитного пол  рабочие , .юнансы не измен ют своих частот и с i.( Ь лы резонансов не исчезают. Измерение разностной частоты дл  двух переходов поь;: iijeT чувгствительность и создает удобстц;; отсчета, так как показани  частотомера пропорциошшьны величине магнитного пол . Кроме того, устран етс  вли ние света накачки и температуры резонансной  чейки за счет того, что смещение частот под действием этих причин носит общий характер дл  всех магнитных подуровней одного сверхтонкого состо ни . Такое построение магнитометра возможно дл  всех щелочных металлов с разрешенной сверхтонкой структурой. Дл  повышени  отношени  сигнал/шум, и применени  вешеств с малым сверхтонким расщеп лением (например, К) между спектральной лампой непол ризованного источника накачки и резонансной  чейкой с парами рабочего вещества устанавливают фильтр 13 выдел ющий одну сверхтонкую компоненту в спектре излучени  лампы накачки. Такой фильтр может быть выполнен в виде оптического устройства или в виде  чейки с парами вещества, имеющего необходимую линию поглощени . В этом случае воз можны следующие построени : спектральна  пампа i  чейка-фильтрl tjg-, ; резонансна   чейка Rtg спектральна  лампа i  чейка-фильтр Rtg ; резонансна   чейка Rtif,-} , спектральна  лампа К i  чейка-фильтр К ; резонансна   чейка К . Применение  чейки-фильтра улучщает отношение сигнал/ /шум, так как больша  часть света, прошедшего через резонансную  чейку, учас1 вует в процессе накачки и детектировани  Формула изобретени  Квантовый магнитометр с оптической накачкой и детектированием резонанса, состо щий из спектральной лампы непол Г ризованного источника накачки, резонансной  чейки с парами рабочего вещества, фотоприемника, системы возбуждени  радиопоп , помещенных в термостат, и присоединенной к фотоприемнику системы автоматической подстройки частоты, котора  св зана с перестраиваемым генератором, присоединенным совместно с опорным генератором к блоку формировани  частоты перехода, выходные цепи которого подключены к системе возбуждени  радиопол  и частотомеру, отличающийс   тем, что, с целью устранени  зависимости результатов измерени  от ориентации магнитометров в пространстве, повышени  чувствительности и получени  линейной по измер емому магнитному полю шкалы, между спектральной лампой непол ризованного источника накачки и резонансной  чейкой установлена  чейкафильтр , система возбуждени  радиопол  выполнена в виде точечных диполей, в зоне индукции которых размещена резонансна   чейка, а к фотоприемнику присоединена дополнительна  независима  система автоматической подстройки частоты, причем обе системы подключены к отдельным перестраиваемым генераторам, выходные цепи которых присоединены к блоку формировани  частот переходов.

   KZ)

   /3

   Юл.

   7

   1

   ff

   ш

   г N

   11

   Фаг. 1