Квантовый магнитометр с оптической накачкой Советский патент 1976 года по МПК G01V3/14 

(54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

1

Устройство относится к области квантовой электроники.

Известны квантовые магнитометры с оптической накачкой и оптическим детектированием переходов в зеемановской структуре основных состояний щелочных металлов, в которых частота зависящего от магнитного поля перехода контролируется путем изменения населенностей рабочих состояний при воздействии переменного радиополя. Необходимая разность населенностей рабочих состояний создается облучением ячейки с рабочим веществом, обладающим нужным спектральным распределением. В качестве источников света накачки обычно используют разряд в парах рабочего вещества.

При этом отмечается зависимость частоты наблюдаемого перехода от интенсивности и спектрального распределения света накачки, что проявляется в несовпадении спектрального распределения света накачки с линией поглощения рабочего вещества или в возбуждении в процессе накачки когерентности в состоянии с гироматичным отношением, отличным от рабочего

Спектральное распределение света иоточников накачки, как правило, не совсем совпадает с линиями поглощения в спектре рабочего вещества иэ-за присутствия в резонансн&й ячейке посторонних газов, эффектов давления, самообращения линий в источнике или в результате перекрытия близких компонент в спектре, как это имеет место в Не.

Смещение частоты под действием света накачки связано также с возбуждением в процессе накачки когерентности в возбужденных состояниях и оказывается сущесрвенным в магнитометрах на парах щелочных металлов, использующих буферные покрытия, и на гелии.

Следствием смещения частоты перехода в известных магнитометрах проявляется зависимость результатов измерений магнитного поля как от режимов источников накачки, так и от ориентации вектора измеряемого магнитного поля относительно направления распространения света накачкк

в приборе. В результате значительно снижается точность измерения магнитных полей, так как смещения частоты, связанные с влиянием света накачки, превышают достижимую чувствительность.

Для снижения ошибок, связанных со спектральным распределением света накачки в магнитометре на гелии, предполагалось использовать два независимых источника, содержащих изотопы Не и Не Такое решение требует тщательного подбора и жесткой стабилизации режимов и совершенно не устраняет ошибок, связанных с когерентным движением возбужденных состояний

Целью изобретения является повышение точности и устранение зависимости результатов измерения магнитного поля от интенсивности и спектрального распределения света накачки в магнитометре с оптической накачкой.

Сущность изобретения состоит во введении в схему магнитометра вспомогательного генератора импульсов, соединенного с формирователем импульсов, включенным в цепь системы возбуждения радиополя и перестраиваемого генератора, и формирователем импульсов, включенным в цепь генератора возбуждения источника света. Вспомогательный генератор импульсов включен таким образом, что процессы накачки и взаимодействия рабочего вещества с резонансным радиополем разделены во времени.

На фиг, 1 приведена блок-схема предложенного магнитометра, содержащего спектральный источник света накачки 1, генератор 2 возбуждения источника света, оптическую систему 3, резонансную ячейку 4 с рабочим веществом, систему возбуждения 5 резонансного радиополя, формирователь 6 импульсов радиополя, перестраиваемый генератор 7 радиополя, вспомогательный генератор 8 импульсов, формирователь 9 импульсов света накачки, фотоприемник 10, избирательный усилитель 11, систему 12 автоматической подстройки частоты, частотомер 13.

На фиг, 2 показано взаимное временное распределение воздействия на рабочее вещество света накачки и резонансного радиополя: о интенсивность света накачки: d - импульсы радиополя.

Свет источников накачки 1, запитанного от генератора 2 возбуждения источника света, с помощью оптической системы 3, создающей циркулярную поляризацию,. направляется ка резонансную ячейку 4 с рабочим веществом и создает раэность населенностей уровней магнитной структуры.

Резонансная ячейка расположена в системе возбуждения 5 радиополя, запитанной через формирователь 6 импульсов радиополя переменным напряжением от перестраиваемого генератора 7, частота которого соответствует частоте рабочего перехода. Вспомогательный генератор 8 имгпульсов соединен с формирователем 9 импульсов света накачки, включенным в цепь генератора возбуждения источника света накачки, и формирователем 6 импульсов радиополя таким образом, что воздействие света накачки и резонансного радиополя на рабочее вещество разделено во времени и осуществляется последовательно, как изображено на фиг, 2.

Разность населенностей, созданная во время действия света накачки, после выключения источника накачки разрушается под действием релаксационных процессов и резонансного радиополя. После окончания импульса радиополя, при следующем включении света накачки, прозрачность ячейки для света накачки определяется разностью населенностей рабочих состояний, сохранившейся после воздействия радиополя. При точном совпадении частоты радиополя с частотой рабочего перехода прозрачность ячейки оказывается минимальной для света накачки. За время действия импульса света накачки прозрачность ячейки с рабочим веществом увеличивается по мере восстановления под действием накачки разности населенностей, но средняя за время импульсов света накачки прозрачность ячейки минимальна при совпадении частоты радиополя с частотой перехода. В такой схеме процесс накачки и контроля населенностей разделен во времени от резонансного воздействия радиополя.

В период воздействия на вещество резонансного радиополя рабочие состояния не подвержены воздействию света накачки, и эффекты смещения частоты переходов не проявляются, если за время действия света накачки когерентность рабочих состояний успевает полностью разрушиться. Частота следования и длительность импульсов накачки и радиополя выбираются в соответ ствии с временем релаксации населенностей и достижимыми скоростями накачки с тем, чтобы обеспечить максимальную чувствительность.

Для автоматической подстройки частоты радиополя по минимуму прозрачности резонансной ячейки частота или фаза перестраиваемого генератора модулируется ниэ