Квантовый магнитометр с оптической накачкой

1 —:ю.л

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 446012 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено24.01.72 (21) 1741264/26-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано05.12..76„%45 (45) Дата опуоликования описания 19.01.77 (51) М. Кл.

С 01 V 3/14

Государственный комитет

Совета Министров СССР

Il0 делам изооретений и открытий (53) УДК 550.838 (088.8) (72) Автор изобретения

Н. Н. Якобсон (71) Заявитель Особое конструкторское бюро Министерства геологии СССР (54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

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 15 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 источников накачки, как правило, не совсем совпадает с линиями поглощения в спектре рабочего вещества иэ-за присутствия в резонансной 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 существ венным в магнитометрах на парах щело ных металлов, испопьзующих 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 иэмеряемого магнитного поля относительно направления распространения света накачки

446012

I5

45 в приборе. В результате значительно снижается точность измерения магнитных полей, так как смешения 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 ис4. точника, 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.

Е1елью 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 ра делены 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: С вЂ” интенсивность света накачки: ц — импульсы радиополя, Свет источников накачки 1, запитанного от генератора 2 возбуждения источника света, с помощью оптической системы 3, создающей циркулярную поляризацию, направляется ".à резонансную ячейку

4 с рабочим веп,ест ом и создает разность 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 им-. пульсов 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 дпя 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 радис поля с частотой перехода. В такой схеме процесс накачки и контроля населенностей разделен во времени от резонансного во действия радиополя.

В период воздействия на вещество резонансного радиополя рабочие состояния не подвержены воздействию света накачки, и зффекты 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 населенно стей и достижимыми скоростями накачки с тем, чтобы обеспечить максимальную чувствительность.

Йля автоматической подстройки частоты радиополя по минимуму прозрачности резонансной ячейки частота или фаза перестраиваемого генератора модулируется низ446012

Qva.!

Фиг. 2

Составитель Н. Якобсон

Редактор Т. Орловская Техред О. Луговая Корректор И. Гоксич

Заказ 5655/293 Тираж 690 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, кой частотой 0-, а свет накачки, прсгшедший через резонансную ячейку, контролируется фотоприемником 10. Частота

Я много меньше частоты следования импульсов света накачки и радиополя. Тог- 4 да на фотоприемник поступают импульсы света, средние значения которых промодулированы этой низкой частотой, Выход фотоприемника присоединен к избирательному

l0 усилителю 11, содержащему фильтры для выделения огибающей с частотой Q. импульсов света, прошедших через резонансную ячейку. Выходной сигнал усилителя поступает в систему 12 автоматической подстройки частоты, содержашую низкочастотный генератор и синхронный детектор.

Выходной сигнал последнего поступает на исполнительный элемент перестраиваемого генератора 7 и поддерживает его частоту равной частоте рабочего перехода. Величина измеряемого магнитного поля однозначно связана с частотой перехода и частотой перестраиваемого генератора. Частотомер 13 измеряет частоту перестраиваемого генератора в единицах частоты или магнитного поля.

Ф ормула изобретения

Квантовый магнитометр с оптической накачкой, состояший из источника света накачки, генератора возбуждения источника света, оптической системы, резонансной ячейки, системы возбуждения радиополя, фотоприемника, избирательного усилителя, схемы подстройки частоты, перестраиваемого генератора и частотомера, отличаюшийся тем,что,сцелью повышения точности и устранения зависимости результатов измерения магнитного поля от интенсивности и спектрального распределения света накачки, в него введен вспомогательный генератор импульсов, соединенный с формирователем импульсов, включенным в цепь системы возбуждения радиополя и перестраиваемого генератора, и формирователем импульсов, включенным в цепь генератора возбуждения источника света.