DE102010020863A1

DE102010020863A1 - Anordnung zur Rauschminderung bei optischen Magnetometern

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Publication number: DE102010020863A1
Application number: DE102010020863A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dipl.-Phys. Dr. Schultze
Original assignee: Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: DE102010020863B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rauschminderung bei optischen Magnetometern. Die Aufgabe, den Einfluss des Rauschens der Pumplichtquelle und, bei entsprechendem Schaltungsaufbau, des Magnetfelds auf die rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung von optischen Magnetometern zu verringern und dem intrinsischen, schrotrauschbegrenzten Wert anzunähern, wird dadurch gelöst, dass mit Licht von der gleichen Lichtquelle (1) beaufschlagt, eine zweite Alkalidampfzelle (3) in einem dem Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet ist, wobei diese zweite Alkalidampfzelle (3) einem von die erste Alkalidampfzelle (2a) erfassenden Magnetfeld abweichenden Magnetfeld ausgesetzt ist, der ebenfalls ein Photodetektor (3a) nachgeordnet ist und die verstärkten Signale des ersten Photodetektors (4a) im Magnetometerzweig und des zweiten Photodetektors (3a) unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner (5) zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer (M) zugeordneten Phasendetektor (6a) zugeführt wird, der mit dem Frequenzgenerator (7a) in Verbindung steht, welcher die zum Magnetometerzweig gehörige Alkalidampfzelle (2a) mit dem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld (B1) beaufschlagt.

Description

Bei optischen Magnetometern wird der Dampf von Alkaliatomen mit polarisiertem Licht optisch gepumpt, so dass die Spins der Valenzelektronen ausgerichtet werden. Ein äußeres Magnetfeld B₀ bewirkt eine Präzession der Spins um die Magnetfeldrichtung mit der Larmor-Frequenz f_L bzw. eine Aufspaltung der Energieniveaus des Elektrons in Zeeman-Niveaus. Durch ein zusätzliches Wechselfeld B₁, dessen Frequenz an die Larmor-Frequenz bzw. die Energiedifferenz der Zeeman-Niveaus angepasst wird, kann das zu messende Magnetfeld B₀ bestimmt werden, da Larmor-Frequenz f_L und Magnetfeld B₀ über den gyromagnetischen Faktor γ, eine Materialkonstante, durch f_L = γ·B₀ miteinander verknüpft sind. Um die Präzessionsfrequenz zu messen, wird der Photostrom eines Photoempfängers ausgewertet, auf den das Pumplicht nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun teilweise moduliert mit der Präzessionsfrequenz, auftrifft.
Dem Messsignal ist eine Reihe von Rauschbeiträgen überlagert, welche die mögliche Magnetfeldauflösung des optischen Magnetometers einschränken.
Die ultimative Rauschbegrenzung der Magnetfeldmessung ist durch das Schrotrauschen des Photoempfängers gegeben, das der Anzahl der auftreffenden Photonen, also dem Photostrom proportional ist. Diese schrotrauschbegrenzte Auflösung wird oft als die intrinsische Auflösung des optischen Magnetometers bezeichnet und stellt den theoretischen oder unter idealen Messbedingungen erreichbaren Wert dar. Im praktischen Einsatz wird die Magnetfeldauflösung aber durch zusätzliche Rauschquellen verschlechtert.
Zwei Quellen tragen im praktischen Einsatz wesentlich zum Rauschen bei. Dies sind das Rauschen der Pumplichtquelle (einer Gasentladungslampe oder heutzutage meist eines auf die Pumpwellenlänge abzustimmenden Lasers) und das Rauschen des Magnetfeldes. Die beiden Quellen tragen auf verschiedene Weise ihr Rauschen in das Messsignal ein. Das Magnetfeld und damit auch dessen Rauschen wird mit der Lamorfrequenz gemischt und findet sich um diese Frequenz wieder. Die Pumplichtquelle trägt ihr Rauschen zusätzlich in diesen Frequenzbereich ein. Dies führt zu einer merklichen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses gegenüber dem idealen, allein schrotrauschbegrenzten Wert im Bereich der Lamorfrequenz. Nach einer Demodulierung der Signale finden sich beide Rauschbeiträge im Frequenzbereich der zu messenden Magnetfelder wieder. Vorstehende Probleme sind ausführlich untersucht und erläutert in den Arbeiten S. Groeger, A. S. Pazgalev, A. Weis, Appl. Phys. B 80, 645–654, 2005 und S. Groeger, G. Bison, J. -L. Schenker, R. Wynands, A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239–247, 2006.
In allen bekannten Realisierungen optischer Magnetometer ist die im praktischen Einsatz erreichte rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung deutlich schlechter als der intrinsische, schrotrauschbegrenzte Wert. Dies wird durch Rauschen der Lichtquelle und des Magnetfeldes hervorgerufen.
Der Einfluss des Pumplichtrauschens ist prinzipiell eliminierbar, erfordert aber dafür einen großen Aufwand bei der Stabilisierung der Lichtquelle, den man gern vermeiden möchte. Das Magnetfeld enthält immer Fluktuationen, die über die Frequenzmischung an der Larmorfrequenz dem Messsignal überlagert sind. Dies gilt sowohl für das natürliche Erdfeld als auch künstlich erzeugte Magnetfelder mittels Spulensystemen. Entsprechend E. B. Alexandrov, M. V. Balabas, A. K. Vershovski, A. S. Pazgalev, Technical Physics 49, 779–783, 2004 konnte nur unter magnetisch extrem ruhigen Messbedingungen einmal die tatsächliche Auflösung optischer Magnetometer bis auf einen, allerdings immer noch um den Faktor 10 schlechteren Wert als die intrinsische Auflösung gebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss des Rauschens der Pumplichtquelle und, bei entsprechendem Schaltungsaufbau, des Magnetfelds auf die rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung von optischen Magnetometern zu verringern und dem intrinsischen, schrotrauschbegrenzten Wert anzunähern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte und weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei Verwendung eines an sich bekannten optischen Magnetometers, mit den an sich dort üblichen Baugruppen, die Anordnung erfindungsgemäß dahingehend verändert ausgeführt ist, dass von der gleichen Lichtquelle, neben der üblichen Alkalidampfzelle eines Magnetometers, eine zweite Alkalidampfzelle mit Licht beaufschlagt wird, die einem dem Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet ist, wobei diese zweite Alkalidampfzelle einem von die ersten Alkalidampfzelle des Magnetometers erfassenden Magnetfeld abweichendem Magnetfeld ausgesetzt ist, und welcher ebenfalls ein Photodetektor nachgeordnet ist und die verstärkten Signale des ersten Photodetektors und des zweiten Photodetektors unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer zugeordneten Phasendetektor zugeführt wird, der mit einem Frequenzgenerator in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle des Magnetometers mit einem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, den als Referenzweg dienenden zweiten Zweig der Anordnung, unter ansonsten gleicher vorstehend beschriebener Anordnung, ebenfalls als Magnetometer zu gestalten, was in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 den prinzipiell bekannten Aufbau eines Gradiometers, bestehend aus zwei optischen Magnetometern nach dem bekannten Stand der Technik;
2 eine erste grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung eines rauschkompensierten optischen Magnetometers;
3 eine Anordnung bestehend aus zwei Magnetometern unter Einbeziehung der speziellen Lösung nach 2, hier in weiterer Verschaltung zu einem Gradiometer;
4 eine zweite grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung eines rauschkompensierten optischen Magnetometers, hier in weiterer Verschaltung zu einem Gradiometer und
5 eine beispielhafte Darstellung der Lage der Larmorfrequenzen, die den Signalen der beiden in 4 dargestellten Alkalizellen entsprechen und in 5 unten im gleichen Photosignal enthalten sind.
1 zeigt den üblichen Aufbau zur Signalverarbeitung bei einem Gradiometer, gebildet aus zwei optischen Magnetometern, bezeichnet mit M₁, M₂ (Kanal 1 und Kanal 2), nach dem Stand der Technik. Licht eines Lasers 1 gelangt über nicht näher bezeichnete Strahlteiler und Umlenkspiegel in je eine Alkalidampfzelle 2a und 2b. Diesen sind jeweils Photodetektoren 4a, 4b und Phasendetektoren 6a, 6b nachgeordnet, deren verstärkte Signale erst danach einem elektronischen Differenzbildner 5 in Form üblicher Operationsverstärker mit Subtraktionsfunktion zugeleitet werden, um ein Gradiometersignal G zu erhalten. Mit den Phasendetektoren 6a, 6b stehen jeweils Frequenzgeneratoren 7a, 7b in Verbindung, die die jeweiligen Alkalidampfzellen 2a, 2b mit einem magnetischen Wechselfeld B₁ ⁽¹⁾, B₁ ⁽²⁾ bei der Lamorfrequenz beaufschlagen. Im optisch gepumpten Magnetometer tritt jedoch hauptsächlich Rauschen auf, das von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle hervorgerufen wird, die bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen umgewandelt werden. Dieses Rauschen ist mit einer Anordnung nach dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik jedoch nicht zu beseitigen.
Die erfindungsgemäß weiter unten vorgeschlagenen Anordnungen bauen auf diesem bekannten Gradiometerprinzip auf. Ein solches Gradiometer verwendet zwei optische Magnetometer, die an unterschiedlicher Stelle im zu messenden Magnetfeld angeordnet sind und deren Ausgangssignale subtrahiert werden. Auf diese Weise werden gleiche Werte des Magnetfeldes, die an den Orten der beiden Magnetometer vorliegen, eliminiert und nur Unterschiede detektiert. Dies gilt allerdings nur für die direkt gemessenen Werte des Magnetfeldes. Die Rauschbeiträge vom Pumplicht, die von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle hervorgerufen werden, bleiben im Signal erhalten. Dieses wird erst bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen umgewandelt, das danach bei verschiedenen Zellen nicht mehr korreliert ist, also nicht mehr durch die Subtraktion der Magnetometersignale eliminiert werden kann und die Auflösung verschlechtert.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, vor der Demodulierung der mit der Larmorfrequenz gemischten Signale die beiden Photosignale voneinander zu subtrahieren. Auf diese Weise wird auch ein Großteil der auf den Photodiodensignalen liegenden Fluktuationen des Photostromes, die vom Rauschen des Pumplichts herrühren, eliminiert. Danach verwenden beide Auswerteelektroniken dieses gemeinsame Differenzsignal.
In 2 ist eine erste grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung eines rauschkompensierten optischen Magnetometers, zum leichteren Verständnis anhand nur eines Magnetometers M₁, dargestellt. Analog zum Stand der Technik gelangt das Licht, bspw. eines Lasers 1, in eine erste Alkalidampfzelle 2a und in einen ihr nachgeordneten Photodetektor 4a. Zugleich ist gemäß der Erfindung eine zweite Alkalidampfzelle 3 in einem dem Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet, wobei diese zweite Alkalidampfzelle 3 einem von die erste Alkalidampfzelle 2a beaufschlagendem von diesem abweichenden Magnetfeld ausgesetzt ist. Dieser zusätzlichen Alkalidampfzelle 3 ist ebenfalls ein Photodetektor 3a nachgeordnet und die verstärkten Signale des ersten Photodetektors 4a und des zweiten Photodetektors 3a werden unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner 5 zugeführt und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer zugeordneten Phasendetektor 6a zugeführt, der mit dem Frequenzgenerator 7a in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle 2a mit dem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld B₁ ⁽¹⁾ beaufschlagt. Auf die beiden Alkalidampfzellen 2a und 3 wirkt ansonsten noch das Messfeld B₀, welches auf die Zelle 3, gemäß der Erfindung, ausschließlich wirkt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in 3 eine Anordnung bestehend aus zwei Magnetometern M₁, M₂ unter Einbeziehung der speziellen Lösung nach 2 und Verschaltung zu einem Gradiometer G schematisch dargestellt. Der in 3 strichliniert umfasste Bereich I entspricht dabei identisch der Ausführung nach 2 und man sieht leicht, dass der mit anderer Linienform umfasste Bereich II ein Spiegelbild dessen ist. Die zusätzlich vorgesehene Alkalidampfzelle 3, die ausschließlich dem Messfeld B₀ und keinem weiteren magnetischen Feld ausgesetzt ist, dient über den Photodetektor 3a zur Referenzsignalbildung, welche im Beispiel für zwei Magnetometer M₁ und M₂ zur Verfügung steht. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, weitere Magnetometerzweige M_n vorzusehen, die alle jeweils mit dem nur einmal vorgesehenen Referenzzweig (3; 3a), elektronischen Differenzbildnern 5a bis 5n in paarige Verbindung gebracht sind. Um im Beispiel zu bleiben, wird hier nur auf zwei Magnetometer Bezug genommen, so dass dem elektronischen Differenzbildner 5a des ersten Magnetometers der Phasendetektor 6a nachgeordnet ist und dieser mit dem Frequenzgenerator 7a in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle 2a über eine Spule mit dem Wechselfeld B₁ ⁽¹⁾ bei der Lamorfrequenz beaufschlagt. Identisch erfolgt die Verschaltung des zweiten Magnetometers M₂ über die Baugruppen 6b, 7b und die Beaufschlagung der Alkalidampfzelle 2b mit dem Wechselfeld B₁ ⁽²⁾ bei der Lamorfrequenz. Wie aus 3 ebenfalls ersichtlich ist, können die beiden Magnetometersignale, wie bei Verwendung anderer Schaltungen auch üblich, über einen weiteren elektronischen Differenzbildner, hier 8, zu einem Gradiometer G verschaltet werden.
Eine weitere grundsätzliche Möglichkeit zur Schaffung eines rauschkompensierten optischen Magnetometers ist in 4 schematisch dargestellt. Hier wird die Vorgabe, dass zwei in Relation zueinander gesetzte Alkalidampfzellen einem voneinander unterschiedlichem Magnetfeld ausgesetzt werden sollen, dadurch realisiert, dass alle Zweige als Magnetometer mit jeweils allen genannten Baugruppen ausgeführt sind, wobei in diesem Beispiel die Alkalidampfzelle 2b des zweiten Wegs mit einem zusätzlichen, definiert einstellbaren, statischen äußeren Magnetfeld (ΔB₀) beaufschlagt ist und die Ausgänge der den beiden Alkalidampfzellen 2a, 2b nachgeordneten Photodetektoren 4a, 4b unmittelbar anschließend, analog 2, einem elektronischen Differenzbildner 5 zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf die den Magnetometern M₁, M₂ (Kanal 1, Kanal 2) zugeordneten Phasendetektoren 6a, 6b, zugeführt werden, die über die jeweiligen Frequenzgeneratoren 7a, 7b die Alkalidampfzellen 2a, 2b mit dem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld B₁ ⁽¹⁾, B₁ ⁽²⁾ mit der Lamorfrequenz beaufschlagen.
Für vorstehendes Beispiel zeigt 5 das Rauschen der Signale sowohl nach den beiden Photoempfängern 4a, 4b als auch nach der Subtraktion der beiden Signale durch den elektronischen Differenzbildner 5 (in der Darstellung von oben nach unten). Die beiden Peaks in den Photosignalen sind bei den Larmorfrequenzen der beiden Kanäle, die sich entsprechend der Relation f_L = γ·B₀ aus etwas unterschiedlichen Magnetfeldern B₀ an den Orten der beiden Magnetometer ergeben. Das darunterliegende Rauschniveau ist bei den Einzelsignalen deutlich erhöht und spiegelt das Rauschen des Pumplichts wider. Im Differenzsignal ist dieses eliminiert, so dass das Schrotrauschen weitestgehend erreicht werden kann. Dies wird im drastisch verringerten weißen Rauschen der Magnetfeldmessung reflektiert.
In der bei Gradiometern üblichen nachfolgenden Differenzbildung 8 (vgl. 4), nach der Demodulierung durch die Phasendetektoren 6a und 6b, werden die bei den Magnetometersignalen noch überlagerten direkten niederfrequenten Rauschanteile zusätzlich weitgehend eliminiert. Letzteres gilt analog zur Ausführung nach 3.
Bei der neuen erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 4 sind nun beide Peaks (den beiden Larmorfrequenzen der zwei Alkalizellen entsprechend) im gleichen Photosignal enthalten (5 unten). Damit die Elektroniken der beiden Magnetometer auf ihrem jeweiligen Peak stabil arbeiten können, müssen diese genügend weit auseinander liegen. In 5 sind dies beispielsweise etwa 200 Hz. Entsprechend der Relation f_L= γ·B₀ entspricht dies der Forderung, Mittel vorzusehen, die einen Unterschied ΔB₀ zwischen den Magnetfeldern an den Orten der beiden Alkalizellen einzustellen gestatten.
Damit die Separation zweier Larmorfrequenzen aus einem gemeinsamen Photosignal gewährleistet ist, müssen die Larmorfrequenzen soweit auseinander liegen, dass zwei Bedingungen erfüllt sind: Zum einen müssen die Peaks des gemeinsamen Photosignals von den einzelnen Elektroniken getrennt aufgelöst werden können. Bei Peakbreiten von 10 Hz beispielsweise sollte der Mindestabstand also 20 Hz betragen. Zum anderen muss gewährleistet sein, dass im Messfeld auftretende Gradienten nicht zu einer Zusammenführung der Larmorfrequenzen führen. Erwartet man also beispielsweise Gradienten von maximal 30 nT, so werden entsprechend der Relation f_L = γ·B₀ z. B. bei Cäsium als Alkalidampf mit seinem gyromagnetischen Faktor von 3,5 kHz/μT die Larmorfrequenzen 100 Hz verschoben sein. Diesen Abstand muss man dann also zusätzlich mindestens vorhalten.
Nachfolgend werden einige Möglichkeiten zur Erzeugung dieses Magnetfeldunterschiedes beispielhaft vorgestellt:

– In der Nähe eines der beiden Magnetometer (in 4 ist dies die Zelle 2b) wird eine geringe Menge von Material angebracht, das entweder einen eigenen Magnetismus aufweist oder das äußere Magnetfeld entweder verdrängt oder fokussiert. Im ersten Fall (bspw. Einsatz eines Permanentmagneten) wird ein konstanter Beitrag zum äußeren Feld addiert, im zweiten Fall wird ein Teil des äußeren Magnetfeldes zusätzlich zur Alkalidampfzelle hin oder von ihr weg gelenkt. In jeder dieser Realisierungsvarianten wird das resultierende Magnetfeld an der Zelle davon abhängig sein, wie das äußere Magnetfeld B₀ zur Zelle orientiert ist, da sich die einzelnen Magnetfelder vektoriell addieren und sich daher die Resultierende mit unterschiedlicher Lage der Einzelfelder zueinander verändert. Diese Lösung ist daher bevorzugt für Anordnungen geeignet, die eine feste Orientierung gegenüber dem Erdfeld oder einem künstlich erzeugten Messfeld haben, also für stationäre Messsysteme.
– Das zusätzliche Feld für eine der beiden Zellen (2a oder 2b in 4) kann durch eine stromdurchflossene Spule in der Nähe dieser Zelle erzeugt werden. Nachteilig hieran ist jedoch, dass dann das Rauschen des Stromes auf die Magnetometerzelle aufgeprägt wird. Diesen Nachteil kann man weitestgehend vermeiden, wenn man beide Zellen mit Spulen versieht, die vom gleichen Strom durchflossen werden, aber so geringfügig unterschiedlich ausgelegt sind, dass die geforderte Differenz der Magnetfelder realisiert wird. Ebenso kann für beide Magnetometer ein gemeinsames Feld erzeugt werden, das einen leichten Gradienten aufweist. Ebenso im Rahmen der Erfindung liegt, eine der beiden Spulen zusätzlich mit einem definierten Gleichstromanteil zu beaufschlagen. Auch diese Anordnungen benötigen eine feste Orientierung gegenüber dem äußeren Magnetfeld, sind also für stationäre Messsysteme geeignet.
– Eine richtungsunabhängige Erzeugung leicht unterschiedlicher Felder kann man weiterhin erreichen, wenn eine der beiden Alkalidampfzellen von einem hier nicht dargestellten Hohlkörper (bspw. einer Kugel) umhüllt wird, die mit einem Material versehen ist, welches das Magnetfeld geringfügig dämpft. Dafür geeignet hat sich ein Mn-Zn-Ferrit-Pulver erwiesen. Der Dämpfungsfaktor kann über die Materialauswahl und Dicke eingestellt werden.

Die Vorteile und die einfache Art der Realisierung von Lösungen, gemäß vorliegender Aufgabenstellung, werden besonders deutlich, wenn man rückschauend dazu einen Vergleich mit bekannten Detaillösungen nach dem Stand der Technik vornimmt.
Die Subtraktion der Photoströme nach den Alkalidampfzellen, wie in vorliegender Erfindung vorgeschlagen, ist dem bekannten Stand der Technik nicht zu entnehmen. Es sind nur Lösungen zur Minderung des Rauschens der Strahlungsquelle allein bekannt, realisiert durch zwei zueinander balancierte Photoempfänger: „A Survey of Methods Using Balanced Photodetection", New Focus Appl. Note 14, 2002. Bei dieser Lösung wird allein das Amplitudenrauschen des Lichtes vermindert. Im optisch gepumpten Magnetometer tritt jedoch hauptsächlich Rauschen auf, das von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle hervorgerufen wird, die bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen umgewandelt werden. Es kann erst durch die erfindungsgemäße Subtraktion der Signale nach den Alkalidampfzellen die gewünschte Verminderung des dadurch hervorgerufenen Rauschens ohne sonstigen weiteren Aufwand erzielt werden.
Auch die Methoden zur gezielten Einstellung der geforderten unterschiedlichen Magnetfelder sind so und für den vorgesehenen Verwendungszweck dem bekannten Stand der Technik nicht entnehmbar. Der Einsatz magnetischer Materialien zur Führung magnetischer Flusslinien ist zwar grundsätzlich bekannt (z. B. S. A. Gudoshnikov, B. Y. Liubimov, L. V. Matveets, A. P. Mikhailenko, Y. V. Deryuzhkina, Y. S. Sitnov, O. V. Snigirev, Physica C 368 (1–4), 66–69, 2002), aber die gezielte Erzeugung lokal unterschiedlicher Magnetfelder mit diesen Mitteln ist neu. Ebenso gibt es Anordnungen von Magnetfeldsensoren, die eine gemeinsame Rückkopplung eines äußeren Magnetfeldes einsetzen (z. B. R. H. Koch, J. R. Rozen, J. Z. Sun, W. J. Gallagher, Appl. Phys. Lett. 63, 403–405, 1993), aber stets wird dort auf die Erzeugung gleicher Felder an den Orten aller Magnetometer abgestellt.
Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet bevorzugt mindestens zwei optische Magnetometer, die mit der gleichen Quelle gepumpt werden, nämlich einer Gasentladungslampe, gefüllt mit dem gleichen Material wie die Alkalidampfzellen, oder einen Laser, dessen Wellenlänge entsprechend abgestimmt ist. Die Signale von jeweils zwei wie beschrieben nachgeordneten Photoempfängern werden subtrahiert und in den nachfolgenden Elektroniken wiederum separat ausgewertet. Diese Magnetometersignale können bereits separat ausgegeben werden. Man erhält so Signale mit deutlich geringerem weißem Rauschen als dies bei Magnetometern ohne die erfindungsgemäße Subtraktion der Photodiodensignale am vorgeschlagenen Ort innerhalb der Anordnung der Fall ist. Werden die Ausgangssignale der beiden Magnetometer zusätzlich noch subtrahiert, also ein Gradiometer gebildet, wird auch das niederfrequente Rauschen des Magnetfeldes erheblich verringert.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden einer Phasensynchronisation bekannt, nämlich die M_x- und M_z-Methode, bei der ein Wechselfeld B₁ eingesetzt wird, dessen Frequenz an die Larmor-Frequenz angepasst wird, die Nichtlineare Magneto-Optische Rotation (NMOR) und die Bell-Bloom-Methode, bei denen die Amplitude des Pumplichts mit der Larmor-Frequenz moduliert wird. Um die Präzessionsfrequenz zu messen, wird der Photostrom eines Photoempfängers ausgewertet, auf den das Pumplicht nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun bis zu einem gewissen Anteil mit der Larmor-Frequenz moduliert, auftrifft. Die erfindungsgemäße Anordnung für die Rauschminderung ist unabhängig von vorstehenden Methoden für diese Modulation und Demodulation einsetzbar. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber wurde in Vorstehendem, ohne die Erfindung daraus zu beschränken, nur die M_x-Methode beispielhaft gewählt. Hier ist eine gängige Methode für die Demodulation der Magnetfeldinformation vom Frequenzbereich um die Larmor-Frequenz zu den originalen Frequenzen, einen Lock-in-Verstärker als Phasendetektor einzusetzen und den Generator für die Referenzfrequenz auf die Larmor-Frequenz abzustimmen. Alternative andere technische Umsetzungen der erfindungsgemäßen Grundidee liegen für den Fachmann auf der Hand.

1: Lichtquelle
2a, 2b: Alkalidampfzellen
3: Alkalidampfzelle im Referenzweg
3a: Photodetektor im Referenzweg
4a, 4b: Photodetektoren
5, 5a, 5b: elektronische Differenzbildner
6a, 6b: Phasendetektoren
7a, 7b: Frequenzgeneratoren
8: weiterer elektronischer Differenzbildner
B₁ ⁽¹⁾, B₁ ⁽²⁾: magnetische Wechselfelder
ΔB₀: statisches äußeres Magnetfeld
M₁, M₂: Magnetometer
G: Gradiometer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- S. Groeger, A. S. Pazgalev, A. Weis, Appl. Phys. B 80, 645–654, 2005 [0004]
- S. Groeger, G. Bison, J. -L. Schenker, R. Wynands, A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239–247, 2006 [0004]
- E. B. Alexandrov, M. V. Balabas, A. K. Vershovski, A. S. Pazgalev, Technical Physics 49, 779–783, 2004 [0006]
- „A Survey of Methods Using Balanced Photodetection”, New Focus Appl. Note 14, 2002 [0028]
- S. A. Gudoshnikov, B. Y. Liubimov, L. V. Matveets, A. P. Mikhailenko, Y. V. Deryuzhkina, Y. S. Sitnov, O. V. Snigirev, Physica C 368 (1–4), 66–69, 2002 [0029]
- R. H. Koch, J. R. Rozen, J. Z. Sun, W. J. Gallagher, Appl. Phys. Lett. 63, 403–405, 1993 [0029]

Claims

Anordnung zur Rauschminderung bei optischen Magnetometern, beinhaltend wenigstens ein Magnetometer, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einer Alkalidampfzelle (2a) mit nachgeordnetem Photodetektor (4a) und Phasendetektor (6a), wobei letzterer mit einem Frequenzgenerator (7a) in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle (2a) mit einem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld (B₁ ⁽¹⁾) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass mit Licht von der gleichen Lichtquelle (1) beaufschlagt, eine zweite Alkalidampfzelle (3) in einem dem Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet ist, wobei diese zweite Alkalidampfzelle (3) einem von die erste Alkalidampfzelle (2a) erfassenden Magnetfeld abweichenden Magnetfeld ausgesetzt ist, der ebenfalls ein Photodetektor (3a) nachgeordnet ist und die verstärkten Signale des ersten Photodetektors (4a) und des zweiten Photodetektors (3a) unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner (5) zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer zugeordneten Phasendetektor (6a) zugeführt wird, der mit dem Frequenzgenerator (7a) in Verbindung steht, welcher die zum Magnetometerzweig gehörige Alkalidampfzelle (2a) mit dem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld (B₁ ⁽¹⁾) beaufschlagt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweig, in dem die zweite Alkalidampfzelle vorgesehen ist, ebenfalls als Magnetometer mit allen genannten Baugruppen ausgeführt ist, wobei diese Alkalidampfzelle (2b) des zweiten Magnetometerzweigs mit einem zusätzlichen, definiert einstellbaren, statischen äußeren Magnetfeld (ΔB₀) beaufschlagt ist und die Ausgänge der den beiden Alkalidampfzellen (2a, 2b) nachgeordneten Photodetektoren (4a, 4b) unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner (5) zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf die den Magnetometern (Kanal 1, Kanal 2) zugeordneten Phasendetektoren (6a, 6b), zugeführt werden, die über die jeweiligen Frequenzgeneratoren (7a, 7b) die Alkalidampfzellen (2a, 2b) mit dem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld (B₁ ⁽¹⁾, B₁ ⁽²⁾) beaufschlagen.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das statische äußere Magnetfeld (ΔB₀) erzeugt wird, indem in der Nähe der zweiten Alkalidampfzelle (2b) ein Permanentmagnet oder Material, das das auf die Alkalidampfzelle einwirkende Magnetfeld fokussiert oder verdrängt, angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das statische äußere Magnetfeld (ΔB₀) erzeugt wird, indem die zweiten Alkalidampfzelle (2b) von einem Hohlkörper umhüllt ist, der mit einem Material, wie einem Mn-Zn-Ferrit-Pulver, versehen ist, welches das auf die Alkalidampfzelle einwirkende Magnetfeld dämpft.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das statische äußere Magnetfeld (ΔB₀) erzeugt wird, indem die auf die zweite Alkalidampfzelle (2b) einwirkende Spule zusätzlich mit einem definierten Gleichstromanteil durchflossen wird, so dass sich zum durch die Spule erzeugten magnetischen Wechselfeld (B₁ ⁽²⁾) ein definiert einstellbares statisches Magnetfeld (ΔB₀) addiert.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die zweite Alkalidampfzelle (3) erzeugte Signal mehreren elektronischen Differenzbildnern (5), entsprechend verstärkt, zugeführt wird, so dass an die jeweiligen Differenzbildner (5a, 5b) jeweils ein weiterer Magnetometerzweig anschließbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die zweite Alkalidampfzelle (2b) des zweiten Zweigs, die mit einem zusätzlichen, definiert einstellbaren, statischen äußeren Magnetfeld (ΔB₀) beaufschlagt ist, erzeugte Signal mehreren elektronischen Differenzbildnern (5) entsprechend verstärkt zugeführt wird, so dass an die jeweiligen Differenzbildner (5a, 5b) jeweils ein weiterer Magnetometerzweig anschließbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Phasendetektoren (6a, 6b) erzeugten Ausgangssignale zweier optischer Magnetometer (M₁, M₂), die an unterschiedlichen Stellen im zu messenden Magnetfeld (B₀) angeordnet sind, durch einen weiteren elektronischen Differenzbildner (8) zu einem Gradiometer (G) verschaltet sind.