DE69318193T2 - Resonanz-Magnetometer mit optischen Pumpen, das einen monolithischen Laser verwendet - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung hat ein optisch gepumptes Resonanzmagnetometer zum Gegenstand, das einen monolithischen Laser verwendet. Sie findet eine Anwendung beim genauen Messen schwacher Magnetfelder (typisch in dem den Werten des Erdmagnetfelds entsprechenden Bereich von 20 bis 70 uT).
Stand der Technik
• Das Magnetometer der Erfindung gehört zu der Kategorie der sogenannten Resonanzmagnetometer, die allgemein beschrieben werden in dem Artikel von F. HARTMAN mit dem Titel "Resonance Magnetometers", veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Magnetics", Bd. MAG-8, Nr. 1, März 1972, SS. 66- 75.
• Ein Resonanzmagnetometer ist eine Vorrichtung, die, wenn sie sich in einem Magnetfeld Bo befindet, ein elektrisches Signal mit der Frequenz F liefert, deren Wert mit Bo verknüpft ist durch die sogenannte LARMOR-Gleichung:
• F = γBo
• wo γ ein gyromagnetisches Verhältnis ist (eines Elektrons oder eines Nukleons, je nach verwendeter Substanz). Für das Elektron ist dieses Verhältnis z.B. gleich 28Hz/nT.
• Bei dieser klassischen Vorrichtung nimmt das optisch gepumpte Magnetometer einen bevorzugten Platz ein. Der generelle Aufbau eines solchen Magnetometers ist schematisch in Figur 1 dargestellt.
• Eine Zelle 10, wenigstens partiell transparent, ist mit einem Gas 12 gefüllt, im allgemeinen Helium (Isotop 4) mit einem Druck von 1 bis einige Torr (1 Torr = 133,322 Pa). Eine Lichtquelle 14 liefert einen Lichtstrahl 15, dessen Wellenlänge im Falle von Helium bei 1,1um liegt. Dieser Strahl dringt in die Zelle 10 ein.
• Außerdem wird in dem Gas durch nicht dargestellte geeignete Einrichtungen eine Hochfrequenzentladung erzeugt ("weich" oder "sanft" genannt). Diese Entladung produziert Atome in einem metastabilen Zustand (2³S&sub1; im Falle von Helium). Der einfallende Lichtstrahl 15 "pumpt" diese Atome aus dem metastabilen Zustand in einen anderen, angeregten Zustand (23p).
• Bei Vorhandensein eines Magnetfelds Bo unterteilen sich die Energieniveaus in Teilniveaus, ZEEMAN-Niveaus genannt. Eine Hochfrequenzresonanz zwischen derartigen Teilniveaus kann hergestellt werden durch ein Hochfrequenzfeld (magnetische Resonanz) oder durch eine Modulation des Lichts (optische Doppelresonanz). Im Falle von Helium und für das Isotop 4 etabliert sich die Resonanz zwischen zwei elektronischen ZEEMAN- Teilniveaus des metastabilen Zustands. Diese Resonanz wird nachgewiesen durch diverse, dem Fachmann bekannte elektronische Einrichtungen, in Figur 1 schematisiert durch einen Photodetektor 16, Verarbeitungseinrichtungen 18 und eine Einrichtung 20 zum Messen der Frequenz des verarbeiteten elektrischen Signals. Da die vorliegende Erfindung diese Einrichtungen nicht umfaßt, ist es überflüssig, sie im Detail zu beschreiben. Jede bekannte Einrichtung ist geeignet. Beispielsweise kann man sich auf die Serie von vier durch den vorliegenden Anmelder angemeldeten Patenten beziehen, nämlich FR-A-2 663 429, FR-A-2 663 430, FR-A-2 663 431 und FR-A-2 663 432, die diverse Anordnungen beschreiben, die zum Messen der Frequenz F benutzt werden können.
• Wenn die Frequenz F gemessen ist, leitet man davon durch die Relation Bo = F/γ unmittelbar den Wert Bo des Umgebungsmagnetfelds ab.
• Die bei dieser Anwendungsart benutzte Lichtquelle muß sehr spezielle Eigenschaften aufweisen.
• Erstens muß sie mit einer Wellenlänge abstrahlen, die um den 2³S&sub1;-2³p-Übergang des Heliums herum abstimmbar ist. Diese Wellenlänge muß anschließend auf einer der Linien dieses Übergangs stabilisiert werden, z.B. der Linie Do im Falle des Isotops 4 des Heliums.
• Wichtig ist außerdem, daß der diese Quelle bildende Laser nur mit dieser einen Wellenlänge abstrahlt, denn die Moden mit Wellenlängen, die sich von der des gewählten Übergangs unterscheiden, würden zu einer Verschlechterung der Leistungen des Magnetometers führen: Erhöhung des Amplitudengeräusches des Lasers, Auftreten von Modalgeräusch, eventuelle Resonanzfrequenzverschiebungen in Verbindung mit Verschiebungen der Energieniveaus der Heliumatome unter der Wirkung nicht-mitschwingender bzw. verstimmter optischer Wechselwirkung, Verringerung der Effizienz des optischen Pumpens, etc. ....
• Die ganze Energie muß deswegen in dem Bereich der Wellenlänge abgestrahlt werden, die dem gewählten Übergang entspricht, was z.B. bei Umgebungstemperatur für die Linie Do des Heliums einem Frequenzband in der Größenordnung 2GHz entspricht.
• Schließlich muß die Quelle ihrer Umgebung gegenüber unempfindlich sein, ebenso thermisch wie mechanisch.
• Aus all diesen Gründen wurden die traditionellen Heliumlampen ersetzt durch optisch gepumpte Festkörperlaser. So kennt man aus dem Dokument FR-A-598 518 (oder seiner europäischen Entsprechung EP-A-0 246 146) ein Magnetometer, wo der Laser ein LNA-Laser (Lanthan-Neodym-Aluminat-Laser) ist. Man kann sich ebenfalls beziehen auf den Artikel von L.D. SCHAERER et al. mit dem Titel "Tunable Lasers at 1080nm für Helium Optical Pumping", veröffentlicht in J. Appl. Phys. 68 (3), 1. August 1990, SS. 943- 949, oder auch den Artikel von L.D. SCHAERER et al. mit dem Titel "LNA : A New Cw Nd Laser Tunable Around 1.05 und 1.08 um", veröffentlicht in IEEE J. of Quant. Electronics, Bd. QE-22, Nr. 5, Mai 1986, SS. 713-717.
• Bei den vorhergehenden Techniken ist der benutzte Festkörperlaser mit zahlreichen Einrichtungen verbunden, wie schematisch in Figur 1 dargestellt. In dem dargestellten Beispiel umfaßt der Festkörperlaser, der optisch durch eine einer Abbildungs- und Fokussierungsoptik L1, L2 zugeordnete Quelle LD gepumpt wird:
• - einen das Verstärkermedium bildenden Kristall A z.B. aus LNA von ungefähr 5mm Länge und 5mm Durchmesser; multidielektrische Schichten (Reflexionskoeffizient über 99% bei 1,08um und Transmissionskoeffizient von mehr als 95% für das Pumplicht) werden auf der Vorderseite dieses Kristalls abgeschieden, so daß dieser ebenfalls einen Eingangsspiegel M1 des Laserresonators bildet;
• - einen Ausgangsspiegel M2, wobei eine dichroitische Behandlung dieses Spiegels ermöglicht, die Emission des Lasers in das um 1,03 um herum zentrierte Band zu zwingen; das Fluoreszenzspektrum des LNA weist nämlich zwei Bänder um 1um herum auf, wobei das intensivere sich bei 1,054um befindet; die in Betracht gezogene multidielektrische Behandlung (Transmission von 50% für λ = 1,05um und Transmission von ungefähr 1,5% für λ= 1,08um) ermöglicht, den Laser daran zu hindern, plötzlich nahe der Wellenlänge des Hauptfluoreszenzbandes zu schwingen; man kann ebenfalls ein LYOT-Filter benutzen, das in der Figur mit LY bezeichnet ist;
• - ein oder mehrere Festkörper-Etalons E1 des FABRY- PEROT-Typs mit einer Dicke von einigen hundert Mikrometern (z.B. 150um und 200um), eingesetzt in den Resonator; diese FABRY-PEROT- Etalons spielen die Rolle der Wellenlängen-Selektionselemente; die Kontrolle ihrer Dicke und/oder ihrer Neigung (d.h. die Kontrolle der optischen Länge, der sie entsprechen) ermöglichen die Wellenlängenabstimmung des Lasers;
• - schließlich, um diese abgestrahlte Wellenlänge fein abzustimmen, ist die Fassung des Ausgangsspiegels M2 mit einem piezoelektrischen Paßstück P2 ausgestattet; man kann dann die Länge dieses Resonators leicht variieren und die Wellenlänge des Lasers in Übereinstimmung bringen mit dem Zentrum der in Betracht gezogenen Absorptionslinie (z.B. die Linie Do); durch diesen Zwischenteil wird im allgemeinen die Wellenlängenregelung des Laser aufgrund einer Fluoreszenzmessung einer Heliumzelle durchgeführt.
• Bei anderen Ausführungen, insbesondere beschrieben in dem schon zitierten Artikel von L.D. SCHEARER et al., kann der das Verstärkermedium bildende Kristall ersetzt werden durch eine mit Neodym dotierte optische Faser. Die allgemeine Struktur der Vorrichtung bleibt identisch mit der, die oben bezüglich des Falls des LNA-Lasers beschrieben wurde.
• Der Hauptnachteil dieser Magnetometer besteht in den Schwierigkeiten bezüglich der Stabilisierung der Emissionswellenlänge des Lasers. Diese Wellenlänge wird durch mehrere Parameter bestimmt, nämlich:
• - die Gesamtlänge des Resonators (die den Platz bzw. Raum der Moden des Resonators festlegt),
• - die Länge des Verstärkermediums (Kristall oder dotierte Faser), das oft einen FABRY-PEROT-Resonator bildet, der einen Etalon- Störeffekt verursacht,
• - die Dicke und Neigung der selektiven Elemente (E1, LY).
• Um den Lasereffekt auf dem gewünschten Übergang zu erhalten, empfiehlt sich ein simultanes Justieren all dieser Parameter, da die Veränderung eines beliebigen von ihnen sich unmittelbar durch eine Veränderung der durch den Laser emittierten Wellenlänge und eine Verschlechterung der Leistungen des Magnetometers auswirkt.
• Daher sind die Magnetometer, die derartige Laser verwenden, sehr empfindlich gegenüber ihrer Umgebung, insbesondere gegenüber mechanische Schwingungen oder gegenüber Temperaturschwankungen. Eine Temperaturschwankung wirkt sich nämlich durch Materialdehnung oder -schrumpfung aus, was eine Verschiebung der Wellenlänge zur Folge hat. So führt z.B. bei dem LNA-Kristall eine Temperaturveränderung Δ T zu einer Indexänderung von ungefähr 2,1.10&supmin;&sup5; ΔT.
• Dasselbe gilt für das FABRY-PEROT-Plättchen, wo diese beiden Parameter die Gesamtlänge des Resonators verändern. In der Praxis führt dies schließlich zu der Notwendigkeit, die Temperatur der verschiedenen Elemente des Resonators mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einigen hundertstel Grad zu kontrollieren.
• Ebenso ist es unerläßlich, die Gesamtlänge des Resonators durch Verschiebung des Ausgangsspiegels zu regeln.
• Schließlich kann man feststellen, daß solche Laser hohe Herstellungskosten haben: mehr als 100 000 FF beim gegenwärtigen Stand der Technik.
Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung besteht gerade darin, diese Nachteile zu vermeiden. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung zur Bildung des Lasers die Verwendung einer monolithischen Struktur vor, d.h. ein einziges Festkörperelement, das zugleich die Funktionen der Verstärkung und der Wellenlängenselektion erfüllt.
• Bei einer ersten Variante ist das einzige Festkörperelement ein Verstärkerkristall, dessen beiden Flächen mit reflektierenden Schichten überzogen sind und dessen Dicke so ist, daß der Laser in einer einzigen Longitudinalmode mit einer Wellenlänge schwingt, die das Gas der Zelle optisch pumpen kann.
• In diesem Fall muß das Fluoreszenzband des Kristalls die Wellenlänge des für das optische Pumpen des Gases in Betracht gezogenen Übergangs enthalten (z.B. λo=10829,081 Å, der Linie Do des Heliums entsprechend). Das optische Pumplicht wird auf den Kristall fokussiert, dessen Dicke so ist, daß der Laser konstruktionsbedingt ein Longitudinal-Einmoden-Laser ist. Diese Dicke variiert in Abhängigkeit von dem Wellenlängenbereich, um den herum der Kristall arbeiten soll. Je größer dieser Bereich ist, um so feiner bzw. dünner muß der Kristall sein. Die Spiegel des Resonators werden direkt auf diesem Kristall abgeschieden, von dem nur die Länge die emittierte Wellenlänge bestimmt. Zum Beispiel dient in dem Fall der Verwendung eines LNA-Kristalls die Eintrittsfläche als Unterlage für eine Multidielektrikumschichten- Behandlung, um einen Reflexionskoeffizienten von mehr als 99% bei 1,08um herzustellen und einen Transmissionskoeffizienten von mehr als 95 % für die Wellenlänge des optischen Pumpens; die Behandlung der Austrittsfläche ist derart, daß der Transmissionskoeffizient höher als 50% für 1,05 um ist und ungefähr einige Prozent für 1,08um.
• Bei einer zweiten Ausführungsart ist das einzige Festkörperelement eine optische Verstärkerfaser, wobei diese Faser über wenigstens einen Teil ihrer Länge durch ein Beugungsgitter mit einer solchen Teilung und Länge graviert bzw. geätzt ist, daß der Laser auf einer Wellenlänge schwingt, die geeignet ist, das Gas der Zelle optisch zu pumpen.
• Das Gitter kann mittels einer Technik in die Faser geätzt bzw. geritzt werden, die beschrieben ist in dem Artikel von M. DOUAY et al. mit dem Titel "Formation of Bragg Gratings in Germanium Doped Optical Fiber Using a Prism Interferometer", veröffentlicht in dem Journal de Physique, 4, (1991).
• Während bei der ersten Ausführungsart der einzige Parameter, der kontrolliert werden mußte, um sich zu versichern, daß der Laser mit der gewünschten Wellenlänge emittiert, die Länge des Kristalls war, muß bei dieser zweiten Ausführungsart die Gitterteilung beherrscht werden, um die durch den Laser emittierte Wellenlänge zu kontrollieren, da die Länge des Gitters die Breite der emittierten Moden bestimmt.
• Unabhängig von der Ausführungsart ermöglicht der Rückgriff bzw. die Beschränkung auf ein einziges Festkörperelement die Beseitigung aller oben genannten Nachteile des Stands der Technik.
• Man kann feststellen, daß zur Beseitigung dieser Nachteile eine andere Lösung hätte in Betracht gezogen werden können, darin bestehend, einen Halbleiterlaser zu benutzen, wie beschrieben in dem Dokument US-A-5,036,278, und nicht einen Festkörperlaser, gepumpt durch eine hinzugefügte Quelle. Aber der Rückgriff auf ein solches Lasersystem bringt andere Nachteile mit sich, z.B. die Schwäche der Lichtintensität und die Wellenlängenfluktuation in Abhängigkeit von dem Versorgungsstrom.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• - Die Figur 1, schon beschrieben, zeigt ein Magnetometer der vorhergehenden Technik;
• - die Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsart der Erfindung;
• - die Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsart der Erfindung;
• - die Figur 4 zeigt eine thermische Modulationseinrichtung der Wellenlänge;
• - die Figur 5 zeigt eine piezoelektrische Modulationseinrichtung der Wellenlänge im Falle der ersten Ausführungsart; und
• - die Figur 6 zeigt eine piezoelektrische Modulationseinrichtung der Wellenlänge im Falle der zweiten Ausführungsart
Detaillierte Darstellung einer Ausführungsart
• In Figur 2 sieht man ein erfindungsgemäßes Magnetometer mit schon in bezug auf die Figur 1 genannten Einrichtungen 10, 12, 15, 16, 18, 20 zur Bestimmung der LARMOR-Frequenz; erfindungsgemäß umfaßt das Magnetometer eine monolithische Einheit 30 mit einem Kristall 32 der Dicke e mit zwei Flächen 33 und 34, entsprechend bearbeitet, um die erforderlichen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten aufzuweisen, wie weiter oben erläutert. Die Einheit 30 wird durch eine Pumpquelle 35 angeregt, deren Bündel eventuell durch eine Einheit 36 geformt wird (insbesondere Fokussierlinsen umfassend und eventuell eine anamorphotische Einrichtung).
• Die Figur 3 zeigt ein Magnetometer nach der zweiten Ausführungsart, bei dem die monolithische Einheit 40 durch eine optische Faser 42 gebildet wird, von der wenigstens ein Teil der Oberfläche ein geätztes Gitter 44 mit der Teilung p und der Länge L aufweist. Die Faser wird wieder durch eine Pumpquelle 45 gepumpt, der eine Form- und Fokussiereinrichtung 46 zugeordnet ist.
• Unabhängig von der gewählten Ausführungsart kann es nützlich sein, die durch den Laser emittierte Wellenlänge auf einen Sollwert zu regeln, der dem Absorptions-Peak des verwendeten Gases entspricht. Dazu und entsprechend einer auf dem Gebiet der frequenzstabilisierten Laser bekannten Technik moduliert man die emittierte Wellenlänge bei niedriger Frequenz, detektiert die Auswirkungen dieser Modulation z.B. auf die Fluoreszenz des Gases und korrigiert die emittierte Wellenlänge, um sie auf einen Sollwert zu bringen.
• Um die Wellenlänge zu modulieren, können drei Einrichtungen benutzt werden, die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt sind.
• In Figur 4 bestehen diese Einrichtungen aus einer thermostabilisierten Zelle 50, versehen mit einer Heizwicklung 52, versorgt durch eine Stromquelle 54. Bei dieser Variante resultiert die Modifizierung der Wellenlänge aus einer Veränderung der Dicke des Kristalls 32.
• Die Figur 5 zeigt eine Anordnung des piezoelektrischen Typs, wo der Kristall 32 eingefügt ist zwischen einen piezoeletrischen Stab 62 und einen Anschlag 64 entsprechend einer Anordnung, beschrieben in dem Artikel von J.J. ZAYHOWSKI et al. mit dem Titel "Frequency-modulated Nd:YAG microchip Lasers", veröffentlicht in Optics Letters, Bd. 14, Nr. 12, 15. Juni 1989, SS. 618-620.
• Die Figur 6 schließlich betrifft die Faservariante und zeigt zwei piezoelektrische Stäbe 72, 74 mit einem Paßstück 76, wobei das Ganze ermöglicht, die Faser 42 zu verlängern oder zu verkürzen und so ihre Betriebswellenlänge durch Modifizierung der Gitterteilung zu modifizieren.

Claims (6)

1. Resonanz-Magnetometer mit optischem Pumpen, umfassend eine Zelle (10), gefüllt mit einem Gas (12), dessen Atome ein gyromagnetisches Verhältnis γ aufweisen,

einen Festkörperlaser (14) mit einem optisch durch eine Lichtquelle (LD, 35, 45) gepumpten Verstärkermedium (A) und mit Wellenlängen-Selektionseinrichtungen, um diesen Laser zu befähigen, einen Lichtstrahl zu emittieren, der das Gas (12) der Zelle (10) optisch pumpen kann,

Verarbeitungseinrichtungen (16, 18, 20) eines elektrischen Resonanzsignals mit einer LARMOR-Frequenz F= γBo, wo Bo ein magnetisches Umfeld bzw. Umgebungsfeld ist, in das die Zelle (10) eingetaucht ist und welches das zu messende Magnetfeld ist, wobei die Amplitude des magnetischen Umfelds bzw. Urngebungsfelds sich durch die Relation BO=F/γ von der Frequenz F ableitet,

wobei dieses Magnetometer dadurch gekennzeichnet ist, daß dieser Festkörperlaser ein einziges Festkörperelement (30, 40) umfaßt, das zugleich die Funktion der Verstärkung und die der Wellenlängenselektion erfüllt.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Element (30) des Festkörperlasers ein Verstärkerkristall (32) ist, dessen beiden Seiten (33, 34) mit reflektierenden Schichten überzogen sind und dessen Dicke (e) derartig ist, daß der Laser in einer einzigen Longitudinalmode schwingt, mit einer Wellenlänge, die fähig ist, das Gas (12) der Zelle (10) zu pumpen.

3. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Element des Festkörperlasers (40) eine optische Verstärkungsfaser (42) ist, wobei diese Faser über wenigstens einen Teil ihrer Länge mit einem Beugungsgitter (44) mit einer Teilung (p) und eine Länge (L) geätzt ist, so daß der Laser über eine Wellenlänge schwingt, die das Gas (12) der Zelle (10) optisch pumpen kann.

4. Magnetometer nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser Einrichtungen umfaßt, um bei Niederfrequenz die Emissionswellenlänge zu modulieren, und Einrichtungen, um die Wellenlänge auf einen Sollwert zu regeln.

5. Magnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Modulieren der Emissionswellenlänge des Lasers durch Einrichtungen (50, 52, 54) gebildet werden, die die Temperatur des einzigen Festkörperelements modulieren können.

6. Magnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Modulieren der Emissionswellenlänge durch Einrichtungen (62, 64, 72, 74, 76) gebildet werden, die fähig sind, auf das einzige Festkörperelement mechanische Druck- und Zugkräfte auszuüben.