ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
OPTICAL QUANTUM MAGNETOMETER

Настоящее изобретение относится к технике измерения магнитного поля, а именно к области квантовых магнитометров с оптической накачкой и детектированием и может найти применение для исследования магнитных полей биологического происхождения.
3
Одной из наиболее актуальных задач современной высокочувствительной магнитометрии является исследование магнитных полей биологического происхождения, в первую очередь - полей, генерируемых человеческим сердцем (магнитокардиография), мускулами (магнитомиография) и мозгом (магнитоэнцефалография). Этим обусловлена необходимость создания квантового магнитометра, характеризующегося чувствительностью на уровне десятков или даже единиц фТл в полосе один Гц, и быстродействием (200-600) Гц при объеме чувствительного элемента квантового магнитометра - квантового датчика в единицы см.
Известен радиочастотный атомный магнитометр (WO 2009079054, МПК G01R 33/26, опубл. 25.06.2009), содержащий ячейку в виде светопрозрачного контейнера со щелочным металлом, снабженного нагревателем для образования пара щелочного металла, генератор магнитного поля, выполненный с возможностью приложения статического магнитного поля к пару щелочного металла, первый источник линейно поляризованного света для оптической накачки пара щелочного металла, второй линейно поляризованный источник света, выполненный с возможностью пропускания света через пар щелочного металла, детектор поляризации света, выполненный с возможностью определения угла поляризации света второго линейно поляризованного источника после его прохождения через пар щелочного металла, и процессор, выполненный с возможностью определения компонентных частот при изменении угла поляризации.
Недостатками известного радиочастотного атомного магнитометра является использование радиочастотного магнитного поля, что исключает работу нескольких подобных датчиков в компактном массиве, а также использование двух лазерных лучей для накачки и детектирования.
Известен радиочастотный атомный магнитометр (US 20100289491, МПК G01R 33/44, опубл. 18.11.2010) включающий квантовый датчик в виде светопрозрачного контейнера со щелочным металлом и внутренним парафиновым покрытием, снабженного нагревателем, генератор магнитного поля, выполненный с возможностью приложения по существу статического магнитного поля к пару щелочного металла, источник линейно поляризованного лазерного излучения, выполненный с возможностью оптической накачки пара щелочного металла, детектор поляризации лазерного излучения, выполненный с возможностью определения угла поляризации линейно поляризованного лазерного излучения после его прохождения через пар щелочного металла, и процессор, выполненный с возможностью определения компонентных частот при изменении угла поляризации. При этом источник лазерного излучения выполнен с возможностью облучения пара щелочного металла лазерным излучением, линейно поляризованным вдоль магнитного поля. В известном магнитометре фазирование магнитных моментов осуществляют радиочастотным магнитным полем, а значение измеряемого магнитного поля определяют путем определения частоты свободной прецессии магнитных моментов при выключенной оптической накачке; при этом вторым лучом линейно поляризованного лазерного излучения, отстроенным по частоте от линии поглощения, производится измерение азимута поляризации прошедшего через квантовый датчик лазерного излучения.
Недостатком известного радиочастотного атомного магнитометра является использование радиочастотного магнитного поля, что исключает работу нескольких подобных датчиков в компактном массиве, а также использование двух лазерных лучей для накачки и детектирования.
Известен оптический квантовый магнитометр (WO2009073256, МПК G01R 33/26, опубл. 11.06.2009), включающий квантовый датчик в виде светопрозрачного контейнера со щелочным металлом и внутренним парафиновым покрытием, снабженного нагревателем, первый источник линейно поляризованного лазерного излучения, выполненный с возможностью оптической накачки пара щелочного металла, второй источник линейно поляризованного лазерного излучения, выполненный с возможностью пропускания лазерного излучения через пар щелочного металла, детектор для определения угла поляризации лазерного излучения второго источника, прошедшего через пар щелочного металла, электрооптический модулятор, содержащий модулятор Маха-Цендера, для модулирования частоты или амплитуды лазерного излучения первого источника в ответ на поляризацию, определенную детектором, и процессор, сконфигурированный для определения напряженности магнитного поля на основе частоты, определяемой счетчиком частоты. При этом поляризация лазерного излучения от первого источника не параллельна поляризации лазерного излучения от второго источника, лазерное излучение первого источника и второго источника поступает от одного лазера, первый и второй источник содержат поляризаторы, детектор поляризации лазерного излучения включает поляризатор Рошона и фотодетектор.
Недостатками известного оптического квантового магнитометра являются использование двух лазерных лучей для накачки и детектирования а также использование для оптической накачки атомов линейно поляризованного лазерного излучения, модулированного по амплитуде или частоте, что приводит к созданию выстраивания магнитных моментов атомов, а не их ориентации, и, как следствие, к недостаточной эффективности детектирования и к ухудшению точности измерения магнитного поля. Использование светопрозрачного контейнера с внутренним парафиновым покрытием ограничивает сверху диапазон рабочих температур датчика на уровне ~65°С, что при малых размерах датчика приводит к существенному снижению чувствительности.
Известен оптический квантовый магнитометр (US 8421455, МПК G01V 3/00, G01R 33/02, опубл. 16.04.2013), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптический квантовый магнитометр-прототип включает квантовый датчик в виде снабженного нагревателем стеклянного контейнера с внутренним антирелаксационным покрытием и с размещенным в нем щелочным металлом, лазер, генерирующий линейно поляризованное излучение, соединенный с первым входом модулятора Маха-Цендера и с устройством блокировки линии дихроичного пара щелочного металла, подключеным к входу блока управления лазером, управляемый генератор, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а выход подключен к второму входу модулятора Маха-Цендера, выходы квантового датчика через многомодовые волокна, фотодиоды и дифференциальный усилитель соединены с входом блока обработки сигналов.
Недостатками известного оптического квантового магнитометра-прототипа является использование для оптической накачки атомов линейно поляризованного лазерного излучения, модулированного по амплитуде или частоте, что приводит к созданию выстраивания магнитных моментов атомов, а не их ориентации, и, как следствие, к недостаточной эффективности детектирования и к ухудшению точности измерения магнитного поля; а также настройка частоты лазера на частоту оптического перехода в атомах с того же сверхтонкого уровня, на котором осуществляется выстраивание магнитных моментов, что не позволяет максимально эффективно и накачивать, и детектировать магнитный резонанс. Использование светопрозрачного контейнера с внутренним парафиновым покрытием ограничивает сверху диапазон рабочих температур контейнера на уровне ~65°С, что при малых размерах датчика приводит к существенному снижению чувствительности.
Задачей настоящего технического решения является разработка оптического квантового магнитометра, который бы обеспечивал повышение чувствительности и точности измерения магнитного поля при малых размерах датчика.
Поставленная задача решается тем, что оптический квантовый магнитометр включает квантовый датчик в виде светопрозрачного контейнера со щелочным металлом и буферным газом (азотом), снабженного нагревателем, устройство ввода линейно поляризованного лазерного излучения (ЛИ) управляемый генератор, амплитудный модулятор, блок обработки сигналов, выход которого подключен к входу управляемого генератора. Новым является то, что магнитометр содержит электрооптический модулятор, посредством которого происходит модуляция эллиптичности поляризации ЛИ от левой круговой (циркулярной) поляризации до правой круговой поляризации с частотой, близкой к частоте магнитного резонанса (ларморовской частоте). Магнитометр также содержит генератор сигналов, блок обработки сигналов выполнен в виде в виде устройства измерения азимута поляризации лазерного излучения и устройства фазовой автоподстройки частоты, оптический вход электрооптического модулятора соединен с устройством ввода лазерного излучения, а оптический выход с квантовым датчиком, устройство измерения азимута поляризации лазерного излучения последовательно соединено с первым входом устройства фазовой автоподстройки частоты при этом второй вход устройства фазовой автоподстройки частоты подключен к выходу управляемого генератора и входу амплитудного модулятора, выход которого соединен с модулирующим входом электрооптического модулятора, а выход генератора сигналов подключен к управляющему входу устройства фазовой автоподстройки частоты и к модулирующему входу амплитудного модулятора.
Лазерное излучение настраивается на частоту, близкую к частоте оптических переходов с нижнего сверхтонкого подуровня основного состояния атома щелочного металла. При этом в результате оптической накачки циркулярно поляризованным модулированным во времени ЛИ создается ориентация магнитных моментов атомов. Детектирование магнитного резонанса производится линейно поляризованным ЛИ, причем преимущественно детектирует резонанс на уровне, от которого оно отстроено по частоте на величину порядка сверхтонкого расщепления основного состояния; благодаря этому достигается повышенная точность измерения магнитного поля по сравнению с прототипом. Использование светопрозрачного контейнера с буферным газом позволяет по сравнению с прототипом расширить диапазон рабочих температур датчика до 110-120°С и выше, что позволяет уменьшать размеры контейнера без существенного снижения чувствительности.
Светопрозрачный контейнер с нагревательным элементом может быть помещен в термостат с окнами для ввода и вывода лазерного излучения. Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
0
q
1
OUT
на фиг. 1 схематически изображен настоящий оптический квантовый магнитометр (В - магнитное поле исследуемого объекта, S(t) - управляющий сигнал, f - частота сигнала на выходе управляемого генератора, f - ларморовская частота, f - частота выходного сигнала;
на фиг. 2 представлены формы сигналов в настоящем оптическом квантовом магнитометре (21 - сигнал на выходе управляемого генератора, 22 - сигнал на выходе генератора сигналов, 23 - сигнал на выходе амплитудного модулятора, 24 - сигнал на выходе устройства измерения азимута поляризации лазерного излучения, обрабатываемый устройством фазовой автоподстройки частоты).
OUT
0
OUT
Настоящий оптический квантовый магнитометр (см. фиг. 1) включает последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор (УГ) 1, амплитудный модулятор (AM) 2, электрооптический модулятор (ЭОМ) 3, на оптический вход которого через устройство ввода лазерного излучения (УВЛИ) 4 подается лазерное излучение (ЛИ), до оптического входа ЭОМ 3 характеризующееся линейной поляризацией, квантовый датчик (КД) 5, представляющий собой светопрозрачный контейнер (СК) 6 со щелочным металлом и буферным газом, помещенный в термостат 7 с нагревательным элементом 8 и окнами 9 для ввода и вывода лазерного излучения, блок обработки сигналов в виде устройства (УАП) 10 измерения азимута поляризации лазерного излучения и устройства (УФАЧ) 11 фазовой автоподстройки частоты, выход УАП 10 соединен с первым входом УФАЧ 11, выход которого подключен к входу УГ 1, в то время как второй вход УФАЧ 11 подключен к выходу УГ 1, а также генератор сигналов (ГС) 12, выход которого подключен к модулирующему входу AM 2 и к управляющему входу УФАЧ 11, при этом выход УГ 1 является выходом оптического квантового магнитометра. Измеряемая величина магнитного поля получается из частоты выходного сигнала f по формуле B=f/y, где у - гиромагнитное отношение.
Настоящий оптический квантовый магнитометр работает следующим образом.
g
2
1
g
L
2
F
g
1
2
1
g
2
2
2
0
L
g
g
L
2
2
g
L
g
±
±
ЛИ накачки/детектирования, подающееся с УВЛИ 4, настраивают на частоту, близкую к частоте оптического перехода с уровня  основного состояния  щелочного металла (цезия, рубидия или калия) в КД 5. УГ 1 формирует периодический синусоидальный сигнал с частотой f (см. фиг. 2, кривая 21). ГС 12 формирует управляющий сигнал S(t), представляющий собой последовательность импульсов длительностью Ti, повторяющихся через промежуток времени Т (см. фиг. 2, кривая 22). В течение промежутка времени T поляризация ЛИ варьируется от левой циркулярной поляризации до правой циркулярной поляризации по синусоидальному закону с частотой f, близкой к ларморовской частоте f. При этом два раза за период поляризация луча становится чисто круговой (σ), и два раза за период - чисто линейной (п); в остальные моменты эллиптичность принимает промежуточные значения. Оптическая накачка и одновременно возбуждение магнитного резонанса осуществляется σ компонентой луча. В течение промежутка времени Тполяризация ЛИ становится чисто линейной (п), что позволяет использовать луч ЛИ в качестве пробного для детектирования сигнала прецессии магнитных моментов. При этом, поскольку частота ЛИ настраивается близко к частоте оптического перехода с уровняосновного состояния  щелочного металла, а атомы концентрируются в состоянии m=F, то пробное ЛИ преимущественно детектирует резонанс на уровне, от которого оно отстроено по частоте на величину порядка сверхтонкого расщепления основного состояния атома щелочного металла (для цезия это 9.192 ГГц); тем самым реализуются условия для неразрушающего квантового измерения. Таким образом, достигаются почти оптимальные условия для детектирования. Сигналы с УГ 1 и с ГС 12 подают на входы AM 2, на выходе которого образуется сигнал, представляющий собой синусоидальный сигнал с частотой f за время Т и нулевой сигнал за время Т (см. фиг. 2, кривая 23). Этот сигнал подают на вход ЭОМ 3, который осуществляет модуляцию поляризации ЛИ. ЭОМ 3 должен быть настроен таким образом, чтобы при нулевом значении напряжения на входе он пропускал линейно поляризованное ЛИ без изменения поляризации. Линейно поляризованное ЛИ подают через УВЛИ 4 на оптический вход ЭОМ 3. При проходе через ЭОМ 3 в течение промежутка времени T поляризация ЛИ изменяется от левой циркулярной поляризации до правой циркулярной поляризации по синусоидальному закону с частотой f, что регулируется амплитудой сигнала с УГ 1, а в течение промежутка времени Т ЛИ поляризовано линейно. Такое ЛИ проходит через СК 6 КД 5, содержащий атомы щелочного металла (цезия или рубидия, или калия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках СК 6, помещенный в теплоизолирующий корпус термостата 7, включающий в себя нагревательный элемент 8 и датчик температуры (на чертеже не показан). После прохождения СК 6 в течение промежутка времени Т азимут поляризации ЛИ измеряется УАП 10, в простейшем случае представляющим собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника. Сигнал с УАП 10 в течение промежутка времени Т, являющийся сигналом свободной прецессии магнитных моментов в магнитном поле В, представляющий собой затухающий синусоидальный сигнал на ларморовской частоте f (см. фиг. 2, кривая 24), подается на первый вход УФАЧ 11, на второй вход которого подается сигнал с УГ 1 с частотой f. На управляющий вход устройства УФАЧ 11 подается сигнал s(t), при этом устройство УФАЧ 11 работает таким образом, что сравнение сигналов с частотами f и f происходит в течение промежутка времени Т. Устройство УФАЧ 11 в течение промежутка времени Т формирует сигнал U, который подается на вход УГ 1, обеспечивая подстройку частоты f к ларморовской частоте f. Выходным сигналом устройства является частота fouT=f. Измеряемая величина магнитного полярассчитывается, исходя из частоты выходного сигнала W по формуле Bo=four/y, где у - гиромагнитное отношение.
F
Согласно предварительным экспериментальным результатам, приведенным в [Petrenko M.V., Pazgalev A.S., Vershovskii А.К. Single-beam all-optical non-zero field magnetometric sensor for magnetoencephalography applications // Phys. Rev. Applied. 2021. Vol. 15, №6. P. 064072], по сравнению с прототипом предлагаемый квантовый магнитометр позволяет реализовать более высокую ограниченную принципиальными квантовыми шумами точность измерения магнитного поля, поскольку для ориентации магнитных моментов в нем используется модулированная во времени круговая поляризация лазерного излучения, что позволяет почти на порядок увеличить амплитуду сигнала магнитного резонанса. Дополнительное повышение точности реализуется за счет накачки на частоте оптического перехода с уровня  основного состояния  щелочного металла и детектировании магнитного резонанса в состоянии  m=F.
Поскольку настоящий магнитометр должен обеспечивать возможность работы в составе больших массивов магнитометров, накачка которых осуществляется одним лазерным источником накачки, собственно лазер не включен в состав магнитометра. Настоящий квантовый магнитометр характеризуется простотой, компактностью и экономичностью, поскольку использует один лазерный оптический канал и компактный контейнер со щелочным металлом и буферным газом.