PL224509B1

PL224509B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru zmian pola magnetycznego

Info

Publication number: PL224509B1
Application number: PL396636A
Authority: PL
Inventors: Szymon Pustelny; Wojciech Gawlik; Piotr Wcisło; Przemysław Włodarczyk
Original assignee: Univ Jagiellonski
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2017-01-31
Also published as: WO2013055246A3; PL396636A1; WO2013055246A2

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru zmian pola magnetycznego, w szczególności do pomiaru bardzo małych zmian silniejszych stacjonarnych i quasistacjonarnych pól magnetycznych w szerokim zakresie wartości natężenia.

Przez szeroki zakres pól magnetycznych rozumie się w ramach niniejszego opisu pola w przedziale od 10^-7 do 10^-4 T, których wykrycie przy pomocy sposobu i urządzenia według wynalazku możliwe jest z czułością dochodzącą do 10^- -10^- T/Hz . Sposób i urządzenie pozwalają wykrywać zmiany pól w zakresie od pól stałych do pól oscylujących z częstością 1 kHz.

Urządzenia wykorzystujące optyczne metody pomiarów pól magnetycznych stanowią obecnie znaczącą część wszystkich znanych typów magnetometrów. Magnetometry takie wykorzystują zmianę pewnej własności światła propagującego przez ośrodek materialny, która jest skutkiem przyłożenia zewnętrznego pola magnetycznego. Sztandarowym przykładem tego typu urządzeń są magnetometry wykorzystujące zjawisko Faradaya. Zjawisko to polega na skręceniu płaszczyzny polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła podczas jego przejścia przez ośrodek umieszczony w zewnętrznym podłużnym polu magnetycznym. Skręcenie Faradaya zależy liniowo od przyłożonego pola magnetycznego, a także uzależnione jest od długości ośrodka oraz materiału, z którego jest on wykonany. Wielkością charakteryzującą zdolność materiałów do skręcania płaszczyzny polaryzacji (stałą materiałową) jest tzw. stała Verdeta, która w zależności od materiałów może przyjmować wartości w zakresie od 0 do 40 rad/T-m.

Osobną grupę magnetometrów optycznych stanowią urządzenia, w których wykorzystywane są nieliniowe zjawiska optyczne. W zjawiskach tych intensywne światło rozchodzące się w ośrodku materialnym modyfikuje własności ośrodka, które to zmodyfikowane własności mają następnie wpływ na sposób propagacji światła. W kontekście zastosowań w pomiarach pola magnetycznego najczęściej jako ośrodki nieliniowe wykorzystywane są gazy. Zastosowanie gazów umożliwia obserwację 2 zjawisk nieliniowych przy niewielkich natężeniach światła (~10 W/m ciągłej wiązki światła) dla wiązek monochromatycznych rezonansowych z ośrodkiem gazowym. W przypadku zjawisk nieliniowych zależnych od pola magnetycznego, szerokość rejestrowanych sygnałów optycznych ma bezpośredni związek z czułością pomiarów pola magnetycznego. Magnetometry działające w oparciu o nieliniowe zjawiska optyczne osiągnęły czułości dochodzące do 10^-16-10^-14 T/Hz^1/2 przy limicie fundamentalnym na czułość 10^- -10^- T/Hz / (w zależności od konkretnej realizacji).

Wszystkie typy magnetometrów optycznych bazujących na optycznych zjawiskach nieliniowych korzystają z zależności energii podpoziomów magnetycznych atomów lub cząstek od pola magnetycznego (dla uproszczenia opisu, od tego momentu słowo „atom” będzie stosowane dla określenia elementów mikroskopowych ośrodka tzn. zarówno atomów jak i cząsteczek). Dla atomów pierwiastków metali alkalicznych, najczęściej wykorzystywanych w takich pomiarach, zależność energii danego podpoziomu magnetycznego m_F określonego poziomu nadsubtelnego F stanu podstawowego od pola magnetycznego dana jest przez

E (mj = E_u ^ΔΗΡ

2(2F+1) ^— ~HF

-1 , ^4mF , 7

H--x + x² + 1 (1)

Gdzie:

E_u - energia „środka masy”,

Δ_HF - różnica energii dwóch podpoziomów nadsubtelnych w stanie podstawowym,

I - spin jądrowy,

F - całkowity moment pędu w określonym stanie nadsubtelnym, x = — przy a_L = g_Fu_BB/h będącym częstością Larmora. μ_Β magnetonem Bohra, B indukcją

Ahf pola magnetycznego, g_F czynnikiem Landego dla stanu nadsubtelnego F oraz h stałą Plancka podzieloną przez 2π.

Rozszczepienie podpoziomów magnetycznych stanu podstawowego może prowadzić do zmiany własności optycznych gazu, co w konsekwencji ma wpływ na zmianę parametrów światła propagującego przez ośrodek. W szczególności zmianie może ulec natężenie propagującego światła lub kierunek polaryzacji światła.

Ograniczeniem tradycyjnych magnetometrów optycznych jest ich stosunkowo mały zakres dynamiczny pomiaru pól (10^-10-10^-8 T). Tak więc chęć zastosowania tych metod implikuje konieczność

PL 224 509 B1 ekranowania zewnętrznych pól magnetycznych (w szczególności poła ziemskiego) lub kompensowania tych pól przy pomocy wykalibrowanych cewek pola magnetycznego. Pierwsze rozwiązanie umożliwia pomiar tylko bardzo słabych pól magnetycznych, podczas gdy drugie powoduje znaczące obn iżenie czułości metody. Innym ograniczeniem tych metod jest konieczność wyk alibrowania rejestrowanego sygnału np. natężenia transmitowanego światła, tak by pomiar określonej własności światła d ostarczał informacji o polu magnetycznym. Takie rozwiązanie powoduje pewne trudności, ponieważ mierzone wielkości zależą również od innych parametrów eksperymentalnych i wszystkie fluktuacje niemagnetycznych parametrów w magnetometrze mogą imitować zmiany pola magnetycznego. Istnieje więc konieczność bardzo precyzyjnej kontroli tych parametrów.

Rozwiązaniem, które pozwala na częściowe lub całkowite usunięcie tych ograniczeń może być metoda podwójnego rezonansu optyczno-radiowego. W takim układzie atomy umieszczane są w silnym polu magnetycznym, w którym poddawane są oddziaływaniu ze światłem oraz polem elektrom agnetycznym o częstości kilkuset kHz. Intensywne, spolaryzowane kołowo światło wytwarza w układzie stan równowagi dynamicznej, w którym znacząco zmniejszona zostaje absorpcja wiązki światła w ośrodku. Zadaniem pola elektromagnetycznego o częstości radiowej jest zaburzenie tej równowagi tj. przywrócenie absorpcji światła w ośrodku. Dochodzi do tego w sytuacji, gdy pole to sprzęga ze sobą kolejne podpoziomy magnetyczne, tj, gdy spełniona jest równość

E (m_F + 1) - E(m_F) = (2) gdzie a_rf - częstość pola elektromagnetycznego radiowego.

Pomimo, że metoda podwójnego rezonansu daje możliwość pomiarów pola magnetycznego w szerokim zakresie, wymaga ona zastosowania dodatkowego układu cewek pola magnetycznego emitujących promieniowanie o częstości radiowej. Z tego właśnie powodu bardziej popularne są metody czysto optyczne niewymagające dodatkowych cewek. Metody te wykorzystują tzw. rezonans Ramanowski, w którym dwie wiązki światła o nieco różnej częstości sprzęgają pośrednio, tj. przez ten sam stan wzbudzony (energia stanu wzbudzonego jest większa od stanu podstawowego o ~10^- J), dwa podpoziomy energetyczne tego samego stanu podstawowego (przykładowo, dwa podpoziomy magnetyczne stanu nadsubtelnego F).Sprzężenie tych poziomów prowadzi do zmiany własności optycznych ośrodka np. do zmniejszenia w nim absorpcji lub zmodyfikowania jego dyspersji.

Rezonanse ramanowskie mogą być indukowane przy pomocy dwóch laserów, których częstości są precyzyjnie kontrolowane. Komplikuje to układ badawczy i nakłada na niego dodatkowe wymagania techniczne. W tym kontekście dużo lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie światła, którego długość fali, natężenie lub polaryzacja jest modulowana. Modulacja prowadzi do modyfikacji spektrum światła i pojawienia się w nim dodatkowych częstości tzw. pasm bocznych. Ilość i amplituda poszczególnych pasm determinowana jest przez kształt modulacji np. funkcję opisującą natężenie emitowanego światłą w funkcji czasu, zaś ich wzajemna odległość zależy od częstości modulacji. W ten sposób odpowiednio dobierając częstość modulacji światła można sprzęgać poszczególne poziomy np w stanie podstawowym. W szczególności rezonans Ramanowski obserwowany jest gdy rozszczepienie poziomów energetycznych w domenie częstotliwości (różnica energii poziomów podzielona przez stałą Plancka) odpowiada częstości modulacji lub jej wielokrotności.

Jedną z metod magnetometrycznych wykorzystujących światło modulowane jest metoda bazująca na nieliniowym zjawisku Faradaya. W metodzie tej wykrywana jest amplituda modulacji skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła liniowo spolaryzowanego w funkcji częstości modulacji (obserwowany jest tzw. rezonans magnetorotacyjny). Pozycja rezonansu magnetorotacyjnego w funkcji częstości modulacji jest ściśle określona przez pole magnetyczne, w którym znajduje się ośrodek aktywny. Dla ośrodka aktywnego będącego parami pierwiastków metali alkalicznych warunki rezonansu mogą zostać łatwo określone w oparciu o równanie (1). Dla pól porównywalnych z polem magnetycznym Ziemi równanie (1) może zostać rozwinięte w szereg potęgowy z uwzględnieniem jedynie wyrazów do drugiego rzędu (wkład od wyższych rzędów rozwinięcia jest dla takich pól zaniedbywalny), co ostatecznie daje warunki rezonansu magnetorotacyjnego dla <o_mod = 2 — H \ (m+ 1 )^B², (3)

Ważną zaletą metod modulacyjnych jest fakt, że nie wymagają one kalibracji. Pozycja rezonansu jest jednoznacznie zdeterminowana przez pole magnetyczne i jedynie jego amplituda, a co za tym

PL 224 509 B1 idzie czułość pomiarów pola magnetycznego, zależy od warunków eksperymentalnych w tym m.in. od koncentracji atomów w próbce i od natężenia światła.

Amerykańskie zgłoszenie patentowe US 2011/0193555 przedstawia sposób pomiaru różnicowego pola magnetycznego w ramach jednej lub kilku komórek ze światłem. W odróżnieniu od typowych pomiarów radiometrycznych, w sposobie tym wykorzystuje się optyczne odejmowanie pól, to znaczy ta sama wiązka światła próbkującego (spolaryzowanego liniowo) przechodzi przez ośrodek, w którym w jednym miejscu skręca się w jedną stronę, a w drugim miejscu w drugą stronę. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji wywoływane jest przez obrót w polu magnetycznym spinów przygotowanych przy pomocy wiązki światła spolaryzowanej kołowo (w dwóch mierzonych miejscach spiny wskazują przeciwny kierunek w przestrzeni). Pomiar wypadkowego skręcenia płaszczyzny polaryzacji daje informację o różnicy pola magnetycznego w dwóch miejscach. Podsumowując, w sposobie tym do przygotowania ośrodka wykorzystywana jest spolaryzowana kołowo wiązka światła, która pracuje w sposób ciągły, a pomiar dostarcza informacji o różnicy pola magnetycznego w dwóch miejscach, detekcja odbywa się przy pomocy zbalansowanego polarymetru. Dodatkowo metoda ta wymaga kalibracji. Sposób ten nadaje się tylko do zastosowania w pomiarach słabych pól magnetycznych tzn. pól poniżej pola ~10^-6 T dla mniejszej czułości lub ~10^-10 T dla zwiększonej czułości.

Amerykański patent nr US 5,7038,450 przedstawia sposób pomiaru za pomocą techniki tzw. spin-exchange relaxation free, która pozwala na pomiar dużej ilości atomów przy jednoczesnym wyeliminowaniu jednego z głównych mechanizmów relaksacji w atomach (uzyskanie wąskich sygnałów). Pozwala to na osiągniecie wysokiego stosunku sygnału do szumu co przy wąskich sygnałach optycznych, umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej czułości pomiarów pola magnetycznego. W pomiarach wykorzystywane są pary atomów pierwiastków metali alkalicznych, których temperatura jest wyższa od 150 st. Celsjusza. Sposób ten wymaga dodatkowo wprowadzenia do komórki szklanej zawierającej pary atomowe gazu buforowego (np. helu) pod wysokim ciśnieniem. Z uwagi na możliwość pomiaru tylko słabych pól. tj. pól o natężeniu poniżej 10^-8 T metoda ta wymaga ekranowania magnetycznego układu od środowiska zewnętrznego, a ponadto kalibracji sygnału optycznego by możliwy był pomiar pola.

Amerykański patent US 7,573,264 przedstawia wykorzystanie magnetometru optycznego w pomiarach sygnałów magnetycznego rezonansu jądrowego. W sposobie tym wykorzystywane są pary atomowe znajdujące się w temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej lub nieco wyższej w specjalnie przygotowanych komórkach, których ściany pokryte są parafiną lub do środka komórki wprowadzany jest gaz buforowy pod ciśnieniem kilkudziesięciu Torrów. Do pomiarów wykorzystywane jest światło modulowane częstotliwościowo. Zastosowany układ gradiometryczny wymaga kalibracji. W sposobie tym światło jest polaryzowane idealnie liniowo, promień świetlny pokonuje próbkę dwukrotnie, ale nie porusza się w ośrodku po tej samej drodze. Detekcja sygnału odbywa się przy pomocy zbalansowanego polarymetru. Z uwagi na metodykę pomiaru sposób ten pozwala na pomiar jedynie pierwszej harmonicznej częstości modulacji. Rozwiązanie zostało przedstawione jako nadające się do pomiaru słabych pól magnetycznych, to znaczy do pól ok. 10^-6 T, choć metoda ta bazuje na technice pozwalającej na pomiar również pól dochodzących do 10^-4 T.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do pomiaru zmian pola magnetycznego, które umożliwią pomiar szerokiego zakresu pól magnetycznych, tj. zakresu w przedziale od 10^-6do 10^- T, z wysoką czułością, tj. czułością dochodzącą do 10^- -10^- T/Hz , dla pól w zakresie od pól stałych do pól oscylujących z częstością 1 kHz.

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru zmian pola magnetycznego w ośrodku aktywnym wypełnionym parami atomowymi poprzez wykrywanie amplitudy modulacji skręcenia osi głównej płaszczyzny polaryzacji eliptycznej światła w funkcji częstości modulacji, polegający na tym, że za pomocą źródła światła, korzystnie połączonego z modulatorem, emituje się modulowane światło o długości fali dostrojonej do przejścia pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym w atomach ośrodka aktywnego znajdujących się w komórce, które polaryzuje się za pomocą pierwszego polaryzatora, po czym kieruje się światło na komórkę z ośrodkiem aktywnym, a światło po przejściu przez komórkę odbiera się za pomocą analizatora, natomiast światło transmitowane przez analizator rej estruje się za pomocą detektora generującego sygnał elektryczny, charakteryzujący się tym, że światło po przejściu przez pierwszy polaryzator kieruje się na płytkę fazową ćwierćfalową z osią optyczną umieszczoną pod kątem od 1 do 10 stopni do kierunku polaryzacji światła transformując polaryzację liniową światła w polaryzację eliptyczną, a analizator stanowi polaryzator, którego oś skręcona jest o kąt w zakresie od 70 do 110 stopni względem osi pierwszego polaryzatora, natomiast wygenerowany

PL 224 509 B1 przez detektor sygnał elektryczny poddaje się analizie częstotliwościowej i na podstawie sygnału kąta skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji na określonej harmonicznej modulacji określa się zmiany pola magnetycznego.

Korzystnie, światło ze źródła światła, korzystnie połączonego z modulatorem, do polaryzatora kieruje się za pomocą jednomodowego światłowodu zachowującego polaryzację.

Korzystnie, do komórki z ośrodkiem aktywnym wprowadza się gaz buforowy pod ciśnieniem od kilku do kilkuset Torrów.

Korzystnie, ściany komórki z ośrodkiem aktywnym pokrywa się warstwą ochronną, w szczególności parafiną.

Korzystnie, jako ośrodek aktywny stosuje się atomy pierwiastków metali alkalicznych.

Korzystnie, podgrzewa się komórkę z ośrodkiem aktywnym do temperatury z zakresu od 15 do

60°C.

Korzystnie, do podgrzewania komórki stosuje się układ grzewczy w postaci grzałki oporowej, którą stanowią pary zwiniętych podwójnie bifilarnie przewodów o wysokiej oporności, przez które przepuszcza się prąd zmienny o częstości od kilku do kilkudziesięciu kHz i amplitudzie kilkuset mA.

Korzystnie, podgrzewa się komórkę strumieniem gorącego powietrza.

Korzystnie, podgrzewa się komórkę za pomocą nałożonych na komórkę osłon grzewczych z cyrkulującą w nich wodą o podwyższonej temperaturze.

Korzystnie, światło po przejściu przez komórkę kieruje się za pomocą lustra w kierunku przeciwnym, a po ponownym przejściu światła przez komórkę, płytkę ćwierćfalową i pierwszy polaryzator pełniący funkcję analizatora odbiera się składową światła prostopadłą do osi pierwszego polaryzatora za pomocą detektora.

Korzystnie, jako detektor stosuje się fotodiodę.

Korzystnie, jako źródło światła stosuje się diodę laserową umożliwiającą rezonansowe dostrojenie długości fali światła do jednego z przejść w atomach pierwiastków ośrodka aktywnego.

Korzystnie, jako modulator stosuje się modulator akustooptyczny lub elektrooptyczny, w szczególności modulator światłowodowy.

Korzystnie, w sposobie określa się zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na I harmonicznej modulacji.

Korzystnie, w sposobie określa się zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na II harmonicznej modulacji.

Korzystnie, elektryczny sygnał wyjściowy detektora demoduluje się na częstości modulacji za pomocą układu elektronicznego w postaci detektora fazoczułego i zmieniając iteracyjnie częstość modulacji światła generowanego przez źródło światła określa się częstość modulacji, dla której występuje rezonans.

Korzystnie, elektryczny sygnał wyjściowy detektora filtruje się uzyskując zawężone pasmo częstości, w ramach którego rejestrowany jest sygnał bliski częstości modulacji, a który to sygnał podaje się do układu elektronicznego w postaci układu przesuwnika fazy i wzmacniacza, którego sygnał wyjściowy podaje się jako sygnał modulacyjny dla źródła światła.

Korzystnie, elektryczny sygnał wyjściowy detektora filtruje się uzyskując zawężone pasmo częstości, w ramach którego rejestrowany jest sygnał bliski podwojonej częstości modulacji, a który to sygnał podaje się do układu elektronicznego w postaci układu przesuwnika fazy, wzmacniacza i dzielnika częstości, który po podzieleniu podaje się jako sygnał modulacyjny dla źródła światła.

Korzystnie, w sposobie pomiar częstości sygnału realizuje się przy pomocy układu elektronicznego w postaci miernika częstości, który dostarcza informacji o polu magnetycznym.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do pomiaru zmian pola magnetycznego w ośrodku aktywnym wypełnionym parami atomowymi za pomocą wykrywania amplitudy modulacji skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego eliptycznie w funkcji częstości modulacji, zawierające źródło światła, korzystnie połączone z modulatorem, przystosowane do emitowania modulowanego światła o długości fali dostrojonej do przejścia pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym w atomach ośrodka aktywnego znajdujących się w komórce, przy czym tor światła przebiega od źródła światła, korzystnie przez modulator, dalej przez pierwszy polaryzator, do komórki z ośrodkiem aktywnym, przy czym urządzenie zawiera ponadto analizator, przystosowany do odbierania światła po przejściu przez komórkę oraz detektor przystosowany do rejestracji natężenia światła transmitowanego przez analizator i do generowania sygnału elektrycznego, charakteryzujące się tym, że w torze światła pomiędzy pierwszym polaryzatorem a komórką znajduje się płytka fazowa

PL 224 509 B1 ćwierćfalowa z osią optyczną umieszczoną pod kątem od 1 do 10 stopni do kierunku polaryzacji światła i przystosowana do transformacji polaryzacji liniowej światła w polaryzację eliptyczną, analizator starowi polaryzator, którego oś skręcona jest o kąt w zakresie od 70 do 110 stopni względem osi pierwszego polaryzatora, a generowany przez detektor sygnał elektryczny podawany jest do układu elektronicznego przystosowanego do analizy częstotliwościowej i określania zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji na określonej harmonicznej modulacji wyodrębnionej za pomocą układu elektronicznego w postaci detektora fazoczułego.

Korzystnie, urządzenie zawiera jednomodowy światłowód zachowujący polaryzację do kierowania światła ze źródła światła, korzystnie przez modulator, do polaryzatora.

Korzystnie, komórka z ośrodkiem aktywnym zawiera gaz buforowy pod ciśnieniem od kilku do kilkuset Torrów.

Korzystnie, ściany komórki z ośrodkiem aktywnym są pokryte warstwą ochronną, w szczególności parafiną.

Korzystnie, ośrodek aktywny zawiera atomy pierwiastków metali alkalicznych.

Korzystnie, urządzenie zawiera ponadto układ grzewczy do podgrzewania temperatury komórki z ośrodkiem aktywnym do zakresu od 15 do 60°C.

Korzystnie, układ grzewczy jest grzałką oporową, zawierającą pary zwiniętych podwójnie bifilarnie przewodów o wysokiej oporności, przez które przepływa prąd zmienny o częstości od kilku do kilkudziesięciu kHz.

Korzystnie, układ grzewczy zawiera nałożone na komórkę osłony grzewcze z cyrku lującą w nich wodą o podwyższonej temperaturze.

Korzystnie, urządzenie zawiera ponadto lustro umiejscowione w torze światła za komórką, zasadniczo prostopadle do przechodzącej przez komórkę wiązki światła, w taki sposób, że wiązka światła odbita od lustra przechodzi ponownie przez komórkę i płytkę ćwierćfalową, przy czym pierwszy polaryzator pełni funkcję analizatora, a detektor jest przystosowany do odbierania składowej światła prostopadłej do osi pierwszego polaryzatora.

Korzystnie, detektorem jest fotodioda.

Korzystnie, źródłem światła jest dioda laserowa przystosowana do rezonansowego dostrojenia długości fali światła do jednego z przejść w atomach pierwiastków ośrodka aktywnego.

Korzystnie, modulatorem jest modulator akustooptyczny lub elektrooptyczny, w szczególności modulator światłowodowy.

Korzystnie, urządzenie zawiera układ elektroniczny, który stanowi przesuwnik fazy i wzmacniacz, którego sygnał wyjściowy jest doprowadzony jako sygnał modulacyjny dla źródła światła.

Korzystnie, sygnał wyjściowy układu elektronicznego jest doprowadzony do źródła światła za pośrednictwem układu elektronicznego w postaci dzielnika częstości.

Przedmiot rozwiązania został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego według pierwszego przykładu wykonania, fig. 2 schemat blokowy układu pomiarowego według drugiego przykładu wykonania, fig. 3A-3C polaryzację światła, fig. 4 pierwszy przykład wykonania układu detekcji pola magnetycznego, fig. 5 schemat algorytmu iteracyjnego. fig. 6 drugi przykład wykonania układu detekcji pola magnetycznego, fig. 7 układ detektorów w trybie gradientowym, fig. 8 schemat głowicy magnetometrycznej, fig. 9 sygnał gradiometryczny rejestrowany w badaniu w funkcji częstości modulacji, fig. 10 sygnał magnetom etryczny zarejestrowany w oparciu o sposób według wynalazku.

Sposób pomiaru pola magnetycznego według wynalazku stanowi modyfikację metody wykorzystującej nieliniowy efekt Faradaya. Pierwsza istotna zmiana w stosunku do wcześniejszych rozwiązań polega na wykorzystaniu światła spolaryzowanego eliptycznie o stosunkowo niewielkim stopniu eliptyczności tzn. (Ą-Ij.) / + ) rzędu 0,8, gdzie I_rI_± są odpowiednio natężeniami wzdłuż każdej z półosi elipsy polaryzacyjnej. Światło to modulowane jest natężeniowo i/lub częstotliwościowo, co prowadzi do pojawienia się w jego spektrum pasm bocznych. Pasma te wraz z częstotliwością nośną powodują sprzęganie poszczególnych podpoziomów magnetycznych m danego stanu nadsubtelnego F różniących się od siebie magnetyczną liczbą kwantową o 2. Oddziaływanie prowadzi do zaburzenia stanu równowagi termodynamicznej w ośrodku, a w konsekwencji wytworzenia w nim anizotropii optycznej. Oś anizotropii roluje w zewnętrznym polu magnetycznym z częstością równą podwójnej częstości Larmora, co prowadzi do modulacji kierunku osi głównej polaryzacji eliptycznej światła, jak również stopnia jego eliptyczności z podwójną częstością Larmora. Zsynchronizowanie

PL 224 509 B1 tego obrotu z częstością modulacji światła (przez odpowiednie dobranie częstości modulacji), tj. spełnienie warunku danego przez równanie (3), zapewnia pojawienie się silnego sygnału w układzie. D etekcja tego sygnału i pomiar częstości modulacji dostarcza informacji o wartości pola magnetycznego, w którym znajdują się badane atomy.

Schemat blokowy układu pomiarowego wykorzystywanego do pomiarów pola magnetycznego według pierwszego przykładu wykonania przedstawiony został na fig. 1.

W rozwiązaniu według wynalazku wykorzystuje się źródło światła 101 emitującego promieniowanie o długości fali precyzyjnie dostrojonej do konkretnego przejścia pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym w atomach ośrodka. Pożądanym jest również, aby emitowane promieniowanie było wąskie spektralnie. W tym kontekście idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie laserów diodowych małej mocy, tj. mocy w zakresie 10 μW - 10 mW. Lasery takie pozwalają na dokładne dobranie kontrolowanie długości fali emitowanego światła. Wykorzystane mogą być szeroko dostępne diody laserowe, które pozwalają na rezonansowe dostrojenie długości fali światła do jednego z przejść w atomach pierwiastków metali alkalicznych (rubid, cez, potas, itd.) najczęściej wykorzystywanych jako ośrodki aktywne magnetooptycznie. Dodatkowo diody laserowe dają możliwość modulacji długości fali i/lub natężenia emitowanego promieniowania np. przez modulację prądu płynącego przez złącze półprzewodnikowe w zakresie do kilku GHz. Kolejną ważną zaletą diod laserowych jest możliwość ich bezpośredniego zintegrowania z włóknami światłowodowymi pozwalającymi na dowolne prowadzenie wiązki.

Modulacja światła możliwa jest również przy pomocy zewnętrznych modulatorów 102. Możliwe jest wykorzystanie modulatora akustooptycznego lub elektrooptycznego, w szczególności modulatorów światłowodowych. Urządzenia takie umożliwiają modulację amplitudy lub długości fali w zakresie od zera do kilku MHz dla modulatorów akustooptycznych oraz do kilku GHz dla modulatorów elektrooptycznych.

W rozwiązaniu według wynalazku do pomiarów pola magnetycznego do 10^-4 T wymagane jest zastosowanie sposobów modulacji pozwalających na uzyskanie częstości modulacji nie wyższych niż

MHz,

Zmodulowane światło wprowadzane jest do jednomodowego światłowodu 103 zachowującego polaryzację. Pozwala to na dowolne prowadzenie wiązki w przestrzeni przy zminimalizowaniu wpływu zaburzeń mechanicznych na natężenie i polaryzacje światła propagującego we włóknie - parametry światła opuszczającego światłowód (natężenie, polaryzacja) są stabilne w czasie.

Po opuszczeniu światłowodu światło zostaje spolaryzowane przy pomocy wysokiej jakości polaryzatora krystalicznego 104. Celem polaryzatora jest zapewnienie wysokiego stopnia polaryzacji świ atła (wykorzystuje się polaryzatory o ekstynkcji 10^- lub mniejszej), co ma wpływ na jakość uzyskiwanych sygnałów magnetooptycznych, a co za tym idzie na czułość pomiarów pola magnetycznego.

Po przejściu przez polaryzator światło pada na płytkę fazową 105 typu λ/4 (płytka ćwierćfalowa), która opóźnia fazę drgań składowej oscylującej wzdłuż osi wolnej płytki w stosunku do składowej drgającej wzdłuż osi szybkiej o π/2. Oś optyczna płytki umieszczona jest pod kątem od 1 do 10 stopni względem kierunku polaryzacji światła, co sprawia, że polaryzacja liniowa światła transformowana jest w polaryzację eliptyczną o niewielkim stopniu eliptyczności, jak przedstawiono to na fig. 3A-3B.

Następnie światło pada na komórkę 108 z gazem, to znaczy bańkę szklaną wypełnioną parami atomowymi (przykładowo, są to atomy pierwiastków metali alkalicznych). W pomiarach wykorzystywane są komórki z pokryciem parafinowym ścian tzn. komórki, które zostały wewnątrz pokryte specjalną warstwą ochronną i/lub do wnętrza których wprowadzono gaz buforowy (gazy szlachetne, azot cząsteczkowy, itd.) pod ciśnieniem od kilku do kilkuset Torrów (ciśnienie gazu aktywnego magnetoo ptycznie na poziomie 10^-6 Torra). Celem tych zabiegów jest znaczne wydłużenie czasu, w którym gaz będzie wykazywał anizotropię optyczną po wyłączeniu światła (wydłużenie czasu życia atomów w stanie podstawowym). Wykorzystanie gazu buforowego pozwala na wydłużenie tego czasu około 1000 razy, zaś dla komórek, których ściany zostały pokryte warstwą ochronną około 10000 razy względem sytuacji bez stosowania tych zabiegów. Temperatura samej komórki może być również zwiększana za pomocą grzałki 107 do kilkudziesięciu stopni Celsjusza, tj, od 15 do 60°C (przykładowo w prototypie stosowano komórkę o temperaturze ok. 55°C), co umożliwia uzyskanie wyższej gęstości atomów w próbce, a co za tym idzie wyższej czułości pomiarów pola magnetycznego. Komórka 106 może być podgrzewana przy pomocy grzałki oporowej, którą stanowią pary zwiniętych podwójnie bifilarnie przewodów o wysokiej oporności, przez które przepuszczany jest prąd zmienny o częstości kilku kHz. Sama grzałka oddalona jest od komórki o kilkadziesiąt milimetrów. Stosowane mogą być również

PL 224 509 B1 inne sposoby ogrzewania komórki, wykorzystujące przykładowo rozgrzane powietrze albo ciecz. W takim przypadku strumień rozgrzanego powietrza kieruje się na komórkę zawierającą gaz, tak by była ona ogrzewana od boku. Strumień kierowany jest na komórkę w taki sposób, że uniemożliwiona jest cyrkulacja powietrza w obszarze propagacji wiązki, dzięki czemu nie wprowadza on dodatkowych fluktuacji mocy i polaryzacji światła. Alternatywnie komórka może być podgrzewana przy pomocy osłon grzewczych nakładanych na nią, w których cyrkluje woda o podwyższonej temperaturze. Osłony są tak skonstruowane, że nie blokują dostępu wiązki światła do komórki (porty dostępowe).

W pierwszym przykładzie wykonania, światło po przejściu przez komórkę pada na analizator 108, który stanowi polaryzator, którego oś skręcona jest o kąt w zakresie od 70 do 110 stopni, korzystnie o kąt prosty, względem osi pierwszego polaryzatora 104. Z uwagi na modulację natężenia i periodyczną zmianę kierunku osi głównej polaryzacji światła modulowane jest światło transmitowane przez analizator 108, którego natężenie I_t może być obliczone w oparciu o prawo Malusa

I_t (t) = I_p (t) sin² [Asin(2a_Lf) + a], (4) gdzie:

l_p(t) - zależne od czasu natężenie światła padającego,

A - amplituda oscylacji kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji, a - kątem odkrzyżowanie osi analizatora od 90°.

Dla małych kątów, tzn. kątów rzędu pojedynczych stopni (z takimi rotacjami mamy do czynienia w omawianym rozwiązaniu) równanie (4) może zostać przybliżone jako

I_t « I_p (t) [Asin(2a_Lt) + a]². (5)

Światło transmitowane przez analizator jest rejestrowane przez detektor 109, którym może być fotodioda. Otrzymany w ten sposób sygnał elektryczny jest wzmacniany i filtrowany.

Figura 2 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego według drugiego przykładu wyk onania, w którym elementy 201,202, 203, 204, 205, 206, 207, 209 są analogiczne do elementów 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 109 przedstawionych na fig. 1.

W drugim przykładzie wykonania za komórką 206 ustawione jest lustro 210. Lustro 210 kieruje światło z powrotem do komórki 206 wypełnionej gazem, dzięki czemu po raz kolejny oddziałuje ono z ośrodkiem. Powoduje to efektywne wydłużenie drogi optycznej, a co za tym idzie zwiększenie czułości pomiarów magnetometrycznych.

Po ponownym przejściu światła przez komórkę 206 światło pada na płytkę ćwierćfalową 205, która zmienia polaryzację eliptyczną na polaryzację liniową (lub polaryzację eliptyczną o niewielkim stopniu eliptyczności) o półosi głównej obróconej o kąt dwukrotnie większy niż kąt, jaki tworzy oś optyczna płytki ćwierćfalowej z polaryzacją padającego światła (symetryczne odbicie polaryzacji względem osi wolnej płytki ćwierćfalowej), jak przedstawiono na fig. 3C. Następnie światło trafia na pierwszy polaryzator 204, który pełni w tym momencie rolę analizatora. Składowa prostopadła do osi polaryzatora kierowana jest w prostopadły kanał kryształu (nie w stronę światłowodu), a jej natężenie dane jest wzorem analogicznym do równania (5)

It * Ip (t) [Asin(2«Lt) - φ]², (6) gdzie:

φ - jest kątem, jaki tworzy oś optyczna płytki ćwierćfalowej z początkową polaryzacją.

Następnie, światło transmitowane przez analizator 204 rejestrowane jest przez detektor 209, którym może być fotodioda. Otrzymany w ten sposób sygnał elektryczny jest wzmacniany i filtrowany.

Figura 3A przedstawia liniową polaryzację światła po polaryzatorze 104, 204, a przed płytką ćwierćfalową 105, 205. Fig. 3B przedstawia eliptyczną polaryzację światła za płytką ćwierćfalową 105, 205, Fig. 3C przedstawia polaryzację światła po kolejnym przejściu przez płytkę ćwierćfalową 205 w przypadku urządzenia według drugiego przykładu wykonania przedstawionego na fig. 2 - w tym przypadku jest to polaryzacja liniowa lub eliptyczna o bardzo niskim stopniu eliptyczności.

Zarówno pierwszy, jak i drugi przykład wykonania układu mogą być realizowane zarówno w systemie jednowiązkowym, jak również w systemie dwuwiązkowym. W systemie jednowiązkowym ta sama modulowana wiązka odpowiedzialna jest za wytworzenie anizotropii, jak również za jej detekcję. Oznacza to, że natężenie światła l_p (t) w równaniach (4)-(6) jest dodatkowo modulowane. Dla modulacji sinusoidalnej l_p (t) dane jest relacją

PL 224 509 B1

Jp (0=^( ¹ - ^{a c 0 s ω} m o d 0 - (7) gdzie:

I₀ - średnie natężenie światła, a - głębokość modulacji.

Dla takiej modulacji równanie (5) po prostych przekształceniach trygonometrycznych przyjmuje postać

I t ~y⁽ 1 -aco sw modt)[A sin⁽ω mo_dt) + a]² = = I₀A₃ co s 3 ωmod + M 2 co s 2 ωmod t + Jo A i c o s ωmod t + Jo A o , (8) gdzie:

A₁,₂,₃,₄ - czynniki liczbowe zależne od głębokości modulacji a, kąta odkrzyżowania a oraz amplitudy sygnału magnetorotacyjnego A.

Figura 4 przedstawia pierwszy przykład wykonania układu detekcji pola magnetycznego w reżimie pasywnym. Światło jest generowane przez źródło światła wraz z modulacją 401, to znaczy źródło 101, 201 ewentualnie sprzężone z modulatorem 102, 202, następnie transmitowane jest światłowodem 402 do głowicy magnetometrycznej 403 z układem detekcji, tj. elementów 104-109 i 204-210, gdzie jest mierzone, a następnie sygnał elektryczny jest filtrowany i wzmacniany w układzie 404. Równanie (8) pokazuje, że rejestrowany w badaniu sygnał ma cztery składowe Fourierowskie (cztery częstości). Pomiaru pola magnetycznego dokonuje się analizując sygnał kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na określonej harmonicznej modulacji. Typowy pomiar polega na demodulacji rejestrowanego sygnału na częstości modulacji a_mod przy pomocy detektora fazoczułego 406 (demodulacja na I harmonicznej). Pomiaru pola magnetycznego dokonuje się w oparciu o iteracyjny algorytm wykonywany przez komputer 407, którego kroki przedstawione są na fig. 5, optymalizujący amplitudę rejestrowanego sygnału (dla I harmonicznej optymalizowana jest amplituda A₁). W kroku 501 mierzy się amplitudę i fazę sygnału. Jeżeli w kroku 502 zostanie stwierdzone, że warunek rezonansu jest spełniony, to częstość modulacji dostarcza informacji o natężeniu pola magnetycznego, w którym znajduje się gaz. Każda zmiana pola magnetycznego powoduje niespełnienie warunku rezonansu i spadek amplitudy rejestrowanego sygnału. W takim przypadku w kroku 503 w oparciu o algorytm iteracyjny komputer 407 poszukuje nowej wartości częstości modulacji, dla której warunek rezonansu jest spełniony. Takie postępowanie umożliwia śledzenie zmian pola magnetycznego. Częstości modulacji są rejestrowane w kroku 504. Oscylator zewnętrzny 405 generuje sygnał elektryczny podawany na modulator do sterowania modulacją światła.

Pomiaru pola magnetycznego można również dokonywać w oparciu o analizę składowej na drugiej harmonicznej modulacji. Choć sygnał taki posiada z założenia niższą amplitudę niż sygnał na pierwszej harmonicznej to jednak możliwe jest, że stosunek sygnału do szumu na tej harmonicznej będzie lepszy, tak więc osiągnięta czułość pomiarowa będzie wyższa. Dzieje się tak w przypadku, gdy szum techniczny w fazie z modulacją światła silnie kontrybuuje do obserwowanych sygnałów. Pomiar pola na drugiej harmonicznej odbywa się w sposób analogiczny jak dla pierwszej harmonicznej tj, przy pomocy algorytmu iteracyjnego przedstawionego na fig. 5.

Figura 6 przedstawia drugi przykład wykonania układu detekcji pola magnetycznego, wykorzystujący tzw, reżim gradiometryczny. Elementy 601-604 są analogiczne do elementów 401-404 pierwszego przykładu wykonania układu detekcji przedstawionego na fig. 4. W układzie według drugiego przykładu wykonania odfiltrowany sygnał wyjściowy (zazwyczaj sygnał I harmonicznej) po odpowiedniej obróbce (wzmocnieniu i przesunięciu fazy) w układzie przesuwnika fazy i wzmacniacza 605 zostaje podany jako sygnał modulacyjny na wejście układu 601. W takim przypadku każda zmiana pola magnetycznego, która natychmiastowo manifestuje się jako modyfikacja sygnału magnetooptycznego (modyfikacja częstości modulacji kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji i natężenia światła) jest przenoszona do układu modulującego i warunki rezonansu spełnione są automatycznie. Pomiar pola magnetycznego odbywa się w tym układzie poprzez pomiar częstości modulacji światła za pomocą miernika częstości 606.

Również w tym przypadku możliwe jest działanie układu zarówno na pierwszej i drugiej harm onicznej częstości modulacji. Jednakże to drugie podejście wymaga zastosowania układu dzielnika 607, który przed podaniem sygnału na układ modulacji będzie dzielił jego częstość.

PL 224 509 B1

Alternatywą dla układu jednowiązkowego jest układ dwuwiązkowy z niezależną modulowaną wiązką wytwarzającą anizotropię i drugą wiązką światła, która nie jest modulowana, a której zadaniem jest wykrycie modulacji anizotropii. W takim przypadku wiązka pompująca doprowadzana jest do głowicy magnetometrycznej 403, 603 (wszystkich elementów z wyjątkiem lasera, modulatora i światłowodu) gdzie po uprzednim spolaryzowaniu przy pomocy polaryzatora (inaczej niż w przypadku jednowiązkowym, w tym przypadku wykorzystana może być wiązka spolaryzowana liniowo, a nie eliptycznie, choć możliwa jest również polaryzacja eliptyczna) oddziałuje z atomami - pompowanie optyczne. Po przejściu przez gaz w komórce 106, 206 wiązka pompująca jest blokowana. Niemodulowana wiązka próbkująca przechodzi przez cały tor opisany powyżej (z wyjątkiem modulatora) i mierzone jest natężenie światła transmitowanego przez polaryzator. W oparciu o równanie (5) można pokazać, że natężenie to jest dane przez ₂

I_t « I₀ [Asin (a_modf)+a] =I₀B₂ cos 4a_L t + I₀B₁ cos 2a_L t + t₀B₀, gdzie:

B₂,_1]0 - współczynniki liczbowe (amplitudy) zależne od kąta odkrzyżowania a oraz amplitudy sygnału magnetorotacyjnego A. Rejestrowany sygnał ma trzy składowe Fourierowskie, które są wielokrotnościami podwojonej częstości Larmora.

W celu zwiększenia czułości pomiarów słabych pól magnetycznych opisany powyżej układ m agnetyczny może działać w tzw, trybie gradientowym, przedstawionym na fig. 7. W układzie takim dwa identyczne czujniki 701,702 (magnetometry) umieszczone są w pewnej odległości od siebie. Pierwszy z magnetometrów 701 umieszczony jest bliżej źródła słabego pola magnetycznego. Detektor ten mierzy sumę pola magnetycznego pochodzącego od słabego źródła oraz pola pochodzącego od niekontrolowanych pól zewnętrznych. Drugi z magnetometrów 702 umieszczony w pewnej odległości od źródła słabego pola magnetycznego mierzy jedynie pole pochodzące od pól zewnętrznych. Różnica pól magnetycznych rejestrowanych przez oba magnetometry niesie informację o polu magnetycznym wytwarzanym przez słabe źródło i jest rejestrowana przez układ obliczeniowy 703. Dodatkowo pozw ala to na ograniczenie szumów magnetycznych i zdecydowane zwiększenie czułości urządzenia.

Na fig. 8 przedstawiono schemat głowicy magnetometrycznej zrealizowanej w oparciu o opisaną powyżej metodę dla układu jednowiązkowego z odbiciem. Dla uproszczenia pominięto na nim źródło światła i modulator. W korpusie 800 głowicy zamontowany jest uchwyt 803 światłowodu, polaryzator/analizator 804, płytka ćwierćfalowa 805, komórka z gazem 806, lustro 810 oraz detektor 809.

W przykładowej realizacji urządzenia jako źródło światła wykorzystano diodę laserową firmy Eagleyard Photonics (EYP-RWL-0790-00100-1500-S0T02-0000) oraz skonstruowany w Zakładzie Fotoniki Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego sterownik laserowy do stabilizacji temperatury pracy oraz prądu lasera. W pomiarach użyto światła o długości fali 795 nm dostrojonej do przejścia F=2-F'=1 w parach rubidu, izotop 87. Natężenie światła modulowane było przy pomocy modulatora akustooptycznego firmy Isowave (1205C-2) zoptymalizowanego dla ugięcia w pierwszy rząd dyfrakcji. Moc światła uginanego w pierwszy rząd modulowana była przez zmianę amplitudy fali akustycznej w modulatorze. Modulowane światło wprowadzane było następnie (sprzęgacz światłowodowy firmy Thorlabs F220FC-B) do światłowodu utrzymującego polaryzację firmy Nuffern. Polaryzacja światła oraz prowadzenie światła w ramach samej głowicy realizowane było w oparciu o elementy optyczne firmy Foctek Inc: polaryzator krystaliczny GlanLaser (GLP 6708), płytkę ćwierćfalową dla 795 nm (WPL212Q) oraz lustra dielektrycznego z szerokim pokryciem refleksyjnym (750 nm-900 nm). Ośrodkiem aktywnym magnetooptycznie były pary izotopowe oczyszczonego ⁸⁷Rb umieszczone w walcowej komórce szklanej o długości 10 mm i średnicy 10 mm. Ściany komórki pokryte były specjalną warstwą parafinową podtrzymującą anizotropię w układzie. Natężenie światła rejestrowane było przy użyciu fotodiody (SFH203) wraz ze wzmacniaczem operacyjnym. Sygnał wykrywany był przy pomocy wzmacniacza fazoczułego SR830 firmy Stanford Research Całość eksperymentu kontrolowana była przy pomocy komputera osobistego.

Figura 9 przedstawia sygnał gradiometryczny rejestrowany w badaniu w funkcji częstości modulacji dla pola magnetycznego 3 πΤ. Na przedstawionych wykresach wyraźnie widać, że amplituda sygnału osiąga maksimum w przypadku, gdy spełniony jest warunek rezonansowy dany zależnością (3). Wykres porównuje zależności dla sygnałów w fazie i kwadraturze rejestrowanych na I i II harmonicznej częstości modulacji.

Figura 10 przedstawia sygnał magnetometryczny zarejestrowany w oparciu o sposób według wynalazku. W układzie rejestrowany był 50 ms impuls pola magnetycznego o amplitudzie 100 pT, periodyczny z częstością 5 Hz, Sygnał zarejestrowany był w układzie jednowiązkowym przy użyciu

PL 224 509 B1 tylko jednej głowicy. W prezentowanym przykładzie obserwowany jest szum sygnału na poziomie 10^-11 T przy stałej całkowania 30 ms (wydłużenie czasu do 1 s powoduje blisko sześciokrotne zwiększenie tzn. zademonstrowana czułość ~2·10^- T/Hz/). Czułość ta może zostać dalej zwiększona przez zastosowanie pracy w układzie gradiometrycznym (fluktuacje zewnętrznego pola magnetycznego kontrybuują do szumu w obserwowanym sygnale).

Claims

1. Sposób pomiaru zmian pola magnetycznego w ośrodku aktywnym wypełnionym parami atomowymi poprzez wykrywanie amplitudy modulacji skręcenia osi głównej płaszczyzny polaryzacji eliptycznej światła w funkcji częstości modulacji, za pomocą źródła światła (101,201), korzystnie połączonego z modulatorem (102, 202), emituje się modulowane światło o długości fali dostrojonej do przejścia pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym w atomach ośrodka aktywnego znajdujących się w komórce (106, 206), które polaryzuje się za pomocą pierwszego polaryzatora (104, 204), po czym kieruje się światło na komórkę (106, 206) z ośrodkiem aktywnym, a światło po przejściu przez komórkę odbiera się za pomocą analizatora (108, 204), natomiast światło transmitowane przez analizator rejestruje się za pomocą detektora (109, 209) generującego sygnał elektryczny, znamienny tym, że światło po przejściu przez pierwszy polaryzator (104, 204) kieruje się na płytkę fazową ćwierćfalową (105, 205) z osią optyczną umieszczoną pod kątem od 1 do 10 stopni do kierunku polaryzacji światła transformując polaryzację liniową światła w polaryzację eliptyczną, a analizator (108, 204) stanowi polaryzator, którego oś skręcona jest o kąt w zakresie od 70 do 110 stopni względem osi pierwszego polaryzatora (104, 204). natomiast wygenerowany przez detektor (109, 209) sygnał elektryczny poddaje się analizie częstotliwościowej i na podstawie sygnału kąta skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji na określonej harmonicznej modulacji określa się zmiany pola magnetycznego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że światło ze źródła światła (101, 201), korzystnie połączonego z modulatorem (102, 202), do polaryzatora (104) kieruje się za pomocą jednomodowego światłowodu zachowującego polaryzację (103).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do komórki (106) z ośrodkiem aktywnym wprowadza się gaz buforowy pod ciśnieniem od kilku do kilkuset Torrów.

4. Sposób według zaostrz. 1, znamienny tym, że ściany komórki (106) z ośrodkiem aktywnym pokrywa się warstwą ochronną, w szczególności parafiną.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ośrodek aktywny stosuje się atomy pierwiastków metali alkalicznych.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podgrzewa się komórkę (106) z ośrodkiem aktywnym do temperatury z zakresu od 15 do 60°C.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że do podgrzewania komórki (106) stosuje się układ grzewczy (107) w postaci grzałki oporowej, którą stanowią pary zwiniętych podwójnie bifilarnie przewodów o wysokiej oporności, przez które przepuszcza się prąd zmienny o częstości od kilku do kilkudziesięciu kHz i amplitudzie kilkuset mA.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że podgrzewa się komórkę (106) strumieniem gorącego powietrza.

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że podgrzewa się komórkę (106) za pomocą nałożonych na komórkę (106) osłon grzewczych z cyrkulującą w nich wodą o podwyższonej temperaturze.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że światło po przejściu przez komórkę (206) kieruje się za pomocą lustra (210) w kierunku przeciwnym, a po ponownym przejściu światła przez komórkę (206), płytkę ćwierćfalową (205) i pierwszy polaryzator (204) pełniący funkcję analizatora odbiera się składową światła prostopadłą do osi pierwszego polaryzatora (204) za pomocą detektora (209).

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako detektor (109, 209) stosuje się fotodiodę.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako źródło światła (101,201) stosuje się diodę laserową umożliwiającą rezonansowe dostrojenie długości fali światła do jednego z przejść w at omach pierwiastków ośrodka aktywnego.

13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako modulator (102, 202) stosuje się modulator akustooptyczny lub elektrooptyczny, w szczególności modulator światłowodowy.

14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że określa się zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na I harmonicznej modulacji.

PL 224 509 B1

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że określa się zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na II harmonicznej modulacji.

16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektryczny sygnał wyjściowy detektora (109, 209) demoduluje się na częstości modulacji (a_mod) za pomocą układu elektronicznego (406) w postaci detektora fazoczułego i zmieniając iteracyjnie częstość modulacji światła generowanego przez źródło światła (101,201) określa się częstość modulacji, dla której występuje rezonans.

17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektryczny sygnał wyjściowy detektora (109, 209) filtruje się uzyskując zawężone pasmo częstości, w ramach którego rejestrowany jest sygnał bliski częstości modulacji, a który to sygnał podaje się do układu elektronicznego (605) w postaci układu przesuwnika fazy i wzmacniacza, którego sygnał wyjściowy podaje się jako sygnał modulacyjny dla źródła światła (101, 201).

18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektryczny sygnał wyjściowy detektora (109, 209) filtruje się uzyskując zawężone pasmo częstości, w ramach którego rejestrowany jest sygnał bliski podwojonej częstości modulacji, a który to sygnał podaje się do układu elektronicznego (605) w postaci układu przesuwnika fazy, wzmacniacza i dzielnika częstości, który po podzieleniu podaje się jako sygnał modulacyjny dla źródła światła (101,201).

19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar częstości sygnału realizuje się przy pomocy układu elektronicznego (606) w postaci miernika częstości, który dostarcza informacji o polu magnetycznym.

20. Urządzenie do pomiaru zmian pola magnetycznego w ośrodku aktywnym wypełnionym parami atomowymi za pomocą wykrywania amplitudy modulacji skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego eliptycznie w funkcji częstości modulacji, zawierające źródło światła (101, 201), korzystnie połączone z modulatorem (102, 202), przystosowane do emitowania modulowanego światła o długości fali dostrojonej do przejścia pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym w atomach ośrodka aktywnego znajdujących się w komórce (106, 206), przy czym tor światła przebiega od źródła światła (101, 201), korzystnie przez modulator (102, 202), dalej przez pierwszy polaryzator (104, 204), do komórki (106, 206) z ośrodkiem aktywnym, przy czym urządzenie zawiera ponadto analizator (108, 204), przystosowany do odbierania światła po przejściu przez komórkę (106, 206) oraz detektor (109, 209) przystosowany do rejestracji natężenia światła transmitowanego przez analizator (108, 208) i do generowania sygnału elektrycznego, znamienne tym, że w torze światła pomiędzy pierwszym polaryzatorem (104, 204) a komórką (106, 206) znajduje się płytka fazowa ćwierćfalowa (105, 205) z osią optyczną umieszczoną pod kątem od 1 do 10 stopni do kierunku polaryzacji światła i przystosowana do transformacji polaryzacji liniowej światła w polaryzację eliptyczną, analizator (108, 204) stanowi polaryzator, którego oś skręcona jest o kąt w zakresie od 70 do 110 stopni względem osi pierwszego polaryzatora (104, 204), a generowany przez detektor (109, 209) sygnał elektryczny podawany jest do układu elektronicznego (405-407, 605-607) przystosowanego do analizy częstotliwościowej i określania zmiany pola magnetycznego na podstawie sygnału kąta skręcenia półosi głównej płaszczyzny polaryzacji na określonej harmonicznej modulacji wyodrębnionej za pomocą układu elektronicznego (406) w postaci detektora fazoczułego.

21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że zawiera jednomodowy światłowód zachowujący polaryzację (103) do kierowania światła ze źródła światła (101, 201), korzystnie przez m odulator (102, 202), do polaryzatora (104).

22. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że komórka (106) z ośrodkiem aktywnym zawiera gaz buforowy pod ciśnieniem od kilku do kilkuset Torrów.

23. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że ściany komórki (106) z ośrodkiem aktywnym są pokryte warstwą ochronną, w szczególności parafiną.

24. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że ośrodek aktywny zawiera atomy pierwiastków metali alkalicznych.

25. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że zawiera ponadto układ grzewczy (107) do podgrzewania temperatury komórki (106) z ośrodkiem aktywnym do zakresu od 15 do 60°C.

26. Urządzenie według zastrz. 25, znamienne tym, że układ grzewczy (107) jest grzałką oporową, zawierającą pary zwiniętych podwójnie bifilarnie przewodów o wysokiej oporności, przez które przepływa prąd zmienny o częstości od kilku do kilkudziesięciu kHz.

27. Urządzenie według zastrz. 25, znamienne tym, że układ grzewczy (107) zawiera nałożone na komórkę (106) osłony grzewcze z cyrkulującą w nich wodą o podwyższonej temperaturze.

PL 224 509 B1

28. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym. ze zawiera ponadto lustro (210), umiejscowione w torze światła za komórką (206), zasadniczo prostopadle do przechodzącej przez komórkę (206) wiązki światła, w taki sposób, że wiązka światła odbita od lustra (210) przechodzi ponownie przez komórkę (206) i płytkę ćwierćfalową (205), przy czym pierwszy polaryzator (204) pełni funkcję analizatora, a detektor (209) jest przystosowany do odbierania składowej światła prostopadłej do osi pierwszego polaryzatora (204).

29. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że detektorem (109, 209) jest fotodioda.

30. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że źródłem światła (101,201) jest dioda laserowa przystosowana do rezonansowego dostrojenia długości fali światła do jednego z przejść w atomach pierwiastków ośrodka aktywnego.

31. Urządzenie według zastrz, 20, znamienne tym, że modulatorem (102, 202) jest modulator akustooptyczny lub elektrooptyczny, w szczególności modulator światłowodowy.

32. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że układ elektroniczny (606) stanowi przesuwnik fazy i wzmacniacz, którego sygnał wyjściowy jest doprowadzony jako sygnał modulacyjny dla źródła światła (101,201).

33. Urządzenie według zastrz. 32, znamienne tym, sygnał wyjściowy układu elektronicznego (606) jest doprowadzony do źródła światła (101, 201) za pośrednictwem układu elektronicznego (607) w postaci dzielnika częstości.