Der neu entwickelte LSD-Mz-Arbeitsmodus für optisch gepumpte Magnetometer wird vorgestellt. Hierbei steht LSD für „Light-Shift dispersed“ , weil durch Subtraktion der Signale zweier integrierter Cäsiumdampfzellen, die so gepumpt werden, dass eine starke entgegengesetzte Lichtverschiebung (Light Shift) entsteht, eine dispersive Abhängigkeit vom Magnetfeld erzeugt wird.

Von VOLKMAR SCHULTZE // BASTIAN SCHILLIG // ROB IJSSELSTEIJN // RONNY STOLZ

Die Entwicklung des LSD-Mz-Modus folgt der Grundprämisse des IPHT, kleine, mit MEMS-Technologien hergestellte Cäsiumdampfzellen für optisch gepumpte Magnetometer zu verwenden, um integrierte Detektor-Arrays herstellen zu können [1]. Abbildung 1 zeigt die aktuell verwendete Konfiguration mit zwei verbundenen Zellen. Um trotz des kleinen Zellvolumens von nur 50 mm3 gute Magnetfeldauflösungen zu erhalten, wurde bereits früher von uns die sogenannte Light-Narrowing-Methode (LN) entwickelt [2]. Sie verwendet einen mittleren bis hohen Stickstoff-Puffergas-Druck, wodurch die Absorptionslinien der F=3 und F=4 Hyperfein-Niveaus  überlappen (Abb. 2). Gleichzeitig wurde nicht mehr vom üblicherweise verwendeten F=4-Niveau gepumpt, sondern der Laser wurde zu F=3 hin verstimmt. Zusammen mit starker Erhöhung der Pumpleistung konnte so die Magnetfeldauflösung von etwa 200 fT/Hz1/2 im normalen Mx-Betrieb auf 40 fT/Hz1/2 verbessert werden.

Der Mx-Modus ergibt die beste Magnetfeldauflösung bei einem Winkel von etwa 45° zwischen Magnetfeld und Pumprichtung. In dieser Konfiguration führt allerdings die Umverteilung der Besetzung der Zeeman-Niveaus in den Hyperfeinstruktur-Grundzuständen zu einer Spin-Austausch-Relaxation [3], wodurch die potentiell mögliche Magnetfeldauflösung verschlechtert wird. Außerdem verursacht das starke verstimmte Pumpen beim LN eine große Lichtverschiebung (Light-Shift), wodurch eine Verfälschung der Larmor-Frequenz fL und damit entsprechend der Beziehung fL =γ∙ B0 auch des gemessenen Magnetfeldes B0 resultiert (γ ist das gyromagnetische Verhältnis von Cäsium, eine Materialkonstante). 

Im neuen LSD-Mz-Modus werden diese Probleme der LN-Methode überwunden bzw. sogar  gezielt genutzt [4]. Der LN-Ansatz, auf F=3 verstimmt stark zu pumpen, bleibt bestehen. Es wird jedoch im Mz-Modus gearbeitet, wo B0-Feld und Pumprichtung parallel sind. Im Mz-Modus ist das Messsignal eine reine Erhöhung der dc-Absorption des Pumplichts, wenn die Frequenz des bei optisch gepumpten Magnetometern zusätzlich notwendigen B1-Feldes bei der Larmor-Frequenz liegt. Wie Abbildung 3 zeigt, wird durch den LN-Betrieb diese Absorption deutlich erhöht (bis auf 75% des hinter der Zelle gemessenen Photosignals). Es werden zwei Zellen gepumpt, die aufgrund der Integration mit gemeinsamem Cs-Reservoir (s. Abb. 1) identische Eigenschaften haben. Das zirkular polarisierte Pumplicht hat jedoch entgegengesetzte Helizität. Dadurch sind die beiden Messsignale gegenüber der unverfälschten Larmor-Frequenz um den gleichen Betrag, jedoch in entgegengesetzter Richtung verschoben (Abb. 3). Die Differenz dieser beiden Signale hat nun einen schönen dispersiven Charakter mit dem Nulldurchgang genau bei der Larmor-Frequenz. Ein weiterer Vorteil des LSD-Mz-Modus ist, dass durch die reine dc-Messung die Einstellung der Phase des B1-Feldes keine Rolle mehr spielt, also eine weitere potentielle Fehlerquelle der Magnetfeldmessung eliminiert ist.

Die Parameter der LSD-Mz-Anordnung wurden mit statistischen Methoden optimiert, wofür das Programm optiSLang [5] erstmals zur Kontrolle und Optimierung eines realen Systems eingesetzt wurde. Abbildung 4 zeigt, dass bei hoher Verlässlichkeit der statistischen Optimierung (großes CoP total) die Abhängigkeit des optimierten Parameters „Magnetfeldauflösung“ von der Einstellung aller einzelner Betriebsparametern  gering ist. Im Ergebnis ist bei den optimalen Betriebsparametern eine Magnetfeldauflösung von 10 fT/Hz1/2 erreichbar, und zwar sowohl bei hohem als auch mittlerem Puffergasdruck. So wird mit der LSD-Mz-Konfiguration eine weitere Verbesserung gegenüber dem LN-Betrieb erreicht. Darüber hinaus ist dies die beste Auflösung, die derzeit mit integrierten optisch gepumpten Magnetometern bei Betrieb in Erdfeldstärke erreicht wird.

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