DE-102024132477-A1 - Laserbasiertes Atomsensorsystem, umfassend einen Fabry-Pérot-Resonator

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Atomsensorsystem (1) mit einer Dampfzelle (2), die einen Alkalimetalldampf umfasst, einem Pumplasersystem (3), das zum Erzeugen eines optischen Pumpstrahls (4) entlang einer ersten Achse (5) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist, einem Magnetfeldsystem (6), das zum Erzeugen eines Magnetfelds entlang der ersten Achse (5) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist, und einem Probe-Lasersystem (7), das zum Erzeugen eines optischen Probe-Strahls (8) entlang einer zweiten Achse (9) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist. Die vorliegende Erfindung basiert auf der allgemeinen Idee, dass das Atomsensorsystem (1) einen Fabry-Pérot-Resonator (10) umfasst, wobei sich der Alkalimetalldampf der Dampfzelle (2) innerhalb des Fabry-Pérot-Resonators (10) befindet.

Inventors

• Lara Torralbo-Campo
• Mikhail Padniuk
• Alexander Konrad

Assignees

• ARDA ATOMICS GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (15)

1. Atomsensorsystem (1), umfassend: - eine Dampfzelle (2), die einen Alkalimetalldampf umfasst; - ein Pumplasersystem (3), das zum Erzeugen eines optischen Pumpstrahls (4) entlang einer ersten Achse (5) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist; - ein Magnetfeldsystem (6), das zum Erzeugen eines Magnetfelds entlang der ersten Achse (5) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist; - ein Probe-Lasersystem (7), das zum Erzeugen eines optischen Probe-Strahls (8) entlang einer zweiten Achse (9) durch die Dampfzelle (2) konfiguriert ist; dadurch gekennzeichnet , dass - das Atomsensorsystem (1) einen Fabry-Pérot-Resonator (10) umfasst, wobei sich der Alkalimetalldampf der Dampfzelle (2) innerhalb des Fabry-Pérot-Resonators (10) befindet.
2. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass - der Fabry-Perot-Resonator (10) eine erste reflektierende Fläche (11) und eine zweite reflektierende Fläche (12) umfasst, - wobei die erste reflektierende Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) in Bezug auf die zweite Achse (9) voneinander beabstandet sind.
3. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass - die erste reflektierende Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) jeweils planar und/oder flach ausgebildet sind, und/oder - wobei die erste reflektierende Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) um einen Abstand (13), insbesondere um einen invariablen Abstand (13), in Bezug auf die zweite Achse (9) voneinander beabstandet sind.
4. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass - mindestens eine reflektierende Fläche (11, 12) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung der Dampfzelle (2) ausgebildet ist und/oder - mindestens eine reflektierende Fläche (11, 12) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch einen Spiegel ausgebildet ist, wobei dieser Spiegel separat von der Dampfzelle (2) ausgebildet ist.
5. Atomsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass - die Dampfzelle (2) ein Gehäuse (14) mit einem ersten Abschnitt (15) und einem zweiten Abschnitt (16) umfasst, die transparent und/oder durchlässig sind, - wobei die erste reflektierende Fläche (11) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung des ersten Abschnitts (15) ausgebildet ist, - wobei die zweite reflektierende Fläche (12) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung des zweiten Abschnitts (16) ausgebildet ist.
6. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass der erste Abschnitt (15) eine erste Außenfläche (17) des Gehäuses (14) und eine erste Innenfläche (18) des Gehäuses (14) umfasst, während der zweite Abschnitt (16) eine zweite Innenfläche (19) des Gehäuses (14) und eine zweite Außenfläche (20) des Gehäuses (14) umfasst.
7. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass - die erste Außenfläche (17), die erste Innenfläche (18), die zweite Innenfläche (19) und die zweite Außenfläche (20) jeweils planar ausgebildet sind, und/oder - wobei die erste Außenfläche (17) einen Flächenvektor aufweist, wobei der Flächenvektor der ersten Außenfläche (17) parallel zu der zweiten Achse (9) verläuft und/oder - wobei die erste Innenfläche (18) einen Flächenvektor aufweist, wobei der Flächenvektor der ersten Innenfläche (18) parallel zu der zweiten Achse (9) verläuft und/oder - wobei die zweite Innenfläche (19) einen Flächenvektor aufweist, wobei der Flächenvektor der zweiten Innenfläche (19) parallel zu der zweiten Achse (9) verläuft und/oder - wobei die zweite Außenfläche (20) einen Flächenvektor aufweist, wobei der Flächenvektor der zweiten Außenfläche (20) parallel zu der zweiten Achse (9) verläuft.
8. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , dass - die erste reflektierende Fläche (11) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung der ersten Außenfläche (17) ausgebildet ist, und/oder - wobei die erste reflektierende Fläche (11) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung der ersten Innenfläche (18) ausgebildet ist.
9. Atomsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass - die zweite reflektierende Fläche (12) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung, insbesondere eine dielektrische reflektierende Beschichtung, der zweiten Innenfläche (19) ausgebildet ist und/oder - die zweite reflektierende Fläche (12) des Fabry-Perot-Resonators (10) durch eine reflektierende Beschichtung, insbesondere eine dielektrische reflektierende Beschichtung, der zweiten Außenfläche (20) ausgebildet ist.
10. Atomsensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass - der Fabry-Perot-Resonator (10) einen freien Spektralbereich (21) umfasst, der kleiner ist als ein Absorptionsspektralbereich (22) des Alkalidampfs, und/oder - wobei der freie Spektralbereich (21) des Fabry-Perot-Resonators (10) durch einen Abstand (13) zwischen der ersten reflektierenden Fläche (11) und der zweiten reflektierenden Fläche (12) konfiguriert und/oder ausgebildet ist und/oder - wobei der freie Spektralbereich (21) des Fabry-Pérot-Resonators (10) durch eine Reflektivität der ersten reflektierenden Fläche (11) und der zweiten reflektierenden Fläche (12) konfiguriert und/oder ausgebildet ist.
11. Atomsensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass - das Atomsensorsystem (1) ein optisches Detektionssystem (23) umfasst, das zum Messen des von der Dampfzelle (2) ausgesendeten Probe-Strahls (8, 25) konfiguriert ist, - wobei das Pumplasersystem (3) eine Probe-Laser-Steuereinheit (36) umfasst, die zum Einstellen der optischen Frequenz des optischen Probe-Strahls (8) konfiguriert ist, und/oder - wobei die Probe-Laser-Steuereinheit (36) zum Scannen der optischen Frequenz des optischen Probe-Strahls (8) über einen optischen Frequenzbereich konfiguriert ist, um basierend auf der Messung durch das optische Detektionssystem (23) eine optimale optische Frequenz (35) zu identifizieren.
12. Atomsensorsystem (1) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass - die Probe-Laser-Steuereinheit (36) zum Scannen der optischen Frequenz des optischen Probe-Strahls (8) über mehrere GHz, insbesondere mehrere Hundert GHz, konfiguriert ist, um die optimale optische Frequenz (35) zu finden, und/oder - wobei die Probe-Laser-Steuereinheit (36) zum Modulieren der optischen Frequenz des optischen Probe-Strahls (8) mit mindestens 1 MHz konfiguriert ist, um eine FM-Sperre und/oder Phasensperre durchzuführen, und/oder - wobei die optimale optische Frequenz (35) eine Frequenz ist, bei der die Ableitung des gemessenen Signals (33) ein Maximum oder Minimum aufweist, und/oder - wobei die optimale optische Frequenz (35) eine Frequenz zwischen einem Minimum und einem Maximum des Alkalimetalldampf-Absorptionsspektrums (34) ist und/oder - wobei die optimale optische Frequenz (35) eine Frequenz ist, bei der die Messung des Probe-Strahls (8, 25) durch das optische Detektionssystem (23) empfindlicher ist als bei anderen optischen Frequenzen.
13. Atomsensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass - das Atomsensorsystem (1) ein Heizsteuersystem (26), insbesondere ein externes oder internes Temperatursteuersystem, umfasst, das zum Steuern der Alkalimetalldampfdichte konfiguriert ist, und/oder - wobei das Heizsteuersystem (26), insbesondere das Temperatursteuersystem, ein Rückkopplungssystem umfasst, das zum Stabilisieren der Temperatur des Alkalimetalldampfs konfiguriert ist.
14. Gyroskopsystem, das mindestens ein Atomsensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, um eine Ausrichtung des Gyroskopsystems zu bestimmen.
15. Satellit und/oder Fahrzeug, insbesondere ein Boden-, Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeug, und/oder Raumfahrzeug, umfassend mindestens ein Gyroskopsystem nach Anspruch 14 , um eine Ausrichtung der dieses Gyroskopsystem umfassenden Vorrichtung zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein laserbasiertes Atomsensorsystem mit einer Dampfzelle, die einen Alkalimetalldampf umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Gyroskopsystem, das ein derartiges Atomsensorsystem umfasst, und/oder ein dieses Gyroskopsystem umfassende System. US 2023273278A1 beschreibt eine Atomdampfzelle für die Atom- oder Molekülspektroskopie, optisches Pumpen und/oder die spinbasierte Atomsensorik, die ein Wirtssubstrat einschließt und dort innerhalb einer vergrabenen oder nicht vergrabenen Kammer definiert ist, die mittels Laser ohne die Notwendigkeit einer Maske oder eines Fotolacks in das Wirtssubstrat geschrieben wird, mit entweder planarer oder dreidimensionaler Geometrie und zum Einschließen von Atomdampf vorgesehen ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verbessern der Messempfindlichkeit in Bezug auf die Faraday-Rotation des optischen Probe-Strahls, die durch die eingebetteten Atome des Alkalimetalldampfes und das Magnetfeld verursacht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen. Die Erfindung basiert auf der allgemeinen Idee, dass der Alkalimetalldampf von einem optischen Resonator umschlossen ist. Bei diesem optischen Resonator handelt es sich um einen Fabry-Perot-Resonator, insbesondere um ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) und/oder -Etalon. Das Atomsensorsystem umfasst also einen Fabry-Perot-Resonator, wobei sich der Alkalimetalldampf der Dampfzelle innerhalb des Fabry-Perot-Resonators befindet. Der von dem Fabry-Perot-Resonator ausgesendete Probe-Strahl kann zum Verbessern der Messempfindlichkeit des laserbasierten Atomsensorsystems verwendet werden. Dadurch können Magnetfeldänderungen wesentlich genauer detektiert werden und können die Basis zum Erzeugen von Steuersignalen von Systemen bilden, die ein derartiges erfindungsgemäßes Atomsensorsystem umfassen. Das laserbasierte Atomsensorsystem umfasst ein Pumplasersystem, das zum Erzeugen eines optischen Pumpstrahls, insbesondere eines optischen Laserpumpstrahls, entlang einer ersten Achse durch die Dampfzelle konfiguriert ist, ein Magnetfeldsystem, das zum Erzeugen eines Magnetfelds entlang der ersten Achse durch die Dampfzelle konfiguriert ist, und ein Probe-Lasersystem, das zum Erzeugen eines optischen Probe-Strahls, insbesondere eines optischen Probe-Laserstrahls, entlang einer zweiten Achse durch die Dampfzelle konfiguriert ist. Die erste Achse und die zweite Achse können senkrecht zueinander stehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Fabry-Pérot-Resonator eine erste reflektierende Fläche und eine zweite reflektierende Fläche, wobei die erste reflektierende Fläche und die zweite reflektierende Fläche in Bezug auf die zweite Achse voneinander beabstandet sind. Dadurch ist ein optimaler Systemaufbau bereitgestellt. Das Pumplasersystem kann zum Erzeugen des optischen Pumpstrahls konfiguriert sein, sodass der optische Pumpstrahl durch die Dampfzelle propagiert, jedoch nicht durch die erste reflektierende Fläche und/oder die zweite reflektierende Fläche des Fabry-Perot-Resonators. Mit anderen Worten propagiert der optische Pumpstrahl durch die Dampfzelle zwischen der ersten reflektierenden Fläche und der zweiten reflektierenden Fläche des Fabry-Perot-Resonators. Das Magnetfeldsystem kann zum Erzeugen des Magnetfelds konfiguriert sein, sodass das Magnetfeld die Dampfzelle und/oder den Fabry-Perot-Resonator, insbesondere die erste reflektierende Fläche und/oder die zweite reflektierende Fläche des Fabry-Perot-Resonators, durchdringt. Das Pumplasersystem kann zum Erzeugen des optischen Probe-Strahls konfiguriert sein, sodass der optische Probe-Strahl durch die Dampfzelle und durch die erste reflektierende Fläche und die zweite reflektierende Fläche des Fabry-Perot-Resonators propagiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste reflektierende Fläche und die zweite reflektierende Fläche jeweils planar und/oder flach ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich sind die erste reflektierende Fläche und die zweite reflektierende Fläche um einen Abstand, insbesondere um einen invariablen Abstand, in Bezug auf die zweite Achse voneinander beabstandet. Der Abstand zwischen der ersten reflektierenden Fläche und der zweiten reflektierenden Fläche kann größer oder gleich 10 mm sein. Der Abstand zwischen der ersten reflektierenden Fläche und der zweiten reflektierenden Fläche kann größer oder gleich 15 mm sein. Der Abstand zwischen der ersten reflektierenden Fläche und der zweiten reflektierenden Fläche kann größer oder gleich 20 mm sein. Die erste reflektierende Fläche und die zweite reflektierende Fläche bilden zwei parallele reflektierende planare und/oder flache Flächen aus, wodurch der optische Probe-Strahl nur dann durch die Fabry-Pérot-Kavität propagiert, wenn er mit dieser in Resonanz ist. Der invariable Abstand, insbesondere ein konstanter und/oder unveränderlicher Abstand, hat