JP2014507636A - 地球物理学の用途、特に炭化水素貯留層をモニタする用途のための原子干渉法による絶対重力測定装置 - Google Patents

Abstract

装置は複数のレーザバンドを発生させるレーザシステム（１３）を含み、レーザバンドが、前記複数の原子の基準状態（５^２Ｓ_１／２）の超微細準位（Ｆ１、Ｆ２）と励起状態（５^２Ｐ_３／２）の超微細準位（Ｆ’_２、Ｆ’_３）との間のエネルギー遷移に等しい周波数で各々一致し、レーザシステム（１３）が第１のバンド（３０）を放射する周波数に安定化した第１のレーザ光源（２３）と、第１のレーザ光源（２３）と同位相で接続され、再ポンピング用のバンド（３７）を放射する第２のレーザ光源（２４）とを含み、第１および第２のレーザ光源（２３、２４）が検出用バンド（３１）、三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド（３２）、押し込み用のバンド（３３）および参照バンド（３６）を発生させることのできる二次バンド発生手段（２９）と連結され、前記レーザシステムが、前記参照バンド（３６）から始まって出射する２つの重畳したラマン干渉バンド（４１）を生じさせることのできるラマンバンド発生手段（３９）も含み、ラマンバンド発生手段（３９）が、再ポンピング用バンド（３７）と連結された冷却用のバンドを発生させる手段（４０）と関連付けられ、磁気光学トラップを得るための３つのバンド（５３）を発生させることができる。

Description

本発明は、地球物理学分野に使用されることが好都合であり、現場での用途のために特に適した原子干渉法による絶対重力測定装置に関する。

現在、重力測定は、重力加速度の時間変化の測定の恩恵を受ける地球力学分野、水文学または地球のダイナミクスに繋がる現象の調査や、石油探査にも応用される。

地球の重力場が時間および空間に関して変化することは実際に知られている。

さらに、この重力場は、緯度、高度および下層土の組成によって決まるため、考慮される場所に関して変化し、また様々な現象によって影響されるため時間の変数となる。これらの現象の中に、地球力学または地殻構造上の現象、太陽系の天体によって働く引力、海洋質量の引き付け、地球の回転軸の周期的および瞬時的な変化、および大気圧の変動があることに言及することは価値がある。

このことは、重力加速度ｇの測定、したがって時間と空間に関係する同一量の変動の調査が、下層土の特徴に繋がる様々な現象の極めて正確な指標を提供することを示唆している。

これらの目的のために、測定されるべき信号の強度がしばしば２０マイクロガル（micro Gal）を下回ることを考慮して高精度の測定を実行することが必要となる。

数年にわたって、ますます正確で高精度の測定を提供することに適した重力測定用または重力計用の装置を実現する試みが為されてきたのはこの理由のためである。

しかしながら、要求される精度は、分析されるべき現象によって変わることを指摘することが有用である。

深い地層の調査のためには、例えば、１０^−６から１０^−８（Δｇ／ｇ）の範囲の精度を有する測定ができる重力計を使用することで十分であるが、それに対し、地球力学的な過程、火山のマグマの移動、帯水層の変動、重力学的な潮汐の分析のためには、測定は１０^−７から１０^−９の範囲の精度を有するべきである。

現在使用されている絶対重力測定装置は１９７０年代に成熟した技術に基づいている。

さらに言及すると、知られている重力計の大多数は「自由落下」タイプであり、自由落下する物体が受ける重力加速度の測定が光学干渉技術によって行われる。

このタイプの重力計によって到達され得る精度は約１０^−８であり、この精度は、落下する物体とカバーされる空間の測定用の干渉計のアームとの同時の垂直度という特異的な要求や、巨視的物体に及ぼす磁気および静電気の効果の限られた知見によって主に制限される。

さらに、このタイプの重力計では、一回の測定と別の測定との間の長い期間により、同じ環境条件下で一連の測定を実行することが不適切である。

新世代の機器は超伝導重力計によって代表され、ニオブの球体の重量が超伝導コイルの電流によって生じた力と釣り合うようにされる。

この球体を初期位置に維持するために必要な電流の変化の測定から、重力加速度の変化の評価を取得することが可能である。

この原理に基づいた重力計は高い精度を有するが、重力加速度を直接測定しない相対的測定機器であり、絶対的基準となる基準の球体の重量を較正することも必要となる。

さらに、超伝導体の重力測定装置でも、加速される質量は巨視的な物体であり、それゆえに、測定は熱的なドリフトに起因する制限や必須の超低温装置の維持に起因する輸送性の制限に加え、磁気および静電気の効果の乏しい知見に起因して制限されるという難点を有する。

光学干渉重力計の正確さの限界および重力加速度の絶対測定を提供する磁気と静電気の効果の限られた知見に起因する欠点を克服するために、最近では原子干渉法による絶対重力測定装置が使用されている。

原子干渉計は極めて正確な加速度センサおよび回転センサであることが解っており、応用分野では、重力加速度の測定における光学干渉計に関して既に競合している。

これは、中性原子の物質波の干渉に基づく重力計においては、加速される要素が原子自体であり、その移動に関して巨視的な要素が無いという事実に依存している。したがって、磁気および電気の効果に起因する体系的誤差は原子構造の正確な知見によって制御することが可能である。

原子干渉法による絶対重力測定装置の別の重要な利点は機器のドリフトが無いことにあり、それゆえに長い期間外部からの調節の介入を伴わず、精度を上げるための長時間にわたる測定の繰り返しを可能にし、潜在的に約１０^−１１に等しい精度に到達することが可能である。

原子干渉法による絶対重力測定装置において、原子試料は原子遷移を伴うほぼ共鳴する光照射に由来する圧力によって冷却される。

この冷却処理または低速化処理は、物質、特に原子の波動性が重要であり、相当するドブロイ波長が原子間距離に匹敵し得るような低温（数マイクロケルビン）に原子を到達させる。

これにより、光学干渉における光波と同様に物質波の干渉を実現させる実験が可能となる。

それゆえに、光学干渉重力計とは異なって、原子干渉法による絶対重力測定装置では、自由落下する物ではなく、複数の原子の加速度が測定される。

この複数の原子は、或る複数の周波数に一致する複数のレーザバンド（laser band）の使用により、強制真空チャンバ内でまず冷却されてトラップされ、三次元磁気光学トラップ（３Ｄ−ＭＯＴ）が生じる。

このトラップの後、これら複数の原子は解放され、干渉シーケンス（interferometric sequence）の対象となる。

さらに言及すると、干渉シーケンスの間、原子は２つの原子バンドに分離され、異なる経路を辿った後に再結合させられる。

光学干渉とは異なって原子干渉法では、原子のバンドの分離器および偏向器は、時間間隔（interval）Ｔで放射される連続したレーザインパルスによって提供される。

上記の重力計におけるラマン干渉法（Raman interferometry）の使用は現在知られており、ラマン干渉法では、考慮対象の原子種の基準状態の２つの超微細準位の間の遷移に相当する周波数の差が、２つの反対方向に伝播するレーザバンドの相互作用を通じて生み出される。

この点で、原子干渉重力計に応用するために最も適した原子種は、アルカリ金属、特に、セシウムおよびルビジウムであることがわかる。セシウムおよびルビジウムは、極めて長い平均寿命を有する一対の準位であってこれらの準位間でラマン遷移が起こり得る一対の準位を有している。これらの原子は、容易に気化可能であって、冷却およびレーザトラップの目的のため扱いやすい。

干渉シーケンスの後に検出ステップが実行され、これを通じて複数の原子が受ける加速度が算出される。

干渉シーケンスの後に、事実上、原子は、上記の基準状態の２つの超微細準位にあることが指摘されるべきである。再結合された複数の原子バンドに関連する物質波間の位相シフト項ΔΦが、２つの超微細準位に存在する原子数の比から得られ、これは積ｇＴ^２に比例する。したがって、検出ステップ中の位相シフトの測定値から重力加速度の測定値を得ることが可能である。

別々の区域での同時の検出技術や、別々の区域での順次の検出による検出ステップを実行することが現在知られている。

さらに言及すると、別々の区域での順次の検出によれば、複数の原子は自由落下して２つの領域を順番に横切り、２つの超微細準位の原子は蛍光発光を刺激する検出用バンドを通じて選択的に励起され、この発光の強度が２つの準位に存在する原子数に比例する。

対照的に、別々の区域での同時の検出は、上記２つの超微細準位にある原子に対応する原子バンドを空間的に分けるための押し込み用レーザバンドと、蛍光の発光を刺激する検出用バンドと、を必要とし、この発光の強度が２つのバンドに存在する原子数に比例する。

これまでに説明したステップに伴うすべてのレーザバンドが、レーザシステムによって生成され、その複雑性は、一般に、必要とされる精度の要求と共に増大する。

現在の原子干渉重力計に具備されるレーザシステムは、概して、複数のミラーと光変調器と光ファイバと光バンドの同位相および／または同周波数の接続手段と関連する少なくとも３つのレーザ光源を含む。

レーザシステム内に存在する光源の数の増加につれて、明らかに光源および相対重力計の負担が増し、特にシステムの移動が実際上不可能になる。

そのような複雑なレーザシステムは、事実上、概して極めて大型で重い光学台に具備され、異なる場所で複数の測定を実行するために移動させることが容易でない。

測定を実行する時間の長さが長くなるほど原子干渉重力計の精度も高くなると考えられることも指摘されるべきであり、そのような時間の長さは、明らかに自由落下する原子をまかなう空間の大きさに依存する。

さらに、三次元磁気光学トラップから冷却原子を解放する瞬間の原子の位置および速度の制御ができれば精度が向上する。

原子試料の測定を実行するのに有用な時間の長さを増大させるために、原子泉（atomic fountain）と呼ばれる解放技術が原子干渉重力計で現在実施されている。

この解放技術によると、磁気光学トラップのトラップ処理の終わりに磁場が消滅させられ、続いてトラップ用のレーザバンドに起因する放射圧が乱され、それゆえに冷却原子が鉛直方向の上方へ押し上げられて原子泉を作り出すようにレーザシステムが操作される。

この原子泉解放技術は、干渉シーケンスおよび検出を実行するのに有用な時間を２倍にするという利点を提供するが、原子の位置および初速度の精度を維持したまま制御することを可能にするものではない。

さらに、原子試料が辿るべき全行程を含まなければならないので、この泉解放技術は大きな寸法の超高真空システムを必要とすることは指摘されるべきである。

それゆえに、現在使用されている原子干渉重力計は、高い精度を有する大きな寸法の研究室用の測定システムである。

従来および本発明の絶対重力測定装置は、概して、重力によって規定される鉛直方向に沿って上から下に向かって順に、レーザバンドを発生させるレーザシステムと、レーザシステム用の支持用平面と、レーザバンドが通る超高真空システムと、超高真空システムの基台に設置された再帰反射型ミラーと、を含む。

高い測定精度を保証するために、絶対重力測定装置の鉛直軸に沿った振動、特に再帰反射型ミラーの鉛直方向に沿った振動を最小限に減らすこと、および上述した絶対重力測定装置の部品を可能な限り鉛直方向に沿って配列するように保持すること、の両方が必要である。

この目的のために、再帰反射型ミラーのバネ／反バネ浮遊装置（spring-anti-spring suspension）を含むタイプの震動減衰システムが知られている。

しかしながら、現在知られている震動減衰システムは、すべて、本発明による小さい負担の絶対重力測定装置に搭載できないような寸法を有する。

本発明の目的は上述の欠点を克服すること、特に、小型の寸法を有する原子干渉計を備えた絶対重力測定装置を提供することである。

本発明の別の目的は、高精度の測定を実行する場所に、現場渡しで容易に輸送可能になり得る原子干渉計を備えた絶対重力測定装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、最低限の調節および調整しか必要としない原子干渉計を備えた絶対重力測定装置を提供することである。

本発明によるこれらおよび他の目的は請求項１で述べられた原子干渉法による絶対重力測定装置によって達成される。

原子干渉計を備えた絶対重力測定装置のさらなる特徴は複数の従属請求項の対象である。

本発明の原子干渉法による絶対重力測定装置の特徴および利点は、添付の模式的な図面を参照した、例証であって限定ではない以下の説明から一層明白になるであろう。

本発明による地球物理学用の原子干渉法による絶対重力測定装置の模式的斜視図である。 図１の絶対重力測定装置に含まれる測定ヘッドの模式的透視図である。 ルビジウムのエネルギーダイアグラムである。 図２の測定ヘッドに含まれるレーザシステムの模式図である。 図４ａのレーザシステムに含まれるラマンバンド発生手段の模式図である。 図２の測定ヘッドに含まれる超高真空システムの模式的透視図である。 図５ａのシステムに含まれる一次チャンバの細部の模式図である。 図５ａの立てられた超高真空システムの正面図である。 図５ａの立てられた超高真空システムの側面図である。 トラップ処理ステップ中の超高真空システムの模式的な正面図である。 トラップ処理ステップ中の超高真空システムの模式的な側面図である。 トラップ処理ステップ中の超高真空システムの模式的な上面図である。 図２の測定ヘッドに含まれる震動減衰システムの模式的斜視図である。 図４ａのレーザシステムを操作する方法の一実施形態を示すブロック図である。 図４ａのレーザシステムを操作する方法の一実施形態を示すブロック図である。 本発明の絶対重力測定装置に搭載された図８の震動減衰システムを上方から見た模式的斜視図である。 本発明の絶対重力測定装置に搭載された図８の震動減衰システムを下方から見た模式的斜視図である。

これらの図を参照すると、地球物理学用の原子干渉法による絶対重力測定装置が示され、全体として符号１０として表示されている。

地球物理学用の原子干渉法による絶対重力測定装置１０は、測定ヘッド１１と、制御および供給用のラック１２と、を含み、これらが互いに電線および或る場合には光ファイバ（図示せず）によって接続される。

原子干渉法による絶対重力測定装置１０の測定ヘッド１１は、冷却原子試料をトラップし自由落下させるための超高真空システム１４と、振動を制御するための震動減衰システム１５と、を含む。

この原子干渉法による絶対重力測定装置１０は、原子の冷却、トラップ、操作および検出のためのバンドを発生させるレーザシステム１３と電子制御システム（図示せず）も含み、これらは測定ヘッド１１内または制御および供給用ラック１２内に含まれてもよい。

レーザシステム１３が測定ヘッド１１内に含まれる場合には、レーザシステム１３から発せられたバンドを搬送する光ファイバも測定ヘッド１１内に含まれ、したがってラック１２は電線によってのみ測定ヘッド１１に接続される。

例示された好ましい実施形態では、測定ヘッド１１は鉛直に展開するフレーム１７を有し、その上端部に支持プレート１６が取付けられている。

レーザシステム１３を含む金属製のケースが上部の支持プレート１６に固定される。

磁気遮蔽ケース２０内に封入された超高真空システム１４は、上部の支持プレート１６の下で、係合支持手段１９によってフレーム１７に束縛される。

震動減衰システム１５はフレーム１７の下端部に束縛されている。

この震動減衰システム１５は、干渉バンド（interferometric band）を反射するために用いられる再帰反射型ミラー２１を支持する。

測定ヘッド１１は、温度調節器で調温されたフレーム２２内、または、起こり得る温度低下を補償する温度センサおよび抵抗体の組合せを有する金属製ケース２２内に配置されると好都合である。

この方法により、超高真空システム１４および上記の全てのレーザシステム１３の温度を能動的に制御することが可能であり、特に、レーザシステム１３によって発生した複数のバンドを超高真空システム１４へ移送するための光ファイバの熱変動に起因する効果が低減する。

さらに言及すると、レーザシステム１３は、原子試料の冷却用およびトラップ用のバンドと、光学的再ポンピング用のバンドと、ラマン干渉バンドと、押し込み用および検出用のバンドと、を発生および制御することができる。

これらのレーザバンドは、考慮対象の原子種の共鳴光学周波数や発揮されるべき特定の機能に基づいて決定される様々な周波数と適切に一致する。

絶対重力測定装置１０に使用される原子種は基準エネルギー状態と励起エネルギー状態によって特徴付けられており、これらの２つのエネルギー状態の各々が複数の超微細準位にさらに分割され得るということが指摘される。

本発明による地球物理学用の原子干渉法による絶対重力測定装置１０に使用される原子種は、図３に示されているように、基準エネルギー状態５^２Ｓ_１／２および励起準位５^２Ｐ_３／２を有するルビジウム８７であることが好ましく、これらの準位は周波数で３８４．２ＴＨｚ、または７８０．２ｎｍだけ異なっている。

さらに、これら２つの準位の各々は複数の超微細準位を含み、特に、基準状態の２つの超微細準位Ｆ_１とＦ_２は、図３で明らかに示されているように、周波数で６．８ＧＨｚ異なる。

レーザシステム１３によって発生されるレーザバンドは、基準状態と励起状態との間のエネルギー遷移に相当する周波数、すなわちルビジウム８７の例では７８０．２ｎｍとほぼ一致する。

特に、機能に応じて、バンドは考慮対象の原子種の基準状態の超微細準位と励起状態の超微細準位との間のエネルギー遷移に相当する周波数に同調させられる。

さらに言及し、図３に例示されたルビジウム８７のエネルギーダイアグラムを参照すると、原子試料の冷却およびトラップと押し込みは、基準状態５^２Ｓ_１／２の第２の超微細準位Ｆ_２と励起準位５^２Ｐ_３／２の第３の超微細準位Ｆ’_３との間のエネルギー遷移に等しい周波数を有するレーザバンドによって引き起こされる。

冷却原子に加えていくつかの原子が他の遷移を行う可能性が存在するので、これらの原子が冷却から免れることを阻止するため、再ポンピングを実施することが得策である。

再ポンピング用のバンドは、基準状態５^２Ｓ_１／２の第１の超微細準位Ｆ_１と励起準位５^２Ｐ_３／２の第２の超微細準位Ｆ’_２との間のエネルギー遷移に設定される。

ラマン干渉シーケンスを実現するバンドは、仮想エネルギー準位と基準状態５^２Ｓ_１／２の第１および第２の超微細準位Ｆ_１，Ｆ_２との間で生じる２つのエネルギー遷移に設定される。したがって、ルビジウム８７の例では、この２つの干渉バンドは約６．８ＧＨｚ異なる２つの周波数に同調させられる。

検出用のバンドは、基準状態５^２Ｓ_１／２の第２の超微細準位Ｆ_２と励起準位５^２Ｐ_３／２の第３の超微細準位Ｆ’_３との間のエネルギー遷移に設定される。

本発明によると、上記の複数のレーザバンドは、２つのレーザ光源２３、２４のみを含むレーザシステム１３によって発生させられ、ルビジウム８７原子試料を考慮した例では約７８０．２ｎｍに同調させられることが好ましい。レーザ光源の種類は、同じ光源からのレーザバンドが満たさなければならないスペクトル純度、合致性（comformability）および光パワーの観点での要求に基づいて明らかに選択される。

特に、レーザ光源は、関連する光学的遷移に関連して一層狭い発光バンドを有するべきである。

そのような要求は、特にラマン干渉および検出用のバンドの周波数ノイズが干渉計の位相ノイズおよび検出中の測定ノイズとなるので、これらのバンドを発生させる光源については極めて重要である。

したがって、約１ＭＨｚのレベルで安定させられるレーザ光源が使用されなければならない。

この点で、第１の光源２３は高精度で安定させられることが可能であって極めて狭い発光バンドを有する外部共振器半導体レーザすなわちＥＣＤＬであることが好都合である。さらに言及すると、この外部共振器半導体レーザの絶対周波数ｆ_ｒｅｆは［３８４２２７９３５．０ＭＨｚ，３８４２２７９３５．５ＭＨｚ］の周波数範囲内に含まれる。

第２の光源２４は分散型フィードバックレーザすなわちＤＦＢであることが好ましく、これは外部共振器半導体レーザに対して小型の寸法であるが、大きなバンド発光幅によって特徴付けられる。この分散型フィードバックレーザの絶対周波数ｆ_ｒｅｐは［３８４２３４６８２ＭＨｚ，３８４２３４６８４ＭＨｚ］の範囲内に含まれる。

２つのタイプのレーザ光源の重要な違いは、分散型フィードバックレーザよりも外部共振器半導体レーザの方がより頑強であることにある。外部共振器半導体レーザは、実際、機械的、熱的または電気的励起の結果としてモードジャンプをより多く受ける。モードジャンプはレーザの周波数接続（frequency connection）の損失につながり、したがって周波数接続操作は分散型フィードバックレーザで概してあまり複雑ではなく、その結果として注入電流に作用するために十分であり、その操作は容易に自動化できる。外部共振器半導体レーザについては対照的に、温度、電流および圧電電圧の３つのパラメータに作用することが必要と見込まれる。

冷却、トラップ、干渉シーケンスおよび検出用のバンドは、１ｋＨｚのオーダーの精度での制御量によって周波数に差が出るもので、第１の光源２３から得られる。再ポンピング用のバンドは第２の光源２４から得られる。

レーザシステム１３は第１のモジュール２５と第２のモジュール２６を含み、ここに２つの光源２３、２４および上記のレーザバンドを発生させるために必要な、例えばミラー、偏光素子、レンズ、フォトダイオードなどのすべての手段が配置される。

本発明によるレーザシステム１３の構成は、モジュール２５および２６内の光源２３、２４の配置の変更に応じて変わるが、本発明の範囲を超えないことがわかる。

本発明の好ましい実施形態では、２つの光源２３、２４は第１のモジュール２５の内側に設置される。

この場合、第１のモジュール２５は、三次元磁気光学トラップ用のバンド、押し込み用のバンド、検出用のバンドおよび再ポンピング用のバンド、並びにラマン干渉レーザバンドを発生させるための参照バンド、を発することができる。

さらに言及すると、第１の光源２３は、考慮対象の原子種のエネルギー遷移の特徴周波数に関連して数百ＭＨｚでシフトされた周波数で放射された第１のバンド３０を安定させることができる周波数接続手段２７と関連することが好都合である。

周波数接続手段２７は、変調伝達分光法（ＭＴＳ）技術を実行可能であることが好ましい。この技術によると、第１の光源２３によって放射されるバンドの一部が、２つのバンド、ポンプバンド（pump band）とプローブバンド（probe band）に分割される。ポンプバンドは周波数接続手段２７に含まれる電気光学変調器結晶すなわちＥＯＭ（図示せず）を通過する。この電気光学変調器結晶は、振幅の変調を伴わず、純粋に位相変調を生じさせることができる。変調周波数は、考慮対象の原子種の基準エネルギー状態と励起エネルギー状態との間の光学的遷移の通常の広がりのオーダーであり、原子種がルビジウム８７である例では飽和周波数はそれゆえ約６ＭＨｚである。電気光学変調器結晶は、電気光学変調の後にポンプバンドが注入されるルビジウム８７蒸気を有するセル（図示せず）と関連している。

電気光学変調器結晶は、ＡＭ変調を伴わないので、誤差信号におけるオフセットの高度の再注入を伴う純粋な位相変調を許容する。

他方で、プローブバンドは、周波数接続手段２７内に含まれ、好ましくは３６０ＭＨｚに等しい変調周波数を伴う純粋な周波数変換を生じさせる音響光学変調器（図示せず）を通過する。変調された後、そのようなプローブバンドは、飽和分光法（saturation spectroscopy）の構成を生じさせるため、ルビジウム８７蒸気のセル内のポンプバンドに関して逆方向に重畳され、その後、高速フォトダイオード（図示せず）へ送られる。フォトダイオードの信号はＥＯＭの変調信号と共に直交復調される。

飽和分光法は考慮対象の原子種の基準エネルギー状態と励起エネルギー状態との間の原子の遷移の通常の広がりのオーダーにおいて、狭い参照ラインを保証することが指摘される。これは、１０００のオーダーのＳ／Ｒ比を備える。したがって１０ｋＨｚより優れた周波数精度に達することが可能である。電気光学変調器結晶の高い変調周波数は、検出ステップ中の１／ｆノイズを除去することを可能にする。音響光学変調器で得られる２つのポンプバンドおよびプローブバンドの間の周波数シフトは、この２つのバンド間の干渉を低減する。

第１の光源２３は、複数のレンズおよびミラー（図示せず）と、複数の音響光学変調器（図示せず）と、複数のバンド分割器（図示せず）と、を含む二次バンド発生手段２９と連結されることが好都合であり、これらは、超高真空システム１４内に移送するために適した複数の光ファイバ（図示せず）の中に直接入射される検出用バンド３１、三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド３２および押し込み用バンド３３を発生させるように構成されている。

そのような二次バンド発生手段２９は、ラマン干渉レーザバンドを生じさせるための参照バンド３６も発生させる。

第１の光源２３は、高出力レーザバンドが得られるようにする第１の光増幅器２８と結合することも好ましく、これは絶対重力測定装置１０の機能にとって必要な複数のバンドの発生を保証するために必要不可欠である。

第１の光増幅器２８は、一層大きな頑強さと一層高い光学出力を提供するように、テーパ付きのタイプであることが好ましい。そのような第１の光増幅器２８は第１の光源２３と二次バンド発生手段２９との間に置かれる。

他方で第２の光源２４は、第１の増幅器２８によって増幅された第１のバンド３０の一部が入射する位相接続手段（phase connection means）３４と関連付けられている。

この方法で、第２の光源２４によって放射された第２のバンド３５が、第１の光源２３によって放射された第１のバンド３０に同位相で接続され、再ポンピング用バンド３７を発生する。したがって、第１の光源２３と関連付けられると、第２の光源２４が再ポンピング用バンド３７を放射することが保証される。

特に三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド３２と検出用バンド３１を発生させることに協同するように、再ポンピング用バンド３７の一部が二次バンド発生手段２９と関連すると好都合であることが強調されるべきである。

第１のモジュール２５は、参照バンド３６と再ポンピング用バンド３７を第２のモジュール２６へ入射することを通じて、第２のモジュール２６と関連する。

第２のモジュール２６は、好ましくはテーパ付きのタイプの第２の光増幅器３８を含むと好都合であり、この第２の光増幅器３８に第１のモジュール２５からの参照バンド３６が入射される。

第２の光増幅器３８は、参照バンド３６単独から始まって、出射する２つの重畳した干渉ラマンバンド４１を生じさせるラマンバンド発生手段３９と連結する。この重畳したラマンバンド４１は、超高真空システム１４へ移送するための光ファイバ（図示せず）内に入射する。

この代わりに、参照バンド３６はラマンバンド発生手段３９内に直接入射しても良い。

特に、図４ｂで示されているように、このラマンバンド発生手段３９は、好ましくは増幅された参照バンド３６を２つの三次バンド４７，４８に分けるために適したバンド分離手段６０を含む。

このバンド分離手段の下流で、複数の焦光レンズと光学ミラー（図示せず）が、入射する放射光の周波数を変えることができる２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）４３，４４内に２つの三次バンド４７，４８を入射するように、適宜設けられている。

特に、第１の音響光学変調器４３および第２の音響光学変調器４４は、第１の三次バンド４７を高い周波数へ向けて、かつ第２の三次バンド４８を低い周波数へ向けて、考慮対象の原子種の基準状態の２つの超微細準位間の周波数差の約１／４に等しい量でそれぞれシフトさせることができる。

原子種がルビジウム８７である場合、２つの音響光学変調器４３，４４は、通過するバンドの周波数を約１．７ＧＨｚシフトさせることができる。

２つの音響光学変調器４３，４４は、これらの変調器４３，４４を通る２つの三次バンド４７，４８の一部を二重通過させるために適した反射手段５０と関連付けられている。

結果として、この二重通過により得られた２つのバンドは、考慮対象の原子種の基準状態の２つの超微細準位間のエネルギー遷移に相当する量の互いに異なる周波数に同調させられる。したがってこれらがラマンバンド５１、５２と定義される。

２つのラマンバンド５１、５２は、都合良く重畳され、好ましくはテーパ付きのタイプの第３の光増幅器４６内に入れられる。

この第３の光増幅器４６は、２つの重畳したラマンバンド４１を適切に周波数シフトさせる第３の音響光学変調器４５と関連している。

さらに、２つの重畳したラマンバンド４１は、数十マイクロ秒続いて０．１％以内の再現可能な持続時間のインパルスで活性化されるはずであるので、第３の音響光学変調器４５はマイクロ秒未満の時間間隔でそのようなバンドの強度を制御することができる。

この第３の音響光学変調器４５から出る２つの重畳したラマンバンド４１は光ファイバ（図示せず）内に入射し、超高真空システム１４の入り口まで移送されることになる。

光ファイバの上流でバンドを組み合わせることは、独立した光学経路の違いに起因する位相ノイズを可能な限り制限する目的であることが指摘されるべきである。

図４ａに示されているように、ラマンバンド発生手段３９は、２つの三次バンド４７、４８の残り部分５４が音響光学変調器４３、４４を通過後に入射する冷却用バンド発生手段４０と関連付けられると好都合である。

これら冷却用バンド発生手段４０は、第１のモジュール２５からの再ポンピング用バンド３７とさらに連結し、絶対重力測定装置１０内で考慮対象の原子試料の冷却および低速化に適した二次元磁気光学トラップを生成する３つのバンド５３を発生させることができる。

レーザシステム１３によって発生するすべてのバンドは複数の光ファイバによって超高真空システム１４へ移送される。

また、ラマンバンド発生手段３９、二次バンド発生手段２９および冷却用バンド発生手段は、発生したバンドを必要なときに遮断させることが可能な複数の機械的シャッター（図示せず）を含むことも強調される。

超高真空システム１４は、好ましくは八角形の一次チャンバ６１と、好ましくは立方体であって一次チャンバの下に配置された二次チャンバ６３と、これらの２つのチャンバ６１，６３を接続する円筒状のダクト６２と、を含む。

一次チャンバ６１と二次チャンバ６３の両方は、絶対重力測定装置１０の機能にとって必要なレーザバンドを入れるための複数の光学窓６４を含む。

超高真空システム１４はチタンで作製されることが好ましく、それに対して光学窓はＢＫ７で作製されて拡散接合技術（diffusion bonding technique）によってチタン本体に溶接されることが好ましい。

チタンは、その磁気特性、真空チャンバを作製するために必要な高温への耐性、並びにＢＫ７との熱膨張係数の一致のために、このタイプの用途に特に適した金属であることがわかる。

超高真空システム１４内の圧力は、測定に関する原子と室温の他の原子との衝突を制限するために、ポンプ手段（図示せず）によって超高真空レベルに維持される。これらのポンプ手段は、一次チャンバ６１および二次チャンバ６３の表面上に設けられた特定の貫通台座６５内に収容される。

超高真空システム１４内で、レーザシステム１３によって発生するバンドの作用のおかげで、冷却原子のトラップ、ラマン干渉シーケンスおよび検出が行われる。

さらに言及すると、原子試料の冷却は、磁場と、超高真空システム内に含まれる冷却用セル（図示せず）内で二次元磁気光学トラップ（２Ｄ−ＭＯＴ）を生じさせる３つの互いに対向して伝播するレーザバンド５３のうちの２つと、に起因して行われる。ここで、冷却用セルの圧力はポンプ手段（図示せず）によって約１０^−７ｍｂａｒのレベルに維持される。

二次元磁気光学トラップを生じさせる３つの互いに対向して伝播するレーザバンド５３のうちの残りのレーザバンドは、原子の流れを増大させるように原子を軸方向に一次真空チャンバに向けて押し込む。

トラップ処理は、同様のポンプ手段（図示せず）により約１０^−９ｍｂａｒのレベルの圧力に維持された一次チャンバ６１内で行われる。

トラップ処理は、磁気光学トラップを生じさせるバンド３２から由来する少なくとも４つのバンドの照射によって実現される三次元磁気光学トラップと、２つのボビン（bobbin）６６によって発生するトラップ磁場の同時発生と、に起因して行われる。

三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド３２から得られ、非同一面で３対の互いに対向して伝播するレーザバンドが入射されることが好ましい。

ボビン６６は、図５ｂに例示されるように、熱的パワーの消散を制限するためにそのボビン６６が原子から可能な限り最短距離に置かれるように、一次チャンバ６１に設けられた２つの台座に収容される。

２つのボビン６６の各々は、磁気光学トラップの機能にとって必要な磁場勾配を発生させるように、いくつかの銅線のコイルで構成される。

それゆえに三次元磁気光学トラップは一次チャンバ６１内で作り出される。一次チャンバ６１では、最初に冷却原子の試料が導入され、次いで３対のレーザバンドが、一次チャンバ６１に設けられた複数の光学窓６４のうちの６つを通じて入射される。

この入射は、独立した支持体（図示せず）上に組み立てられ、かつトラップ処理にとって必要なバンドの位置合わせを保証するように複数の光ファイバ６９の下流に適切に配置された複数の第１の光学系６８によって引き起こされる。

三次元磁気光学トラップは、非同一面で３対の互いに対向して伝搬するレーザバンドの相互作用を通じて作り出されることが好ましく、このうちの２対は鉛直に対して４５°で傾けられ、１対は水平方向に沿っている。

磁気光学トラップのこの配置は、通常、１−１−０と表され、超高真空システムの小型化と光学的アクセスの多面性との間の一層良好な関係を許容する。

この代わりに、非同一面で３対の互いに対向して伝搬するバンドを備えた任意の配置、または四面体の幾何学形状を有する４つのバンドを備えた配置が実施されてもよい。

三次元磁気光学トラップは、さらに少ない数のバンド、１つのみのこともあるバンドから始まる再帰型反射光学系を通じても得られることに留意すべきである。しかしながら、再帰型反射光学系の使用は、原子による光吸収に起因して原子位置を不安定にし、結果として強度が、原子密度に関係して再帰反射されたバンド間で不均衡になる。

重力加速度測定は、測定中の原子の有効位置によって影響される。この有効位置は原子の初期位置および初速度に依存し、したがってこれらが正確に制御されなければならない。

この理由のために、冷却原子のトラップ処理ステップと解放ステップの両方が特に重要である。

本発明の好ましい実施形態では、三次元磁気光学トラップのレーザバンドは、トラップ磁場と一緒に消滅させられて原子集団をゼロに近い平均速度で解放することができる。

この自由落下解放技術は、初速度の最適制御が得られること、およびこの例では原子単独の自由落下に対応する軌道を含まなければならない超高真空システム１４の寸法を最適化することを許容する。

三次元磁気光学トラップに加え、光双極子トラップまたはＦＯＲＴ（Far-OFF Resonant dipole Trap）が、第２の複数の光学系（図示せず）を通じて一次チャンバ６１内に向けられる少なくとも１つの焦点化レーザバンド（図示せず）または１対の交差レーザバンドによって作り出されることが好ましい。

そのような複数の第２の光学系の位置は、これらを十分に堅固な方法で支持するための機械的構造体（図示せず）の使用を通じて数ミクロンのレベルで安定にされることが好ましい。

光双極子トラップを生じさせるバンドの発生は、第２の光源２４から放射されて光増幅器（図示せず）の中に入射すると好都合であるバンドから得られることが好ましい。この光双極子トラップを生じさせるバンドは、別の場合には、スペクトル純度の点で制限されるより少ない要求において、異なる波長を有する第３のレーザ光源（図示せず）、例えば５００ｍＷから８１０ｎｍまたは８５０ｎｍの波長を有するダイオードによって発生されてもよい。

トラップされる原子の量を最大にするために光双極子トラップの直線寸法が数百ミクロンのオーダーであると好都合であることも指摘されるべきである。

測定軸に沿った原子の量と空間分解能を同時に最適化するために、高度に非対称な幾何学形状のトラップが作り出されることもあり得る。

その後、原子の冷却試料は、三次元磁気光学トラップから光双極子トラップへと転換され、続いて光双極子トラップから解放されて自由落下する。

いずれの場合でも、磁気光学トラップの解放の後、冷却原子は重力の作用の下で自由落下する。

自由落下は、一次チャンバ６１を二次チャンバ６３に接続する円筒状ダクト６２内で行われる。

ダクト６２内での自由落下中に、原子は重畳したラマン干渉レーザバンド４１の作用を受ける。ラマン干渉レーザバンド４１は、光学窓を通じて一次チャンバ内に鉛直方向に入射され、ダクト６２および二次チャンバ６３を通過し、超高真空システム１４を出て、引き続き再帰反射型ミラー２１によって再帰的に反射される。

原子は、干渉シーケンスの後、考慮対象の特定の原子種の基準状態の２つの超微細準位Ｆ_１およびＦ_２にある。

この時点で、基準状態の２つの超微細部分準位Ｆ_１およびＦ_２の原子の占有数の比を測定する検出ステップが必要であり、それによってこれと関連する物質波の間の位相シフトの算定値を入手し、その結果、重力加速度ｇを測定する。

本発明によると、別々の区域での同時の検出や別々の区域での順次の検出だけでなく、単一の区域での順次の検出も実施することが可能である。

この検出方法によると、基準状態の２つの超微細なサブ準位Ｆ_１，Ｆ_２にある原子は、最初に押し込み用バンド３３によって得られる選択的な鉛直方向の押し込みによって分離され、次いで、検出用バンドで単一の相互作用領域を順々に通過する。

原子集団の分割は純粋に鉛直方向であるので、これらは同じ検出領域を異なる時間に通過すると見込まれる。

この技術は別々の区域での検出に存在する多数の系統的誤差を低下する。別々の区域での検出の較正は、２つの異なる区域で使用される検出光学系の幾何学形状の違いや光電子装置の違いに起因して、検出効率が内在的に２つの経路で異なるので、実際に特に繊細である。

本発明の絶対重力測定装置１０は、概して、重力によって規定される鉛直方向に沿って上から下方向へ順に、レーザシステム１３、支持プレート１６、超高真空システム１４、再帰反射型ミラー２１および震動減衰システム１５を含む。

高い測定精度を保証するために、絶対重力測定装置１０の垂直軸に沿った振動、特に再帰反射型ミラー２１の垂直方向に沿った振動は最小限に削減されなければならず、絶対重力測定装置１０の上記の構成要素は可能な限り垂直方向に沿って整列されるように保たれなければならない。

さらに、そのような仕様を保証するために適した震動減衰システム１５が、妨害を軽減し、それによって、本発明によって提供されるように輸送可能な絶対重力測定装置１０内に装備される。上記の仕様は、絶対重力測定装置１０について本発明の一目的の震動減衰システム１５によって保証される。

再帰反射型ミラー２１の鉛直方向の振動の減衰は、干渉シーケンスに必要な時間範囲内で、地面の振動からミラーを分離することによって生じる。

震動ノイズを好ましくは少なくとも４０ｄＢ減衰させるために、震動減衰システム１５が特に再帰反射型ミラー２１の下に搭載される。

図８に示されているように、この震動減衰システム１５は、地面上またはいずれかの他の構造体上で、絶対重力測定装置１０の下に配置され、できれば搭載用脚部１００１を有する支持用の下側プレート１０００を含む。震動減衰システム１５は、貫通穴１００３を有し、再帰反射型ミラー２１を支持する上側プレート１００２も含む。再帰反射型ミラー２１は、バネ／反バネ結合を作り出すような構成で配列されて束縛された３つの金属製ブレード７０、７１、７２を含む、知られたタイプの幾何学形状のバネ／反バネ結合によって貫通穴１００３の上に浮遊している。

金属製ブレードの数は３つを超えることもあり得る。

下側プレート１０００は、末端に球状接合部１００９を担持する可動連結式のアーム１００８によって上側プレート１００２に接続されている。

これらの可動連結式のアーム１００８は、ロッド素子１０１０を通じて再帰反射型ミラー２１の水平化を可能にする。アーム１００８は、上側球状接合部１００９から始まり、上側プレート１００２の下の再帰反射型ミラー２１の長く延びた基部１０１１を通過し、他方で上側プレート１００２の下で束縛された相関的台座１０１２まで至る。

再帰反射型ミラー２１を浮遊して保持する金属製ブレード７０、７１、７２を備えたタイプのバネ／反バネの幾何学形状を通じて、再帰反射型ミラー２１の鉛直運動の共振周波数を、上側プレート１００２への各々のブレード７０、７１、７２の基部の固定点の距離を変えることによって変更することが可能である。

そのようなバネ／反バネの幾何学形状では、上側プレート１００２に束縛されたブレード７０、７１、７２の基部は、強めの剛性を有する通常のバネのように湾曲し、それに対して再帰反射型ミラー２１を持ち上げて保持する個所で互いに対向するブレード頂部は弱めの剛性を備えた反バネのように圧縮する。

これら２つのバネの構成は全体的な剛性を極めて低い値に下げることが可能であり、ゼロに近い実効剛性値を通じて得られるシステムの準安定なふるまいによって制限される。このシステムは中立したバランス状態にあると考えられる。

高い角剛性を保証するため、および制振が作用する方向に沿った鉛直方向に直交する平面の任意の変位に対抗するために、本発明は再帰反射型ミラー２１と上側プレート１００２との間に半径方向の束縛手段を有する。

示された実施形態によると、これらの半径方向の束縛手段は束縛ロッド素子１００５を含み、束縛ロッド素子１００５の一方の側は再帰反射型ミラー２１の下側に固定され、他方の側は上側プレート１００２に固定された引っ張り装置１００６によって上側プレート１００２に固定される。

上記で既に述べたように、ミラー２１は、その軸を鉛直方向に沿って、好ましくは約５０マイクロラジアンの角度以内に維持して配置されなければならない。

この配置のモニタリングは、震動減衰システム１５自体と一体の再帰反射型ミラー２１の傾斜を測定する手段を使用して行われる。

例示された実施形態の例によると、この傾斜を測定する手段は、下側プレート１０００に対向し、再帰反射型ミラー２１の下側の長形部分１１１の下側に束縛された四面体素子１０１３を含む。

そのような四面体素子１０１３は、四面体素子１０１３の下の下側プレート１０００に設置された光源によって発生する光線１０１６にとって反射素子として働く。

特に、四面体１０１３は、この光線を下側プレート１０００上に束縛された適切な複数の受光素子１０１５へ散乱させる。

この方法で、受光素子１０１５のうちの少なくとも１つが、関連する反射光線１０１７を受光しないとき、再帰反射型ミラー２１の相対的に過剰な傾斜が許容レベルを超えたと表示される。

再帰反射型ミラー２１の過剰な傾斜の補正は、可動連結式のアーム１００８に一体化された調節ネジへの特定のモータ駆動によって、手動または自動的に実行される。

レーザシステム１３の操作方法１００は、２つの光源２３、２４の発光を通じた、複数の原子の冷却、トラップ、操作、押し込みおよび検出用のバンドの発生ステップ１０１を含む。

この発生ステップの後、複数の原子の冷却ステップ１０２が行われる。冷却ステップは、二次元磁気光学トラップ５３を生じさせる互いに対向して伝播するバンドの活性化と冷却用セル１０２への入射を通じて行われる。

冷却ステップ１０２の最後に、二次元磁気光学トラップ５３を生じさせる互いに対向して伝播するバンドが消滅させられ、次いで、超高真空システム１４の一次チャンバ６１内で冷却された複数の原子のトラップ処理ステップ１０３が実行される。

このトラップ処理ステップ１０３は、三次元磁気光学トラップを作り出すためのバンド３２の活性化および注入と、２つのボビン６６によって発生されるトラップ磁場の同時発生と、を通じて行われる。

トラップ処理ステップ１０３の後に、自由落下解放フェーズ１０４が行われる。本発明によると、自由落下解放フェーズ１０４は、三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド３２と２つのボビン６６によって生成されたトラップ磁場との同時消滅を通じた三次元磁気光学トラップの解消ステップ１０９を含む。

三次元磁気光学トラップの解消後、冷却原子は重力の作用の下で自由落下する。原子の初期位置を正確に知ることが明らかに重要であるが、しかしながら、初期位置はレーザバンド間の相対強度、レーザバンドの偏光およびレーザバンドの光周波数のゆらぎによっても影響される。これらのすべてのパラメータは装置の温度のゆらぎや振動などの技術的因子によって影響され、原子重力計の安定度と精度を制限する。

好ましい実施形態では、解放ステップ１０４は、三次元磁気光学トラップにトラップされた原子が光双極子トラップに転換される転換ステップ１０５を追加的に含むと好都合である。

この転換ステップ１０５は、三次元磁気光学トラップの解消に引き続いて、光双極子トラップを生じさせるバンドを活性化させることによって行われる。

転換ステップ１０５は複数の原子の解放ステップ１０６によって引き継がれ、ここでは光双極子トラップを生じさせるバンドが消滅させられ、その後に原子が自由落下する。

転換ステップ１０５の後で解放ステップ１０６の前に、原子試料のさらなる冷却ステップ（図示せず）が、「ラマンサイドバンド冷却（Raman sideband cooling）」および／または蒸発冷却などの技術によって行われることが好ましく、それにより、干渉測定への原子の速度分散の効果を低下させる。

「ラマンサイドバンド冷却」技術は、光双極子トラップのような保存ポテンシャル（preservative potential）にトラップされた原子が、別々の組み合わせで振動するエネルギー値のみを有するため、とびとびのエネルギーレベルで振動するという事実に基づいている。

原子試料に対しラマン遷移を誘導する１対のレーザバンドを活性化させることによって、原子は最も低い振動エネルギーレベルへと遷移する。この方法で、各々のラマン遷移について、原子は、吸収されるフォトンと放射されるフォトンとの間のエネルギー差に等しいエネルギーのレーザバンドへ変換され、このエネルギー損失に相当して冷却される。この技術により、セシウムの試料で、数ミリ秒で１００ナノケルビンのオーダーの温度が得られている。他方でルビジウム８７原子では、８００ナノケルビンより低い温度は得られていない。

光双極子トラップでの蒸発冷却は、トラップされた試料のうちの最も高エネルギーの複数原子の自発的な選択損失現象（spontaneous selective loss phenomenon）に基づいている。或る閾値より大きいエネルギーを有する原子はトラップされず、或る時間の後に試料から離脱する。「高温の」原子の損失は、試料つまり原子の温度の平均熱エネルギーを減少させる。冷却の速度および効率を高めるために、閾値エネルギーが蒸発によって下げられ、光学トラップレーザの強度を低下し（強制蒸発）、それにより、閾値エネルギーと十分に低い平均温度の間の比を維持する。蒸発冷却は極めて低い温度（ナノケルビン）に達することを可能にするが、しかし原子の数に無視できない減少を生じさせ、概して試料の熱化を許容するほどの長い時間（数秒から数十秒）を必要とする。

このさらなる冷却過程は、重力計１０の感度と精度を向上させるように或る量子的コヒーレンス特性を使用するため、量子的縮退条件（原子のスピンモーメントに応じて、ボース−アインシュタイン凝縮またはフェルミガス縮退）に到達するまで行われてもよい。

解放ステップ１０４の最後に、重畳ラマン干渉バンド４１の活性化を通じた干渉シーケンス１０７が、円筒状ダクト６２を通る複数の原子の自由落下中に実行される。

干渉シーケンスの後に、重畳ラマン干渉バンド４１が消滅させられ、検出ステップ１０８が、押し込み用バンド３３と検出用バンド３１を活性化させることによって、具備されている検出技術に従って実行される。

さらに言及すると、検出ステップ１０８は、単一区域での順次の検出技術によって実行されることが好ましい。

場合によっては、検出ステップ１０８は、別々の区域での同時の検出技術または別々の区域での順次の検出技術によって実行される。

測定過程に含まれるレーザバンドの強度の制御、つまりレーザバンドの活性化や解消は、レーザシステム１３に含まれる複数の電気光学的活性化変調器（electro-optical activation modulator）と機械的シャッターの使用の組み合わせを通じて行われることは指摘されるべきである。

特に、電気光学的活性化変調器は、最高の時間精度での消滅および／または活性化が必要なバンドのために使用される。それに対して複数の機械的シャッターは、電気光学的活性化変調器が完全な消滅を保証しないのでバンドの完全な消滅が重要であるとき、および／または時間精度が厳密ではないときに使用される。最後に、時間精度と完全な消滅の両方が要求されるバンドについては、複数の電気光学的活性化変調器のうちの１つと複数のシャッターのうちの１つが直列的に使用される。

本発明の目的の、原子干渉法による絶対重力測定装置の特徴、並びに相対的利点は、上記の説明から明らかである。

この原子干渉法による絶対重力測定装置は、実際、絶対重力測定装置自体の機能にとって必要なレーザバンドのすべてをわずか２つのレーザ光源から発生させることのできるレーザシステムを含む。このレーザシステムは、絶対重力測定装置の測定ヘッドに設置されることが好ましい小型モジュールに装備されることが可能であり、絶対重力測定装置を小型の寸法にし、したがって輸送しやすくする。

さらに、測定ヘッドは温度調節器で調節されたフレームの内側に配置されるので、レーザシステムによって発生する複数のバンドを超高真空システムへと移送するために使用される光ファイバの熱的変動を制御することが可能である。

これらすべては、現場での信頼性のある測定値を入手することを可能にする。

本発明によるレーザシステムは、実際、光源の高いスペクトル純度（周波数と位相の品質制御）、強度の安定性および供給される光パワーを保証する。

スペクトル純度は、変調伝送分光技術を通じて安定にされる細線のＥＣＤＬレーザによって確保され、これが高い周波数安定性を保証する。ラマンレーザの相対的な位相の安定性は、他の装置で使用される２つのレーザ間の光学位相接続に代わる、高い周波数の音響光学変調器の使用によって保障される。強度の安定性に関する限り、小型化された光学部品の使用は、優れた整列性を保証するので好都合である。

最後に、利用できる合計のパワーは、３つの光増幅器の使用に起因して、他の研究室用重力計装置と匹敵するか、または上回る。

本発明によるレーザシステムの操作方法は、自由落下解放技術を具備することによって、超高真空システムの寸法が削減されること、および原子の初速度の最適制御を得ることを可能にする。

原子の自由落下解放に先行して磁気光学トラップから転換される光双極子トラップを生じさせるステップは、自由落下が始まる瞬間の原子の位置の高精度な制御を可能にする。

この例では、実際、原子の初期位置は、少なくとも１つの焦点化バンド（focalized band）が入射される複数の第２の光学系の位置にのみに依存する。

さらに、本発明に述べられた代替の震動減衰システムは、一方では負担を削減し、他方では再帰反射型ミラーの鉛直方向に沿った震動を最小にすることと絶対重力測定装置の部品類を可能な限り垂直方向に沿って整列して保つことの両方を実現する。

最後に、こうして創作された原子干渉法による絶対重力測定装置は、数多くの修正および変形を受けても良いことが明らかに見込まれるが、それらのすべては本発明に含まれる。さらに、すべての細部は技術的に等価な素子によって置き換えられることが可能である。実施において使用される材料や寸法も技術的な要求に従って変わり得る。

Claims (15)

1. 複数の原子の冷却、トラップ、操作、押し込みおよび検出用の複数のレーザバンドであって、各々が前記複数の原子の基準状態（５^２Ｓ_１／２）の超微細準位（Ｆ１、Ｆ２）と励起状態（５^２Ｐ_３／２）の超微細準位（Ｆ’_２、Ｆ’_３）との間のエネルギー遷移に等しい周波数に適合されている複数のレーザバンドを発生させるレーザシステム（１３）を含む、特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）において、前記レーザシステム（１３）が第１のバンド（３０）を放射し周波数的に安定化された第１のレーザ光源（２３）と、前記第１のレーザ光源（２３）と同位相にされており、再ポンピング用バンド（３７）を放射する第２のレーザ光源（２４）と、を含み、前記第１のレーザ光源（２３）および前記第２のレーザ光源（２４）が、検出用のバンド（３１）、三次元磁気光学トラップを生じさせるバンド（３２）、押し込み用のバンド（３３）および参照バンド（３６）を発生させることのできる二次バンド発生手段（２９）と関連し、
   前記レーザシステムが、前記参照バンド（３６）の入力から２つの重畳したラマン干渉バンド（４１）の出力を発生することができるラマンバンド発生手段（３９）も含み、前記ラマンバンド発生手段（３９）が、前記再ポンピング用バンド（３７）とも追加的に連結されて二次元磁気光学トラップを生じさせる３つのバンド（５３）を発生させることができる冷却用のバンドを発生させる手段（４０）と関連付けられていることを特徴とする、特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
2. 前記ラマンバンド発生手段（３９）は、前記参照バンドを第１の三次バンド（４７）と第２の三次バンド（４８）に分離するバンド分離手段（６０）と、前記複数の原子の前記基準状態（５^２Ｓ_１／２）の２つの超微細準位（Ｆ１、Ｆ２）間の周波数差の約１／４に等しい値だけ、前記第１の三次バンド（４７）を高周波数側に、前記第２の三次バンド（４８）を低周波数側にそれぞれシフトさせることのできる第１の電気光学変調器（４３）および第２の電気光学変調器（４４）と、を含み、前記第１の音響光学変調器（４３）および第２の音響光学変調器（４４）が、２つの重畳したラマンバンド（４１）を発生させるこれらの変調器（４３、４４）を前記三次バンド（４７、４８）の一部が二重に通過するのを許す反射手段（５０）と関連付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
3. 前記レーザシステム（１３）が前記第１の光源（２３）と前記二次バンド発生手段（２９）との間に、前記第１のバンド（３０）を増幅するための第１の光増幅器（２８）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
4. 前記ラマンバンド発生手段（３９）が前記２つの重畳したラマンバンド（４１）を増幅する第３の光増幅器（４６）を含み、前記第３の光増幅器（４６）が、前記２つの重畳したラマンバンド（４１）の強度を１マイクロ秒未満の時間範囲で制御することのできる第３の音響光学変調器（４５）と連結されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
5. 前記レーザシステム（１３）は、前記二次バンド発生手段（２９）と前記ラマンバンド発生手段（３９）との間に、前記参照バンド（３６）を増幅する第２の光増幅器（３８）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
6. 前記第１の光増幅器（２８）、前記第２の光増幅器（３８）および前記第３の光増幅器（４６）はテーパ付きのタイプであることを特徴とする、請求項５に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
7. 前記第１のレーザ光源（２３）は、［３８４２２７９３５．０ＭＨｚ，３８４２２７９３５．５ＭＨｚ］の周波数範囲内に含まれる絶対周波数を有する拡張共振器型半導体レーザであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
8. 前記第２のレーザ光源（２４）は、［３８４２３４６８２ＭＨｚ，３８４２３４６８４ＭＨｚ］の周波数範囲内に含まれる絶対周波数を有する分散型フィードバックレーザであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
9. 前記第１のレーザ光源（２３）は、変調伝達分光法（ＭＴＳ）の技術を具備することのできる周波数接続手段（２７）と関連付けられていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
10. 前記二次バンド発生手段（２９）、前記ラマンバンド発生手段（３９）および前記冷却用のバンドを発生させる手段（４０）は、必要なときにバンドを消すことのできる複数の機械的シャッターを含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
11. 互いに接続された測定ヘッド（１１）と制御および供給用のラック（１２）とを含み、前記測定ヘッド（１１）が、前記レーザシステム（１３）と、冷却原子試料をトラップおよび自由落下させる超高真空システム（１４）と、を含み、前記レーザシステム（１３）によって発生するバンドが複数の光ファイバによって前記超高真空システム（１４）へ移送され、前記測定ヘッド（１１）は振動を制御するための震動減衰システム（１５）も含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
12. 前記超高真空システム（１４）が八角形の一次チャンバ（６１）と、前記一次チャンバの下に配置された立方体の二次チャンバ（６３）と、前記一次チャンバ（６１）を前記二次チャンバ（６３）に接続する円筒状ダクト（６２）と、を含み、前記レーザシステム（１３）によって発生するバンドを通す複数の光学窓（６４）が前記一次チャンバおよび前記二次チャンバに設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
13. 前記一次チャンバ（６１）に、磁気光学トラップを生じさせるための磁場を発生させることのできる２つのボビン（６６）を収容する２つの台座が設けられており、前記トラップは、前記磁気光学トラップ（３２）を生じさせるためのバンドから得られた少なくとも４つのバンドを前記一次チャンバ（６１）内へ注入することと、前記２つのボビン（６６）によって生じるトラップ用の前記磁場の同時の活性化と、を通じて実現されることを特徴とする、請求項１２に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
14. 前記超高真空システム（１４）が磁気遮蔽ケース（２０）内に収容されていることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。
15. 前記測定ヘッド（１１）は、見込まれる温度低下を補償することのできる抵抗体と温度センサとが協働している金属ケース（２２）の内側に設置されていることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の特に現場での用途に適した原子干渉法による絶対重力測定装置（１０）。

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