JP2015042977A - 原子センサシステム及びそのプローブビーム周波数安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子センサシステムにおけるプローブビーム周波数を安定化する。
【解決手段】原子センサシステム１０が、ある軸に沿った磁界を発生するように構成された磁界発生器、及び光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置１４を含む。ビーム光学系１６が、光プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含むセンサセル１８を通るように指向させ、これにより光プローブビームが、少なくとも上記軸に沿ったベクトル成分を有する。検出光学系２０は、センサセル１８を出た光プローブビームに関連するファラデー回転を測定し、ファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するように構成されている。レーザーコントローラ２６は、フィードバック信号に基づいて光プローブビームの周波数を、中心周波数を中心として変調し、フィードバック信号に基づいて、光プローブビームの中心周波数を実質的に安定化するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は一般にセンサシステムに関するものであり、特に、原子センサシステムにおけるプローブビーム周波数安定化に関するものである。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：nuclear magnetic resonance）ジャイロスコープ及び原子磁力計のような原子センサは、光ビームを用いて動作して、受感軸を中心とした回転を検出するか、あるいは外部磁界の存在及び大きさを検出する。例として、ＮＭＲセンサシステムは、第１光ビームをポンプビームとして用いることができる。例えば、このポンプビームを円偏光した光ビームとすることができ、この円偏光した光ビームは、センサの封止セル内でセシウム（Cs）またはルビジウム（Rb）のようなアルカリ金属蒸気をスピン偏極させるように設定されている。ＮＭＲセンサシステムは、第２光ビームをプローブビームとして用いることもできる。例えば、この光ビームを直線偏光した光ビームとすることができ、この直線偏光した光ビームは、例えば検出システムの受感軸を中心とした回転を検出するために、あるいは外部磁界の大きさを検出するために、直接測定したアルカリ金属の歳差運動に基づいて、キセノン（Xe）のような希ガス同位体の歳差運動を間接的に検出するように構成されている。

原子センサシステムが、ある軸に沿った磁界を発生するように構成された磁界発生器、及び光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置を含む。ビーム光学系が、光プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含むセンサセルを通るように指向させ、これにより光プローブビームは、少なくともこの軸に沿ったベクトル成分を有する。このシステムは、光検出器アセンブリを具えた検出光学系も含み、この光検出器アセンブリは、センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転を測定し、センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するように構成されている。このシステムはさらにレーザーコントローラを含み、このレーザーコントローラは、光プローブビームの周波数を、ある中心周波数を中心として変調し、上記フィードバック信号に基づいて、光プローブビームの中心周波数を実質的に安定化するように構成されている。

他の好適例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）システムにおいて光プローブビームを安定化する方法を含む。この方法は、光プローブビームの周波数を、変調信号に基づいて、ある中心周波数を中心として変調するステップ、及びある軸に沿った磁界を発生するステップを含む。この方法は、光プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含むＮＭＲシステムのセンサセルを通るように指向させ、これにより光プローブビームが、少なくとも上記軸に沿ったベクトル成分を含むステップ、及びセンサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転を測定するステップも含む。この方法は、センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するステップも含む。この方法はさらに、センサセルを出た光プローブビームを、上記変調信号に基づいて復調するステップ、及び上記フィードバック信号に基づいて、上記中心周波数を安定化するステップを含む。

他の好適例は原子センサシステムを含む。このシステムは、ある軸に沿った磁界を発生するように構成された磁界発生器、及びこの軸に沿った光ポンプビームを発生するように構成されたポンプレーザー装置を含み、この光ポンプビームは、アルカリ金属蒸気を含むセンサセルを通る。このシステムは、光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置、及びこの光プローブビームを第１部分及び第２部分に分割して、第１部分を、上記軸にほぼ直交するセンサセルを通るように指向させるように構成されたビーム光学系も含む。このシステムは、光プローブビームの第２部分を光ポンプビームと結合するように構成されたビーム結合器も含み、これにより光プローブビームの第２部分及び光ポンプビームが、ほぼ同一直線上で供給されて、上記軸に沿ったセンサセルを通る。このシステムは、外部磁界、スピン歳差運動の周波数または位相、及び原子センサシステムの受感軸を中心とした回転のうち少なくとも１つを測定するために、センサセルを出た光プローブビームの第１部分に関連する少なくとも１つの特性を測定するように構成された第１光検出器も含む。このシステムは、センサセルを出た光プローブビームの第２部分に関連するファラデー回転を測定し、センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するように構成された第２光検出器アセンブリも含む。このシステムはさらに、光プローブビームの周波数を、ある中心周波数を中心として変調し、上記フィードバック信号に基づいて、光プローブビームの中心周波数を実質的に安定化するように構成されたレーザーコントローラを含む。

原子センサシステムの例を示す図である。 ファラデー回転のグラフの例を波長の関数として示す図である。 ＮＭＲセンサシステムの他の例を示す図である。 タイミング図の例を示す図である。 タイミング図の他の例を示す図である。 原子センサシステムにおいて光プローブビームの周波数を安定化する方法の例を示す図である。

本発明は一般にセンサシステムに関するものであり、特に、原子センサシステムにおけるプローブビーム周波数安定化に関するものである。ＮＭＲセンサシステムは、例えばＮＭＲジャイロスコープまたは原子磁力計として実現することができる。ＮＭＲプローブシステムは、光ポンプビームを発生するように構成されたポンプレーザー装置、及び光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置を含む。光ポンプビームを、ビーム光学系のようなセンサセルを通るように供給して、その内部のアルカリ金属蒸気を刺激することができ、光プローブビームの第１部分を、光ポンプビームに直交するセンサセルを通るように供給して、アルカリ金属蒸気の偏極に応答した光プローブビームの特性を測定することができ、光プローブビームは、アルカリ金属蒸気の希ガス同位体との相互作用に基づく希ガス同位体の歳差運動に応答して変調され得る。従って、光プローブビームは、ＮＭＲジャイロスコープの例では、受感軸を中心とした回転を測定するように実現することができ、原子磁力計の例では、外部磁界の大きさを測定するように実現することができる。

光プローブビームの第２部分を、センサセルに通るように供給して、少なくとも印加される磁界によって規定される軸に沿ったベクトル成分を有するようにして、光プローブビームの波長を安定化することができる。例として、ビーム結合器を、光プローブビームの第２部分を同一直線上で光ポンプビームと結合するように実現して、光プローブビームを光ポンプビームと共にこの軸に沿って供給することができる。センサセルを出た光プローブビームの第２部分を偏光ビームスプリッタに供給することができ、この偏光ビームスプリッタは、光プローブビームの第２部分を、それぞれの光検出器に供給される２つの直交偏光した部分に分割するように構成されている。光検出器の各々が輝度信号を供給することができ、これらの輝度信号は、光プローブビームの第２部分の波長依存性のファラデー回転を示す輝度差に基づくフィードバック信号を形成することができる。このファラデー回転を、光プローブビームの周波数変調を基に検出して、復調後の輝度の変化をオフピーク（ピーク外）ファラデー回転に対応付けることができる。従って、レーザーコントローラは、光プローブビームの中心周波数を、フィードバック信号に基づいて安定化することができる。

図１に、原子センサシステム１０の例を示す。この原子センサシステムは、受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたＮＭＲジャイロスコープ、または外部から加わる磁界の大きさを測定するように構成された磁力計のような種々のＮＭＲセンサのいずれにも相当し得る。従って、原子センサシステム１０は、ナビゲーション及び／または防衛用途のような種々の用途のいずれにおいても提供することができる。

原子センサシステム１０は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを発生するように構成されたポンプレーザー装置１２、及び光プローブビームＯＰＴ_PRBを発生するように構成されたプローブレーザー装置１４を含む。例として、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームＯＰＴ_PRBを、アルカリ金属蒸気に関連するそれぞれのＤ１及びＤ２輝線に対応するような別個の波長で発生することができる。光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームＯＰＴ_PRBの各々が一組の光学系１６に供給され、光学系１６は、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームＯＰＴ_PRBの各々をセンサセル１８内に指向させるように構成されている。図１の例では、ビーム光学系１６が、光プローブビームを、第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2として表される２つの別個の部分に分割するようにも構成されている。例えば、一組のビーム光学系１６は、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び第１部分ＯＰＴ_PRB1を、センサセル１８を通る互いに直交した軸に沿って供給することができ、第２部分ＯＰＴ_PRB2を、少なくとも光ポンプビームＯＰＴ_PMPに平行な（例えば、磁界が加えられる受感軸に平行な）ベクトル成分を有するように供給することができる。これに加えて、一組のビーム光学系１６は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを偏光（例えば円偏光）させ、光プローブビームを、第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2のそれぞれに分割される前または後に偏光（例えば直線偏光）させるように構成された偏光要素を含むことができる。

例として、センサセル１８を封止セルとして構成することができ、この封止セルは、アルカリ金属蒸気（例えばセシウム（Cs）またはルビジウム（Rb））を含み、かつ希ガス同位体（例えばアルゴン（Ar）またはキセノン（Xe））を含むことのできる透明または半透明のケーシングを有する。従って、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及びＯＰＴ_PRBの波長は、センサセル１８内のアルカリ金属蒸気のＤ１及びＤ２輝線の少なくとも一方に対応することができる。従って、センサセル１８は、原子センサシステム１０の物理的動作部分を含むことができる。具体的には、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを、センサセル１８を通るように供給して、その内部のアルカリ金属蒸気をスピン偏極させることができる。例として、センサセル１８内の希ガス同位体が外部磁界の存在下で歳差運動することができ、これにより、スピン偏極したアルカリ金属蒸気の粒子が、それらのスピン偏極を変調されて、最終的なスピン偏極が、歳差運動している希ガス同位体と整列することができる。従って、例えば、センサセル１８内のアルカリ金属蒸気のスピン偏極の、光ポンプビームＯＰＴ_PMPに直交する射影を基に、センサセル１８を出た光プローブビームの直線偏光した第１部分ＯＰＴ_PRB1のファラデー回転を測定することに基づいて、希ガス同位体の歳差運動を、光プローブビームＯＰＴ_PRB1の第１部分によって測定することができる。従って、希ガス同位体の歳差運動を測定することに応答して、原子センサシステム１０の回転、外部磁界の大きさ、またはスピン歳差運動の周波数または位相を測定することができる。

原子センサシステム１０は、センサセル１８を出た第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2を受光するように構成された検出光学系２０も含む。従って、この検出光学系は、第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2の各々に関連する少なくとも１つの特性を測定することができる。例えば、センサセル１８を出た第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2の各々の少なくとも１つの特性は、ファラデー回転を含むことができる。図１の例では、検出光学系２０が少なくとも１つの光検出器２２を含むことができる。光検出器２２は、センサセル１８を出た第１部分ＯＰＴ_PRB1の輝度を測定するように構成することができる。例えば、検出光学系２０は、センサセル１８を出た第１部分ＯＰＴ_PRB1を、互いに直交する偏光成分に分離するように構成された偏光ビームスプリッタを含むことができる。従って、光検出器２２は、互いに直交する偏光成分の相対的な個別輝度を測定して、センサセル１８を出た第１部分ＯＰＴ_PRB1のファラデー回転を測定することができる。

図２に、ファラデー回転のグラフの例を波長の関数として示す。グラフ５０は、ファラデー回転の大きさを縦軸に０を中心として、センサセル１８内のアルカリ金属蒸気の共振による光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長離調を横軸に、共に任意単位で示す。前述したように、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_PRB1のファラデー回転を測定して、例えば、原子センサシステム１０の回転または外部磁界の大きさを測定することができる。しかし、グラフ５０によって示すように、光プローブビームＯＰＴ_PRBのファラデー回転は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長に強く依存し得る。従って、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長が不安定である場合、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_PRB1が影響を受け、これにより原子センサシステム１０の回転または外部磁界の大きさの測定値に誤差が生じ得る。従って、原子センサシステム１０は、光プローブビームＯＰＴ_PRB2の第２部分のファラデー回転の測定に基づいて、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長を安定化することができる。

再び図１の例を参照すれば、検出光学系２０が、センサセル１８を出た第２部分ＯＰＴ_PRB2の輝度を測定するように構成された少なくとも１つの光検出器２４を含む。例えば、検出光学系２０は、センサセル１８を出た第２部分ＯＰＴ_PRB2を互いに直交する偏光成分に分離するように構成された偏光ビームスプリッタを含むことができる。従って、光検出器２４は、互いに直交する成分の相対的な個別輝度を測定して、センサセル１８を出た第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転を測定することができる。前述したように、第２部分ＯＰＴ_PRB2を、センサセル１８を通るように供給して、第２部分ＯＰＴ_PRB2の少なくとも１つのベクトル成分を光ポンプビームＯＰＴ_PMPと平行にすることができる。例えば、ビーム光学系１６がビーム結合器を含むことができ、これにより第２部分ＯＰＴ_PRB2を、光ポンプビームＯＰＴ_PMPとほぼ同一直線上で供給することができる。従って、センサセル１８内のアルカリ金属蒸気のスピン偏極の、光ポンプビームＯＰＴ_PMPの軸に沿った射影が、第１部分ＯＰＴ_PRB1の軸に沿った射影に対して十分に大きいことに基づいて、第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転を測定することができる。

図１の例では、光検出器２４が、センサセル１８を出た第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転の測定値を示すフィードバック信号ＦＤＢＫを発生するように構成されている。フィードバック信号ＦＤＢＫは、信号ＭＯＤを介してプローブレーザー装置１４を制御するように構成されたレーザーコントローラ２６に供給される。例として、信号ＭＯＤが、プローブレーザー装置１４に供給される電流に対応して、プローブレーザー装置１４の周波数を制御することができる。従って、レーザーコントローラ２６は、信号ＭＯＤを供給して、フィードバック信号ＦＤＢＫに基づいてプローブレーザー装置１４の波長を安定化することができる。例として、レーザーコントローラ２６は、信号ＭＯＤを介して、光プローブビームＯＰＴ_PRBの周波数を、ある中心周波数を中心として、例えばほぼ安定した周波数を有する変調信号ＤＴＨに基づいて変調することができる。従って、レーザーコントローラ２６は、フィードバック信号ＦＤＢＫを、変調信号ＤＴＨに基づいて同様に復調するように構成された復調器２８を含むこともできる。従って、レーザーコントローラ２６は、プローブレーザー装置１４を制御して、（例えば、上記中心周波数に対応する）光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長を、ファラデー回転の所定の大きさに対応する所定波長に安定化することができる。例えば、この所定波長は、光プローブビームＯＰＴ_PRBのピーク・ファラデー回転に関連する波長に相当する波長とすることができる。

従って、プローブレーザー装置１４をフィードバック方式で制御して、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長を、ファラデー回転の波長への依存度に基づいて安定化することによって、原子センサシステム１０がより正確な測定を実現することができる。ＮＭＲジャイロスコープとして実現された原子センサシステム１０の例では、原子センサシステム１０の受感軸を中心とした回転を測定するように動作することができ、あるいは、原子磁力計として実現された原子センサシステム１０の例では、原子センサシステム１０が外部磁界の大きさを測定するように動作することができ、（例えば、温度、プロセス、または信号変動に基づく）光プローブビームＯＰＴ_PRBの不安定な波長により生じる誤差は十分に小さい。従って、原子センサシステム１０は、最小限の追加的構成要素で高精度に実現することができる。

図３に、原子センサシステム１００の他の例を示す。例として、原子センサシステム１００は、ＮＭＲジャイロスコープシステムまたは原子磁力計の一部分に相当し得る。例として、原子センサシステム１００は、図１の例における原子センサシステム１０の一部分に相当し得る。従って、以下の図３の例の説明では、図１の例を参照する。

原子センサシステム１００は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを発生するように構成されたポンプレーザー装置１０２、及び光プローブビームＯＰＴ_PRBを発生するように構成されたプローブレーザー装置１０４を含む。例として、ポンプレーザー装置１０２及びプローブレーザー装置１０４の各々がコリメート光学系を含んで、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームＯＰＴ_PRBのそれぞれを発生することができる。例として、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームＯＰＴ_PRBを、例えばアルカリ金属蒸気に関連するＤ１及びＤ２輝線のそれぞれに対応する別個の波長で発生することができる。光ポンプビームＯＰＴ_PMPは偏光子１０６に供給され、偏光子１０６は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを円偏光に変換するように構成されている。例として、偏光子１０６は直線偏光子を含むことができ、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを円偏光に変換する四分の一波長板がこれに続く。光プローブビームＯＰＴ_PRBは、半波長板として構成することのできる偏光子１０８、及び光プローブビームＯＰＴ_PRBを所望方向の直線偏光に変換するように構成された直線偏光子に供給される。図３の例では、偏光子１０６及び１０８が、図１の例における光学系１６の一部分に相当し得る。

原子センサシステム１００は、光プローブビームＯＰＴ_PRBを２つの直交する成分に分割するように構成された偏光ビームスプリッタ１１０を含む。例として、偏光子１０８及び／または偏光ビームスプリッタ１１０は、意図的に軸外しして、光プローブビームＯＰＴ_PRBを互いに直交する別個の直線偏光成分に分離することを可能にすることができ、あるいは、偏光ビームスプリッタの固有の不完全な品質に頼ることができる。第１の、相対的にずっと大きい部分は、偏光ビームスプリッタ１１０を通して供給することができる。光プローブビームＯＰＴ_PRBの相対的にずっと小さい部分は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの大きい部分から直角の向きに方向転換されて、光検出器１１２で受光される。光検出器１１２は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの基準輝度に対応する基準信号ＲＥＦを発生するように構成されている。例として、基準信号ＲＥＦをレーザーコントローラ２６に供給して、プローブレーザー装置１０４に基本の基準輝度を与えることができる。

原子センサシステム１００はセンサセル１１４を含み、センサセル１１４は、図１の例で前述したのと同様に、アルカリ金属蒸気及び希ガスを含むことができる。前述したのと同様に、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを、センサセル１１４を通るように供給して、その内部のアルカリ金属蒸気をスピン偏極させることができる。前述したのと同様に、光プローブビームの直線偏光した部分は、センサセル１１４を通過する際に、アルカリ金属蒸気の最終的なスピン偏極ベクトルに基づくファラデー回転を、センサセル１１４内の希ガス同位体の歳差運動に対応するこうしたファラデー回転の変調と共に与えられ得る。従って、前述したのと同様に、センサセル１１４を出た光プローブビームＯＰＴ_PRBの第１部分のファラデー回転を、光検出器アセンブリ１１８によって測定することができる。

図３の例では、原子センサシステム１００がさらに、バイアス磁界Ｂ_BIASを発生するように構成された磁界発生器１２０を含み、バイアス磁界Ｂ_BIASは、光ポンプビームＯＰＴ_PMPにほぼ平行な向きに与えられて、センサセル１１４を通る。バイアス磁界Ｂ_BIASは、光ポンプビームＯＰＴ_PMPに直交するように印加される磁界（例えば、外部磁界の互いに直交する成分）に応答して、センサセル１１４内のアルカリ金属蒸気の歳差運動を刺激するように設定することができる。従って、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_PRB1に関連するファラデー回転を第１光検出器アセンブリ１１８で測定した値に応答して、第１光検出器アセンブリ１１８及びこれに関連する電子回路（図示せず）は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPに直交する磁界を、信号ＦＤＢＫに基づいて、閉ループ・フィードバック方式で調整することができ、これにより、これらの直交する磁界をほぼ０の磁束に維持することができる。

これに加えて、原子センサシステム１００はビーム結合器１２２を含み、ビーム結合器１２２は、光プローブビームＯＰＴ_PRBを第１部分ＯＰＴ_PRB1及び第２部分ＯＰＴ_PRB2に分割し、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2を光ポンプビームＯＰＴ_PMPと同じ光路で結合するように構成されている。従って、光プローブビームＯＰＴ_PRBの第２部分及び光ポンプビームＯＰＴ_PMPをほぼ同一直線上で供給して、センサセル１１４に通すことができる。例として、ビーム結合器１２２を、図１の例における一組のビーム光学系に含めることができる。図３の例では、ビーム結合器１２２が光ピックオフ１２４を含み、光ピックオフ１２４は、光プローブビームＯＰＴ_PRBを２つの部分に分離して、前述したように、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_PRB1が、磁界Ｂ_BIAS及び光ポンプビームＯＰＴ_PMPに直交してセンサセル１１４を通過するように構成されている。例として、光ピックオフ１２４は、部分反射鏡、偏光感受型ビームスプリッタ、あるいは種々の偏光非感受型ビームスプリッタとして構成することができる。光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2は、ミラー１２８によって反射されて、光ポンプビームＯＰＴ_PMPの光路内に配置されたダイクロイックミラー１２６に向かう。従って、光ポンプビームＯＰＴ_PMP及び光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2は、ほぼ同一直線上で供給されてセンサセル１１４を通る。

図３の例では、原子センサシステム１００が、センサセル１１４の遠端に配置されたダイクロイックミラー１３０も含む。ダイクロイックミラー１３０は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを反射し、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2を通過させるように構成することができる。例えば、光ポンプビームＯＰＴ_PMPは第１波長を有することができ、光プローブビームＯＰＴ_PRBは、第１波長とは異なる第２波長を有することができる。従って、ダイクロイックミラー１３０は、第１波長（例えば、アルカリ金属蒸気のＤ１輝線）を有する光を反射し、第２波長（例えば、アルカリ金属蒸気のＤ２輝線）を有する光を通過させることができる。従って、ダイクロイックミラー１３０は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPを反射してセンサセル１１４に再び通して光ポンプビームＯＰＴ_PMPを安定化し、光プローブビームＯＰＴ_PRBの第２部分を通過させて、第２検出器アセンブリに向けるように構成されている。

前述したように、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2は、磁界Ｂ_BIASに平行に整列した最終的なアルカリ・スピン偏極ベクトル成分に基づくファラデー回転を与えられ得る。最終的なスピンベクトルの大きさはさらに、アルカリ金属蒸気の数密度及び部分偏極に比例し得る。その結果、直交磁界をほぼ０に維持する閉ループ・フィードバックが、最終的なスピン偏極ベクトルが、光ポンプビームＯＰＴ_PMPにほぼ平行な向きのままであることを保証することができる。従って、前述したのと同様に、プローブレーザー装置１０４を（例えばレーザーコントローラ２６によって）制御して、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長を、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転の測定値に基づいて安定化することができる。

図３の例では、第２光検出器アセンブリ１３２が、センサセル１１４を出た光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2を互いに直交する偏光に分離するように構成された偏光ビームスプリッタ１３４を含む。第２光検出器アセンブリ１３２は、上記直交する偏光のそれぞれに関連する第１光検出器１３６及び第２光検出器１３８も含む。第１光検出器１３６は第１輝度信号ＩＮＴＳ₁を発生するように構成され、第２光検出器１３８は第２輝度信号ＩＮＴＳ₂を発生するように構成され、これらの信号の各々が、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2の上記直交する成分のそれぞれに対応することができる。従って、第１輝度信号ＩＮＴＳ₁と第２輝度信号ＩＮＴＳ₂との差が、光プローブ信号の第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転に対応し得る。従って、第２光検出器アセンブリ１３２は、光プローブ信号の第２部分ＯＰＴ_PRB2に関連するファラデー回転を測定するように構成することができる。従って、図１の例では、第１輝度信号ＩＮＴＳ₁及び第２輝度信号ＩＮＴＳ₂が集合的に、レーザーコントローラ２６に供給されるフィードバック信号ＦＤＢＫに対応し得る。

レーザーコントローラ２６は、フィードバック信号ＦＤＢＫにより、プローブレーザー装置１０４の波長を安定化して、プローブレーザー装置１０４の変調周波数の中心周波数をほぼ安定した波長に維持することができる。例として、レーザーコントローラ２６は、この中心周波数を共振周波数から離調した波長に維持することができ、この離調した中心周波数は、光プローブビームＯＰＴ_PRBのピーク・ファラデー回転の波長に関連する。例えば、図２の例を参照すれば、レーザーコントローラ２６は、この中心周波数を、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2の、それぞれ正または負のファラデー回転に関連するピーク「Ａ」またはピーク「Ｂ」の波長に維持することができる。従って、光プローブビームＯＰＴ_PRBの周波数は、この中心周波数を中心として変調され、この中心周波数の変動は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの第２部分のファラデー回転の変動に基づいて検出することができる。

図４に、タイミング図の例１５０を示し、図５に、タイミング図の他の例２００を示す。タイミング図１５０及び２００は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの変調された波長を１５２（即ち、実線）で示し、この波長は、レーザーコントローラ２６に供給される変調信号ＤＴＨの安定な基準周波数に相当し得る。タイミング図１５０は、第１輝度信号ＩＮＴＳ₁と第２輝度信号ＩＮＴＳ₂との差も、１５４（即ち、破線）で、変調された波長１５２に重ねて示す。従って、信号１５４は、フィードバック信号ＦＤＢＫに相当し、従って光プローブ信号の第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転に対応し得る。信号１５４の周波数は、変調された波長１５２のおよそ２倍に示されている。従って、変調された波長１５２を用いて信号１５４を復調すると、復調器２８からの出力がほぼ０になる。

図４の例では、光プローブ信号ＯＰＴ_PRBの中心周波数が、センサセル１１４を出た光プローブブームの第２部分ＯＰＴ_PRB2のピークに近い波長に保持されている。図４の例では、光プローブ信号ＯＰＴ_PRBの中心周波数の波長が、図２の例における部分５２に相当する挿入図１５６で示すように（例えば、図２の例におけるピーク「Ａ」に相当する）ピーク「Ａ」に保持されている。従って、この波長は、挿入図１５６中の波長「Ｘ」と「Ｙ」との間で変調されている。従って、光プローブビームＯＰＴ_PRB2のファラデー回転は、光プローブビームＯＰＴ_PRBの変調された波長１５２が増加または減少すると共に、およそ等しく変化する。

図５の例では、光プローブビームＯＰＴ_PRBの中心周波数が、センサセル１１４を出た光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転のピーク付近からオフセットした波長に保持されている。図５の例では、図２の例における部分５２に相当する挿入図２０２で示すように、光プローブビームの中心周波数の波長が、ピーク「Ａ」の波長より少し大きい波長「Ｚ」であり、この波長は、波長「Ｘ」と「Ｙ」との間で変調される。従って、第２光プローブビームＯＰＴ_PRB2のファラデー回転は、波長「Ｘ」と「Ｙ」との間で不均衡に変化し、このため、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2のファラデー回転は、変調された波長１５２の正と負のピーク間で異なるように減少する。従って、レーザーコントローラ２６は、変調された波長１５２を用いてフィードバック信号ＦＤＢＫ（例えば信号１５４）を復調器２８によって復調することに基づいて、こうしたファラデー回転の変動を検出して、光プローブビームＯＰＴ_PRBの中心周波数を、例えばピーク「Ａ」に戻すように調整して安定化することができる。このような、ピーク「Ａ」より小さい波長におけるピーク「Ａ」からのオフセットは、信号１５４とほぼ同様であるが信号１５４に対して３６０°位相シフトした信号を生じさせることは明らかである。

原子センサシステム１００は図３の例に限定されることを意図していないことは明らかである。例として、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2は、光ポンプビームＯＰＴ_PMPとほぼ同一直線上で供給されることに限定されない。例えば、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2を、光ポンプビームＯＰＴ_PMPと光プローブビームＯＰＴ_PRB1の第１部分との間のオフセット角で供給することができる。他の例として、光プローブビームＯＰＴ_PRBは、別個の部分のそれぞれに分割されることに限定されず、その代わりに、ファラデー回転の測定用のオフセット角で供給して、光プローブビームＯＰＴ_PRBの波長を安定化すると共に、回転または磁界を測定することができる。従って、原子センサシステム１０は種々の異なる方法で構成することができる。

上述したこれらの構造的及び機能的特徴を考慮すれば、本発明の種々の態様による方法は、図６を参照して、より良く理解される。説明を簡単にする目的で、図６の方法は順に実行するものとして図示し説明しているが、本発明は図示する順序に限定されないことは明らかである、というのは、本発明によれば、一部の態様は、異なる順序で、及び／または、本明細書に図示し説明する態様以外の態様と同時に発生し得るからである。さらに、本発明の態様による方法を実現するために、例示する特徴の必ずしもすべてを必要としないことがある。

図６に、原子センサシステム（例えば、原子センサシステム１０）において光プローブビーム（例えば、光プローブビームＯＰＴ_PRB）の周波数を安定化する方法の例を示す。ステップ２５２では、光プローブビームの周波数を、変調信号（例えば、変調信号ＤＴＨ）に基づいて、ある中心周波数を中心として変調する。ステップ２５４では、ある軸に沿った磁界（例えば、磁界Ｂ_BIAS）を発生する。ステップ２５６では、光プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含むＮＭＲシステムのセンサセル（例えば、センサセル１８）を通るように指向させ、これにより光プローブビームが、少なくともこの軸に沿ったベクトル成分を有する。ステップ２５８では、センサセルを出た光プローブビーム（例えば、光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_PRB2）に関連するファラデー回転を測定する。ステップ２６０では、センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転に基づくフィードバック信号（例えば、フィードバック信号ＦＤＢＫ）を発生する。ステップ２６２では、センサセルを出た光プローブビームを、変調信号に基づいて復調する。ステップ２６４では、上記フィードバック信号に基づいて、光プローブビームの中心周波数を安定化する。

以上に説明したものは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的で、考えられる構成要素または手順のすべての組合せを記載することはできないが、本発明の他の多数の組合せ及び置換が可能であることは、当業者の認める所である。従って、本発明は、添付した特許請求の範囲を含めて本願の範囲内に入るこうした代替、変更、及び変形のすべてを包含することを意図している。

１０、１００ 原子センサシステム
１２、１０２ ポンプレーザー装置
１４、１０４ プローブレーザー装置
１６ 光学系
１８、１１４ センサセル
２０ 検出光学系
２２、２４ 光検出器
２６ レーザーコントローラ
２８ 復調器
１０６及び１０８ 偏光子
１１０、１３４ 偏光ビームスプリッタ
１１２ 光検出器
１１８ （第１）光検出器アセンブリ
１２０ 磁界発生器
１２２ ビーム結合器
１２４ 光ピックオフ
１２６、１３０ ダイクロイックミラー
１２８ ミラー
１３２ 第２光検出器アセンブリ
１３６ 第１光検出器
１３８ 第２光検出器

Claims (20)

1. 軸に沿った磁界を発生するように構成された磁界発生器と；
   光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置と；
   前記プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含むセンサセルを通るように指向させ、これにより前記光プローブビームが少なくとも前記軸に沿ったベクトル成分を有するように構成されたビーム光学系と；
   光検出器アセンブリを具えた検出光学系であって、前記光検出器アセンブリが、前記センサセルを出た光プローブビームに関連するファラデー回転を測定して、前記センサセルを出た前記光プローブビームに関連する前記ファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するように構成された検出光学系と；
   前記光プローブビームの周波数を、中心周波数を中心として変調し、前記中心周波数を、前記フィードバック信号に基づいて実質的に安定化するように構成されたレーザーコントローラと
   を具えていることを特徴とする原子センサシステム。
2. 前記軸に沿った光ポンプビームを発生するように構成されたポンプレーザー装置をさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ビーム光学系が、前記光プローブビームの少なくとも一部分を前記光ポンプビームと結合するように構成されたビーム結合器を具え、これにより前記光プローブビームの少なくとも一部分及び前記光ポンプビームが、ほぼ一直線上で供給されて、前記軸に沿った前記センサセルを通ることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記ビーム結合器が、
   前記光プローブビームの一部分を、第１軸上で前記センサセルを通過する第１光路から分割するように構成された光ピックオフと；
   前記光ポンプビームを通過させ、前記光プローブビームの前記一部分を、前記光ポンプビームを含む第２光路内へ反射するように構成されたビーム結合素子とを具え、
   前記第２光路は、前記第１軸に直交する第２軸上で前記センサセルを通過することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記光プローブビームの一部分が、前記軸にほぼ直交する前記センサセルを通るように指向され、前記検出光学系が、外部磁界、スピン歳差運動の周波数または位相、及び前記原子センサシステムの受感軸を中心とした回転のうち少なくとも１つを測定するために、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記一部分に関連する少なくとも１つの特性を測定するように構成された第２光検出器アセンブリをさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記ビーム光学系が、
   前記光プローブビームを所定の直線偏光に変換するように構成された半波長板及び直線偏光子と；
   前記光プローブビーム中の前記所定の直線偏光を有する部分をピックオフするように構成された偏光ビームスプリッタと；
   前記光プローブビーム中の前記部分を受光して、前記光プローブビームの基準輝度に対応する基準信号を発生するように構成された光検出器と
   を具えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記光検出器アセンブリが、偏光ビームスプリッタ、第１光検出器、及び第２光検出器を具え、前記偏光ビームスプリッタは、前記センサセルを出た前記光プローブビームを、互いに直交する第１信号成分と第２信号成分とに分離するように構成され、前記第１光検出器及び前記第２光検出器は、前記互いに直交する第１信号成分及び第２信号成分にそれぞれ対応する、それぞれ第１輝度信号及び第２輝度信号を発生するように構成され、前記第１輝度信号及び前記第２輝度信号は、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記ファラデー回転を示す前記フィードバック信号に相当する差信号として供給されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記レーザーコントローラが、前記光プローブビームの変調周波数の関数としてのファラデー回転の変動に基づいて、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記光プローブビームの波長と関数関係を有する前記ファラデー回転のピークにおいて実質的にロックするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 請求項１に記載の原子センサシステムを具えたＮＭＲジャイロスコープシステム。
10. 請求項１に記載の原子センサシステムを具えた原子磁力計システム。
11. 原子センサシステムにおいて光プローブビームの周波数を安定化する方法であって、
    前記光プローブビームの周波数を、変調信号に基づいて、中心周波数を中心として変調するステップと；
    軸に沿った磁界を発生するステップと；
    前記光プローブビームを、アルカリ金属蒸気を含む前記原子センサシステムのセンサセルを通るように指向させ、これにより前記プローブビームが、少なくとも前記軸に沿ったベクトル成分を有するステップと；
    前記センサセルを出た前記光プローブビームに関連するファラデー回転を測定するステップと；
    前記センサセルを出た前記光プローブビームに関連する前記ファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するステップと；
    前記センサセルを出た前記光プローブビームを、前記変調信号に基づいて復調するステップと；
    前記フィードバック信号に基づいて、前記光プローブビームの前記中心周波数を安定化するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記光プローブビームを、第１部分及び第２部分に分割するステップと；
    外部磁界、スピン歳差運動の周波数または位相、及び前記原子センサシステムの受感軸を中心とした回転のうち少なくとも１つを測定するために、前記光プローブビームの前記第１部分を、前記軸にほぼ直交する向きに指向させるステップとをさらに含み、
    前記光プローブビームを、前記センサセルを通るように指向させるステップが、前記光プローブビームの前記第２部分を、前記センサセルを通るように指向させることを含み、前記光プローブビームに関連するファラデー回転を測定するステップが、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記第２部分に関連するファラデー回転を測定することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記光プローブビームの前記第２部分を、前記センサセルを通るように指向させることが、前記光プローブビームの前記第２部分を、前記軸に沿って供給される光ポンプビームと同一直線上で光学的に結合することを含み、前記光ポンプビームが、前記センサセル内の前記アルカリ金属蒸気を刺激するように設定されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記光プローブビームを、半波長板及び直線偏光子を通るように供給して、前記光プローブビームを所定の直線偏光に変換するステップと；
    前記光プローブビームの一部分をピックオフするステップと；
    前記光プローブビームの前記一部分に基づいて、前記光プローブビームの基準輝度に対応する基準信号を発生するステップと
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記ファラデー回転を測定するステップが、
    前記光プローブビームを第１部分及び第２部分に分割し、前記第１部分と前記第２部分とが、ほぼ直交する直線偏光状態を有することと；
    前記第１部分を第１光検出器に供給し、前記第２部分を第２光検出器に供給することと；
    前記第１部分の第１輝度及び前記第２部分の第２輝度のそれぞれに関連する差信号を発生し、この差信号が、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記ファラデー回転を示す前記フィードバック信号に対応することと
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記光プローブビームの前記中心周波数を安定化するステップが、前記光プローブビームの変調周波数の関数としてのファラデー回転の変動に基づいて、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記光プローブビームの波長と関数関係を有する前記ファラデー回転のピークにおいて実質的にロックすることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 軸に沿った磁界を発生するように構成された磁界発生器と；
    前記軸に沿った光ポンプビームを発生して、アルカリ金属蒸気を含むセンサセルに通すように構成されたポンプレーザー装置と；
    光プローブビームを発生するように構成されたプローブレーザー装置と；
    前記光プローブビームを第１部分及び第２部分に分割し、前記第１部分を、前記軸にほぼ直交する前記センサセルを通るように指向させるように構成されたビーム光学系と；
    前記光プローブビームの前記第２部分を前記光ポンプビームと結合し、これにより前記光プローブビームの前記第２部分及び前記ポンプビームが、ほぼ同一直線上で供給されて、前記軸に沿った前記センサセルを通るように構成されたビーム結合器と；
    外部磁界、スピン歳差運動の周波数または位相、及び原子センサシステムの受感軸を中心とした回転のうち少なくとも１つを測定するために、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記第１部分に関連する少なくとも１つの特性を測定するように構成された第１光検出器アセンブリと；
    前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記第２部分に関連するファラデー回転を測定し、前記センサセルを出た前記光プローブビームに関連する前記ファラデー回転に基づくフィードバック信号を発生するように構成された第２光検出器アセンブリと；
    前記光プローブビームの周波数を、中心周波数を中心として変調し、前記フィードバック信号に基づいて、前記光プローブビームの前記中心周波数を実質的に安定化するように構成されたレーザーコントローラと
    を具えていることを特徴とする核磁気共鳴センサシステム。
18. 前記ビーム光学系が、
    前記光プローブビームを所定の直線偏光に変換するように構成された半波長板及び直線偏光子と；
    前記光プローブビーム中の前記所定の直線偏光を有する部分をピックオフするように構成された偏光ビームスプリッタと；
    前記光プローブビーム中の前記部分を受光して、前記光プローブビームの基準輝度に対応する基準信号を発生するように構成された光検出器と
    を具えていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第２光検出器アセンブリが、偏光ビームスプリッタ、第１光検出器、及び第２光検出器を具え、前記偏光ビームスプリッタは、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記第２部分を、互いに直交する第１信号成分と第２信号成分とに分離するように構成され、前記第１光検出器及び前記第２光検出器は、前記互いに直交する第１信号成分及び第２信号成分にそれぞれ対応する、それぞれ第１輝度信号及び第２輝度信号を発生するように構成され、前記第１輝度信号及び前記第２輝度信号は、前記センサセルを出た前記光プローブビームの前記ファラデー回転を示す前記フィードバック信号に相当する差信号として供給されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記レーザーコントローラが、前記光プローブビームの変調周波数の関数としてのファラデー回転の変動に基づいて、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記光プローブビームの波長と関数関係を有する前記ファラデー回転のピークにおいて実質的にロックするように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。