JP2015227875A - 原子センサシステムにおける光プローブビームの安定化 - Google Patents

Abstract

【課題】原子センサシステムにおける光プローブビームの安定化を図る。
【解決手段】一実施形態は原子センサシステムを含む。プローブレーザはプローブビームを発生する。プローブビームの第１部分は第１アルカリ蒸気を備えるセンサセルを通して供給されて、センサセルから出るプローブビームの第１部分に対応する第１検出ビームに基づいて、システムの測定可能なパラメータを計算する。プローブビームの第２部分は第２蒸気を具備する安定化セルを通して供給する。検出システムは、安定化セルから出るプローブビームの第２部分に対応する第２検出ビームに基づいて、第２アルカリ蒸気の光遷移波長に対しては共振状態で、第１アルカリ蒸気の光遷移波長に対しては非共振状態になるように、プローブビームの周波数を安定化させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は概してセンサシステムに関し、詳しくは原子センサシステムにおける光プローブビームの安定化に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ジャイロスコープおよび原子磁力計などの原子センサは、光ビームを用いて、受感軸を中心とした回転を検出する、または外部磁界の存在および大きさを検出するなどの動作をする。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られる。例えば、ポンプビームは、センサの封止セル内で、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ）などの蒸気をスピン偏極させるように構成されている円偏光した光ビームであってもよい。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てもよい。例えば、プローブビームは、受感軸を中心とした検出システムの回転を検出するため、または外部磁界の大きさを検出するためなど、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）などの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直線偏光した光ビームとしてもよい。

米国特許第５２９３４１４号明細書 米国特許第７３２３９４１号明細書 米国特許第７３５９０５９号明細書 米国特許第８４２１４５５号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１１２７４９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１７６１３０号明細書 特開２００２−５３９６２７号公報

一つの例示的な実施形態は、原子センサシステムを含む。システムはプローブ周波数（つまり、波長）を有する光プローブビームを発生するように構成されているプローブレーザを含む。システムは第１蒸気を備えるセンサセルも含む。光プローブビームの第１部分はセンサセルを通して供給されて、センサセルから出る光プローブビームの第１部分に対応する第１検出ビームに基づいて、原子センサシステムの測定可能なパラメータの測定を容易にする。システムは、検出システムと第２蒸気を備える安定化セルとを備える安定化システムをさらに含む。光プローブビームの第２部分は安定化セルを通して供給する。検出システムは、光プローブビームのプローブ周波数を、安定化セルから出る光プローブビームの第２部分に対応する第２検出ビームに基づいて、第２蒸気の光遷移波長に対して共振状態に、第１蒸気の光遷移波長に対しては非共振状態になるように安定化させるように構成されている。

上記原子センサシステムにおいて、前記第１蒸気は第１アルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は第２アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気が第１光遷移波長を有し、前記第２蒸気が前記第１光遷移波長と異なる第２光遷移波長を有する。

上記原子センサシステムにおいて、前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、したがって前記第１蒸気は第１光遷移波長を有し、前記第２蒸気は前記第１光遷移波長と異なる第２光遷移波長を有する。

上記原子センサシステムにおいて、前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる。

上記原子センサシステムにおいて、前記安定化システムは、前記安定化セル内の前記第２蒸気による前記光プローブビームの光子の実質的な最大吸収に関連する吸収ピークに対応する周波数で前記プローブ周波数を維持することに基づいて、前記プローブ周波数を安定化させるように構成されている。

上記原子センサシステムにおいて、前記プローブレーザは前記プローブ周波数を中心周波数を中心として変調するように構成され、したがって前記検出システムは前記吸収ピークに対応する周波数で前記中心周波数を維持することに基づいて、前記中心周波数を安定化させるように構成されている。

上記原子センサシステムにおいて、前記安定化システムは前記第２検出ビームの強度に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出器システムを備え、前記検出システムは前記プローブ周波数の周波数変調に関連する周波数に基づいて前記強度信号を復調して、前記プローブレーザに供給されるフィードバック信号を発生し、前記中心周波数を前記吸収ピークに対する周波数に維持するように構成されている。

上記原子センサシステムは、前記光プローブビームの前記第１部分に対して直交する軸に沿って、前記センサセルを通して供給される光ポンプビームを発生して、前記第１蒸気の粒子をスピン偏極するように構成されているポンプレーザと、前記軸に沿って磁界を発生して、前記第１蒸気のスピン偏極された粒子の歳差運動を促進するように構成されている磁界発生器とをさらに備える。

上記原子センサシステムは、前記第１検出ビームのファラデー回転に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出器システムと、前記第１検出ビームの前記ファラデー回転に基づいて、前記原子センサシステムの測定可能なパラメータを計算するように構成されている出力システムとをさらに備える。

一実施形態として、上記原子センサシステムを備えるＮＭＲジャイロスコープシステム、原子磁力計システムおよび加速度計システムのうちの少なくとも１つに具体化されてもよい。

別の実施形態は、原子センサシステムにおける光プローブビームの周波数を安定化させる方法を含む。方法は光プローブビームを光プローブビームの第１部分と光プローブビームの第２部分とにビーム分割するステップを含む。方法は光プローブビームの第１部分を第１蒸気を備える原子センサシステムのセンサセルに通して供給して、センサセルから出る光プローブビームの第１部分に対応する第１検出ビームを供給するステップも含み、第１蒸気は第１光遷移波長を有する。方法は光プローブビームの第２部分を第２蒸気を備える原子センサシステムの安定化セルを通して供給して、安定化セルから出る光プローブビームの第２部分に対応する第２検出ビームを供給するステップも含む。第２蒸気は、第１光遷移波長とは異なる第２光遷移波長を有する。方法は第２検出ビームの強度を測定するステップも含む。方法は、第２検出ビームの強度に基づいて、光プローブビームの周波数を第２光遷移波長と実質的に共振状態に維持するステップをさらに含む。

上記方法において、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、前記変調信号の周波数で和信号を復調してフィードバック信号を発生するステップとをさらに備え、前記光プローブビームの周波数を維持するステップは、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記フィードバック信号に基づいて前記第２光遷移波長と実質的に共振状態に維持するステップとを備える。

上記方法において、前記光プローブビームの前記中心周波数を安定化させるステップは、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記蒸気による前記光プローブビームの実質的な最大吸収に対応する周波数に維持するステップを備える。

上記方法において、前記第１蒸気はアルカリ金属の第１同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属の第２同位体を備える。
上記方法において、前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる。

別の実施形態は原子センサシステムを含む。システムは中心周波数を中心とした変調信号に基づいて変調された周波数である光プローブビームを発生するように構成されているプローブレーザを含む。システムは歳差運動に生じる第１蒸気を備えるセンサセルも含む。光プローブビームの第１部分はセンサセルを通して供給されて、センサセルから出る光プローブビームの第１部分に対応する第１検出ビームに基づいて、原子センサシステムの測定可能なパラメータの測定を容易にする。システムは安定化システムをさらに含む。安定化システムは第２蒸気を備える安定化セルを含む。光プローブビームの第２部分は安定化セルを通して供給されて、安定化セルから出る光プローブビームの第２部分に対応する第２検出ビームを供給する。安定化システムは、第２検出ビームの強度に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出器システムも含む。安定化システムは変調信号に基づいて強度信号を復調して、光プローブビームの中心周波数を、第２蒸気の光遷移波長に対して共振状態で、第１蒸気の光遷移波長に対しては非共振状態の周波数に維持するように構成されている検出システムをさらに含む。

上記原子センサシステムにおいて、前記第１蒸気はアルカリ金属の第１同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属の第２同位体を備える。
上記原子センサシステムにおいて、前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる。

上記原子センサシステムは、前記光プローブビームの前記第１部分に対して直交する軸に沿って前記センサセルを通して供給される光ポンプビームを発生して、前記第１蒸気の粒子をスピン偏極するように構成されているポンプレーザと、前記軸に沿って磁界を発生して、前記スピン偏極された第１蒸気の粒子の歳差運動を促進するように構成されている磁界発生器とをさらに備える。

上記原子センサシステムは、前記第１検出ビームのファラデー回転に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出システムと、第１検出ビームの前記ファラデー回転に基づいて、前記原子センサシステムの測定可能なパラメータを計算するように構成されている出力システムとをさらに備える。

原子センサシステムの一実施形態を示す。 原子センサシステムの別の実施形態を示す。 光プローブビームの波長を関連する検出ビームの強度に対比させたグラフの例を示す。 原子センサシステムにおける光プローブビームの周波数を安定化させる方法の実施形態を示す。

本発明は概してセンサシステムに関し、詳しくは原子センサシステムにおける光プローブビームの安定化に関する。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施することができる。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ているポンプレーザと、光プローブビームを発生するように構成されているプローブレーザとを含む。光ポンプビームは、ビーム光学系など、センサセルとして構成されている第１蒸気セルを通して供給して、その内部のアルカリ金属蒸気を刺激することができる（例、その内部のアルカリ金属蒸気のスピン偏極をもたらす）。光プローブビームは第１部分と第２部分とにビーム分割することができ、センサセル内のアルカリ金属蒸気に関連する光遷移波長とは非共振状態に調整される波長を有する。光プローブビームの第１部分は、光ポンプビームに対して直交するなど、センサセルを通して供給して、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し、この第１部分はアルカリ金属蒸気と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する。したがって、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施することができ、または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施することができる。

一実施形態として、光プローブビームは中心周波数を中心とした変調信号で変調することができるので、中心周波数をセンサセル内の蒸気に関連する光遷移波長に対して非共振周波数に調整することができる。さらに、センサシステムは光プローブビームの周波数を安定化させるように構成することのできる安定化システムを含む。安定化システムは、光プローブビームの第２部分が供給される安定化セルとして構成されている第２蒸気セルを含む。安定化セルは、センサセル内の蒸気とは異なる光遷移波長を有する蒸気を含む。一実施形態として、センサセルおよび安定化セルの蒸気は、アルカリ金属蒸気の種類、同位体およびバッファーガスの濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なってもよい。そのため、安定化システムは、光プローブビームの周波数（例、中心周波数）を安定化セル内の蒸気の光遷移波長と実質的に共振状態に調整して、センサセル内の蒸気の光遷移波長に対して安定した非共振周波数を供給することにより、光プローブビームの安定した周波数を確保することができる。例えば、光プローブビームの第２部分の周波数は、第２光プローブビームの光子の最大吸収に関連する周波数に調整し、そのためその内部の蒸気と共振状態に調整して、プローブレーザに供給されるフィードバック信号に基づいて光プローブビームの安定した周波数を確保することができる。

図１は、原子センサシステム１０の実施形態を示す。原子センサシステム１０は、受感軸を中心とした回転を測定するように構成されているＮＭＲジャイロスコープまたは外部提供される磁界の大きさを測定するように構成されている原子磁力計など、多様なＮＭＲセンサのいずれかに対応することができる。このように、原子センサシステム１０は、ナビゲーションや防衛用途など多様な用途に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ているポンプレーザ１２と、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢを発生するように構成されているプローブレーザ１４とを含む。光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは、例えば、円偏光することができ、蒸気（例、ルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属蒸気）を含む第１蒸気セルとして構成されているセンサセル１６を通して供給される。図１の実施形態では、１８で示される光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第１部分は、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに対して直交軸に沿うなど、センサセル１６を通して同様に供給される。光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第１部分は、例えば、原子センサシステム１０に関連する測定可能なパラメータの計算のために実施することができる。例えば、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第１部分は、原子磁力計として構成されている原子センサシステム１０の実施形態では外部磁界の大きさを計算するように実施することができ、またはＮＭＲジャイロスコープとして構成されている原子センサシステム１０の実施形態では受感軸を中心とした回転を計算するように実施することができる。

例えば、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは、原子センサシステム１０の受感軸とほぼ平行（例、同一線上）に供給する。例として、磁界発生器（図示せず）によって発生されるような磁界は、センサセル１６を通して軸に沿って光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに供給する。そのため、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰおよび磁界は共振状態でセンサセル１６内の蒸気粒子の歳差運動を刺激して、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに対して直交に印加される磁界（例、外部直交磁界成分）に応答して、センサセル１６内の蒸気粒子の偏光ベクトルの変調を実質的に増幅する。このように、センサセル１６内の蒸気粒子の歳差運動は、例えばセンサセル１６を通って供給される光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第１部分に応答して、原子センサシステム１０に関連する測定可能なパラメータの指標を供給する。例として、出力システム（図示せず）は、センサセル１６から出る光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢに対応する検出ビームのファラデー回転をモニターすることができ、検出ビームのファラデー回転に基づいて測定可能なパラメータを計算する。

原子センサシステム１０は、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を安定化させるように、例えば、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数オフセットから得ることのできる測定可能なパラメータの計算における誤差を実質的に軽減するように構成されている安定化システム２０も含んでいる。例として、外部測定可能なパラメータ（例、外部磁界または受感軸を中心とした原子センサシステム１０の回転）から得られる測定可能なファラデー回転を最適に達成するために、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を、センサセル１６内の蒸気の光遷移波長とは非共振状態の周波数に対して安定化させる必要があるかもしれない。しかし、関連出力システムで感知される光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの波長の変化は、外部測定可能なパラメータの変化と区別できない可能性がある。その結果、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの波長の不安定さが外部測定可能なパラメータの変化として現れる可能性があり、そのため外部測定可能なパラメータの測定の誤差を生じる。したがって、安定化システム２０は、センサセル１６内の蒸気の光遷移波長に対する非共振状態など、所望の周波数に対して光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を安定化させるように構成することができる。

安定化システム２０は、センサセル１６と同様に、蒸気（例、アルカリ金属蒸気）を同様に含む第２蒸気セルとして構成されている安定化セル２２を含む。しかし、安定化セル２２内の蒸気は、センサセル１６内の蒸気の光遷移波長とは異なる光遷移波長を有する。例えば、センサセル１６はアルカリ金属の第１同位体（例、^８５ＲＢ）を含んでもよい、安定化セル２２は同じアルカリ金属の第２の異なる同位体（例、^８７Ｒｂ）を含んでもよい。代わりに、センサセル１６および安定化セル２２は互いに異なるアルカリ金属を含んでもよい。別の例として、センサセル１６は第１バッファーガスを含むことができ、安定化セル２２は、種類および濃度のうちの少なくとも１つなどが、第１バッファーガスとは異なる第２バッファーガスを含んでもよい。例えば、バッファーガスは、窒素、ヘリウム−３、ヘリウム−４、キセノン、ネオン、アルゴン、クリプトン、または多様な他の種類のバッファーガスの多様な組合せのいずれかを含んでもよい。異なるバッファーガスの実施形態では、センサセル１６および安定化システム２０は同じアルカリ金属の同じまたは異なる同位体を含んでもよい。

図１の実施形態において、２４で示される光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第２部分は安定化セル２２を通して供給される。安定化システム２０は、安定化セル２２から出る光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第２部分に関連する検出ビームをモニターするように構成されている検出システム２６も含む。例えば、検出システム２６は検出ビームの強度をモニターするように構成してもよい。センサセル１６と安定化セル２２の蒸気が異なり、そのためセンサセル１６と安定化システム２０内の異なる蒸気に関連する光遷移波長が異なる結果として、安定化システム２０は、安定化セル２２内の蒸気による光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第２部分の光子の最大吸収に対応する吸収ピークに関連する波長に維持することに基づくなど、安定化セル２２内の蒸気の光遷移波長と実質的に共振状態である周波数に対して、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を安定化させるように構成してもよい。そのため、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢはセンサセル１６内の蒸気に対して実質的に非共振状態である周波数に維持することができる。したがって、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの第１部分は、原子センサシステム１０の測定可能なパラメータの正確な計算のために安定した波長で、センサセル１６を通して供給することができる。

図２は、原子センサシステム５０の別の実施形態を示す。原子センサシステム５０は、受感軸を中心とした回転を測定するように構成されているＮＭＲジャイロスコープ、または外部提供される磁界の大きさを測定するように構成されている原子磁力計など、多様なＮＭＲセンサのいずれかに対応することができる。このように、原子センサシステム５０は、ナビゲーションや防衛用途などの多様な用途に提供することができる。

原子センサシステム５０は、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰを発生するように構成されているポンプレーザ５２と、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢを発生するように構成されているプローブレーザ５４とを含む。光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰを円偏光するように構成されている１／４波長板５６を通して供給されるので、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは第１蒸気セルとして構成することのできるセンサセル５８を通して供給される。光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢは、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢを第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１と第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２とに分割するように構成されている１組のプローブ光学系６０に供給される。図２の実施形態では、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰおよび光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１は、互いに対して直交する軸に沿ってセンサセル５８を通して供給され、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは原子センサシステム５０の受感軸にほぼ平行（例、同一直線上）に供給される。原子センサシステム５０は、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに実質的に平行な方向でセンサセル５８を通して供給されるバイアス磁界Ｂ_ＢＩＡＳを発生するように構成されている磁界発生器６２をさらに含む。バイアス磁界Ｂ_ＢＩＡＳはセンサセル５８内の蒸気の粒子（例、アルカリ金属原子）の歳差運動を共振状態で刺激して、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに対して直交に印加される磁界（例、外部直交磁界成分）に応答して、センサセル５８内の蒸気の偏光ベクトルの変調を実質的に増幅するように構成することができる。

例として、センサセル５８は、アルカリ金属蒸気（例、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ））を含む透明または半透明のケーシングを有する封止セルとして構成することができ、希ガス同位体（例、アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ））を含み得る。光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰの波長はセンサセル５８内の蒸気の輝線（例、Ｄ１またはＤ２）に対応することができる。このように、センサセル５８は原子センサシステム５０の動作物理の部分を備えてもよい。具体的には、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰはセンサセル５８を通して供給して、その内部の蒸気をスピン偏極することができる。例として、センサセル５８内の希ガス同位体はバイアス磁界Ｂ_ＢＩＡＳの存在下で歳差運動ができるので、スピン偏極された蒸気粒子はそのスピン偏極を変調させて、歳差運動する希ガス同位体に整列させる正味スピン偏極の成分を生じる。このように、希ガス同位体の歳差運動は、センサセル５８から出る光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１に対応する第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１によって測定することができる。例として、センサセル５８から出る直線偏光した第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１のファラデー回転は、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに直交する軸に沿ったセンサセル５８内の蒸気のスピン偏極の射影に基づいて判定することができる。したがって、希ガス同位体の歳差運動の判定に応答して、原子センサシステム５０の回転、外部磁界の大きさ、スピン歳差運動周波数または位相を測定することができる。

本明細書に説明するように、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１および第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１は同じ光ビームに対応することが了解されるべきである。図２の実施形態では、光プローブビームＯＰＴの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１はセンサセル５８に供給され、第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１はセンサセル５８から出た光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１に対応するので、ファラデー回転を受けている。そのため、本明細書で説明するように、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１および第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１は、ファラデー回転に関して互換可能に記述することができる。具体的には、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１はセンサセル５８を通過するときファラデー回転を受け、当該ファラデー回転は第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１で測定される。このように、第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１は周波数（つまり、波長）に関しても光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢに対応し、光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１と光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢとは光強度および偏極の両方または少なくとも一方だけが異なる。

図２の実施形態では、原子センサシステム５０は、第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１のファラデー回転に対応する第１強度信号ＩＮＴＳ_１を発生するように構成されている光検出器システム６４を含む。例として、光検出器システム６４は、第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１を直交偏光に分離するように構成されている偏光ビームスプリッタと、各直交偏光に関連する対の光検出器とを含んでもよい。そのため、第１強度信号ＩＮＴＳ_１は第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１の直交成分の強度の差に関連付けることができ、したがって関連するファラデー回転に関連付けることができる。第１強度信号ＩＮＴＳ_１は、第１強度信号ＩＮＴＳ_１で判定される第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１のファラデー回転に基づいて、原子センサシステム５０の測定可能な外部パラメータＳＮＳを計算するように構成されている出力システム６６に供給される。例えば、測定可能な外部パラメータＳＮＳは、原子センサシステム５０の回転、外部磁界の大きさ、およびスピン歳差運動の周波数または位相のうちの１つ以上に対応することができる。

前述したように、測定される第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１のファラデー回転の変化は、測定するべき外部パラメータから得ることができる。しかし、ファラデー回転の変化は光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの波長の変化からも得ることができる。例として、測定可能なパラメータの計算の正確さを最適にするには、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの波長がセンサセル５８内の蒸気の吸収ピークに関連する波長よりも短く、または長くなるように、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢはセンサセル５８内の蒸気に関連する光遷移波長から離調した（つまり、非共振）波長を有してもよい。しかし、環境条件（例、温度の変化）およびプローブレーザ５４の電流励起の不安定性の両方または少なくともいずれか一方が、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数（つまり、波長）に変化を生じさせる可能性があり、それが第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１の伝播の方向に平行な単位アルカリ偏光ベクトル成分あたりのファラデー回転に影響を与える可能性がある。第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴのファラデー回転に対するこのような影響は、原子センサシステム５０に影響する外部測定可能なパラメータから得られるファラデー回転とは区別できない可能性があるので、測定可能な外部パラメータＳＮＳに誤差を生じさせる。

光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を安定化させるために、原子センサシステム５０は安定化システム６８を含む。安定化システム６８は、センサセル５８など、蒸気（例、アルカリ金属蒸気）を含む第２蒸気セルとして構成されている安定化セル７０を含む。しかし、図１の実施形態で上記説明したのと同様に、安定化セル７０内の蒸気はセンサセル５８内の蒸気の光遷移波長とは異なる光遷移波長を有する。例えば、センサセル５８および安定化セル７０は同じアルカリ金属の異なる同位体を有してもよいし、異なる種類、異なる濃度またはその両方のバッファーガスを含んでもよい。光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２は安定化セル７０を通して供給されて、光検出器システム７２に第２検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ２を供給する。光検出器システム７２は、第２検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ２の強度に関連する第２強度信号ＩＮＴＳ_２を発生する。安定化システム６８は、第２強度信号ＩＮＴＳ_２を介して第２検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ２の強度をモニターするように構成されている検出システム７４をさらに含む。このように、検出システム７４はプローブレーザ５４に供給されるフィードバック信号ＦＤＢＫを発生して、安定化セル７０内の蒸気に関連する光遷移波長に対する共振状態など、所定の周波数で光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数を維持することができる。

図２の実施形態では、プローブレーザ５４は変調信号ＤＴＨで変調される。例として、変調信号ＤＴＨはプローブレーザ５４のアクティブ領域に供給される電流を介して変調されて、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢを発生することができる。図２の実施形態では、検出システム７４は変調信号ＤＴＨに基づいて（例、変調信号ＤＴＨの周波数で）第２強度信号ＩＮＴＳ_２を変調するように構成することができる。そのため、検出システム７４はフィードバック信号ＦＤＢＫを供給して、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの中心周波数を安定化セル７０内の蒸気に関連する光遷移波長に対する共振周波数に維持することができる。共振周波数は吸収ピークに関連する波長に関連する周波数に対応させることができ、吸収ピークは安定化セル７０内の蒸気による光プローブビームの第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２の光子の最大吸収に対応する。

前述したように、センサセル５８および安定化セル７０は異なる蒸気を含み、そのため異なる蒸気は異なる光遷移波長を有する。そのため、安定化セル７０内の蒸気に関連する光遷移波長に対して共振状態である所定の周波数は、センサセル５８内の蒸気に関連する光遷移波長に対しては非共振状態である。

図３は、関連する検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１およびＯＰＴ_ＤＥＴ２の強度に対する光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの波長のグラフ１００の実施形態を示す。グラフ１００は、横軸の波長に対する任意の単位での縦軸の強度信号ＩＮＴＳ_１およびＩＮＴＳ_２の電圧の関数として、強度の大きさを表す。図３の実施形態では、このように、グラフ１００は、光検出器システム６４（例、直交光検出器の和）によって測定される第１強度信号ＩＮＴＳ_１の電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ１}（実線）と、光検出器システム７２で測定される第２強度信号ＩＮＴＳ_２の電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ２}（点線）を表す。このように、それぞれの電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ１}およびＶ_{ＩＮＴＳ２}によって供給される第１および第２検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１およびＯＰＴ_ＤＥＴ２の強度の逆の大きさは、それぞれのセンサセル５８および安定化セル７０内の蒸気による光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１および第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２の光子の吸収に対応させることができるので、電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ１}およびＶ_{ＩＮＴＳ２}の低い方の値は光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１および第２部分およびＯＰＴ_ＰＲＢ２の光子の大きい方の吸収に対応する。そのため、強度の最も低い値は、電圧Ｖ_ＰＥＡＫで表されるそれぞれのセンサセル５８および安定化セル内の蒸気による光プローブビームの第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１および第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２の光子の吸収の吸収ピークにそれぞれ対応する。電圧Ｖ_ＰＥＡＫは各電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ１}およびＶ_{ＩＮＴＳ２}の吸収ピークについてほぼ等しい電圧に対応するが、電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ１}およびＶ_{ＩＮＴＳ２}の吸収ピークの強度は異なることがあることが了解されるべきである。

グラフ１００は、センサセル５８および安定化セル７０内の蒸気の光遷移波長にそれぞれ対応する波長λ_Ｐ１および波長λ_Ｐ２を示す。このように、検出システム７４は、変調信号ＤＴＨを介する第２強度信号ＩＮＴＳ_２の復調に基づくなど、電圧Ｖ_{ＩＮＴＳ２}をモニターして、フィードバック信号ＦＤＢＫを発生するように構成することができる。したがって、プローブレーザ５４に供給されるフィードバック信号ＦＤＢＫは、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの中心周波数を波長λ_Ｐ２に維持するように構成することができ、したがって、安定化セル７０内の蒸気の光遷移波長と共振状態である。センサセル５８および安定化セル７０内の蒸気は異なる光遷移波長を有するため、センサセル５８および安定化セル７０内の蒸気の吸収ピークは、Δλとして示される量だけ波長が異なる。そのため、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの中心周波数を波長λ_Ｐ２に安定的に維持するとき、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢはセンサセル５８内の蒸気との非共振状態を安定して維持しながら、安定化セル７０内の蒸気との共振状態を維持することができるので、光検出器システム６４は、図３の実施形態で表されるように、電圧Ｖ_ＯＦＦで第１強度信号ＩＮＴＳ_１を測定することができる。したがって、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢの周波数は、測定可能なパラメータＳＮＳの計算上の誤差を実質的に軽減するように安定化させることができる。

上記説明した以上の構造的および機能的特徴に鑑み、本発明の様々な態様による方法論は、図４を参照するとよりよく認識されるであろう。説明を単純にするために、図４の方法論は順次実行するように図示され説明されているが、いくつかの態様は、本発明によると、本明細書で図示され説明されるものとは異なる順序で行ったり、他の態様と同時に行ったりできるため、本発明は例示される順序によって制限されるものではないことが理解され、認識されるべきである。また、本発明の一態様による方法を実施するために、例示されているすべての特徴が必ずしも必要なわけではない。

図４は、原子センサシステム（例、原子センサシステム１０）において光プローブビーム（例、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢ）の周波数を安定化させる方法１５０の実施形態を示す。１５２で、光プローブビームは、光プローブビームの第１部分（例、第１部分ＯＰＴ_ＰＲＢ１）と光プローブビームの第２部分（例、第２部分ＯＰＴ_ＰＲＢ２）とにビーム分割される。１５４で、光プローブビームの第１部分が、第１蒸気を備える原子センサシステムのセンサセル（例、センサセル１６）を通して供給されて、センサセルから出る光プローブビームの第１部分に対応する第１検出ビーム（例、第１検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ１）を供給し、第１蒸気は第１光遷移波長（例、波長λ_Ｐ１）を有する。１５６で、光プローブビームの第２部分が第２蒸気を備える原子センサシステムの安定化セル（例、安定化セル２２）を通して供給されて、安定化セルから出る光プローブビームの第２部分に対応する第２検出ビーム（例、第２検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ２）を供給し、第２蒸気は第１光遷移波長とは異なる第２光遷移波長（例、波長λ_Ｐ２）を有する。１５８で、第２検出ビームの強度を測定する。１６０で、光プローブビームの周波数は、第２検出ビームの強度に基づいて、第２光遷移波長と実質的に共振状態に維持される。

上記説明してきたことは、発明の実施形態である。当然ながら、本発明を説明するために構成要素または方法の考えられるすべての組合せを説明することはできないが、当業者は本発明の多くのさらなる組合せおよび置換が可能であることは認識するであろう。したがって、本発明は、添付の請求項を含め、本出願の範囲内にあるすべての当該変更、修正および改変を包含することが意図される。

１０，５０…原子センサシステム、１２…ポンプレーザ、１４…プローブレーザ、１６…センサセル、２０…安定化システム、２２…安定化セル、２６…検出システム、５２…ポンプレーザ、５４…プローブレーザ、５８…センサセル、６０…プローブ光学系、６２…磁界発生器、６４，７２…光検出器システム、６６…出力システム、６８…安定化システム、７０…安定化セル、７４…検出システム。

Claims (20)

1. プローブ周波数を有する光プローブビームを発生するように構成されているプローブレーザと、
   第１蒸気を備えるセンサセルであって、前記光プローブビームの第１部分を前記センサセルを通して供給して、前記センサセルから出る前記光プローブビームの前記第１部分に対応する第１検出ビームに基づいて、原子センサシステムの測定可能なパラメータの測定を容易にする、センサセルと、
   検出システムと第２蒸気を備える安定化セルとを備える安定化システムであって、前記光プローブビームの第２部分は前記安定化セルを通して供給され、前記検出システムは、前記安定化セルから出る前記光プローブビームの前記第２部分に対応する第２検出ビームに基づいて、前記第２蒸気の光遷移波長に対して共振状態で、前記第１蒸気の光遷移波長に対して非共振状態になるように前記光プローブビームのプローブ周波数を安定化させるように構成されている、安定化システムとを備える原子センサシステム。
2. 前記第１蒸気は第１アルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は第２アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気が第１光遷移波長を有し、前記第２蒸気が前記第１光遷移波長と異なる第２光遷移波長を有する、請求項１に記載の原子センサシステム。
3. 前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、したがって前記第１蒸気は第１光遷移波長を有し、前記第２蒸気は前記第１光遷移波長と異なる第２光遷移波長を有する、請求項１に記載の原子センサシステム。
4. 前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる、請求項３に記載の原子センサシステム。
5. 前記安定化システムは、前記安定化セル内の前記第２蒸気による前記光プローブビームの光子の実質的な最大吸収に関連する吸収ピークに対応する周波数で前記プローブ周波数を維持することに基づいて、前記プローブ周波数を安定化させるように構成されている、請求項１に記載の原子センサシステム。
6. 前記プローブレーザは前記プローブ周波数を中心周波数を中心として変調するように構成され、前記検出システムは、前記吸収ピークに対応する周波数で前記中心周波数を維持することに基づいて、前記中心周波数を安定化させるように構成されている、請求項５に記載の原子センサシステム。
7. 前記安定化システムは前記第２検出ビームの強度に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出器システムを備え、前記検出システムは前記プローブ周波数の周波数変調に関連する周波数に基づいて前記強度信号を復調して、前記プローブレーザに供給されるフィードバック信号を発生し、前記中心周波数を前記吸収ピークに対する周波数に維持するように構成されている、請求項６に記載の原子センサシステム。
8. 前記光プローブビームの前記第１部分に対して直交する軸に沿って、前記センサセルを通して供給される光ポンプビームを発生して、前記第１蒸気の粒子をスピン偏極するように構成されているポンプレーザと、
   前記軸に沿って磁界を発生して、前記第１蒸気のスピン偏極された粒子の歳差運動を促進するように構成されている磁界発生器とをさらに備える請求項１に記載の原子センサシステム。
9. 前記第１検出ビームのファラデー回転に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出器システムと、
   前記第１検出ビームの前記ファラデー回転に基づいて、前記原子センサシステムの測定可能なパラメータを計算するように構成されている出力システムと、をさらに備える請求項８の原子センサシステム。
10. 請求項１の原子センサシステムを備えるＮＭＲジャイロスコープシステム、原子磁力計システムおよび加速度計システムのうちの少なくとも１つ。
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させる方法であって、前記方法は、
    前記光プローブビームを前記光プローブビームの第１部分と前記光プローブビームの第２部分とにビーム分割するステップと、
    前記光プローブビームの前記第１部分を第１蒸気を備える前記原子センサシステムのセンサセルを通して供給して、前記センサセルから出る前記光プローブビームの前記第１部分に対応する第１検出ビームを供給するステップであって、前記第１蒸気は第１光遷移波長を有する、ステップと、
    前記光プローブビームの前記第２部分を第２蒸気を備える前記原子センサシステムの安定化セルを通して供給して、前記安定化セルから出る前記光プローブビームの前記第２部分に対応する第２検出ビームを供給するステップであって、前記第２蒸気は前記第１光遷移波長とは異なる第２光遷移波長を有する、ステップと、
    前記第２検出ビームの強度を測定するステップと、
    前記光プローブビームの周波数を、前記第２検出ビームの強度に基づいて、前記第２光遷移波長と実質的に共振状態に維持するステップとを備える方法。
12. 前記方法は、
    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、
    前記変調信号の周波数で和信号を復調してフィードバック信号を発生するステップとをさらに備え、
    前記光プローブビームの周波数を維持するステップは、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記フィードバック信号に基づいて前記第２光遷移波長と実質的に共振状態に維持するステップとを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記光プローブビームの前記中心周波数を安定化させるステップは、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記蒸気による前記光プローブビームの実質的な最大吸収に対応する周波数に維持するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１蒸気はアルカリ金属の第１同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属の第２同位体を備える、請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる、請求項１１に記載の方法。
16. 原子センサシステムであって、
    中心周波数を中心とした変調信号に基づいて変調された周波数の光プローブビームを発生するように構成されているプローブレーザと、
    歳差運動に生じる第１蒸気を備えるセンサセルであって、前記光プローブビームの第１部分が前記センサセルを通して供給されて、前記センサセルから出る前記光プローブビームの前記第１部分に対応する第１検出ビームに基づいて前記原子センサシステムの測定可能なパラメータの測定を容易にする、前記センサセルと、
    安定化システムとを備え、
    前記安定化システムは、
    第２蒸気を備える安定化セルであって、前記光プローブビームの第２部分が前記安定化セルを通して供給されて、前記安定化セルから出る前記光プローブビームの前記第２部分に対応する第２検出ビームを供給する、前記安定化セルと、
    前記第２検出ビームの強度に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出システムと、
    前記変調信号に基づいて前記強度信号を復調して、前記光プローブビームの前記中心周波数を、前記第２蒸気の光遷移波長に対しては共振状態で、前記第１蒸気の光遷移波長に対しては非共振状態である周波数に維持するように構成されている検出システムとを備える、原子センサシステム。
17. 前記第１蒸気はアルカリ金属の第１同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属の第２同位体を備える、請求項１６に記載の原子センサシステム。
18. 前記第１蒸気はアルカリ金属同位体を備え、前記第２蒸気は前記アルカリ金属同位体を備え、前記第１蒸気は第１バッファーガスを備え、前記第２蒸気は第２バッファーガスを備え、前記第１および第２バッファーガスは、種類および濃度の少なくとも１つにおいて互いに異なる、請求項１６に記載の原子センサシステム。
19. 前記光プローブビームの前記第１部分に対して直交する軸に沿って前記センサセルを通して供給される光ポンプビームを発生して、前記第１蒸気の粒子をスピン偏極するように構成されているポンプレーザと、
    前記軸に沿って磁界を発生して、前記スピン偏極された第１蒸気の粒子の歳差運動を促進するように構成されている磁界発生器とをさらに備える請求項１６に記載の原子センサシステム。
20. 前記第１検出ビームのファラデー回転に対応する強度信号を発生するように構成されている光検出システムと、
    第１検出ビームの前記ファラデー回転に基づいて、前記原子センサシステムの測定可能なパラメータを計算するように構成されている出力システムとをさらに備える請求項１９に記載の原子センサシステム。