JP6077050B2

JP6077050B2 - 原子センサシステム

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Publication number: JP6077050B2
Application number: JP2015099058A
Authority: JP
Inventors: ディ．ブラトヴィッツマイケル; エス．ラーセンマイケル
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Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2017-02-08
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Description

本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子センサシステムに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）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、光ビームを使用して、受感軸を中心とした回転を検出したり、外部磁場の存在および大きさを検出したりするよう動作している。例として、ＮＭＲセンサシステムは、第１の光ビームをポンプビームとして、第２の光ビームをプローブビームとして使用することができる。例えば、ポンプビームは、センサの密封された蒸気セル内で、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するように構成された円偏光された光ビームとすることができる。磁場は、磁気ソレノイドにより生成され、アルカリ金属同位体の歳差運動を誘起する。蒸気セル内の偏光されたアルカリ金属蒸気と核スピン同位体との相互作用により、有効な磁場が発生し、核スピン同位体は、アルカリの数密度およびアルカリのフラクショナル偏光（fractional polarization）に応じてその磁場を受ける。アルカリの数密度とアルカリのフラクショナル偏光の積が大きいほど、核スピン同位体はより大きいアルカリの磁場を受ける。

米国特許第７３５９０５９号明細書米国特許第７８６３８９４号明細書米国特許第７８７２４７３号明細書米国特許第８０５４０７４号明細書米国特許第８４０５３８９号明細書米国特許出願公開第２０１２／０１８２０１１号明細書米国特許出願公開第２０１３／００３３２６１号明細書欧州特許第１８２８７１７号明細書

一実施形態は、原子センサシステムを含む。システムは、光ビームによりスピン偏極されたアルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルを含む。蒸気セルは、遠位端にミラーを含む。システムはまた、光検出器システムと、光ビームを生成するレーザとを含む光学システムを含む。光ビームは、蒸気セルの近位端に提供され、ミラーにより反射光ビームとして光検出器システムへ反射し戻されて、少なくとも１つの強度信号が生成される。光学システムは、アルカリ金属に対して、オン共鳴波長とオフ共鳴波長との間で光ビームの波長を変調する制御システムを更に含む。システムはまた、少なくとも１つの強度信号に基づいて、原子センサシステムに関連する測定可能なパラメータを計算するプロセッサを含む。

本発明の他の実施形態は、原子センサシステムを制御するための方法を含む。方法は、レーザにより光ビームを生成すること、アルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルの近位端に光ビームを提供することを含む。蒸気セルは、光ビームを反射光ビームとして反射し戻すために遠位端にミラーを含む。方法はまた、アルカリ金属のスピン偏極を促進するためのアルカリ金属に対するオン共鳴波長と、反射光ビームのファラデー回転を提供するためのアルカリ金属に対するオフ共鳴波長との間で光ビームの波長を変調することを含む。方法はまた、複数の光検出器での反射光ビームの強度を監視すること、反射光ビームの強度に基づいて測定可能なパラメータを計算することを含む。方法は、反射光ビームの強度に基づいて少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させ、少なくとも１つの測定可能なパラメータと、光ビームに関連したパラメータの変化とを区別することを更に含む。

本発明の他の実施形態は、原子センサシステムを含む。システムは、アルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルを含み、前記システムは、遠位端に直線偏光子およびミラーを含み、更に、光学システムを含む。光学システムは、光ビームを生成するよう構成されたレーザと、アルカリ金属をスピン偏極するために蒸気セルの近位端に光ビームが提供される前に光ビームを円偏光させるように構成された１／４波長板とを含む。光ビームは、直線偏光子により直線偏光され、ミラーにより反射光ビームとして反射される。光学システムはまた、反射光ビームの第１の部分のファラデー回転に対応する個々の複数の第１の強度信号を生成するように構成された複数の偏光分析用光検出器を含む。光学システムは、反射光ビームの第２の部分の強度に対応する第２の強度信号を生成するように構成された偏光無依存型光検出器を更に含む。原子センサシステムは、複数の第１の強度信号に基づいて原子センサシステムに関連する測定可能なパラメータを計算し、第２の強度信号に基づいて原子センサシステムに関連する少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させるように構成されたプロセッサを更に含む。

原子センサシステムの例を示す。原子センサシステムの他の例を示す。タイミングチャートの例を示す。光学システムの例を示す。原子センサシステムの更なる他の例を示す。原子センサシステムを制御するための方法の例を示す。

本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子センサシステムに関する。原子センサシステムは、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープまたは原子磁力計に対応することができる。原子センサシステムは、アルカリ金属を有する蒸気セルを含み、また、少なくとも１つの磁気回転（例えば、希ガス）同位体を含む。例として、磁場源は、蒸気セルを通して提供され、原子センサシステムの受感軸と整列される、実質的に均一な磁場を生成可能である。システムはまた、光ビームを生成するレーザ（例えば、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））を含む光学システムを含む。蒸気セルはまた、蒸気セルの遠位端に直線偏光子およびミラーを含み、光ビームを直線偏光し、光ビームを反射光ビームとして反射し戻すことができる。

光学システムはまた、光ビームを円偏光し、円偏光された光ビームを蒸気セルの近位端に提供するための１／４波長板を含む。よって、円偏光された光ビームは、光ポンプビームとして機能し、アルカリ金属をスピン偏極し、これによって、磁場に応答して、アルカリ金属と磁気回転同位体との歳差運動を促進する。例として、システムはまた、第１の磁場に直交する磁場を生成するための第２の磁場源を含み、これによって、受感軸に対して位置ずれしている正味の磁場がもたらされ、アルカリ金属と磁気回転同位体とが歳差運動をするように誘起できる。更に、直線偏光された反射光ビームは、個々の強度信号を生成する光検出器上に提供される。プロセッサは、強度信号に基づいて、測定可能なパラメータを計算するように構成することができる。例えば、強度信号は、反射光ビームのファラデー回転量に対応することができ、これによって、原子センサシステムの測定可能なパラメータ（例えば、受感軸を中心とした回転および外部磁場の大きさの少なくともいずれか一方）を示すことができる。

例えば、光学システムは、アルカリ金属に対して、オン共鳴波長とオフ共鳴波長との間で光ビームを変調するように構成された制御システムを含む。例として、オフ共鳴波長は、オン共鳴波長に対して略等しくかつ正反対である２つの異なるオフ共鳴波長として提供できる。したがって、オン共鳴波長の時間幅の間、光ビームは、スピン偏極のためにアルカリ金属を励起し、歳差運動を促進することができる。オフ共鳴波長の時間幅の間、直線偏光された反射光ビームは、ファラデー回転を受けるので、測定可能なパラメータを示すことができる。更に、光学システムは、第１の期間と第２の期間の両方の間、反射光ビームの強度を監視するように構成された偏光無依存型光検出器を含む。したがって、偏光無依存型光検出器により提供される強度信号は、プロセッサにより導入されて、少なくとも１つの調整可能なパラメータ（例えば、蒸気セルの温度または光ビームの周波数）を制御し、光ビームに関連するパラメータ（例えば、強度または周波数の）の変化は、測定可能なパラメータの変化と区別できる。

図１は、原子センサシステム１０の例を示す。原子センサシステム１０は、受感軸を中心にした回転を測定するよう構成されたＮＭＲジャイロスコープ、または外部で提供された磁場の大きさを測定するように構成された原子磁力計などのさまざまなＮＭＲセンサのいずれにも対応することができる。したがって、原子センサシステム１０は、ナビゲーションおよび防衛用途のうち少なくともいずれか一方などの様々な用途のいずれにおいても提供できる。

原子センサシステム１０は、光学システム１２を含む。光学システム１２は、蒸気セル１６に提供される光ビームＯＰＴ_Ｌを生成するように構成された、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのレーザ１４を含む。例として、光学システム１２は、光ビームＯＰＴ_Ｌを円偏光するように構成された１／４波長板を含む。例として、光ビームＯＰＴ_Ｌは、原子センサシステム１０の受感軸と略平行（例えば、同一線上）に提供できる。原子センサシステム１０は、光ビームＯＰＴ_Ｌに実質的に平行な方向に蒸気セル１６を通して提供されるバイアス磁場Ｂ_Ｚを生成するように構成された磁場発生装置１８を更に含む。バイアス磁場Ｂ_Ｚは、共振状態である蒸気セル１６内のアルカリ金属蒸気の歳差運動を刺激して、光ビームＯＰＴ_Ｌ（例えば、外部直交磁場成分）に対して直交して付与される磁場に応答して、蒸気セル１６内のアルカリ金属蒸気の偏極ベクトルの変調を実質的に増幅させるように構成される。

図１の例では、蒸気セル１６は、光ビームＯＰＴ_Ｌに対して蒸気セル１６の遠位端に位置することができるミラー２０を含む。したがって、ミラー２０は、反射光ビームＯＰＴ_Ｒとして、光ビームＯＰＴ_Ｌを反射し戻すように構成される。例えば、蒸気セル１６はまた、ミラー２０の前部（例えば、蒸気セル１６の近位端とミラー２０との間）に設けられる直線偏光子を含む。これによって、反射光ビームＯＰＴ_Ｒは、直線偏光される。光学システム１２は、反射光ビームＯＰＴ_Ｒを受信し、反射光ビームＯＰＴ_Ｒの強度を判定するように構成された光検出器システム２２を含む。例として、光検出器システム２２は、信号ＩＮＴＳとして図１の例に一括して示される強度信号を生成するよう個々に構成された複数の偏光分析用光検出器（例えば、フォトダイオード）を含む。偏光分析用光検出器は、反射光ビームＯＰＴ_Ｒの光路内に直線偏光子を有する光検出器として構成される。よって、強度信号ＩＮＴＳは、蒸気セル１６を通る反射光ビームＯＰＴ_Ｒのファラデー回転に対応することができる。

更に、光学システム１２は、制御システム２４を含む。制御システム２４は、レーザ１４および蒸気セル１６のうち少なくともいずれか一方に関連するパラメータを制御するように構成される。１つの例として、制御システム２４は、本明細書に更に詳細に記載されるように、蒸気セル１６の温度を安定化させるように構成される。他の例として、制御システム２４は、本明細書に更に詳細に記載されるように、レーザ１４の周波数および強度を安定化させるように構成される。更に、制御システム２４は、レーザ１４の周波数を変調するように構成される。例として、制御システム２４は、蒸気セル１６内のアルカリ金属に対して実質的にオン共鳴している第１の波長と、蒸気セル１６内のアルカリ金属に対して実質的なオフ共鳴している第２の波長との間で光ビームＯＰＴ_Ｌを変調できる。

例えば、制御システム２４は、光ビームＯＰＴ_Ｌの波長を、変調期間の第１の時間幅の間にオン共鳴波長に、変調期間の第２の時間幅の間に第１のオフ共鳴波長に、変調期間の第３の時間幅の間に第２のオフ共鳴波長に設定できる。例として、第１および第２のオフ共鳴波長は、オン共鳴波長に対して、略等しくかつ正反対とすることができる。オン共鳴波長により、光ビームＯＰＴ_Ｌは、光学的にアルカリ金属を励起させ、スピン偏極をもたらし、オフ共鳴波長により、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検出のために、反射光ビームＯＰＴ_Ｒをファラデー回転させることができる。本明細書に記載するように、「測定可能なパラメータ」という用語は、ＮＭＲジャイロスコープの例では、受感軸を中心とした回転、または原子磁力計の例では、外部磁場の大きさなどの、原子センサシステム１０が測定するように設計されたパラメータを表す。

例として、蒸気セル１６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、かつ磁気回転同位体（例えば、アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）など希ガス同位体）を含むことが可能な、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される。光ビームＯＰＴ_Ｌのオン共鳴波長は、蒸気セル１８（例えば、Ｄ１またはＤ２）内のアルカリ金属蒸気の輝線に対応することができる。したがって、蒸気セル１６は、原子センサシステム１０の動作物理部分を含む。第１の時間幅の間、光ビームＯＰＴ_Ｌが、制御システム２４によって設定された通り、実質的なオン共鳴波長を有する場合、光ビームＯＰＴ_Ｌは、光ポンプビームとして機能し、蒸気セル１６内のアルカリ金属蒸気をスピン偏極する。例として、蒸気セル１６内の希ガス同位体は、磁場Ｂ_Ｚの存在下で歳差運動して、スピン偏極されたアルカリ金属蒸気粒子は、自身のスピン偏極を変調させて、歳差運動中の希ガス同位体と整列される正味のスピン偏極の成分が生成される。第２および第３の時間幅の間、光ビームＯＰＴ_Ｌが、制御システム２４によって設定された通り、実質的なオフ共鳴波長を有する場合、光ビームＯＰＴ_Ｌは、光プローブビームとして機能し、反射光ビームＯＰＴ_Ｒにより希ガス同位体の歳差運動を測定する。例として、蒸気セル１６から放出される直線偏光された反射光ビームＯＰＴ_Ｒのファラデー回転は、反射光ビームＯＰＴ_Ｒの伝播方向に沿って指向する蒸気セル１６内のアルカリ金属蒸気のスピン偏極の成分に基づいて判定することができる。したがって、光ビームＯＰＴ_Ｌの変調に応じて、光ビームＯＰＴ_Ｌは、単一のレーザ（例えば、レーザ１４）で、光ポンプビームと光プローブビームの両方の機能を提供することができる。

原子センサシステム１０は、測定可能なパラメータを強度信号ＩＮＴＳに基づいて計算するように構成されたプロセッサ２６を含む。図１の例では、プロセッサ２６は、測定可能なパラメータに対応する信号ＰＡＲを生成するように構成されている。前述のように、強度信号ＩＮＴＳは、蒸気セル１６を通る反射光ビームＯＰＴ_Ｒのファラデー回転に対応している。例えば、光信号ＯＰＴ_Ｌの変調期間の第２の時間幅の複数の強度信号ＩＮＴＳ間の差異は、（例えば、原子センサシステムの受感軸に対応するＺ軸に対する）アルカリ金属スピン偏極ベクトルのＸ−Ｙ平面の成分を示し、第２の期間の強度信号ＩＮＴＳの合計は、アルカリ金属スピン偏極ベクトルのＺ軸成分を示す。同様に、光信号ＯＰＴ_Ｌの変調期間の第３の時間幅の複数の強度信号ＩＮＴＳ間の差異は、（例えば、Ｚ軸に対する）アルカリ金属スピン偏極ベクトルのＸ−Ｙ平面の成分を示し、第３の期間の強度信号ＩＮＴＳの合計は、アルカリ金属スピン偏極ベクトルのＺ軸の成分を示す。更に、第２の期間に測定される強度信号ＩＮＴＳの差異と第３の期間に測定される強度信号ＩＮＴＳの差異との合計により、実質的に等しくかつ正反対であるオフ共鳴波長の離調の結果としての、第２および第３の期間の略等しくかつ正反対であるファラデー回転に基づいて、同相誤差源を実質的に取り消すことができ、アルカリスピン偏極ベクトルのＸ−Ｙ平面の成分の測定の正確さおよび安定性を向上することができる。同様に、第２の期間に測定された強度信号ＩＮＴＳの合計と、第３の期間に測定された強度信号ＩＮＴＳの合計とを含む合計は、アルカリスピンベクトルのＺ軸成分の測定における同相誤差源を実質的に取り消すことができる。したがって、測定可能なパラメータに対応する、受感軸を中心とした関連する磁気回転同位体のスピン歳差運動を測定することが可能である。したがって、原子センサシステム１０の回転、外部磁場の大きさ、またはスピン歳差運動の周波数もしくは位相を、本明細書に記載するように、単一のレーザ１４の導入に基づいて、磁気回転同位体の歳差運動の判定に応じて測定可能である。

更に、プロセッサ２６は、強度信号ＩＮＴＳに基づいて、原子センサシステム１０に関連するパラメータを安定化するように構成される。例として、光検出器システム２２は、１つ以上の偏光無依存型光検出器を含む。例えば、偏光無依存型光検出器は、反射光ビームＯＰＴ_Ｒの光路内に直線偏光子を含まない光検出器として構成される。したがって、光ビームＯＰＴ_Ｌのオフ共鳴波長変調の間、偏光無依存型光検出器は、波長に応じてアルカリ金属による光ビームＯＰＴ_Ｌの吸収における変化を測定するように構成される。したがって、プロセッサ２６は、光信号ＯＰＴ_Ｌ（例えば、オン共鳴波長）の周波数を安定化させるために、フィードバック信号ＦＤＢＫを制御システム２４へ提供するように構成される。例えば、プロセッサ２６は、実質的なオン共鳴波長に対して光ビームＯＰＴ_Ｌの略等しくかつ正反対である実質的なオフ共鳴波長が対称であることに基づいて、第２および第３の時間幅、即ち、光ビームＯＰＴ_Ｌの略等しくかつ正反対である実質的なオフ共鳴波長の間、偏光無依存型光検出器に対応する強度信号ＩＮＴＳを監視して、光ビームＯＰＴ_Ｌのオン共鳴波長を実質的に安定化させることができる。

更に、プロセッサ２６は、光検出器システム２２の偏光無依存型光検出器を介して提供された強度信号ＩＮＴＳに基づいて、他の調整可能なパラメータを安定化させることができる。例として、光ビームＯＰＴ_Ｌの変調期間の第１の時間幅、即ち、光ビームＯＰＴ_Ｌの実質的なオン共鳴波長の間、プロセッサ２６は、強度信号ＩＮＴＳを導入して蒸気セル１６の温度を安定化させることができる。例えば、第１の時間幅は、第２および第３の時間幅の両方を合わせたものより大きくてもよく、第１の時間幅の光ビームＯＰＴ_Ｌの強度は、各変調期間の大半の部分において監視されるとともに、急激に変化しない（例えば、理想的な条件において変化しない）。したがって、光ビームＯＰＴ_Ｌの吸収における変化に基づくなど、偏光無依存型光検出器により提供される強度信号ＩＮＴＳの緩やかな変化は、蒸気セル１６の温度の変化を示し、フィードバック信号ＦＤＢＫはまた、蒸気セル１６に対して温度調整（例えば、関連するヒーティングシステム（図示せず）により）を提供できる。他の例として、プロセッサ２６は、例えば、レーザ１４に対するレーザ発振電流に基づいて、光信号ＯＰＴ_Ｌの強度を調整して、例えば、光ビームＯＰＴ_Ｌの吸収の変化に基づくなど、偏光無依存型光検出器により提供される強度信号ＩＮＴＳの緩やかな変更に応答して、原子センサシステム１０を安定化させることができる。更に他の例として、プロセッサ２６は、光信号ＯＰＴ_Ｌの強度または蒸気セル１６の温度を調整して、第１の時間幅ではなく、第２および第３の時間幅の間に偏光無依存型光検出器より提供される強度信号ＩＮＴＳの合計に基づいて、原子センサシステム１０を安定化させることもできる。

光ビームＯＰＴ_Ｌの周波数、蒸気セル１６の温度、およびレーザ１４の強度の安定化のうち少なくともいずれか一つなどの、原子センサシステム１０のパラメータを安定化させた結果、プロセッサ２６は、測定可能なパラメータＰＡＲを更に正確に計算することができる。例えば、光検出器システム２２は、偏光無依存型光検出器を含むので、プロセッサ２６は、測定可能なパラメータの変化から生じる、信号ＩＮＴＳにより提供されるような、反射光ビームＯＰＴ_Ｒの強度変化と、環境の変化に基づいて生じ得る光ビームＯＰＴ_Ｌ（例えば、光ビームＯＰＴ_Ｌの吸収、周波数ドリフト等）に関連するパラメータの変化とを区別することができる。したがって、プロセッサ２６は、単一のレーザ１４の導入に基づいて、環境の変化には影響されずに、測定可能なパラメータＰＡＲを計算することができる。

図２は、原子センサシステム５０の他の例を示す。原子センサシステム５０は、図１の例の原子センサシステム１０の一部に対応することができる。したがって、以下の図２の例の説明において、図１の例が参照される。

原子センサシステム５０は、レーザ５２のアパーチャから分岐する光ビーム５４（例えば、光ビームＯＰＴ_Ｌ）を生成するように構成される、ＶＣＳＥＬなどのレーザ５２を含む。例として、光ビーム５４は、原子センサシステム５０の図２の例ではＺ軸として示される受感軸と略並行（例えば、同一線上）に提供できる。光ビーム５４は、蒸気セル５６の近位側に提供される。１／４波長板５８は、光ビーム５４の光路内に配置され、蒸気セル５６に入射する前に光ビーム５４を円偏光するように構成される。蒸気セル５６は、光ビーム５４に対して蒸気セル５６の遠位端に位置する、ミラー６０と、直線偏光子６２とを含む。直線偏光子６２は、ミラー６０の前部に配置されるので、光ビーム５４を直線偏光させることができ、その後、光ビーム５４は、ミラー６０を介して反射光ビーム６４として反射し戻される。光ビーム５４は、レーザ５２のアパーチャから分岐するので、反射光ビーム６４は、Ｚ軸に対して更に分岐する。

原子センサシステム５０は、レーザ５２の両側の側部に配置される、第１の光検出器６６および第２の光検出器６８を含む。原子センサシステム５０はまた、第１および第２の光検出器６６および６８の個々に対して、反射光ビーム６４の光路内に個々に配置される、第１の直線偏光子７０および第２の直線偏光子７２を含む。よって、第１の光検出器６６および第１の直線偏光子７０は、第１の偏光分析用光検出器としてまとめて配置され、第２の光検出器６８および第２の直線偏光子７２は、第２の偏光分析用光検出器としてまとめて配置される。例えば、第１の光検出器６６は、第１の強度信号ＩＮＴＳ_１を生成するように構成され、第２の光検出器６８は、第２の強度信号ＩＮＴＳ_２を生成するように構成され、個々の信号は、反射光ビーム６４の個々の成分の個々の伝播方向におけるアルカリスピン偏極のベクトル成分の強度と対応する。したがって、第１および第２の強度信号ＩＮＴＳ_１、ＩＮＴＳ_２は、蒸気セル５６を通る反射光ビーム６４のファラデー回転に対応する。したがって、強度信号ＩＮＴＳ_１、ＩＮＴＳ_２の差異は、アルカリスピン偏極のＸ−Ｙ平面の成分に対応し、強度信号ＩＮＴＳ_１、ＩＮＴＳ_２の合計は、アルカリスピン偏極のＺ軸成分に対応する。レーザ５２と、光検出器６６および６８と、直線偏光子７０および７２と、１／４波長板５８は、図１の例の光学システム１２に一括して対応することができる。

図２の例では、レーザ５２は、光ビーム５４を生成するために導入される変調電流に対応することができる信号ＭＯＤを受信する。例として、信号ＭＯＤは、蒸気セル５６内のアルカリ金属に対して実質的なオン共鳴をしている第１の波長と、蒸気セル５６内のアルカリ金属に対して実質的なオフ共鳴をしている第２の波長との間など、レーザ５２により生成される光ビーム５４の周波数を変調することができる。

図３は、タイミングチャート１００の例を示す。タイミングチャート１００は、光ビーム５４の周波数を時間に応じて示す。時間Ｔ_０において、光ビーム５４の周波数は、周波数ｆ_Ｃを有しているとして示され、同周波数は、蒸気セル５６内のアルカリ金属に対してオン共鳴波長に関連する中心周波数に対応する（例えば、蒸気セル５６内のアルカリ金属蒸気の輝線（例えば、Ｄ１またはＤ２）に対応する）ことができる。したがって、光ビーム５４の周波数が周波数ｆ_Ｃに設定される際には、光ビーム５４は、光ポンプビームとして機能し、蒸気セル５６内のアルカリ金属を光学的に励起するので、蒸気セル５６内のアルカリ金属はスピン偏極される。時間Ｔ_１において、光ビーム５４の周波数は、周波数ｆ_１へ増大する。したがって、時間Ｔ_０と時間Ｔ_１との間の期間は、光ビーム５４の変調期間の第１の時間の幅と対応する。

周波数ｆ_１は、光ビーム５４の実質的なオフ共鳴波長に対応する。したがって、光ビーム５４の周波数が周波数ｆ_１に設定される際には、光ビーム５４は、光プローブビームとして機能し、ミラー６０によって反射された後、蒸気セル５６を通過する際、直線偏光された反射光ビーム６４のファラデー回転を促進する。時間Ｔ_２において、光ビーム５４の周波数は、周波数ｆ_２へ減少する。したがって、時間Ｔ_１と時間Ｔ_２との間の期間は、光ビーム５４の変調期間の第２の時間の幅と対応する。図３の例では、周波数ｆ_２は、中心周波数ｆ_Ｃに対して、周波数ｆ_１と略等しくかつ正反対である。周波数ｆ_２は、同様に、光ビーム５４の実質的なオフ共鳴波長に対応している。したがって、光ビーム５４の周波数が周波数ｆ_２に設定される際には、光ビーム５４は、光プローブビームとして機能して、ミラー６０によって反射された後、蒸気セル５６を通過する際、直線偏光された反射光ビーム６４のファラデー回転を促進する。

時間Ｔ_３において、光ビーム５４の周波数は、中心周波数ｆ_Ｃへもう一度増加する。したがって、時間Ｔ_２と時間Ｔ_３との間の期間は、光ビーム５４の変調期間の第３の時間の幅に対応する。したがって、時間Ｔ_０と時間Ｔ_３の間の時間幅は、変調信号ＭＯＤによる光ビーム５４の全体の変調期間に対応する。例として、時間Ｔ_１とＴ_２と、時間Ｔ_２とＴ_３との間の時間幅とは、略等しくすることができる。図３の例では、時間Ｔ_０と時間Ｔ_１との間の時間幅は、時間Ｔ_１とＴ_２との間の時間幅と、時間Ｔ_２とＴ_３との間の時間幅より大きいものとして（例えば、第２および第３の時間幅より大きく）示される。したがって、光ビーム５４の変調期間のより多くの部分を、アルカリ金属をスピン偏極するための光ポンプビームの機能性を有するものとして光ビーム５４を提供し、アルカリ金属による光ビーム５４の吸収を安定化させることに充てることができる。

タイミングチャート１００は、図３の例に限定する意図はないことを理解されたい。例えば、第２の時間幅（つまり、時間Ｔ_１とＴ_２との間の時間幅）と、第３の時間幅（つまり、時間Ｔ_２とＴ_３との間）とは、略等しいとして示されている一方、第２および第３の時間幅は、等しくなくてもよく、アルカリ金属（例えば、周波数ｆ_１）に対するオフ共鳴波長と関連する単一の周波数のみを含んでもよい。更に、周波数ｆ_１およびｆ_２は、略等しくかつ正反対であると限定されるわけではなく、周波数ｆ_Ｃに対して別の周波数差異を有してもよく、周波数ｆ_Ｃよりも大きくまたは小さくすることができる。そのような融通性およびオフ共鳴波長に関する周波数の事前の知識があれば、本明細書に記載するように、測定可能なパラメータＰＡＲの計算法および安定化手法の少なくともいずれか一方が異なっていてもよい。したがって、光ビームＯＰＴ_Ｌの変調を様々な異なる方法で提供することができる。

図２の例を再度参照して、第１の時間幅（例えば、時間Ｔ_０とＴ_１との間）の間、光ビーム５４が、制御システム２４により設定されるように実質的なオン共鳴波長を有する場合、光ビーム５４は、光ポンプビームとして機能し、蒸気セル５６内のアルカリ金属蒸気をスピン偏極させる。例として、蒸気セル５６内の希ガス同位体は、磁場Ｂ_Ｚの存在下で歳差運動できるので、スピン偏極されたアルカリ金属蒸気粒子が、自身のスピン偏極を、歳差運動中の希ガス同位体と整列した正味のスピン偏極の成分となるように変調させることができる。第２および第３の時間幅（例えば、時間Ｔ_１とＴ_３との間）の間、光ビーム５４が、制御システム２４により設定されるように、実質的なオフ共鳴波長を有する場合、光ビーム５４は、反射光ビーム６４により希ガス同位体の歳差運動を測定するための光プローブビームとして機能する。例として、強度信号ＩＮＴＳ_１、ＩＮＴＳ_２の差異成分を使用して、直線偏光された反射光ビーム６４のファラデー回転の成分を測定することができる。なお、反射光ビーム６４は、光ビーム５４に直交する軸（つまり、アルカリスピン偏極ベクトルのＸ−Ｙ平面の成分）に沿って、蒸気セル５６内のアルカリ金属蒸気のスピン偏極の投影に基づいて蒸気セル５６から放出される。したがって、光ビーム５４の変調に基づいて、光ビーム５４は、単一のレーザ５２で光ポンプビームと光プローブビームとの両方の機能を提供することができる。

前述のように、第１の光検出器６６と第２の光検出器６８とにより個々に生成される強度信号ＩＮＴＳ_１およびＩＮＴＳ_２は、蒸気セル５６を通る反射光ビーム６４のファラデー回転に対応する。例えば、第２の時間幅（例えば、時間Ｔ_１とＴ_２との間）の強度信号ＩＮＴＳ_１とＩＮＴＳ_２との間の差異と、光信号５４の変調期間の第３の時間幅（例えば、時間Ｔ_２とＴ_３との間）の強度信号ＩＮＴＳ_１とＩＮＴＳ_２との間の差異とは、（例えば、Ｚ軸に沿う受感軸に対する）アルカリ金属のスピン偏極ベクトルのＸ−Ｙ平面の成分を示す。したがって、測定可能なパラメータＰＡＲに対応する、受感軸を中心とした関連する磁気回転同位体のスピン歳差運動は、測定可能である。したがって、原子センサシステム１０の回転、外部磁場の大きさ、またはスピン歳差運動の周波数もしくは位相は、本明細書に記載するように、単一のレーザ１４の導入に基づいて、磁気回転同位体の歳差運動の判定に応答して測定可能である。

前述のように、光ビーム５４は、レーザ５２から分岐するビームとして提供され、反射光ビーム６４は、ミラー６０によって反射される際に、更に分岐する。よって、反射光ビーム６４の分岐により、反射光ビーム６４の光路内に入らないように１／４波長板５８をこのように配置することができる。例として、光検出器６６および６８をレーザ５２を実質的に囲むように配置して、反射光ビーム６４が直線偏光子７０および７２に入射するようにすることができる。更に、前述と同様に、原子センサシステム５０は、偏光無依存型光検出器を含むが、同検出器を導入して、少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化して、測定可能なパラメータと、光ビーム５４に関連するパラメータの変化とを区別することが可能である。

図４は、光学システム１５０の例を示す。光学システム１５０は、図１の例の光学システム１２に対応し、俯瞰で（例えば、Ｚ軸から見て）、レーザ５２並びに光検出器６６および６８によって形成される光学システムの一部に対応している。光学システム１５０は、レーザ５２に対応し、光ビーム５４を分岐ビームとして提供できるよう設計されたアパーチャ１５４を含むＶＣＳＥＬ１５２を含む。光学システム１５０はまた、複数の偏光分析用光検出器１５６を含む。例として、偏光分析用光検出器１５６は、上層直線偏光子を有する光検出器に対応することができるので、直線偏光子は、反射光ビーム６４の光路内にある。更に、光学システム１５０は、上層直線偏光子を有さない光検出器として構成可能な偏光無依存型光検出器１５８を含む。偏光分析用光検出器１５６および偏光無依存型光検出器１５８の個々は、強度信号（例えば、図１の例の強度信号ＩＮＴＳ）を生成するように構成される。

図４の例では、偏光分析用光検出器１５６および偏光無依存型光検出器１５８の個々がＶＣＳＥＬ１５２を実質的に囲むように配置されているので、偏光分析用光検出器１５６および偏光無依存型光検出器１５８の個々は、分岐する反射光ビーム６４の光路内に存在する。前述のように、偏光分析用光検出器１５６は、反射光ビーム６４の個々の部分（例えば、時間Ｔ１とＴ３との間の時間幅）のファラデー回転に対応する個々の強度信号を生成するように構成される。更に前述のように、偏光無依存型光検出器１５８は、少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化して、測定可能なパラメータと、光ビーム５４に関連するパラメータの変化とを区別する強度信号を生成するように導入される。したがって、本明細書に記載するように、プロセッサ２６は、原子センサシステム５０のパラメータに対する環境に基づく変化と区別される正確な方法で、測定可能なパラメータＰＡＲを計算するように構成される。図４の例は、４つの偏光分析用光検出器１５６と、１つの偏光無依存型光検出器１５８とを示しているが、入射する反射光ビーム６４を受信するための光検出器１５６および１５８の他の配置が可能であることを了解されたい。

図５は、原子センサシステム２００の更なる他の例を示す。原子センサシステム２００は、図２および４の例の原子センサシステム５０と実質的に同様に構成される。原子センサシステム２００は、レーザ２０２のアパーチャから分岐する光ビーム２０４（例えば、光ビームＯＰＴ_Ｌ）を生成するように構成される、ＶＣＳＥＬなどのレーザ２０２を含む。例として、光ビーム２０４は、原子センサシステム２００の、図２の例ではＺ軸として示される、受感軸に対して略並行（例えば、同一線上）で提供できる。光ビーム２０４は、蒸気セル２０６の近位側に供給される。１／４波長板２０８は、光ビーム２０４の光路内に配置され、蒸気セル２０６に入射する前に光ビーム２０４を円偏光するように構成されている。蒸気セル２０６は、光ビーム２０４に対して、蒸気セル２０６の遠位端に位置するミラー２１０と直線偏光子２１２とを含む。直線偏光子２１２は、ミラー２１０の前部に配置されるので、光ビーム２０４を直線偏光させることができ、その後、光ビーム２０４は、ミラー２１０を介して反射光ビーム２１４として反射し戻される。光ビーム２０４は、レーザ２０２のアパーチャから分岐するので、反射光ビーム２１４は、Ｚ軸に対して更に分岐する。

図５の例では、蒸気セル２５６は、ミラー２１０の遠位側に設けられる光検出器２１６を更に含む。例えば、ミラー２１０は、部分的に銀メッキされたミラーとして構成でき、光ビーム２０４の第１の部分は、反射光ビーム２１４として、ミラー２１０から反射される。しかしながら、光ビーム２０４の第２の部分は、部分的に銀メッキされたミラー２１０を通って透過し、光検出器２１６に提供される。よって、光検出器２１６は、光ビーム２０４の強度を常に監視するように構成されるので、光検出器２１６は、偏光無依存型光検出器として構成される。したがって、光検出器２１６は、図２の例では反射光ビーム６４を受信できる偏光無依存型光検出器（例えば、図４の例では、偏光無依存型光検出器１５８）に代わって導入できる。

原子センサシステム２００はまた、レーザ２０２の両側の側部に配置された、第１の光検出器２１８と第２の光検出器２２０とを含む。原子センサシステム２００はまた、第１および第２の光検出器２１８、２２０の個々に対して、反射光ビーム２１４の光路内に個々に配置される、第１の直線偏光子２２２と第２の直線偏光子２２４とを含む。よって、第１の光検出器２１８と第１の直線偏光子２２２とは、第１の偏光分析用光検出器としてまとめて配置され、第２の光検出器２２０と第２の直線偏光子２２４とは、第２の偏光分析用光検出器としてまとめて配置される。例えば、第１の光検出器２１８は、第１の強度信号ＩＮＴＳ_１を生成するように構成され、第２の光検出器２２０は、第２の強度信号ＩＮＴＳ_２を生成するように構成され、個々は、反射光ビーム２１４の個々の部分の伝播方向のアルカリスピン偏極のベクトル成分の強度と対応する。したがって、第１および第２の強度信号ＩＮＴＳ_１およびＩＮＴＳ_２は、蒸気セル２０６を通る反射光ビーム６４のファラデー回転に対応する。レーザ２０２と、光検出器２１８および２２０と、１／４波長板２０８と、光検出器２１６とは、図１の例の光学システム１２に一括して対応する。したがって、前述と同様に、プロセッサ２６は、例えば、図３の例の図１００に示される変調に基づくなど、光ビーム２０４の変調に応答して、単一のレーザ２０２に基づいて、測定可能なパラメータＰＡＲを計算するように構成される。

上述の構造的かつ上記の機能的特徴を鑑みて、本発明の様々な態様に従った方法が図６を参照してより良く認識されよう。説明を簡易化する目的で、図６の方法は、連続的に実施するものとして図示および説明をされているが、本発明は、図示される順番に限定されるわけではなく、本発明に従って、幾つかの態様が異なる順番で生じてもよく、および／または本明細書に図示および説明されるものと異なる他の態様と同時に実施できることが了解され、認識されるであろう。更に、本発明の態様に従う方法を実施するには、図示する全ての特徴が必要とされるわけではない。

図６は、原子センサシステム（例えば、原子センサシステム１０）を制御するための方法２５０の例を示す。２５２では、光ビーム（例えば、光ビームＯＰＴ_Ｌ）は、レーザ（例えば、レーザ１２）を介して生成される。２５４では、光ビームは、アルカリ金属を封入するために密封された蒸気セル（例えば、蒸気セル１６）の近位端へ提供される。蒸気セルは、光ビームを反射光ビーム（例えば、反射光ビームＯＰＴ_Ｒ）として反射し戻すために遠位端にミラー（例えば、ミラー２０）を含む。２５６では、光ビームの波長は、アルカリ金属のスピン偏極を促進するためのアルカリ金属に対するオン共鳴波長（例えば、周波数ｆ_Ｃ）と、反射光ビームのファラデー回転をもたらすためのアルカリ金属に対するオフ共鳴波長（例えば、周波数ｆ_１およびｆ_２）との間で変調される。２５８では、反射光ビームの強度は、複数の光検出器（例えば、光検出器システム２２）で監視される。２６０では、測定可能なパラメータ（例えば、測定可能なパラメータＰＡＲ）は、反射光ビームの強度に基づいて計算される。２６２では、反射光ビームの強度に基づいて少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させ、少なくとも１つの測定可能なパラメータと、光ビームに関連したパラメータの変化とを区別する。

上記に記載したものは、本発明の例である。無論、本発明を説明するために構成要素又は方法の考え得る全ての組み合わせを記載することは不可能であるが、当業者であれば、本発明の更なる多数の組み合わせおよび置換が可能であることがわかるだろう。したがって、本発明は、添付の請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる全ての該当する変更、修正、および変形を包含することを意図している。

Claims

原子センサシステムであって、
光ビームによりスピン偏極されたアルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルであって、蒸気セルは、遠位端にミラーを含む、前記蒸気セルと、
前記光ビームに実質的に平行な方向に前記蒸気セルを通して提供されるバイアス磁場を生成するように構成された磁場発生装置と、
前記光ビームを生成するように構成されたレーザと、光検出器システムとを含む光学システムであって、前記光ビームは、前記蒸気セルの近位端に提供され、前記ミラーにより反射光ビームとして前記光検出器システムに反射し戻されて、第１の強度信号が生成され、前記光学システムは、前記アルカリ金属のスピン偏極を促進するための前記アルカリ金属に対するオン共鳴波長と、前記反射光ビームのファラデー回転を提供するための前記アルカリ金属に対するオフ共鳴波長との間で前記光ビームの波長を変調するように構成された制御システムを更に含む、前記光学システムと、
前記第１の強度信号に基づいて、前記原子センサシステムに関連する測定可能なパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
を備え、前記測定可能なパラメータは、受感軸を中心とする前記原子センサシステムの回転、および外部磁場の大きさのうちの少なくとも一つである、原子センサシステム。
前記光学システムは、前記光ビームが前記蒸気セルの前記近位端に提供される前に前記光ビームを円偏光させるように構成された１／４波長板を含み、前記蒸気セルは、前記光ビームを直線偏光に変換するように構成された第１の直線偏光子を含み、前記光検出器システムは、個々の第１の強度信号を生成するように構成された第１の光検出器と、前記個々の第１の強度信号は、前記反射光ビームのファラデー回転に関連するものであると前記光ビームの前記直線偏光を分析するように構成された個々の第２の直線偏光子を含む、請求項１に記載のシステム。
前記光検出器システムは、前記反射光ビームの強度を監視して、偏光無依存型強度信号を提供するように構成された偏光無依存型光検出器を更に含み、前記プロセッサは、前記測定可能なパラメータと、前記光ビームに関連したパラメータの変化とを区別するように、前記偏光無依存型強度信号に基づいて、少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させるように更に構成される、請求項２に記載のシステム。
前記光検出器システムは、第２の光検出器を含み、前記第１及び第２の光検出器は、前記レーザを実質的に囲むパターンで配置され、かつ個々の第１及び第２の強度信号を生成するように構成され、前記光ビームは、前記ミラーにより前記第１及び第２の光検出器に入射する前記反射光ビームとして反射される分岐ビームとして、前記レーザから提供される、請求項２に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記光ビームの前記オン共鳴波長に基づいて、前記第１の強度信号に応答して、前記蒸気セルの温度を安定化させるように更に構成される、請求項１に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記光ビームの前記オフ共鳴波長に基づいて、前記第１の強度信号に応答して、前記光ビームの周波数を安定化させるように更に構成される、請求項１に記載のシステム。
前記制御システムは、前記光ビームの前記波長を、期間の第１の時間幅の間に前記オン共鳴波長に、前記期間の第２の時間幅の間に第１のオフ共鳴波長に、前記期間の第３の時間幅の間に第２のオフ共鳴波長に設定するように構成され、前記第１および第２のオフ共鳴波長は、前記オン共鳴波長に対して、略等しくかつ正反対である、請求項１に記載のシステム。
前記制御システムは、前記光ビームの前記波長を、期間の第１の時間幅の間に前記オン共鳴波長に、前記期間の第２の時間幅の間に第１のオフ共鳴波長に、前記期間の第３の時間幅の間に第２のオフ共鳴波長に設定するように構成され、前記第１および第２のオフ共鳴波長は、前記オン共鳴波長との時間幅および周波数差異のうち少なくとも一つに関して、正反対でありかつ等しくない、請求項１に記載のシステム。
前記ミラーは、前記光ビームの第１の部分を、反射ビームとして反射するように構成された部分的に銀メッキされたミラーであり、前記蒸気セルは、偏光無依存型強度信号を生成するように構成された光検出器を更に含み、前記プロセッサは、前記偏光無依存型強度信号に基づいて、少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させ、前記測定可能なパラメータと、前記光ビームに関連するパラメータの変化とを区別するように更に構成される、請求項１に記載のシステム。
請求項１に記載の原子センサシステムを備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープであって、ＮＭＲジャイロスコープは、前記測定可能なパラメータを受感軸を中心とする前記ＮＭＲジャイロスコープの回転として計算するように構成される、ＮＭＲジャイロスコープ。
請求項１に記載の原子センサシステムを備えるように構成された原子磁力計であって、原子磁力計は、前記測定可能なパラメータを受感軸に対して外部磁場の大きさとして計算するように構成される、原子磁力計。
原子センサシステムを制御するための方法であって、
レーザにより光ビームを生成すること、
アルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルの近位端に前記光ビームを提供することであって、前記蒸気セルは、前記光ビームを反射光ビームとして反射し戻すミラーを遠位端に含む、前記光ビームを提供すること、
前記アルカリ金属のスピン偏極を促進するための前記アルカリ金属に対するオン共鳴波長と、前記反射光ビームのファラデー回転を提供するための前記アルカリ金属に対するオフ共鳴波長との間で前記光ビームの波長を変調すること、
複数の光検出器において前記反射光ビームの強度を監視すること、
前記反射光ビームの前記強度に基づいて、測定可能なパラメータを計算すること、
前記反射光ビームの前記強度に基づいて少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させ、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータと、前記光ビームに関連したパラメータの変化とを区別すること
を含む方法。
前記少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させることは、
前記光ビームの前記オン共鳴波長に基づいて、前記反射光ビームの前記強度に応答して、前記蒸気セルの温度を安定化させること、
前記光ビームの前記オフ共鳴波長に基づいて、前記反射光ビームの前記強度に応答して、前記光ビームの周波数を安定化させることを含む、請求項１２に記載の方法。
前記光ビームが前記蒸気セルの近位端に提供される前に、前記光ビームを円偏光させること、
前記光ビームが前記反射光ビームとして前記ミラーを介して反射される前に前記光ビームを直線偏光させること
を更に含み、
前記反射光ビームの前記強度を監視することは、直線偏光子と前記複数の光検出器の第１の光検出器により前記反射光ビームの直線偏光を分析して、前記反射光ビームのファラデー回転を判定することを含み、前記測定可能なパラメータを計算することは、前記反射光ビームの前記ファラデー回転に基づいて、前記測定可能なパラメータを計算することを
含む、請求項１２に記載の方法。
前記直線偏光を分析することは、前記反射光ビームの第１の部分の直線偏光を分析することを含み、前記第１の部分は、前記反射光ビームの真部分集合であり、前記反射光ビームの強度を監視することは、偏光無依存型である前記複数の光検出器の第２の光検出器において、前記反射光ビームの第２の部分の強度を監視することを更に含み、前記少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させることは、前記反射光ビームの前記第２の部分の強度に基づいて、前記少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させることを含む、請求項１４に記載の方法。
原子センサシステムであって、
アルカリ金属を封入するために密封された蒸気セルであって、前記蒸気セルの遠位端に直線偏光子およびミラーを含む、前記蒸気セルと、
光学システムであって、
光ビームを生成するように構成されたレーザと、
前記光ビームが前記蒸気セルの近位端に提供されて前記アルカリ金属をスピン偏極する前に、前記光ビームを円偏光させるように構成された１／４波長板であって、前記光ビームは、前記直線偏光子により直線偏光され、前記ミラーにより反射光ビームとして反射される、前記１／４波長板と、
前記反射光ビームの第１の部分のファラデー回転に対応する個々の複数の第１の強度信号を生成するように構成された複数の偏光分析用光検出器と、
前記反射光ビームの第２の部分の強度に対応する第２の強度信号を生成するように構成された偏光無依存型光検出器とを含む、前記光学システムと、
前記複数の第１の強度信号に基づいて、前記原子センサシステムに関連する測定可能なパラメータを計算し、前記第２の強度信号に基づいて、前記原子センサシステムに関連する少なくとも１つの調整可能なパラメータを安定化させるように構成されたプロセッサと
を備える原子センサシステム。
前記アルカリ金属に対して、オン共鳴波長とオフ共鳴波長との間で前記光ビームの波長を変調させるよう構成された制御システムを更に備える請求項１６に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記光ビームの前記オン共鳴波長に基づいて、前記第２の強度信号に応答して、前記蒸気セルの温度を安定化させ、前記光ビームの前記オフ共鳴波長に基づいて、前記第２の強度信号に応答して、前記光ビームの周波数を安定化させるように構成される、請求項１７に記載のシステム。
前記制御システムは、前記光ビームの前記波長を、期間の第１の時間幅の間に前記オン共鳴波長に、前記期間の第２の時間幅の間に第１のオフ共鳴波長に、前記期間の第３の時間幅の間に第２のオフ共鳴波長に設定するように構成され、前記第１および第２のオフ共鳴波長は、前記オン共鳴波長に対して、略等しくかつ正反対であり、前記プロセッサは、前記第２および第３の時間幅の間、前記複数の第１の強度信号の合計および差異の少なくとも１つに基づいて、前記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、請求項１７に記載のシステム。
前記ミラーは、前記光ビームの前記第１の部分を反射ビームとして反射するように構成された、部分的に銀メッキされたミラーであり、前記偏光無依存型光検出器は、前記ミラーの遠位側に配置される、請求項１７に記載のシステム。