JP6077050B2 - 原子センサシステム - Google Patents

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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: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(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として、光ビームOPT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は、直線偏光される。光学システム12は、反射光ビームOPTを受信し、反射光ビームOPT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を変調できる。
例えば、制御システム24は、光ビームOPT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は、光プローブビームとして機能し、反射光ビームOPT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のファラデー回転は、反射光ビームOPT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の変調に応じて、光ビームOPT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のファラデー回転に対応している。例えば、光信号OPT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(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の変調期間の第1の時間幅、即ち、光ビームOPT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の強度を調整して、例えば、光ビームOPT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(例えば、光ビームOPT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)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、INTS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、INTS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、INTS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において、光ビーム54の周波数は、周波数f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において、光ビーム54の周波数は、周波数fへ増大する。したがって、時間Tと時間T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において、光ビーム54の周波数は、周波数fへ減少する。したがって、時間Tと時間T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は、中心周波数fに対して、周波数fと略等しくかつ正反対である。周波数f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において、光ビーム54の周波数は、中心周波数fへもう一度増加する。したがって、時間Tと時間T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と時間T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とTと、時間TとT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と時間Tとの間の時間幅は、時間TとTとの間の時間幅と、時間TとT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とTとの間の時間幅)と、第3の時間幅(つまり、時間TとT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)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およびf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に対して別の周波数差異を有してもよく、周波数f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とT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とT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、INTS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およびINTS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とTとの間)の強度信号INTSとINTS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とTとの間)の強度信号INTSとINTS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)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およびINTS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)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)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)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およびf)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 (20)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
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