JP6445569B2 - 原子センサ・システムにおける磁場トリム - Google Patents

Description

本発明は、一般にセンサ・システムに関し、詳細には、原子センサ・システムにおける磁場トリムに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ジャイロスコープや原子磁力計などの原子センサは、光ビームを用いて動作し、例えば、感度軸周りの回転や外部磁場の存在および大きさを検出する。一例として、ＮＭＲセンサ・システムは、ポンプ・ビームとしての第１の光ビームと、プローブ・ビームとしての第２の光ビームとを用いることがある。例えば、ポンプ・ビームは、センサの密閉蒸気セル内のセシウム（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の場合がある。アルカリ金属同位体の歳差運動を誘起するために、磁場が磁気ソレノイドによって生成され得る。蒸気セルにおける偏極アルカリ金属蒸気と核スピン同位体との間の相互作用により、アルカリ数密度およびアルカリ偏極率に基づき、核スピン同位体が受ける有効磁場が生じる。アルカリ数密度とアルカリ偏極率との積が大きいほど、核スピン同位体が受けるアルカリ磁場が大きくなる。

原子センサ・システムの一例を示す図。 原子センサ・システムの別の例を示す図。 磁場トリム・システムの一例を示す図。 磁場勾配の一例を示すダイアグラム。 磁場トリム・システムの別の例を示す図。 磁場勾配の断面の一例を示すダイアグラム。 原子センサ・システムのさらに別の例を示す図。 磁場勾配の断面の別の例を示すダイアグラム。 原子センサの蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を生成するための方法の一例を示す図。

１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、ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置を備える。システムは、その体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルをさらに備える。システムは少なくとも１つの磁場トリム・システムをさらに備えており、該磁場トリム・システムは、蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を提供するために上記の磁場とは別に蒸気セル内に磁場勾配を生成するように構成されている。

別の実施形態は、原子センサの蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を生成するための方法を含む。方法は、円偏光した光ポンプ・ビームをポンプ・レーザによって生成する工程を備える。方法は、光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルを包含する体積領域に磁場を生成する工程と、蒸気セル内に局所磁場が生成される工程と、をさらに備える。方法は、上記の磁場とは別に蒸気セル内に少なくとも１つの磁場勾配を生成する工程をさらに備える。蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を提供するべく、磁場勾配は、局所磁場と実質的に等しくかつ反対の強度を有することが可能である。

別の実施形態は、原子センサ・システムを含む。システムは、光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザを備える。システムは、ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置をさらに備える。システムは、その体積領域内に配置され、かつ、光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルをさらに備える。システムは、蒸気セルの少なくとも１つの内部サイド・エッジの近くに最大強度を有しかつその少なくとも１つの内部サイド・エッジから離れると低下する第１の磁場勾配を上記の磁場とは独立して生成するように構成されている、第１の磁場トリム・システムをさらに備える。システムは、光ポンプ・ビームに直交する蒸気セルの第１の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつその蒸気セルの第１の端部の内部エッジから離れると低下する第２の磁場勾配を上記の磁場とは独立して生成するように構成されている、第２の磁場トリム・システムをさらに備える。システムは、第１の端部とは反対側の蒸気セルの第２の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつその蒸気セルの第２の端部の内部エッジから離れると低下する第３の磁場勾配を上記の磁場とは独立して生成するように構成されている、第３の磁場トリム・システムをさらに備える。

本発明は、一般にセンサ・システムに関し、詳細には、原子センサ・システムにおける磁場トリムに関する。核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープまたは原子磁力計などの原子センサ・システムは、アルカリ金属蒸気および少なくとも１種の核同位体（例えば、キセノン（Ｘｅ））を含む蒸気セルを備え得る。システムは、蒸気セルを包含する体積領域内に感度軸に沿った磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、感度軸に沿った円偏光した光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザ（例えば、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ））と、をさらに備え得る。光ポンプ・ビームは、アルカリ金属蒸気の原子をスピン偏極させるように構成され得る。偏極アルカリ金属蒸気と、少なくとも１種の核同位体との間の相互作用により、アルカリ金属蒸気の特性（例えば、アルカリ数密度および／またはアルカリ偏極率）に基づき、少なくとも１種の核同位体に対して蒸気セル内における局所磁場が誘起され得る。

蒸気セルにおいて、アルカリ偏極の寿命は、通常、蒸気セルにわたる拡散時間よりも実質的に短くなり、また、主に核同位体とのスピン交換によって制限され得る。例えば、アルカリ金属蒸気の原子のスピンは、スピン交換過程を通じて核同位体を偏極させることによって、高速で減偏極され得る。したがって、蒸気セルのうちの任意の所与の部分におけるアルカリ金属蒸気の原子の偏極の速度は、光ポンプ・ビームの局所強度の強関数（ｓｔｒｏｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）になり得る。例えば、局所光強度が強くなるほど、より高速なアルカリ金属蒸気の局所原子の偏極がもたらされ得る。アルカリ金属原子は、光ポンプ・ビームからの光子を吸収するときにそれらの光子の角運動量を吸収するように、光ポンプ・ビームからの円偏光した光子の吸収を通じて偏極され得る。光子のエネルギーが別の光子（例えば、不規則な角運動量状態を持つ）として放出されるか、または、蒸気セル中の緩衝ガス（例えば、窒素）による励起状態のクエンチングを介して光子のエネルギー遷移が起きる。そのような過程は、光ポンプ・ビームが蒸気セルを通って伝播するにつれて、ポンプ光の吸収と、これによる局所強度の低下とをもたらし得る。これによって、蒸気セルの壁から離れると、局所アルカリ偏極率は、光ポンプ・ビーム源からの距離の増加に伴って低下し得る。さらに、追加的な分極勾配が、蒸気セルにおける光ポンプ・ビームの非一様な分布から生じることがあり、これによって、ガウシアンの光強度プロファイル（例えば、ＶＣＳＥＬから通常生じ得る光強度プロファイル）により光ポンプ・ビームの領域にわたって対応する非線形のほぼガウシアンのアルカリ分極勾配が生じ得る。

アルカリ金属蒸気の原子への追加的な減偏極効果が、蒸気セルの壁において生じ得る。例えば、セルの壁に衝突するアルカリ金属原子は、壁との強いスピン交換相互作用を通じて減偏極の効果を示し得る。これによって、局所アルカリ偏極率は、事実上ゼロまで低下
され得る。拡散および光ポンピング効果に基づき、蒸気セルの壁におけるアルカリ金属原子のこの減偏極によって、アルカリ金属分極勾配が生じ得る。さらに、蒸気セルの壁におけるアルカリ金属原子の減偏極によって、蒸気セルの壁の近くでの光ポンプ・ビーム光子の吸収率が、蒸気セルの中心側よりも大きくなり得る。

関連する原子センサ・システムにおける意図しない測定誤差原因に対する根本的なノイズ過程および感度の主な要因は、１種または複数種の核同位体の横スピン緩和時間である場合がある。横スピン緩和時間は、蒸気セルにおける磁場勾配などの複数の影響因子に影響され得る。磁場生成装置によって提供される理想的な磁場は、完全に一様であり、したがって、蒸気セル内に印加された磁場に対して核同位体が歳差運動するときに、核同位体のスピンのアンサンブルのデコヒーレンスを誘起しない。前述のように、蒸気セル内の空間の任意の点における局所磁場は、アルカリ蒸気数密度とアルカリ偏極率の積などの、アルカリ金属蒸気の特性に比例し得る。したがって、前述のアルカリ偏極率における勾配は、勾配によって誘起されたスピン・アンサンブルのデコヒーレンスを通じて核同位体の横スピン緩和時間を低減し得るような、局所磁場における勾配を生じさせ得る。これによって、測定可能なパラメータ（例えば、感度軸周りの回転、または外部磁場の大きさ）の計算における原子センサ・システムの性能が、蒸気セルにおける局所磁場の非一様性から生じる核同位体のスピン・デコヒーレンスにより低下する可能性がある。

蒸気セルにおいて実質的に一様な局所磁場を提供するために、原子センサ・システムは、蒸気セルにおいて磁場勾配を生成するように構成されている少なくとも１つの磁場トリム・システムをさらに備える。一例として、少なくとも１つの磁場トリム・システムによって生成される磁場勾配は、蒸気セルにおける合成磁場が実質的に一様になるように、局所磁場勾配とほぼ等しくかつ反対にできる。例えば、原子センサ・システムは、蒸気セルの少なくとも１つの内部サイド・エッジの近くに最大強度を有しかつその少なくとも１つの内部サイド・エッジから離れると低下する第１の磁場勾配を生成するように構成されている、第１の磁場トリム・システムと、光ポンプ・ビームに直交する蒸気セルの第１の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつその蒸気セルの第１の端部の内部エッジから離れると低下する第２の磁場勾配を上記の磁場から独立して生成するように構成されている、第２の磁場トリム・システムと、第１の端部とは反対側の蒸気セルの第２の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつその蒸気セルの第２の端部の内部エッジから離れると低下する第３の磁場勾配を上記の磁場から独立して生成するように構成されている第３の磁場トリム・システムと、を備えることができる。磁場トリム・システムのそれぞれは、同軸である第１のコイルおよび第２のコイルを備えており、該第１のコイルおよび該第２のコイルは対応する磁場勾配を生成するべく、互いに対して反対方向に電流を伝導するように直列に配置されている。したがって、磁場トリム・システムは、局所磁場勾配とほぼ等しくかつ反対の磁場勾配を合成により生成することができることによって、蒸気セルにおいて実質的に一様な磁場を提供することができる。

図１は、原子センサ・システム１０の一例を示す。原子センサ・システム１０は、感度軸周りの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、または外部から提供されている磁場の強度を測定するように構成されている原子磁力計などの様々なＮＭＲセンサのいずれかに相当し得る。したがって、原子センサ・システム１０は、航行用途および／または防衛用途などの、様々な用途のいずれかに提供され得る。

原子センサ・システム１０は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰを生成するように構成されているポンプ・レーザ１２を備える。光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、例えば、円偏光していてもよく、また、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と、希ガス（例えば、キセノン（Ｘｅ））の同位体などの１種または複数種の核スピン同位体と、を含む蒸気セル１４を通じるように提供される。例えば、光ポンプ・ビー
ムＯＰＴ_ＰＭＰは、原子センサ・システム１０の感度軸とほぼ平行に（例えば、同一線上に）提供され得る。例えば、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の例において外部磁場の大きさを計算するため、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の例において感度軸周りの回転を計算するために、光プローブ・ビーム（図示せず）が、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰに直交するように蒸気セル１４を通じるよう同様に提供され得る。光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、蒸気セル１４におけるアルカリ金属原子をスピン偏極させるように構成され得る。

原子センサ・システム１０は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰを含む軸に沿った磁場Ｂ_Ｚを生成するように構成されている磁場生成装置１６をさらに備える。一例として、磁場生成装置１６は、蒸気セル１４を包含する体積領域に磁場Ｂ_Ｚを生成する磁気ソレノイドとして構成され得る。磁場Ｂ_Ｚは、ＡＣ磁場（例えば、ＤＣオフセットを含む）として構成され得る。したがって、磁場Ｂ_Ｚは、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰに直交して印加された磁場（例えば、外部直交磁場成分）に応じた蒸気セル１４における蒸気粒子の偏極ベクトルの変調を大幅に増幅するように、共振状態における蒸気セル１４における蒸気粒子の歳差運動を行わせることができる。したがって、蒸気セル１４における蒸気粒子の歳差運動によって、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が提供され、例えば、蒸気セル１４を通じるように提供される関連した光プローブ・ビームのファラデー回転に基づいて、その指標は提供される。

前述のように、スピン偏極したアルカリ金属蒸気原子と、核同位体との間の相互作用によって、アルカリ数密度および／またはアルカリ偏極率などのアルカリ金属蒸気の特性に基づいて、蒸気セル１４内において局所磁場が誘起され得る。例えば、蒸気セル１４におけるアルカリ金属蒸気のアルカリ数密度とアルカリ偏極率の積が大きいほど、蒸気セル１４における核同位体が受ける局所磁場の大きさが大きくなり得る。しかし、前述もしたように、そのような局所磁場は、蒸気セル１４の断面にわたる光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰの強度変化と、蒸気セル１４の壁の内側エッジ近くにおけるアルカリ金属原子の相互作用と、に応じたアルカリ金属原子の減偏極に基づく局所磁場勾配として示され得る。したがって、そのような局所磁場勾配（例えば、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰに直交する蒸気セル１４の断面の中心近くに最大強度を有していたり、蒸気セル１４の壁の隅部またはエッジ近くに最小強度を有していたりするような局所磁場勾配）によって、蒸気セル１４における核同位体のスピン偏極のデコヒーレンスが生じる可能性があり、それにより、原子センサ・システム１０の測定可能なパラメータの計算の誤差が生じる可能性がある。

図１の例では、原子センサ・システム１０は、磁場生成装置１６によって生成される磁場Ｂ_Ｚとは独立して蒸気セル１４において合成により磁場勾配を生成するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システム１８を備える。例えば、磁場トリム・システムによって生成される合成磁場勾配は、蒸気セル１４における局所磁場勾配を実質的に打ち消すように提供される１つまたは複数のそれぞれの磁場勾配に相当する場合があり、その局所磁場勾配は、例えば、蒸気セル１４におけるアルカリ金属蒸気の原子の拡散および／またはスピン偏極や、蒸気セル１４の体積領域に対する光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰの強度変化から生じる。したがって、磁場トリム・システム１８は、蒸気セル１４における個々の磁場勾配を発生させるためにそれぞれの電流を伝導することが可能な別々のコイルの組を備え得る。一例として、磁場トリム・システム１８のそれぞれは、同軸である第１のコイルおよび第２のコイルを備えており、該第１のコイルおよび該第２のコイルは対応する磁場勾配を生成するべく、互いに対して反対方向に電流を伝導するように直列に配置されている。したがって、生成される合成磁場勾配は、局所磁場勾配と実質的に等しくかつ反対であるように、それぞれの局所磁場勾配の各ポテンシャル源から生じ得る蒸気セル１４における局所磁場勾配を相殺することができる。

図２は、原子センサ・システム５０の別の例を示す。原子センサ・システム５０は、蒸気セル５２および磁場トリム・システム５４を備える。一例として、蒸気セル５２は、図１の例における蒸気セル１４に相当し、磁場トリム・システム５４は、図１の例における少なくとも１つの磁場トリム・システム１８のうちの１つに相当し得る。したがって、以下の図２の例の説明においては、図１の例が参照されるべきである。

蒸気セル５２は、矩形の直方体（例えば、ほぼ立方体）の形状を有するように示されている。図２の例では、蒸気セル５２は、デカルト座標系５６によって示されるように、Ｙ軸に沿った幅寸法Ｄ_１を有する。一例として、蒸気セル５２が正方形の断面形状を有するように、この幅寸法Ｄ_１がまたＸ軸に沿った蒸気セル５２の幅であってもよい。前述したことと同様に、蒸気セル５２は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰによってスピン偏極されることにより磁場Ｂ_Ｚによって歳差運動させられ得る、アルカリ金属蒸気を含む。一例として、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、図２の例ではＺ軸に沿った中心軸５８として示されている原子センサ・システム５０の感度軸に沿うように提供され得る。

磁場トリム・システム５４は、第１のコイル６０および第２のコイル６２を備える。第１および第２のコイル６０、６２は、同一平面配置に配置され、図２の例では蒸気セル５２の第１の端部６４とも同一平面上である。本明細書において、磁場トリム・システムに関する「コイル」という用語は、電流を伝導することによりそれぞれの磁場を生成するように構成されている導体の１つまたは複数のループを意味する。図２の例では、第１のコイル６０は幅寸法Ｄ_２を有し、第２のコイル６２は幅寸法Ｄ_３を有し、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３のそれぞれは、蒸気セル５２の幅寸法Ｄ_１よりも大きい。第１のコイル６０および第２のコイル６２は、それぞれが同じ電流を伝導するように互いに対して直列に配置されてよく、この電流は中心軸５８の周りで互いに対して反対方向に伝播してよい。これによって、第１および第２のコイル６０、６２のループの数、ならびに幅寸法Ｄ_２およびＤ_３は、別々の方向であって、蒸気セル５２に関して別々の磁気モーメントおよび磁束密度を有するそれぞれの磁場を生成するように、選択され得る。したがって、第１および第２のコイル６０、６２は、蒸気セル５２におけるアルカリ金属原子と蒸気セル５２の壁との相互作用および／または蒸気セル５２におけるアルカリ金属原子と光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰとの相互作用に基づく蒸気セル５２内の局所磁場勾配の少なくとも１つの源を実質的に打ち消すように、蒸気セル５２における磁場勾配を合成により生成することができる。

図３は、磁場トリム・システム１００の一例を示す。磁場トリム・システム１００は、例えば、図２の例における磁場トリム・システム５４に相当し得る。磁場トリム・システム１００は、矩形（例えば、正方形）の幾何形状に配置されることにより蒸気セル５２の断面の幾何形状と同等とされ得る１つまたは複数の導電性ループをそれぞれが含むことができる、第１のコイル１０２および第２のコイル１０４を備える。第１および第２のコイル１０２、１０４は、前述のように蒸気セル５２の第１の端部６４とも同一平面上であり得る同一平面配置に配置される。図３の例では、第１のコイル１０２は幅寸法Ｄ_２を有し、第２のコイル１０４は幅寸法Ｄ_３を有し、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３のそれぞれは、蒸気セル５２の幅寸法Ｄ_１よりも大きい。磁場トリム・システム１００は、第１および第２のコイル１０２、１０４のそれぞれを通じるように提供される電流Ｉ_ＴＣを生成するように構成されている電流源１０６（例えば、電源および抵抗器）を備える。例に示すように、第１および第２のコイル１０２、１０４は、それぞれが電流Ｉ_ＴＣを伝導するように、互いに対して直列に配置される。さらに、第１のコイル１０２は時計方向に電流Ｉ_ＴＣを伝播するが、第２のコイル１０４は反時計方向に電流Ｉ_ＴＣを伝播し、したがって電流Ｉ_ＴＣは、第１および第２のコイル１０２、１０４に関して反対方向に伝播し、次いで低電圧レール（例えば、グランド）に伝播する。前述のように、第１および第２のコイル１０２、１０４のループの数、ならびに幅寸法Ｄ_２およびＤ_３は、別々の方向であって、蒸気セル５２に対して別々の磁気モーメントおよび磁束密度を有するそれぞれの磁場を生成するよ
うに、選択され得る。

一例として、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、蒸気セル５４の断面にわたって（例えば、幅寸法Ｄ_１にわたって）実質的に一様な強度を有するように生成され得る。図４は、磁場勾配１５２の例示的なダイアグラム１５０を示す。磁場勾配１５２は、例えば、磁場システム１００から生成され得る。図４の例では、磁場勾配１５２は、例えば、蒸気セル５２の第１の端部６４において、Ｘ−Ｙ−Ｚデカルト座標軸１５４を用いて３次元的に示されている。磁場勾配１５２は、蒸気セル５２の第１の端部６４の隅部において最大強度を有しその隅部から離れると低下する強度を有するように示されている。光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは蒸気セル５４の断面にわたって実質的に一様な強度を有するように生成され得るので、磁場勾配の強度は、蒸気セル５２の断面の中心に向かっておおよそ一様な強度まで低下し得る。一例として、磁場勾配１５２は、アルカリ金属原子の蒸気セル５２の壁および隅部との相互作用に基づくアルカリ金属原子の減偏極に基づいて生成される局所磁場勾配とほぼ等しくかつ反対にされ得る。

別の例として、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、蒸気セル５４の断面にわたって（例えば、幅寸法Ｄ_１にわたって）ほぼガウシアンの強度を有するように生成され得る。図５は、磁場トリム・システム２００の一例を示す。磁場トリム・システム２００は、例えば、図２の例における磁場トリム・システム５４に相当し得る。図３の例に関して前述したことと同様に、磁場トリム・システム２００は、同一平面配置に（例えば、蒸気セル５２の第１の端部６４とも同一平面に）配置される１つまたは複数の導電性ループをそれぞれが含むことができる、第１のコイル２０２および第２のコイル２０４を備える。しかし、図５の例では、第１のコイル２０２は、矩形（例えば、正方形）の幾何形状を有するように示されている一方、第２のコイル２０４は、円形の幾何形状を有するように示されている。したがって、図５の例では、第１のコイル２０２は、幅寸法Ｄ_２を有し、第２のコイル１０４は、直径寸法Ｄ_３を有する。一例として、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３のそれぞれは、蒸気セル５２の幅寸法Ｄ_１よりも大きくされ得る。

図３の例に関して前述したことと同様に、磁場トリム・システム２００は、第１および第２のコイル２０２、２０４のそれぞれを通じるように提供される電流Ｉ_ＴＣを生成するように構成されている電流源２０６（例えば、電源および抵抗器）を含む。例に示すように、第１および第２のコイル１０２、１０４は、それぞれが電流Ｉ_ＴＣを伝導するように、互いに対して直列に配置される。さらに、第１のコイル２０２は時計方向に電流Ｉ_ＴＣを伝播するが、第２のコイル２０４は反時計方向に電流Ｉ_ＴＣを伝播し、したがって電流Ｉ_ＴＣは、第１および第２のコイル２０２、２０４に関して反対方向に伝播し、次いで低電圧レール（例えば、グランド）に伝播する。前述のように、第１および第２のコイル１０２、１０４のループの数、ならびに寸法Ｄ_２およびＤ_３は、別々の方向であって、蒸気セル５２に関して別々の磁気モーメントおよび磁束密度を有するそれぞれの磁場を生成するように、選択され得る。さらに、第２のコイル２０４は円形の幾何形状を有するので、磁場トリム・システム２００は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰのガウス分布による蒸気セル５２における局所磁場勾配を実質的に打ち消すように逆ガウシアン様の磁場勾配を生成するよう構成され得る。

図６は、磁場勾配の断面の例示的なダイアグラム２５０を示す。ダイアグラム２５０は、中心軸６４に直交する蒸気セル５２の断面（すなわち、Ｘ−Ｙ面）にわたって分布している第１の磁場勾配２５２および第２の磁場勾配２５４を含む。第１の磁場勾配２５２は、少なくとも部分的には（例えば、蒸気セル５２の壁との相互作用に加えて）光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰのガウス分布による局所磁場勾配に相当し得る。第２の磁場勾配２５４は、例えば、図５の例における磁場トリム・システム２００によって生成される磁場勾配に相当し得る。図６の例では、ダイアグラム２５０は、磁場勾配２５２および２５４の
うちの陰影が濃い部分ほど磁場強度が強く、また、磁場勾配２５２および２５４のうちの陰影が薄い部分ほど磁場強度が弱いことを示す。

したがって、第１の磁場勾配２５２は、蒸気セル５２の断面のほぼ中心において最大強度を有しかつほぼ中心から離れると低下して蒸気セル５２の断面の隅部において最小になる強度を有する、局所磁場を示す。同様に、第２の磁場勾配２５４は、蒸気セル５２の断面のほぼ中心において最小強度を有しかつほぼ中心から離れると増大して蒸気セル５２の断面の隅部において最大になる強度を有する、磁場トリム・システム２００によって生成される磁場を示す。したがって、第２の磁場勾配２５４は、蒸気セル５２において実質的に一様な磁場を提供するために、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰのガウス分布に応じたアルカリ金属原子の減偏極による第１の磁場勾配２５２とほぼ等しくかつ反対に生成され得る。

磁場トリム・システム２００は蒸気セル５２とは異なる幾何形状を有する蒸気セルに実装できることが理解されるべきである。例えば、蒸気セル５２は、円筒形状を有することができ、したがって円形の断面形状を有することができる。したがって、磁場トリム・システム２００は、蒸気セル５２における局所磁場を実質的に打ち消すように、蒸気セル５２の壁の内側において実質的に一様で最大の強度の磁場を有しかつ断面のほぼ中心における最小強度まで低下する磁場勾配２５４を生成するように構成され得る。さらに、磁場トリム・システム２００は、例えば、いずれも円形の幾何形状を有している第１および第２のコイル２０２、２０４に基づいて、円形断面の蒸気セルに対して異なるように構成されてもよい。したがって、磁場トリム・システム２００は、関連する蒸気セルの断面の幾何形状とほぼ同じである幾何形状を有する少なくとも１つのコイルを備えるように構成され得る。

図７は、原子センサ・システム３００のさらに別の例を示す。原子センサ・システム３００は、蒸気セル３０２、第１の磁場トリム・システム３０４、および第２の磁場トリム・システム３０６を備える。一例として、蒸気セル３０２は、図１の例における蒸気セル１４に相当し、磁場トリム・システム３０４および３０６は、図１の例における少なくとも１つの磁場トリム・システム１８のうちの２つに相当し得る。したがって、以下の図７の例の説明においては、図１の例が参照されるべきである。

蒸気セル３０２は、矩形の直方体（例えば、ほぼ立方体）の形状を有するように示されているが、様々な他の形状（例えば、円筒形）のうちの１つを代わりに有することもできる。図７の例では、蒸気セル３０２は、デカルト座標系３０８によって示されるように、Ｙ軸に沿った幅寸法Ｄ_１を有する。一例として、蒸気セル３０２が正方形の断面形状を有するように、この幅寸法Ｄ_１がまたＸ軸に沿った蒸気セル３０２の幅にもなり得る。前述したことと同様に、蒸気セル３０２は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰによってスピン偏極されることにより磁場Ｂ_Ｚによって歳差運動させられ得る、アルカリ金属蒸気を含む。一例として、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰは、図７の例ではＺ軸に沿った中心軸３１０として示されている原子センサ・システム３００の感度軸に沿うように提供され得る。

第１および第２の磁場トリム・システム３０４、３０６のそれぞれは、中心軸３１０に対してそれぞれ同軸である第１のコイル３１２および第２のコイル３１４を備える。図７の例では、第１のコイル３１２は幅寸法Ｄ_２を有し、第２のコイル３１４は幅寸法Ｄ_３を有し、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３のそれぞれは、蒸気セル３０２の幅寸法Ｄ_１よりも大きい。一例として、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３は、それぞれ、図２の例における磁場トリム・システム５２の幅寸法Ｄ_２およびＤ_３よりも大きくされる場合があり、例えば、幅寸法Ｄ_１よりも著しく大きくされる（幅寸法Ｄ_１の約４倍以上等）場合がある。さらに、磁場トリム・システム３０２および３０４のそれぞれにおける幅寸法Ｄ_２およびＤ_３は、第２の磁場ト
リム・システム３０４に対して第１の磁場トリム・システム３０２に関して異なっていてもよい。図７の例では、第１の磁場トリム・システム３０４における第１および第２のコイル３１２、３１４は、蒸気セル３０２の第１の端部３１６の近くに配置され、かつ、距離Ｄ_４だけオフセットしている。同様に、第２の磁場トリム・システム３０６における第１および第２のコイル３１２、３１４は、蒸気セル３０２の第２の端部３１８の近くに配置され、かつ、距離Ｄ_５だけオフセットしている。第１および第２の端部３１６、３１８に対する第１および第２のコイル３１２、３１４の位置は、例えば、それぞれ、距離Ｄ_４の間および距離Ｄ_５の間としてよく、または、距離Ｄ_４およびＤ_５の範囲の外側としてもよい。

前述したことと同様に、第１のコイル３１２および第２のコイル３１４は、図３の例において示したのと同様に、それぞれが同じ電流を伝導するように互いに対して直列に配置されてよく、この電流は中心軸３１０の周りで互いに対して反対方向に伝播してよい。これによって、第１および第２のコイル３１２、３１４のループの数と、幅寸法Ｄ_２およびＤ_３と、対応する距離Ｄ_４または対応する距離Ｄ_５とは、別々の方向であって、蒸気セル３０２に関して別々の磁気モーメントおよび磁束密度を有するそれぞれの磁場を生成するように、選択され得る。例えば、第１および第２の磁場トリム・システム３０４、３０６のそれぞれの第１のコイル３１２は、より大きな磁気モーメントを有する磁場を提供するように構成され、第１および第２の磁場トリム・システム３０４、３０６のそれぞれの第２のコイル３１４は、より大きな磁束密度を有する磁場を提供するように構成され得る。したがって、第１および第２の磁場トリム・システム３０４、３０６はそれぞれ、例えば、蒸気セル３０２におけるアルカリ金属原子と光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰが通過する蒸気セル３０２の壁との相互作用と、蒸気セル３０２におけるアルカリ金属原子の拡散と、のうちの少なくとも一方に基づく蒸気セル３０２内の局所磁場勾配を実質的に打ち消すように、蒸気セル３０２において別々の磁場勾配を生成することができる。さらに、第１および第２の磁場トリム・システム３０４、３０６は、それぞれの異なる特性を有する磁場勾配を生成するために、対応する第１および第２のコイル３１２、３１４の寸法および特質に関して異なって構成され得ることが、理解されるべきである。

図８は、磁場勾配の断面の例示的なダイアグラム３５０を示す。ダイアグラム３５０は、中心軸３１０に沿った蒸気セル３０２の断面「Ｂ」（すなわち、Ｘ−Ｙ面）にわたって分布している第１の磁場勾配３５２および第２の磁場勾配３５４を含む。第１の磁場勾配３５２は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰが通過する蒸気セル３０２の第１の端部３１６の壁との相互作用による蒸気セル３０２におけるアルカリ金属原子の減偏極と、蒸気セル３０２におけるアルカリ金属原子の拡散と、のうちの少なくとも一方から少なくとも部分的には生じる局所磁場勾配に相当し得る。第２の磁場勾配３５４は、例えば、図７の例における磁場トリム・システム３０４によって生成される磁場勾配に相当し得る。図８の例では、ダイアグラム３５０は、磁場勾配３５２および３５４のうちの陰影が濃い部分ほど磁場強度が強く、また、磁場勾配３５２および３５４のうちの陰影が薄い部分ほど磁場強度が弱いことを示す。

したがって、第１の磁場勾配３５２は、蒸気セル３０２の第１の端部３１６において最大強度を有しかつ第１の端部３１６から離れると低下して第２の端部３１８において最小になる強度を有する、局所磁場を示す。同様に、第２の磁場勾配３５４は、蒸気セル３０２の第１の端部３１６において最小強度を有しかつ第１の端部３１６から離れると増大して第２の端部３１８において最大になる強度を有する、磁場トリム・システム３０４によって生成される磁場を示す。したがって、第２の磁場勾配３５４は、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰが通過する蒸気セル３０２の第１の端部３１６の壁との相互作用によるアルカリ金属原子の減偏極と、蒸気セル３０２におけるアルカリ金属原子の拡散と、のうちの少なくとも一方から生じる第１の磁場勾配３５２とほぼ等しくかつ反対に生成され得る。磁
場勾配３５４は、蒸気セル３０２の第１の端部３１６に関する局所磁場勾配を打ち消すように第１の磁場トリム・システム３０４によって生成されることが、理解されるべきである。したがって、第２の磁場トリム・システム３０６によって生成される磁場勾配は、蒸気セル３０２の中心に位置しかつＸ−Ｙ面に平行な平面に関して、磁場勾配３５４のおおよその鏡像になるように生成され得る。したがって、第２の磁場トリム・システム３０６によって生成される磁場勾配は、例えば、蒸気セル３０２の中心に位置しかつＸ−Ｙ面に平行な平面に関する磁場勾配３５２のおおよその鏡像である、蒸気セル３０２の第２の端部３１８に関する局所磁場勾配を実質的に打ち消すことができる。

上述の構造的および機能的な特徴を考慮すると、図９を参照することで本発明の様々な態様による方法がより理解されるであろう。説明の簡潔さのために、図９の方法は連続的に実行するように示され、説明されているが、一部の態様は、本発明によれば、本明細書において示され、説明されたものとは異なる順序でかつ／または他の態様と同時に起こり得るので、本発明は示された順序によって限定されるものではないことが、理解されかつ認識されるべきである。さらに、示された特徴の全てが本発明の態様による方法を実施するために必要とされ得るとは限らない。

図９は、原子センサ・システム（例えば、原子センサ・システム１０）の蒸気セル（例えば、蒸気セル１４）において実質的に一様な合成磁場を生成するための方法４００の一例を示す。４０２では、ポンプ・レーザ（例えば、ポンプ・レーザ１２）によって、円偏光した光ポンプ・ビーム（例えば、光ポンプ・ビームＯＰＴ_ＰＭＰ）が生成される。４０４では、光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルを包含する体積領域に、磁場（例えば、磁場Ｂ_Ｚ）が生成される。４０６では、蒸気セル内に局所磁場（例えば、磁場勾配２５２）が生成される。４０８では、上記の磁場とは別に蒸気セル内に少なくとも１つの磁場勾配（例えば、磁場勾配１５２）。磁場勾配は、蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を提供するために、局所磁場と実質的に等しくかつ反対の強度を有することが可能である。

上述してきたことは、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法の想定される全ての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、本発明の多数のさらなる組み合わせおよび並べ替えが可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲に属する全てのそのような変更、改変、および変形を含むように意図されている。

Claims (11)

1. ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、
   前記体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
   前記蒸気セル内に前記磁場とは別に磁場勾配を生成することにより、前記蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場を提供するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システムと、を備え、前記少なくとも１つの磁場トリム・システムが、
   前記蒸気セルの少なくとも１つの内部サイド・エッジの近くに最大強度を有しかつ該少なくとも１つの内部サイド・エッジから離れると低下する第１の磁場勾配を生成するように構成されている、第１の磁場トリム・システムと、
   光ポンプ・ビームに直交する前記蒸気セルの第１の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつ前記蒸気セルの前記第１の端部の前記内部エッジから離れると低下する第２の磁場勾配を生成するように構成されている、第２の磁場トリム・システムと、
   前記第１の端部とは反対側の前記蒸気セルの第２の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつ前記蒸気セルの前記第２の端部の前記内部エッジから離れると低下する第３の磁場勾配を生成するように構成されている、第３の磁場トリム・システムと、を備える原子センサ・システム。
2. 光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザをさらに備え、前記アルカリ金属蒸気が、前記蒸気セル内において局所磁場を生成するように前記光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極され、前記磁場勾配が、前記局所磁場と実質的に等しくかつ反対である、請求項１に記載のシステム。
3. ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、
   前記体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
   前記蒸気セル内に前記磁場とは別に磁場勾配を生成することにより、前記蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場を提供するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システムと、
   光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザと、を備え、前記少なくとも１つの磁場トリム・システムは第１のコイルおよび第２のコイルを備え、該第１のコイルおよび該第２のコイルは、互いに対して同軸かつ直列に配置され、前記磁場勾配を生成するために電流を伝導するように構成されており、
   前記第１および第２のコイルが、互いに対して平面状に配置され、かつ、互いに対して反対方向に前記電流を伝導するように構成され、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのうちの少なくとも１つが、前記蒸気セルの内部エッジにおいて最大強度を有しかつ前記内部エッジから離れると低下するように前記磁場勾配を生成するために、前記蒸気セルの断面の幾何形状と実質的に一致する幾何形状を有する、原子センサ・システム。
4. ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、
   前記体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
   前記蒸気セル内に前記磁場とは別に磁場勾配を生成することにより、前記蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場を提供するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システムと、
   光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザと、を備え、前記少なくとも１つの磁場トリム・システムは第１のコイルおよび第２のコイルを備え、該第１のコイルおよび該第２のコイルは、互いに対して同軸かつ直列に配置され、前記磁場勾配を生成するために電流を伝導するように構成されており、
   前記蒸気セルが、前記光ポンプ・ビームの伝播に直交するほぼ正方形の断面を有し、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが、前記光ポンプ・ビームが入射する前記蒸気セルの第１の端部に対して平面状に配置され、前記第１および第２のコイルが、前記蒸気セルの前記第１の端部の各隅部において最大強度を有しかつ前記蒸気セル内において前記第１の端部の各隅部から離れると低下する前記磁場勾配を生成するように協働する、原子センサ・システム。
5. ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、
   前記体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
   前記蒸気セル内に前記磁場とは別に磁場勾配を生成することにより、前記蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場を提供するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システムと、
   光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザと、を備え、前記少なくとも１つの磁場トリム・システムは第１のコイルおよび第２のコイルを備え、該第１のコイルおよび該第２のコイルは、互いに対して同軸かつ直列に配置され、前記磁場勾配を生成するために電流を伝導するように構成されており、
   前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが、前記光ポンプ・ビームのほぼガウシアンの断面の強度に応じて、前記蒸気セルの断面中心において最小強度を有しかつ内部エッジに向かって増大するように前記磁場勾配を生成するよう協働するべくさらに構成されている、原子センサ・システム。
6. ある体積領域に磁場を生成するように構成されている磁場生成装置と、
   前記体積領域内に配置され、かつ、偏極されるアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
   前記蒸気セル内に前記磁場とは別に磁場勾配を生成することにより、前記蒸気セル内に実質的に一様な合成磁場を提供するように構成されている、少なくとも１つの磁場トリム・システムと、
   光ポンプ・ビームを生成するように構成されているポンプ・レーザと、を備え、前記少なくとも１つの磁場トリム・システムは第１のコイルおよび第２のコイルを備え、該第１のコイルおよび該第２のコイルは、互いに対して同軸かつ直列に配置され、前記磁場勾配を生成するために電流を伝導するように構成されており、
   前記少なくとも１つの磁場トリム・システムのそれぞれの前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが、所定の距離だけオフセットされている平行な平面に配置され、該平面は、前記蒸気セルの第１の端部および前記蒸気セルの第２の端部のうちの少なくとも１つの近くにそれぞれ位置しており、前記第１および第２のコイルは、第１の磁場および第２の磁場をそれぞれ生成するように構成され、前記磁場勾配を生成するように協働し、前記第１の磁場と前記第２の磁場とは、別々の磁気モーメントおよび磁束密度を有し、
   前記少なくとも１つの磁場トリム・システムのそれぞれの前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが、前記蒸気セルの前記第１および第２の端部のうちの対応する１つにおいて最大強度を有しかつ前記蒸気セルの前記第１および第２の端部のうちの該対応する１つから離れると低下するように前記磁場勾配を生成するよう配置される、原子センサ・システム。
7. 原子センサ・システムの蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を生成するための方法であって、
   円偏光した光ポンプ・ビームをポンプ・レーザによって生成する工程と、
   前記光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極されるアルカリ金属蒸気を含む前記蒸気セルを包含する体積領域に磁場を生成する工程と、
   前記蒸気セル内において局所磁場が生成される工程と、
   前記磁場とは別に前記蒸気セル内に少なくとも１つの磁場勾配を生成する工程であって、前記蒸気セルにおいて前記実質的に一様な合成磁場を提供するべく、前記磁場勾配は、前記局所磁場と実質的に等しくかつ反対の強度を有する前記工程と、を備え、
   前記磁場勾配を生成する工程が、前記蒸気セルの少なくとも１つの内部サイド・エッジの近くに最大強度を有しかつ該少なくとも１つの内部サイド・エッジから離れると低下する前記磁場勾配を生成する工程を備える、方法。
8. 第１のコイルおよび第２のコイルが、前記光ポンプ・ビームのほぼガウシアンの断面の強度に応じて、前記蒸気セルの断面中心において最小強度を有しかつ内部エッジに向かって増大するように前記磁場勾配を生成するよう協働するべくさらに構成されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記磁場勾配を生成する工程が、互いに対して同軸かつ直列に配置されている第１のコイルおよび第２のコイルに対し、互いに対して反対方向に電流を提供する工程を備える、請求項７に記載の方法。
10. 原子センサ・システムの蒸気セルにおいて実質的に一様な合成磁場を生成するための方法であって、
    円偏光した光ポンプ・ビームをポンプ・レーザによって生成する工程と、
    前記光ポンプ・ビームに応じてスピン偏極されるアルカリ金属蒸気を含む前記蒸気セルを包含する体積領域に磁場を生成する工程と、
    前記蒸気セル内において局所磁場が生成される工程と、
    前記磁場とは別に前記蒸気セル内に少なくとも１つの磁場勾配を生成する工程であって、前記蒸気セルにおいて前記実質的に一様な合成磁場を提供するべく、前記磁場勾配は、前記局所磁場と実質的に等しくかつ反対の強度を有する前記工程と、を備え、
    前記磁場勾配を生成する工程が、前記光ポンプ・ビームに直交する前記蒸気セルの第１の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつ前記蒸気セルの前記第１の端部の前記内部エッジから離れると低下する前記磁場勾配を生成する工程を備える、方法。
11. 前記磁場勾配が第１の磁場勾配であり、前記磁場勾配を生成する工程が、前記第１の端部とは反対側の前記蒸気セルの第２の端部の内部エッジにおいて最大強度を有しかつ前記蒸気セルの前記第２の端部の前記内部エッジから離れると低下する第２の磁場勾配を生成する工程をさらに備える、請求項１０に記載の方法。

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