JP6713643B2 - 原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ - Google Patents
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Description
(参考文献)Cvejanovic D and Murray A J, “Design and characterization of an atomic beam oven for combined laser and electron impact experiments,” Meas. Sci. Tech. 13 1482-1487 (2002).
後述する第3ステップの処理の終了前に、第1の励起状態にいる原子が自然放出によって基底状態に落ちると、当該原子は、自然放出によるランダムな反跳運動量を獲得し、さらに、第2のレーザー光701bによって反跳運動量を獲得し、あるいは、第3のレーザー光701cによって再度、第1の励起状態に遷移するなどの問題が発生する。したがって、第1の励起状態の寿命τ1は、第1ステップの処理の開始(つまり、熱的原子線110中の或る原子Aが第1のレーザー光701aに到達した時点)から第3ステップの処理の終了(つまり、当該原子Aが第3のレーザー光701cから脱出した時点)までの時間よりも長いことが好ましい。別の観点から説明すると、図2に示すように、第1のレーザー光701aの中心軸と第3のレーザー光701cの中心軸との軸間距離をDとし、熱的原子線110の中心軸(換言すれば、ノズル100bの中心軸の延長線)における第1のレーザー光701aのビーム幅(例えばビームウェストでの1/e2幅)をW1とし、熱的原子線110の中心軸における第3のレーザー光701cのビーム幅(例えばビームウェストでの1/e2幅)をW3とし、熱的原子線110の進行方向における原子の平均速度をVとしたとき、第1の励起状態の寿命τ1が下記(Eq.2a)を満たすことが好ましい。もちろん、実際の設計では、下記(Eq.2b)が成立することが望ましい。
第1のレーザー光701aと第3のレーザー光701cは、基底状態のエネルギー準位(1S0)と第1の励起状態のエネルギー準位(3P1)の間の遷移に対応する波長λ1=657nmを持つ(図3参照)。基底状態と第1の励起状態の間の遷移の自然幅Γ1は2π×400Hzであり、第1の励起状態の寿命τ1は0.4msである。このとき、Γ1/k1=2.6×10-4m/sである。
第2のレーザー光701bは、基底状態のエネルギー準位(1S0)と第2の励起状態のエネルギー準位(1P1)の間の遷移に対応する波長λ2=423nmを持つ(図3参照)。基底状態と第2の励起状態の間の遷移の自然幅Γ2は2π×35MHzであり、第2の励起状態の寿命τ2は5nsである。熱的原子線110においてv0は高々50m/sである。この例では、上記(Eq.4)からvrecoil,λ2=2.4×10-2m/sである。このとき、第2のレーザー光701bのビーム幅のサイズが10-2mのオーダーであるとすると、熱的原子線110が第2のレーザー光701bの照射を受けている間に103回程度の光子エネルギーの吸収が起き得ることから、第1のステップで第1の励起状態に遷移しなかった原子に十分な反跳運動量を与えることができる。
従って、この具体例から、良好なコリメーションを達成できることがわかる。
(参考文献1)T. L. Gustavson, P. Bouyer and M. A. Kasevich, “Precision Rotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope,” Phys. Rev. Lett.78, 2046-2049, Published 17 March 1997.
(参考文献2)Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A 63, 063611 (2001) - Published 16 May 2001.
100a 本体部
100b ノズル
110 熱的原子線
200 真空容器
700 原子線コリメーター
701a 第1のレーザー光
701b 第2のレーザー光
701c 第3のレーザー光
710 照射部
721 レーザー光源
722 レーザー光源
730 ビームスプリッター
740 レンズ
Claims (8)
- 原子線コリメーション方法であって、
原子線に対して、前記原子線中の原子の基底状態と第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第1のレーザー光を照射することによって、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第1の励起状態に選択的に遷移させる第1ステップと、
前記原子線に対して、前記第1ステップの後、前記原子線中の原子の前記基底状態と第2の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第2のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更する第2ステップと、
前記原子線に対して、前記第2ステップの後、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第3のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記第1の励起状態にいる原子を前記第1の励起状態から前記基底状態に遷移させる第3ステップと
を有する原子線コリメーション方法。 - 原子線コリメーターであって、
原子線に対して、第1のレーザー光、第2のレーザー光、第3のレーザー光を照射する照射部を含み、
前記原子線は、前記第1のレーザー光、前記第2のレーザー光、前記第3のレーザー光の順で照射され、
前記第1のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第1の励起状態に選択的に遷移させ、
前記第2のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第2の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
前記第3のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第1の励起状態にいる原子を前記第1の励起状態から前記基底状態に遷移させる
原子線コリメーター。 - 請求項2に記載の原子線コリメーターにおいて、
前記原子線が前記第1のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第1の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の、前記原子線の進行方向と直交する方向における速さ成分の所定の最大値をΔvとし、前記原子線が前記第1のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第1の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の吸収スペクトル線の半値全幅をΓとし、前記第1のレーザー光の波数をk1としたとき、
Δv=Γ/k1
が成立する
ことを特徴とする原子線コリメーター。 - 請求項2または請求項3に記載の原子線コリメーターにおいて、
前記照射部は、前記原子線に対して、前記第1のレーザー光と前記第3のレーザー光を前記原子線の進行方向と直交する方向から照射し、
前記第1の励起状態の寿命をτ1とし、前記第1のレーザー光の中心軸と前記第3のレーザー光の中心軸との軸間距離をDとし、前記第1のレーザー光のビーム幅をW1とし、前記第3のレーザー光のビーム幅をW3とし、前記原子線の進行方向における原子の平均速度をVとしたとき、
τ1≧(D+W1/2+W3/2)/V
が成立する
ことを特徴とする原子線コリメーター。 - 請求項4に記載の原子線コリメーターにおいて、
前記第2の励起状態の寿命をτ2とし、前記原子線の進行方向と直交する方向における原子の速さ成分の推定最大値をv0とし、前記原子線中の原子が前記第2のレーザー光中の一つの光子から受ける前記原子線の進行方向と直交する方向の反跳速さをvrecoil,λ2とし、前記第2のレーザー光のビーム幅をW2としたとき、
W2/V≧τ2×v0/vrecoil,λ2
が成立する
ことを特徴とする原子線コリメーター。 - 請求項2から請求項5のいずれかに記載の原子線コリメーターにおいて、
前記第3のレーザー光の進行方向は、前記第1のレーザー光の進行方向と平行である
ことを特徴とする原子線コリメーター。 - 原子干渉計であって、
原子線を連続生成する原子線生成装置と、
3個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
前記原子線と前記3個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と
を含み、
前記原子線生成装置は、
原子線源と、
原子線コリメーターと
を含み、
前記原子線コリメーターは、
原子線に対して、第1のレーザー光、第2のレーザー光、第3のレーザー光を照射する照射部を含み、
前記原子線は、前記第1のレーザー光、前記第2のレーザー光、前記第3のレーザー光の順で照射され、
前記第1のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第1の励起状態に選択的に遷移させ、
前記第2のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第2の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
前記第3のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第1の励起状態にいる原子を前記第1の励起状態から前記基底状態に遷移させる
ことを特徴とする原子干渉計。 - 原子ジャイロスコープであって、
原子線を連続生成する原子線生成装置と、
3個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
前記原子線と前記3個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
前記干渉部からの前記原子線を観測することによって角速度または加速度を検出する観測部と
を含み、
前記原子線生成装置は、
原子線源と、
原子線コリメーターと
を含み、
前記原子線コリメーターは、
原子線に対して、第1のレーザー光、第2のレーザー光、第3のレーザー光を照射する照射部を含み、
前記原子線は、前記第1のレーザー光、前記第2のレーザー光、前記第3のレーザー光の順で照射され、
前記第1のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第1の励起状態に選択的に遷移させ、
前記第2のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第2の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
前記第3のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第1の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第1の励起状態にいる原子を前記第1の励起状態から前記基底状態に遷移させる
ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。
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