JP6860154B2 - 原子干渉に基づくジャイロスコープ - Google Patents
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Description
原子線源は、個々の原子が同じ状態にある原子線を生成する。
進行光定在波生成部は、Mを3以上の予め定められた整数として、M個の進行光定在波を生成する。
干渉部は、原子線とM個の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る。
観測部は、干渉部からの原子線を観測することによって角速度を検出する。
加速度計は、ジャイロスコープに加わる加速度の情報を取得する。
進行光定在波生成部は、加速度情報に基づいて、M個の進行光定在波のうち少なくともM−1個の進行光定在波のドリフト速度を調整する。
本発明による第1実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープ700(図2参照)は、図1に示す従来のマッハ-ツェンダー型原子干渉計900にさらに加速度計500を付加した構成を持っている。したがって、マッハ-ツェンダー型原子干渉計900に含まれている原子線源100と干渉部200と進行光定在波生成部300と観測部400の重複説明を省略する。
本発明による第2実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープは、2光子ラマン過程ではなくn次(ただし、nは2以上の予め定められた正整数である)のBragg回折(散乱)を利用する。図3に示す第2実施形態のジャイロスコープ600は、原子線源101と干渉部201と進行光定在波生成部301と観測部400と加速度計500を含む。第2実施形態では、原子線源101と干渉部201と観測部400は図示しない真空チャンバー内に収容されている。
(参考文献1)J. Schoser et al., “Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap,” Phys. Rev. A 66, 023410 - Published 26 August 2002.
ジャイロスコープの位相感度が向上するとジャイロスコープのバイアス安定性も向上するが、位相感度は、既述のとおり、Aを原子線の2個の経路で囲まれた面積とし、vを原子速度として、A/vに比例することが知られている。つまり、図3に示すジャイロスコープ600において、原子線101aと第1の進行光定在波201aとの相互作用位置から原子線101aと第2の進行光定在波201bとの相互作用位置までの距離をLとすると、位相感度はL2/vに比例する。小型のジャイロスコープ600を実現するためにはLを小さくすればよいが、単にLを小さくしただけでは位相感度も低下してしまう。したがって、位相感度を低下させないためには原子速度も小さくすればよい。この観点から、冷却原子線を使うことが好ましい。例えば、原子速度を熱的原子速度の1/100にすれば位相感度を変えることなくジャイロスコープ600のサイズを元のサイズの1/10にできる。同様に、冷却原子線を使うことによって、第1実施形態のジャイロスコープ700のサイズを小型化できる。
従来、原子種としては主にアルカリ金属原子が用いられていた。アルカリ金属原子は最外殻に1個の電子を持っている。したがって、電子のスピンが環境磁場の影響を受けるため、厳重な磁気シールドが必要であった。環境磁場の影響を受け難いジャイロスコープを実現するために、原子線の原子種としてアルカリ土類様金属原子(広義)を用いてもよい。ここで「アルカリ土類様金属原子(広義)」は、最外殻に2個の電子を持ち、アルカリ土類金属原子(カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム)だけでなく、ベリリウム、マグネシウム、イッテルビウムを含み、さらにこれらの安定同位体も含み、好ましくは、これらのうち核スピンを持たない原子である。このことを別の観点から説明すると、次のとおりである。本発明において使用可能な原子は、アルカリ土類(様)金属原子またはアルカリ土類(様)金属原子の安定同位体である。ここで「アルカリ土類(様)金属原子」は、アルカリ土類金属原子(カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム)とアルカリ土類様金属原子(狭義)を含む。アルカリ土類様金属原子(狭義)は、アルカリ土類金属原子と同様に、基底状態において電子スピンによる磁気モーメントを持たない電子配置を持つ原子であり、ベリリウム、マグネシウム、イッテルビウム、カドミウム、水銀などを例示できる。特に、アルカリ土類(様)金属原子とアルカリ土類(様)金属原子の安定同位体のうち核スピンを持たない原子が好ましい。アルカリ土類(様)金属原子は最外殻に2個の電子を持っているので、反平行の電子のスピン角運動量の和がゼロとなって環境磁場の影響を受け難く、特に核スピンを持たないアルカリ土類(様)金属原子は環境磁場の影響を全く受けない。
この場合、原子が微細構造を持たないので、原子干渉計では、同じ内部状態における異なる2個の運動量状態|g, p0>と|g, p1>との間の光照射による遷移が利用される。
上述の実施形態ではマッハ-ツェンダー型原子干渉を採用したが、例えばラムゼー-ボーデ型原子干渉を採用してもよい。ラムゼー-ボーデ型原子干渉を採用した場合、進行光定在波生成部は、加速度情報に基づいて、4個の進行光定在波のうち少なくとも3個の進行光定在波のドリフト速度を調整する。原子線の進行方向に沿って昇順に4個の進行光定在波に番号を附した場合、調整される進行光定在波は、好ましくは、第2、第3、第4の進行光定在波である。
このように、進行光定在波生成部が生成する進行光定在波の個数がM個(ただし、Mを3以上の予め定められた整数とする)であり、原子線の進行方向に沿って昇順にM個の進行光定在波に番号を附した場合、進行光定在波生成部は、好ましくは、第2、第3、・・・、第MのM−1個の進行光定在波のドリフト速度を調整する。なぜなら、原子線源からの原子線が第1の進行光定在波によってスプリットした後に、加速度は進行光定在波の位相変化として原子の状態の存在確率に影響を及ぼすからである。
また、第2実施形態において、原子線源101に替えて原子線源100を用いる構成も許容される。
さらに、第1実施形態において、原子線源100に替えて原子線源101を用いる構成も許容される。
さらに、例えば、上述の実施形態では、3個の進行光定在波を用いて、1回の分裂と1回の反転と1回の混合を行うマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このような実施形態に限定されず、本発明は、例えば複数回の分裂と複数回の反転と複数回の混合を行う多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用した実施形態として実施することもできる。このような多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉については、参考文献2を参照のこと。
(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.
101 原子線源
100a 原子線
101a 原子線
100b 原子線
101b 原子線
111 オーブン
113 コリメーター
200 干渉部
201 干渉部
200a 第1の進行光定在波
201a 第1の進行光定在波
200b 第2の進行光定在波
201b 第2の進行光定在波
200c 第3の進行光定在波
201c 第3の進行光定在波
400 観測部
408 プローブ光
409 光検出器
500 加速度計
600 ジャイロスコープ
700 ジャイロスコープ
900 ジャイロスコープ
Claims (4)
- 原子干渉に基づくジャイロスコープであって、
個々の原子が同じエネルギー準位にある原子線を生成する原子線源と、
Mを3以上の予め定められた整数として、M個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M個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を検出する観測部と、
加速度計と、
を含み、
前記加速度計は、前記ジャイロスコープに加わる加速度の情報を取得し、
前記進行光定在波生成部は、前記情報に基づいて、前記M個の進行光定在波のうち少なくともM−1個の進行光定在波のドリフト速度を調整する
ことを特徴とするジャイロスコープ。 - 請求項1に記載のジャイロスコープにおいて、
前記原子線源は、冷却原子線を生成する
ことを特徴とするジャイロスコープ。 - 請求項1または請求項2に記載のジャイロスコープにおいて、
前記原子干渉は、マッハ-ツェンダー型原子干渉であり、
前記複数のレーザー光はそれぞれ、nを2以上の正整数としてn次Bragg条件を満たす
ことを特徴とするジャイロスコープ。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載のジャイロスコープにおいて、
前記原子は、アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、あるいはアルカリ土類様金属原子の安定同位体である
ことを特徴とするジャイロスコープ。
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