JP6982858B2 - Atom interferometer and its operation method - Google Patents
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本発明は原子干渉計およびその動作方法に関する。さらに詳細には、本発明は、高い感度で加速度の測定を行いうる原子干渉計およびその動作方法に関する。 The present invention relates to an atomic interferometer and a method of operating the same. More specifically, the present invention relates to an atomic interferometer capable of measuring acceleration with high sensitivity and a method of operating the same.
原子干渉計は1991年以降精密計測の道具として幅広い分野で利用されている。その典型的な動作では、パルス幅、強度が制御された複数のレーザーパルスを順次原子群に照射することにより、光子との反跳によって原子の運動を制御する。そのようなパルス列の一つの典型が、π/2パルス、πパルス、π/2パルスを含むパルス列である。これらのパルスによって、空間的に2つの状態への分離、各状態の反転、そして両状態の干渉、という一連の動作が実現して干渉計として機能する。 Atom interferometers have been used in a wide range of fields as precision measurement tools since 1991. In its typical operation, the movement of an atom is controlled by rebounding with a photon by sequentially irradiating a group of atoms with a plurality of laser pulses whose pulse width and intensity are controlled. One typical example of such a pulse train is a pulse train containing a π / 2 pulse, a π pulse, and a π / 2 pulse. These pulses realize a series of operations of spatially separating into two states, reversing each state, and interfering between both states, and function as an interferometer.
自由空間中の原子に対しこういった操作を行うと、例えば重力加速度gといった加速度を観測することができる。特に原子干渉計による重力加速度測定(g測定)は、それ以前の方式によるものに比べ感度が非常に高められている(非特許文献1、非特許文献2)。g測定の感度はパルス間隔の2乗に比例するため、重力の影響下の自由空間中で原子を打ち上げて原子が落下する動作を行う原子泉(atomic fountain)方式が一般的である。
By performing such an operation on an atom in free space, an acceleration such as a gravitational acceleration g can be observed. In particular, the gravitational acceleration measurement (g measurement) using an atomic interferometer has much higher sensitivity than the previous method (Non-Patent
また、光ポテンシャルをガウシアンビームのレーザーで形成し、その光ポテンシャル原子にとってのガイドとすることにより、その中の原子を対象にして加速度計を構成することが提案されている(非特許文献3)。
It has also been proposed to construct an accelerometer for the atoms in the optical potential by forming the optical potential with a Gaussian beam laser and using it as a guide for the optical potential atoms (Non-Patent Document 3). ..
従来の原子泉方式の原子干渉計を加速度の測定に利用しようとすると、必然的に、加速度の計測可能な向きが鉛直方向に制約される。他方、そのような制約は、光ポテンシャルによる原子のガイドを利用するものでは問題とならない。しかし、光ポテンシャルを例えばガウシアンビームによって形成するものでは、光ポテンシャルにおける光強度の勾配、特にガウシアンビームの軸方向での勾配が問題となる。その軸方向の勾配は、原子に対し力つまり加速度を生じてしまい、原子に影響を及ぼすためである。さらに、ガウシアンビームの光ポテンシャルでは測定される原子干渉のコントラストも低下してしまう。 When an attempt is made to use a conventional atomic fountain-type atom interferometer for measuring acceleration, the measurable direction of acceleration is inevitably restricted to the vertical direction. On the other hand, such a constraint is not a problem in the case of utilizing the atomic guide by the optical potential. However, in the case where the optical potential is formed by, for example, a Gaussian beam, the gradient of the light intensity in the optical potential, particularly the gradient in the axial direction of the Gaussian beam becomes a problem. This is because the gradient in the axial direction causes a force, that is, an acceleration, with respect to the atom and affects the atom. In addition, the optical potential of the Gaussian beam also reduces the contrast of the measured atomic interference.
本発明は上記問題の少なくともいくつかを解決することを課題とし、測定する加速度の向きに制約を持たない高感度の原子干渉計を提供することに貢献するものである。
The present invention has an object of solving at least some of the above problems, and contributes to providing a highly sensitive atomic interferometer having no restriction on the direction of acceleration to be measured.
本発明者は、光ポテンシャルを用いる利点を享受しつつ、ガウシアンビームを採用する原子干渉計に付随する光強度の勾配を克服することを企図した。そして、中空の通路をもつ光導波路を採用することにより上記課題を解決しうることに気づいた。 The present inventor has attempted to overcome the light intensity gradient associated with atom interferometers that employ Gaussian beams while enjoying the benefits of using optical potential. Then, he realized that the above problem could be solved by adopting an optical waveguide having a hollow passage.
すなわち、本発明のある態様においては、第1端から第2端まで延びる中空の通路を持つ光導波路と、2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を前記中空の通路の内部に供給するための原子供給部と、前記第1端または前記第2端のいずれか一方から他方に向けて前記中空の通路の内部を伝播し前記原子をガイドする進行波のレーザービームであるガイドレーザービームを供給するガイドレーザー光源と、前記2つの準位間の遷移周波数と同一またはほぼ同一の周波数をもつ光による光パルス列を、前記第1端または前記第2端のいずれか一方から前記中空の通路の内部に供給するプローブレーザー光源であって、前記光パルス列は、前記原子の前記2つの準位についてのπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスをこの順に含むものである、プローブレーザー光源とを備える原子干渉計が提供される。 That is, in one embodiment of the present invention, the hollow has an optical waveguide having a hollow passage extending from the first end to the second end and an atom having an electronic state in an internal state capable of causing a transition between two levels. A laser beam of traveling waves propagating inside the hollow passage and guiding the atoms from either the first end or the second end toward the other, and the atom supply unit for supplying the inside of the passage. A guide laser light source that supplies a guide laser beam, and an optical pulse train of light having the same or substantially the same frequency as the transition frequency between the two levels, at either the first end or the second end. A probe laser light source supplied from to the inside of the hollow passage, wherein the optical pulse train contains π / 2, π, and π / 2 pulses for the two levels of the atom in that order. , Atomic interferometers with probe laser sources are provided.
また、本発明は、原子干渉計の動作方法としても実施することができる。すなわち本発明の別の態様では、第1端から第2端まで延びる中空の通路の内部に、該第1端または該第2端のいずれか一方から他方に向けて該中空の通路の内部を伝播する進行波のガイドレーザービームを供給する段階と、2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を、前記ガイドレーザービームが供給されている前記中空の通路の内部に供給する段階と、前記2つの準位間の遷移周波数と同一またはほぼ同一の周波数をもつ光による光パルス列を、前記第1端または前記第2端のいずれか一方から、前記ガイドレーザービームにより前記原子がガイドされている前記中空の通路の内部に供給する干渉動作段階とを含む原子干渉計の動作方法が提供される。 The present invention can also be implemented as an operating method for an atomic interferometer. That is, in another aspect of the present invention, the inside of the hollow passage extending from the first end to the second end is inside the hollow passage from either the first end or the second end toward the other. Atoms having an internal state of an electronic state capable of causing a transition between two levels and a step of supplying a guide laser beam of a propagating traveling wave are placed inside the hollow passage to which the guide laser beam is supplied. An optical pulse train of light having the same or substantially the same frequency as the transition frequency between the two levels and the supply stage is produced by the guide laser beam from either the first end or the second end. A method of operating an atom interferometer is provided that includes an interferometer operating step that supplies the interior of the hollow passage through which the atom is guided.
本発明の上記各態様において、好ましくは、前記ガイドレーザービームは、それ自体の光ポテンシャルが前記原子の前記2つの準位に摂動によりもたらす光シフトが互いに等しくなる周波数である魔法周波数をもつものであり、前記光パルス列をなす前記光パルスの周波数が、該魔法周波数の前記ガイドレーザービームの摂動を受けている前記原子の前記遷移周波数と同一またはほぼ同一になっている。 In each of the above embodiments of the present invention, preferably, the guide laser beam has a magic frequency at which the optical potential of itself is such that the optical shifts caused by the perturbations to the two levels of the atom are equal to each other. The frequency of the optical pulse forming the optical pulse train is the same as or substantially the same as the transition frequency of the atom receiving the perturbation of the guide laser beam of the magic frequency.
本発明の上記態様において原子干渉計に関連する原子は、原子のみならずそのイオンも含みうる。加えて、本出願においては、不明瞭にならない限り本発明の属する技術分野の慣用に従う用語法を採用することがある。例えば赤外や紫外の電磁波放射といった可視光以外の電磁波に対しても、「光」、「レーザー」、「光源」等と光学分野で使用される表現を用いることがある。
In the above aspect of the present invention, the atom related to the atom interferometer may include not only the atom but also its ion. In addition, the present application may adopt terminology that follows the conventions of the art to which the invention belongs, unless obscured. For electromagnetic waves other than visible light, such as infrared and ultraviolet electromagnetic wave radiation, expressions used in the optical field such as "light", "laser", and "light source" may be used.
本発明のある態様では実用性の高い原子干渉計およびその動作方法が提供される。
In one aspect of the present invention, a highly practical atomic interferometer and a method of operating the same are provided.
以下図面を参照し、本発明に係る原子干渉計の実施形態を説明する。全図を通じ当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。 Hereinafter, embodiments of the atom interferometer according to the present invention will be described with reference to the drawings. Unless otherwise noted in the description throughout the figure, common parts or elements are given common reference numerals. Further, in the figure, each of the elements of each embodiment is not necessarily shown while maintaining the scale ratio of each other.
1.原子干渉計およびその動作
1−1.動作原理
本実施形態の原子干渉計の動作原理を説明するために、ガウシアンビームを用いる原子干渉計の動作を説明する。図1にガウシアンビームの光ポテンシャルを利用する原子干渉計の主要部を示す。図1Aはガイドレーザーがガウシアンビームとなっている状態を示す模式図であり、図1Bは、ガウシアンビームの光ポテンシャルにより導かれている各位置の原子のエネルギー値を示す模式グラフである。原子には光ポテンシャルの力が作用し、その力はz軸方向には比較的弱くxy平面内では比較的強い。原子にはプローブレーザー光源(図示しない)からの光パルスが作用してz軸に沿って運動を変化させる。このz軸方向に加速度が生じている場合には、原子の運動にその加速度が重畳する。原子が87Srの場合には、原子の電子状態について、基底状態|1>は、5s2の電子配置をもつ1S0、励起状態|2>は5s5pの電子配置の3P0である。原子の状態は、内部状態である電子状態と、原子の運動を記述する運動量により特定する事ができ、一般には、内部状態(電子状態)とそれに対応する運動量について組み合わせた状態を重ね合わせたものとなる。
1. 1. Atom interferometer and its operation 1-1. Operating Principle In order to explain the operating principle of the atomic interferometer of the present embodiment, the operation of the atomic interferometer using a Gaussian beam will be described. FIG. 1 shows the main part of an atom interferometer that utilizes the optical potential of a Gaussian beam. FIG. 1A is a schematic diagram showing a state in which the guide laser is a Gaussian beam, and FIG. 1B is a schematic graph showing the energy values of atoms at each position guided by the optical potential of the Gaussian beam. A force of optical potential acts on an atom, and the force is relatively weak in the z-axis direction and relatively strong in the xy plane. An optical pulse from a probe laser light source (not shown) acts on the atom to change its motion along the z-axis. When acceleration is generated in the z-axis direction, the acceleration is superimposed on the motion of the atom. When the atom is 87 Sr, the ground state | 1> is 1 S 0 with an electron configuration of 5s 2 and the excited state | 2> is 3 P 0 with an electron configuration of 5s 5p. The state of an atom can be specified by the electronic state, which is the internal state, and the momentum that describes the motion of the atom. Generally, the internal state (electronic state) and the corresponding momentum are combined. It becomes.
本実施形態の原子干渉計では、内部状態となる電子状態の占有数を測定して得られる干渉縞の形態で、原子に作用する加速度が検知される。図2は、本実施形態のものを含む原子干渉計において、原子の状態と、光パルスの関係を示す説明図である。本出願では簡略化のために電子状態の基底状態|1>を|S>、励起状態|2>を|P>と記すことがある。また、原子の運動を示す原子については、運動量により特定される原子の運動の波動関数は、運動量pにより指定される|p>により記述される。原子の量子力学的状態は、内部状態である電子状態と運動量pの積(直積)で特定される状態の線形和により表現できる。このため、|S>または|P>のどちらかと、それぞれに対応した運動量pで指定される|p>との積として表現される。その積を|S,p>、|P,p>等と記すこととする。なお、本出願においては、3次元ベクトルにて表現されるべき運動量pや光の波数kについてシンボル文字への矢印の明示または太字表示は省略する場合がある。 In the atom interferometer of the present embodiment, the acceleration acting on the atom is detected in the form of the interference fringes obtained by measuring the occupancy number of the electronic state which is the internal state. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the state of an atom and an optical pulse in an atom interferometer including the one of the present embodiment. In this application, the ground state | 1> of the electronic state may be described as | S> and the excited state | 2> may be described as | P> for simplification. Further, for an atom indicating the motion of an atom, the wave function of the motion of the atom specified by the momentum is described by | p> specified by the momentum p. The quantum mechanical state of an atom can be expressed by the linear sum of the states specified by the product (outer product) of the electronic state, which is the internal state, and the momentum p. Therefore, it is expressed as the product of either | S> or | P> and | p> specified by the momentum p corresponding to each. The product shall be described as | S, p>, | P, p> and the like. In the present application, the explicit or bold display of the arrow on the symbol character may be omitted for the momentum p and the wave number k of light to be expressed by the three-dimensional vector.
本実施形態の原子干渉計では、原子の電子状態における2つの準位間の遷移周波数と同一の周波数をもつ光の光パルス列が照射され、光のパルス列の種類により干渉計としての動作(動作モード)が変化される。このうち光学分野でのマッハ=ツェンダー型干渉計に対応する干渉計の動作を行う場合にはπ/2パルス、πパルス、π/2パルスと呼ばれる3つの光パルスをこの順に含む光パルス列が、ほぼ等しい時間間隔(T)ずつ隔てて照射される。 In the atom interferometer of the present embodiment, an optical pulse train having the same frequency as the transition frequency between two levels in the electronic state of an atom is irradiated, and the operation as an interferometer (operation mode) depends on the type of the light pulse train. ) Is changed. Of these, when operating an interferometer corresponding to the Mach-Zender type interferometer in the optical field, an optical pulse train containing three optical pulses called π / 2 pulse, π pulse, and π / 2 pulse in this order is used. The irradiation is performed at intervals of approximately equal time intervals (T).
図2に示すように、初期状態の電子状態が基底状態で運動量pなら|S,p>となって、そのまま原子がガウシアンビームに導入される。1回目のπ/2パルスを照射すると一対の原子状態の重ね合わせが形成される。この対は、一つは電子状態が基底状態のままかつ運動量が変化しない|S,p>のままのもの、もう一つは電子状態が励起状態となりかつ運動量が光パルスから反跳分hbar・k(ただしhbarはプランク定数hを2πで除した商、kは光パルスの波数)だけの運動量を受け取った|P,p+hbar・k>、というものである。対をなす原子のうちの前者は光パルスで励起されなかったもの、後者は励起され内部状態と運動量が変化したものであり、それらの重ね合わせが以降の原子の量子力学的状態を与える。次にπパルスを照射すると、その時点まで|S,p>および|P,p+hbar・k>だった原子の状態は電子状態と運動量がともに変化して、順に|P,p+hbar・k>および|S,p>となり、あたかも電子状態と反跳による運動量増分の関係を相互に入れ替えたようになる。なお、|S,p>が|P,p+hbar・k>に変化するときには、電子状態が励起されて1光子分の運動量が増しているので光の吸収が生じている。これに対し、|P,p+hbar・k>が|S,p>に変化する際には、光の誘導放出が起こり、電子状態が基底状態に遷移し1光子分の運動量を失っている。光パルスの最後として2回目のπ/2パルスを照射すると、分かれた一対となる原子それぞれから生成された|P,p+hbar・k>の成分が干渉し、同様に一対となる原子それぞれから生成された|S,p>の成分が干渉する。π/2パルス(1回目)〜πパルスの時間とπパルス〜π/2パルス(2回目)の時間はほぼ等しくされている。π/2パルス、πパルス、π/2パルスは原子の運動の方向(z軸方向)に向いており、運動量の増減はそのz軸方向にのみ生じていることに注意されたい。この干渉動作では、|P,p+hbar・k>に見出す原子数(占有数)と|S,p>に見出す占有数の間で干渉による振動が観察される。ここで、|P,p+hbar・k>と|S,p>は、いずれも原子の内部状態の波動関数と原子の運動の波動関数との積(直積)であるものの、|P>は|p+hbar・k>とのみ、また|S>は|p>とのみ対応付けられる。この結果として、占有数の観測操作が内部状態のみに射影され、|S>と|P>とラベリングできる内部状態の占有数の決定を行うのみで十分となる。これは、|p>と|p+hbar・k>という運動量の差のみを検出(detect)するために、そのわずかな運動量の違いに頼って観測する必要はないことを意味している点で実用的なものといえる。つまり本実施形態は、2回目のπ/2パルスの後に原子を分離させるための操作やその分離のための原子の長距離の飛行が不要となって、検出処理の簡易化や装置全体の小型化の点で実用的といえる。 As shown in FIG. 2, if the electronic state in the initial state is the ground state and the momentum is p, then | S, p>, and the atom is introduced into the Gaussian beam as it is. When the first π / 2 pulse is applied, a pair of atomic states are superposed. One of these pairs is that the electronic state remains in the ground state and the momentum does not change | S, p>, and the other is that the electronic state is in the excited state and the momentum is rebounded from the optical pulse hbar. The momentum of k (where hbar is the quotient of Planck's constant h divided by 2π and k is the wave number of the optical pulse) is received | P, p + hbar · k>. Of the paired atoms, the former is not excited by the optical pulse, the latter is excited and the internal state and momentum are changed, and their superposition gives the quantum mechanical state of the subsequent atoms. Next, when a π pulse is applied, the state of the atom, which was | S, p> and | P, p + hbar · k> up to that point, changes in both the electronic state and the momentum, and then | P, p + hbar · k> and | S, p>, as if the relationship between the electronic state and the momentum increment due to the rebound was interchanged. When | S, p> changes to | P, p + hbar · k>, the electronic state is excited and the momentum of one photon is increased, so that light is absorbed. On the other hand, when | P, p + hbar · k> changes to | S, p>, stimulated emission of light occurs, the electronic state transitions to the ground state, and the momentum for one photon is lost. When the second π / 2 pulse is irradiated as the end of the optical pulse, the | P, p + hbar · k> components generated from each of the separated paired atoms interfere with each other and are similarly generated from each paired atom. The components of | S, p> interfere with each other. The time of π / 2 pulse (first time) to π pulse and the time of π pulse to π / 2 pulse (second time) are almost equal. Note that the π / 2 pulse, π pulse, and π / 2 pulse are oriented in the direction of atomic motion (z-axis direction), and the increase or decrease in momentum occurs only in the z-axis direction. In this interference operation, vibration due to interference is observed between the number of atoms (occupied number) found in | P, p + hbar · k> and the occupied number found in | S, p>. Here, | P, p + hbar · k> and | S, p> are both products (direct products) of the wave function of the internal state of the atom and the wave function of the motion of the atom, but | P> is | p + hbar. -Only with k>, and | S> is associated only with | p>. As a result, the occupancy observation operation is projected only on the internal state, and it is sufficient to determine the occupancy number of the internal state that can be labeled as | S> and | P>. This is practical in that it is not necessary to rely on the slight difference in momentum to detect only the difference in momentum between | p> and | p + hbar · k>. It can be said that it is. That is, this embodiment eliminates the need for an operation for separating atoms after the second π / 2 pulse and long-distance flight of atoms for the separation, simplifying the detection process and reducing the size of the entire device. It can be said that it is practical in terms of conversion.
干渉縞は、例えば、2回のπ/2パルスのうちのどちらか一方の光の位相オフセットを、πパルスおよび他方のπ/2パルスを基準にして動かすことにより測定される。その位相を2π分変化させる間に占有数が1回振動する。例えばNP/(NS+NP)を算出できるように、検出パルス(detection pulse)を利用し、例えばLIF(レーザー誘起蛍光)の観察により、NS、NPを決定することができる。なお、NS、NPはそれぞれ内部状態が|S>および|P>である原子数つまり占有数である。また、図1Bには、LIFにより直接検出される遷移が|3>と|1>(すなわち|S>)であることが模式的に示されている。2回のπ/2パルスで挟まれた期間の2つに分かれた原子は、異なる運動量でそれぞれが独立して伝播することから、ガウシアンビーム中の光軸方向をz軸方向にともに進むものであっても行路差を持ちうる2つのアームとなる。そのため、上記干渉縞から加速度を測定する、といった原子干渉計の動作が実現する。 Interference fringes are measured, for example, by moving the phase offset of one of the two π / 2 pulses with respect to the π pulse and the other π / 2 pulse. The occupied number vibrates once while the phase is changed by 2π. For example N P / (N S + N P) to be calculated, and using the detection pulse (detection pulse), for example by observation of LIF (Laser Induced Fluorescence), can be determined N S, N P. Incidentally, N S, N P, respectively the internal state | a P> atoms clogging occupation numbers is | S> and. Further, FIG. 1B schematically shows that the transitions directly detected by LIF are | 3> and | 1> (that is, | S>). Atoms divided into two during the period between two π / 2 pulses propagate independently with different momentums, so they travel together in the optical axis direction in the Gaussian beam in the z-axis direction. Even if there are, it will be two arms that can have a path difference. Therefore, the operation of the atom interferometer, such as measuring the acceleration from the interference fringes, is realized.
励起状態の割合は、位相オフセットθを−π〜πと変化する間に1周期分だけ振動する。この実験値を説明するような次式
κ(θ)=1−B+Acos(θ+Δφ) (1)
のA、B、Δφの値を決定すれば、A/Bの値により干渉縞の明瞭さつまり変調量の指標であるビジビリティが算出され、位相シフトΔφも得られる。ここで、位相シフトΔφと測定条件との間には、測定する加速度とプローブ光の方向が揃っているとき、
Δφ=kaT2 (2)
の関係が成立する。ただし、kはπパルスやπ/2パルスに用いるプローブ光の波数、aは原子により検知される加速度、Tはπ/2パルス〜πパルスおよびπパルス〜π/2パルスのパルス間隔である。
The ratio of the excited state vibrates by one cycle while the phase offset θ changes from −π to π. The following equation κ (θ) = 1-B + Acos (θ + Δφ) (1) to explain this experimental value
If the values of A, B, and Δφ are determined, the clarity of the interference fringes, that is, the visibility which is an index of the modulation amount, is calculated from the values of A / B, and the phase shift Δφ is also obtained. Here, when the acceleration to be measured and the direction of the probe light are aligned between the phase shift Δφ and the measurement conditions,
Δφ = kaT 2 (2)
Relationship is established. However, k is the wave number of the probe light used for the π pulse or the π / 2 pulse, a is the acceleration detected by the atom, and T is the pulse interval of the π / 2 pulse to the π pulse and the π pulse to the π / 2 pulse.
原子の運動には原子に作用する力や加速度が影響するため、原子を光軸付近に導く光ポテンシャルも同様に影響する。図1Bの模式グラフには、ガウシアンビームの光ポテンシャルにより導かれている各位置の原子のエネルギー値を、電子状態が基底状態|1>にあり光ポテンシャルの影響を受けていない値を0にとって示している。ガウシアンビームを採用するものではz軸方向の各位置のエネルギー値は、ビームウエスト部に向かって深くなる光ポテンシャルの形状を反映し下に凸の曲線となる(非特許文献3)。この曲線のz軸方向の勾配は、z軸方向加速度の測定などの原子干渉計の動作、特に高感度での動作のため、ガウシアンビームを採用する限りこの影響からは逃れられない。 Since the force and acceleration acting on an atom affect the motion of an atom, the optical potential that guides the atom near the optical axis also affects it. In the schematic graph of FIG. 1B, the energy value of the atom at each position guided by the optical potential of the Gaussian beam is shown by 0 as the value in which the electronic state is in the ground state | 1> and is not affected by the optical potential. ing. In the case of adopting a Gaussian beam, the energy value at each position in the z-axis direction becomes a downwardly convex curve reflecting the shape of the optical potential deepening toward the beam waist portion (Non-Patent Document 3). The gradient in the z-axis direction of this curve cannot escape from this influence as long as the Gaussian beam is adopted because the operation of the atom interferometer such as the measurement of the acceleration in the z-axis direction, especially the operation with high sensitivity.
1−2.中空通路の原子干渉計
ガウシアンビームに伴う課題の少なくともいくつかは、本願にて採用する中空の通路を採用する原子干渉計では克服される。その際、ガウシアンビームの原子干渉計に見られた利点はいずれも失われることはない。
1-2. Hollow Passage Atom Interferometers At least some of the challenges associated with Gaussian beams are overcome by the hollow passage atom interferometers used in this application. In doing so, none of the advantages found in Gaussian beam atom interferometers are lost.
図3Aは、中空の通路をもつ光導波路(中空光導波路)120のための一例としてHC−PCF(hollow core photonic crystal fiber)を採用する本実施形態の原子干渉計100の概略構成を示す模式図であり、図3Bは、その中空光導波路120の具体的構成を示す拡大図、図3Cは、中空の通路の断面における光の強度分布の代表例を列挙する模式図である。また、図4は、原子干渉計100に採用する中空光導波路120において光ポテンシャルの様子(図4A)とそれによる原子のエネルギー値(図4B)を示す模式説明図である。
FIG. 3A is a schematic diagram showing a schematic configuration of an
中空光導波路120は、第1端1202から第2端1204まで延びる中空の通路124を持っている。中空光導波路120は、少なくともガイドレーザービームGLの波長において、中空の通路124がガイドレーザービームGLを導く導波路となるように作用する。このために、中空光導波路120は、中空の通路124の周囲を筒状に囲む筒状壁122を備えているものが好ましい。具体的には、中空光導波路120はHC−PCFであり、筒状壁122が中空の通路124を伝播する光を導波(guiding)するようなフォトニック結晶となっている。HC−PCFのうち本実施形態に適する導波原理は典型的には2つである。一つは、ガイドレーザービームGLにとっての光バンドギャップ(Photonic Bandgap)を原理とするものであり、もう一つは、光バンドギャップによらず、中空の通路124を通る光のモード(コアモード)と筒状壁122を伝播する光のモード(クラッドモード)との伝播モード間での結合の禁止(inhibited coupling)を原理とするものである。光バンドギャップを原理とするHC−PCF(以下「PBG導波HC−PCF」)では、筒状壁122がガイドレーザービームGLの波長の漏出光にとってフォトニックバンドギャップとなるようなフォトニック結晶に作製されている。他方の結合の禁止を原理とするHC−PCF(以下「IC導波HC−PCF」)では、筒状壁122が中空の通路124内の光のモード(コアモード)と筒状壁122内のフォトニック結晶中の光のモード(クラッドモード)の相互の結合を禁止するようなフォトニック結晶に作製されている。PBG導波およびIC導波の両HC−PCFとも、ガイドレーザービームGLが強度ピークを中空の通路124の内部に持ち、原子10がそのガイドレーザービームGLにガイドされつつ中空の通路124の内部に導入されたりそこを通過することができる。ガイドレーザービームGLに対する実質的な径(モードフィールド径)は例えば40μmまたはそれ以下程度とされる。これにより、光導波路である中空光導波路120はシングルモードやマルチモードでガイドレーザービームGLを導くことができる。
The hollow
ガイドレーザー光源140からは、中空の通路124内に光ポテンシャルを形成するガイドレーザービームGLが供給される。図3Aでは、ガイドレーザービームGLは、第2端1204から中空の通路124に入射され、第1端1202に向かって中空の通路124の内部を伝播する進行波となる。好ましくは、ガイドレーザービームGLの周波数を魔法周波数ωMとする。この魔法周波数ωMは、ガイドレーザービームGL自体の光ポテンシャルが原子10の2つの準位に摂動によりもたらすエネルギーシフト量すなわち光シフトが互いに等しくなる周波数であり、光の波長(真空中での波長)により魔法波長とも呼ばれる光の持つ周波数である。例えば87Srについては波長で813nmとする事により、ガイドレーザービームGLを魔法周波数とすることができる。
The guide
原子供給部160は、例えば87Srを含み後述する原子群等から選択される2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子10を供給する。この原子10は中空の通路124の内部に、例えば第1端1202から入射できるように供給される。必要に応じ第1端1202に原子10を供給するための追加のレーザー(図示しない)が採用される。
The
原子干渉計100はさらにプローブレーザー光源180を備えている。プローブレーザー光源180は、原子10の2つの準位間の遷移周波数と同一またはほぼ同一の周波数をもつ光による光パルス列PTを、第1端または第2端のいずれか一方から中空の通路の内部に供給する。図3Aでは、光パルス列は第1端1202から中空の通路124に供給される。この光パルス列は、原子10の2つの準位についてのπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスをこの順に含むものである。これらは、上述したガウシアンビームについでの説明(図2)に示したπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスと同様の作用をもつ。原子干渉計100のプローブレーザー光源180で原子10に対するπ/2パルスおよびπパルスの区別は、原子干渉計の技術の分野において一般的に行われているように、2準位原子とコヒーレント光との相互作用に見られるラビ振動による電子状態の変化によって表現されている。すなわちπパルスとは、電子状態が基底状態にある原子が、そのパルスとの相互作用によって、100%の確率で励起状態の電子状態をもつようになる、(またはその逆)という意味で占有率が反転するようなパルスである。この反転はラビ振動の位相がπだけ変化することに対応している。同様にπ/2パルスは、ラビ振動の位相がπ/2だけ変化するものであり、例えば内部状態が基底状態か励起状態のどちらか100%である状態から、基底状態と励起状態の占有率が等しく50%となるような相互作用を引き起こすパルスである。
The
パルス列PTのシーケンスとその間隔は、図2に示したものと同様である。つまり、パルス列PTは、原子102つの準位についてのπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスをこの順に含み、パルス間隔(T)はほぼ均等である。なお、パルス間隔Tは通常はπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスのパルス幅よりも桁違いに長く、パルス間隔がほぼ均等であると言いうるかどうかの議論でこれらのパルス幅は問題とならない。 The sequence of the pulse train PT and its interval are the same as those shown in FIG. That is, the pulse train PT includes π / 2 pulse, π pulse, and π / 2 pulse for 102 levels of atoms in this order, and the pulse intervals (T) are almost uniform. It should be noted that the pulse interval T is usually an order of magnitude longer than the pulse widths of π / 2 pulse, π pulse, and π / 2 pulse, and these pulse widths are discussed in the discussion of whether it can be said that the pulse intervals are almost even. It doesn't matter.
図3Bに示すように、中空光導波路120は、ガイドレーザー光源140が供給するガイドレーザービームGLを中空の通路124の内部に強度Iの中心をもつようにシングルモードで導くものが一つの典型例である。また、図4Bに示すように、ガイドレーザービームGLが、中空の通路124の内部の各位置において、原子10に対し、中空の通路124の延びる方向である軸方向(z軸方向)には実質的に力を作用させず、軸方向に直交する方向である動径方向r(図3B)には中空の通路124の中心軸に向かう引力を作用させるガイドポテンシャルUGLを生成する。
As shown in FIG. 3B, one typical example of the hollow
このような中空の通路124では、図4Bに示すように第1端1202から第2端1204の殆どの区間でz軸方向の各位置のエネルギー値は一定の値である。これは、ガイドポテンシャルUGLがこの方向で傾斜しておらず、軸方向に力を実質的に生じないことを示している。図1Bのガウシアンビームのものでは下に凸の曲線であったが、原子干渉計100では長い距離にわたり軸方向の力を生じないガイドポテンシャルUGLが実現しており、z軸方向の加速度を測定する際に光ポテンシャルが測定対象となる加速度や力(慣性力を含む)に重畳することがない。また、ガイドポテンシャルUGLは中空の通路124の中心軸に向かう引力を作用させるため、原子10が筒状壁122の内側面と接触することが回避される。ガイドポテンシャルUGLは、原子10からみると原子自体を導く作用をもつことから、いわば原子の導線としての役割を果たす。こうして、ガイドポテンシャルUGLにより導かれる原子10は、動径方向には中空の通路124の中心軸に束縛されつつ、z軸方向には摩擦のない運動が可能になる。特に中空の通路124の径が適切でガイドレーザービームGL自体がシングルモードになっておりガイドポテンシャルUGLが十分な強度をもつ場合、ガイドポテンシャルUGLは原子をシングルモードで導くことができる。そのような動作が実現すれば、ガイドレーザービームGLと原子のどちらもがシングルモードとなることによって、干渉動作は理想的なものとなる。干渉縞のビジビリティも100%にできる可能性が生まれる。さらに、コリオリ不確かさが除去され、原子干渉計の問題のプローブ波面の曲率の問題からも免れることができる。サニャック効果の不確かさについても考慮する必要がなくなる。これらは、すべて原子干渉計100の高感度な干渉動作に役立つ性質である。
In such a
本実施形態の原子干渉計では、図3Bに示したシングルモードとは別の典型例として、ガイドポテンシャルUGLが中空の通路124に複数の谷を持つようなマルチモードとなる中空光導波路120も採用することができる。図3Cに示す中空の通路124の断面(xy面)における光の強度分布の代表例のように、本実施形態の原子干渉計の光の強度分布は、図3Bに示したシングルモード(図3CではLP01)となるものに加え、マルチモードのもの(例えば、LP11、LP12、LP21、LP02他の高次モード)も採用することができる。シングルモードのLP01では、光の強度分布が軸対称で中央にピークをもつ強度分布となるため、図3Bに示したようにガイドポテンシャルUGLが中空の通路124の断面において中央付近に一つの谷を作る。これに対し、マルチモードでは、一般には強度分布が軸対称とならずに複数のピークをもつことから、ガイドポテンシャルUGLは中空の通路124の断面において複数の谷をもつ。なお、z軸方向にみるとガイドポテンシャルUGLはシングルモードでもマルチモードでも一様となる。シングルモードの場合に原子は中空の通路124の中心軸にそう一筋の線路に沿ってガイドされるのに対し、マルチモードの場合には、原子はz軸に平行な複数の線路(並列線路)に沿ってガイドされる。
In the atom interferometer of the present embodiment, as a typical example different from the single mode shown in FIG. 3B, there is also a hollow
特にガイドレーザービームGLの周波数を魔法周波数(上述)に選んだ場合、2つの準位にもたらされる光シフトが等しいことから、中空光導波路120の内部の中空の通路124においてz軸に直交する動径方向での光ポテンシャルの強度変化が生じていても遷移周波数が影響を受けない。したがって、このため、ガイドレーザービームGLによりガイドされている原子10のうち遷移周波数がシフトして光パルス列PTに対する応答が変化する割合は無視できるほど小さい。つまり、魔法周波数のガイドレーザービームGLでは中空光導波路120でも残りうる動径方向の光ポテンシャル強度変化に関して許容度が大きくなる利点がある。
In particular, when the frequency of the guide laser beam GL is selected as the magic frequency (above), the optical shifts brought to the two levels are equal, so that the motion orthogonal to the z-axis in the
干渉縞の測定のためには、中空の通路124の内部にある原子10の2つの準位それぞれの占有数を検出するための検出パルスが採用される。例えば、内部状態が基底状態|1>にある87Srを、図4Bにおいて|3>と記した双極子遷移する状態に共鳴レーザー光で励起すれば、|1>と|3>の間のLIFでの蛍光量から|1>の占有数を決定することができる。|2>の占有数は、|1>と|2>の占有数を反転させるようなπパルスを予め照射してから、同様に|3>との間でのLIFにより|1>の占有数を決定することで求めることができる。|1>の占有数をNS、|2>の占有数をNPとしたときNP/(NS+NP)を求めれば励起状態の比率を算出できる。干渉縞を得るためには、図2の場合と同様に、光パルス列PTのうちの2回のπ/2パルスのうちのどちらか一方の光の位相オフセットを、πパルスおよび他方のπ/2パルスを基準にして動かしつつ当該比率を求める手法が採用できる。同様に、遷移周波数とほぼ同一と言いうる範囲において光パルス列PTのための光の周波数をチャープさせながら当該比率を求める手法によっても、干渉縞を得ることができる。原子干渉計100では、ガウシアンビームの場合で得られた図2Aの干渉縞よりも、同じパルス間隔では大きなビジビリティを示す原子干渉計の動作が十分期待できる。また、ガウシアンビームの場合で得られた図2Bのパルス間隔Tとビジビリティの関係よりも、より長いパルス間隔Tまで消失しないビジビリティが期待できる。このため、より高い感度での加速度測定の途が開かれる。しかも、中空光導波路120のために長い距離にわたって一様なガイドポテンシャルUGLが実現するため、相互作用時間を延ばせる。これによって式(2)のパルス間隔Tを大きくとれることとなって感度を高めることが可能となる。
For the measurement of the interference fringes, a detection pulse for detecting the occupancy number of each of the two levels of the
なお検出パルスは、必ずしも中空の通路124の光軸となるz軸に沿い第1端1202または第2端1204を通って中空の通路124の内部に照射したりz軸上のみで検出することは要さない。例えば中空光導波路120がIC導波HC−PCFである場合、筒状壁122には光のバンドギャップが形成されないことから、筒状壁122を透過して中空の通路124の外部から検出パルスの光を検出できる場合がある。このため、IC導波HC−PCFを採用することにより、例えば中空の通路124のうち第1端1202または第2端1204の間の原子が存在する位置かを筒状壁122の外部に漏れる検出パルスの位置的な分布によって決定できる利点もある。
It should be noted that the detection pulse may not necessarily irradiate the inside of the
1−3.光導波路の減衰への対策
図4Bに示したように、第1端1202から第2端1204の間でガイドポテンシャルUGLは一定値をもつが、中空光導波路120のためにHC−PCFといった現実の要素を採用すると、光を導波する際に減衰を伴う場合もある。そのような場合には、ガイドレーザー光源140からの光を最初に第2端1204から入射させて測定を行い、次に第1端1202から入射させて測定を行う、というように反転させることが有用である。このためには、ガイドレーザー光源140からの光を中空光導波路120の反対側から入射させるような反転機構を備えていることが好ましい。
1-3. Countermeasures against attenuation of the optical waveguide As shown in FIG. 4B, the guide potential UGL has a constant value between the
1−4.原子種
本実施形態では、原子10のための原子種は、長寿命の準安定状態を有する原子およびイオンからなる群から選択され、さらに具体的には、イッテルビウム(Yb)、水銀(Hg)、ストロンチウム(Sr)、カドミウム(Cd)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、およびカルシウム(Ca)からなる群から選択される。これらの原子は、電子状態によって原子の状態を検出できるため、本実施形態の干渉計の動作に適している。また、これらの原子種のうち、重い原子であるYbやHgでは、加速度の測定値に対する、中空光導波路120の減衰に起因する補正量を減少させうる利点もある。
1-4. Atomic species In this embodiment, the atomic species for
2.応用例
上述した本実施形態の原子干渉計は種々の用途に適用することができる。
2−1.多次元加速度計
本実施形態の原子干渉計100は1次元の加速度に対し感応する構成であり、組み合わせることによってより多次元、特にx、y、z軸をもつ3次元のデカルト座標系の加速度を測定できる3次元用の原子干渉計200を構成することもできる。図5は、図3Aに示した原子干渉計100を組み合わせることにより、個別の方向については原子干渉計100と同様の性能を実現するような3次元動作の原子干渉計200の光導波路の構成を示す斜視図である。例えば、原子干渉計100の中空光導波路120のために採用したHC−PCFと同様の構成をもつ中空光導波路120x、120y、120zを各方向に合わせて例えば図5に示すように向けることが有用である。また、用途次第で2次元原子干渉計を構成することもできる。これらの多次元原子干渉計では、ガイドレーザー光源140、原子供給部160、プローブレーザー光源180といった共通した構成要素は必ずしも次元の数だけもつ必要はない。必要な次元に合わせて中空光導波路120を増設し、他の構成要素は適宜必要な変形を伴うのみで、多次元での高感度な原子干渉計を簡易な改良により実現することができる。
2. 2. Application Example The atom interferometer of the present embodiment described above can be applied to various uses.
2-1. Multidimensional Accelerometer The
2−2.勾配計(gradiometer)
本実施形態の原子干渉計は、3次元のもの以外にも、複数の原子群を利用することにより差動動作を行って高い精度の加速度測定を行うことができる。プローブレーザーのノイズのために感度が劣化するような問題に対しては、本実施形態の原子干渉計100(図3)を2つ配置して差動動作を行うことが有効である。その差動動作は、典型的には二つの動作により実現され、一つは測定量自体が差分を測定するものであり共通の振動ノイズを除去し、加速度の位置勾配を測定する勾配計である。もう一つは、測定量ではなくプローブレーザーの通し方を工夫するものである(2−5の欄にて後述)。
2-2. Gradientometer
In addition to the three-dimensional atom interferometer of the present embodiment, it is possible to perform differential operation and perform highly accurate acceleration measurement by using a plurality of atomic groups. For the problem that the sensitivity is deteriorated due to the noise of the probe laser, it is effective to arrange two atom interferometers 100 (FIG. 3) of the present embodiment and perform differential operation. The differential operation is typically realized by two operations, one is a gradient meter that measures the difference in the measured quantity itself, removes common vibration noise, and measures the position gradient of acceleration. .. The other is to devise a way of passing the probe laser instead of the measured quantity (described later in the column of 2-5).
図6Aは、このような勾配を測定するために改良した原子干渉計300の典型的な構成において、光導波路の構成とプローブレーザー光源180の構成を示す配置図である。第1光導波路である中空光導波路120aと第2光導波路である中空光導波路120bは、この典型的な構成では中空の通路が共通の一の直線Lに沿っている。なお、中空光導波路120aと中空光導波路120bは双方の近い側の端部が接していたり、中空光導波路120aと中空光導波路120bが一本の光導波路の部分であっても構わない。中空光導波路120aと中空光導波路120bそれぞれの中空の通路の内部に原子10が供給されて、プローブレーザー光源180からの光パルスPTは、共通の一の直線Lに沿って中空光導波路120bと中空光導波路120aを通るように供給される。このような構成とすれば、プローブレーザーの位相ゆらぎによるノイズがコモンモード(同相成分)の外乱となることによって除去され、量子限界の感度で加速度の勾配を測定することができる。なお、加速度は上記直線Lつまりz軸方向について測定されるので、中空光導波路120aと中空光導波路120bが一つのシャーシなど共通した基体に搭載されていれば、地面の微小な振動などがシャーシに伝わっても同相成分となるので高感度に測定できる。
FIG. 6A is a layout diagram showing the configuration of the optical waveguide and the configuration of the probe
プローブレーザーの位相ゆらぎが加速度の勾配の測定において同相成分となるのは次の理由からである。図6Aに示したように、中空光導波路120bおよび中空光導波路120aそれぞれの原子10について、順に、位置をz1、z2、測定される位相をΔφ1、Δφ2、加速度をa1、a2とする。測定される位相シフトはΔφ=kaT2であり(式(2))、そこにはプローブレーザー光源180が持つ位相ゆらぎδφ=ωσyT(ただしσyは、プローブレーザー光源のアラン偏差)だけの不確かさが含まれることとなる。しかし加速度の勾配Δazを測定すると、
Δaz=a1−a2=(Δφ2+δφ−(Δφ1+δφ))/(kT2)
となるため、位相ゆらぎδφに左右されない値が算出される。なお、このような高感度の勾配計では、例えば中空光導波路120aと中空光導波路120bを囲むように配置した質量体70による万有引力定数の測定、といった微小な加速度勾配の計測も可能となる。
The phase fluctuation of the probe laser becomes an in-phase component in the measurement of the acceleration gradient for the following reasons. As shown in FIG. 6A, for each
Δa z = a 1 −a 2 = (Δφ 2 + δφ- (Δφ 1 + δφ)) / (kT 2 )
Therefore, a value that is not affected by the phase fluctuation δφ is calculated. With such a high-sensitivity gradient meter, it is possible to measure a minute acceleration gradient, for example, measurement of a universal gravitational constant by a
2−3.回転計
本実施形態の原子干渉計は、回転による遠心力を検出する動作のために採用することもできる。回転による遠心力を測定できる原理は加速度の勾配を計測するものと同様であり、その構成も図6Aに関連して上述した勾配計となる原子干渉計300のものと同様である。例えばxy平面に含まれるある軸に平行な軸回りの回転は、その回転軸が中空光導波路120aと中空光導波路120bが沿う直線Lを通っているかどうかにも、また、その回転軸が中空光導波路120aと中空光導波路120bそれぞれの原子10の間にあるかどうかにもかかわらず、検出することができる。この回転計の動作では、原子干渉計100全体の回転運動の回転軸が図6Aに示すz軸に平行でない任意の軸であれば回転を検出可能であり、同相成分が除去される効果が発揮され、回転情報が精度よく決定できる。
2-3. Tachometer The atomic interferometer of the present embodiment can also be adopted for the operation of detecting the centrifugal force due to rotation. The principle of measuring the centrifugal force due to rotation is the same as that of measuring the gradient of acceleration, and the configuration thereof is also the same as that of the
2−4.長基線長での計測
本実施形態の原子干渉計は、長基線長で重力勾配計や重力波干渉計のために適用することもできる。この場合も、位置を離して本実施形態の原子干渉計100を2つ配置すれば原理的には測定は不可能ではない。その用途ではプローブレーザー光源180に生じうる位相ゆらぎ等の外乱がコモンモードとなって除去される構成が好ましい。図6Bは、長基線長での計測のために改良した原子干渉計400の光導波路の構成とガイドレーザー光源140の構成を示す配置図である。第1光導波路である中空光導波路120bと第2光導波路である中空光導波路120dは、中空の通路が共通の方向(z軸方向)に延びるように配置されている。第1光導波路である中空光導波路120cと第2光導波路である中空光導波路120dは、例えば光ファイバー192により接続されてガイドレーザービームGLが共通したプローブレーザー光源180から供給される。中空光導波路120cと中空光導波路120dそれぞれの中空の通路の内部に原子10が供給されて測定を行う際にこのように構成したプローブレーザー光源180を利用すれば、プローブレーザー光源180の位相ゆらぎをコモンモードの外乱として除去することができる。光ファイバー192を用いればドップラーキャンセレーションを行うことも容易となる。また光ファイバー192に代えて中空光導波路120cおよび中空光導波路120dをリレー光学系194で接続することによって、プローブレーザー光源180の位相ノイズなどコモンモードとなる外乱を除去できて有用である。このような構成では長い基線で動作する高感度な重力波干渉計を実現することができる。
2-4. Measurement at long baseline length The atomic interferometer of this embodiment can also be applied to a gravity gradient meter or a gravitational wave interferometer with a long baseline length. In this case as well, measurement is not impossible in principle if two
2−5.加速度測定でのレーザー位相ゆらぎの除去
本実施形態の原子干渉計で複数の原子群を利用した差動動作を採用しプローブレーザーの通し方を工夫すれば、加速度の測定においてプローブレーザーの位相ゆらぎを除去することも可能である。図7Aは、プローブレーザーの位相ゆらぎを除去して加速度を測定できる典型的な原子干渉計における光導波路の構成と光源の構成を示す配置図である。原子干渉計500では、図7Aに示すように、中空光導波路120aおよび中空光導波路120bが互いに平行に並べられる。そしてプローブレーザー光源180の光パルス列PTは、任意の光学系でリレーすることにより、中空光導波路120aではz軸のプラス向き、中空光導波路120bではマイナス向きとなるように、互いに反平行となるように通す。ガイドレーザー光源140からのガイドレーザービームGLの向きは任意であり、例えばそれぞれを光パルス列PTの向きと反対にしておく。干渉動作は、中空光導波路120aおよび中空光導波路120bそれぞれに原子10が導入されて共通した光パルス列PTにより行われる。この場合、光パルス列PTが中空光導波路120aと中空光導波路120bとで互いに反平行となって伝播の向きが反転しているために、測定される加速度からプローブレーザー光源180の位相ゆらぎの影響が同相成分となって除去される。
2-5. Elimination of Laser Phase Fluctuation in Acceleration Measurement If the atomic interferometer of this embodiment adopts a differential operation using multiple atomic groups and devises a way to pass the probe laser, the phase fluctuation of the probe laser can be detected in the acceleration measurement. It can also be removed. FIG. 7A is a layout diagram showing a configuration of an optical waveguide and a configuration of a light source in a typical atom interferometer capable of measuring acceleration by removing the phase fluctuation of the probe laser. In the
より具体的には、まず図7Aに示すように、中空光導波路120b、中空光導波路120aそれぞれの原子10について、順に、位置をz1、z2、測定される位相をΔφ1、Δφ2、加速度をa1、a2とする。計測される位相シフトは、共通する加速度の測定を中空光導波路120bおよび中空光導波路120aそれぞれで行ったものであり、光パルス列PTの伝播の向きが中空光導波路120bおよび中空光導波路120aそれぞれでz軸のプラス向きおよびマイナス向きとなっていることに注意して式(2)をそれぞれに適用する。つまり、計測される値は中空光導波路120aと中空光導波路120bにおける両位相シフトの差分となり、プローブレーザー光源180が持つ位相ゆらぎδφを含めた場合には、
Δφ2+δφ−(Δφ1+δφ) =Δφ2−Δφ1
=−ka1T2+(ka2T2) (4)
となる。ここで、a1がa2とほぼ同一でありその値をaとおくと、
Δφ2−Δφ1=−2kaT2
となる。この式にはプローブレーザー光源180が持つ位相ゆらぎδφが現われないため、位相ゆらぎに左右されずにz軸方向の加速度aを決定しうることがわかる。
More specifically, first, as shown in FIG. 7A, for each
Δφ 2 + δφ- (Δφ 1 + δφ) = Δφ 2 − Δφ 1
= -Ka 1 T 2 + (ka 2 T 2 ) (4)
Will be. Here, if a 1 is almost the same as a 2 and its value is a, then
Δφ 2 −Δφ 1 = -2kaT 2
Will be. Since the phase fluctuation δφ of the probe
2−6.多次元の加速度測定
本実施形態において上述した差動動作による同相成分のプローブレーザーの位相ゆらぎなどの除去は、多次元の加速度を測定するものに適用することもできる。図7Bは、本発明の実施形態において2次元面内での加速度ベクトルを測定できる典型的な原子干渉計600の光導波路の構成と光源の構成を示す配置図である。原子干渉計600では、中空光導波路120xおよび中空光導波路120yがそれぞれ原子干渉計600に固定されたxyz座標のx軸およびy軸に平行に延びている。プローブレーザー光源180からの光パルス列PTは中空光導波路120xにxのプラス向きで入射し、その後中空光導波路120yをyのマイナス向きに通る。このため、光パルス列PTは中空光導波路120xと中空光導波路120yとで90度の角度をなして伝播している。ガイドレーザー光源140からのガイドレーザービームGLは向きは問われず、例えば光パルス列PTとは逆向きに中空光導波路120yおよび中空光導波路120xを通される。中空光導波路120yおよび中空光導波路120xそれぞれの原子10における位相シフトΔφ2およびΔφ1の間の差分は式(4)と同様にプローブレーザーの位相ゆらぎが同相成分となって除去され、
Δφ2−Δφ1=−kayT2−(kaxT2) (5)
となる。ここで、図7Bに示すように原子干渉計600全体に作用している加速度aがxy平面でx軸から角θの向きに向いているとき、
=kT2a(2)1/2sin(θ+π/4) (6)
と表される。ここでkx、ky(ともにベクトル)は、同じ大きさkをもちそれぞれ+x向きおよび−y向きを向く中空光導波路120xおよび中空光導波路120yにおける光パルス列PTのためのプローブレーザーの波数ベクトルである。式(6)より、例えばz軸回りに原子干渉計600の向きを走査し方向θを増減させることによってΔφ2−Δφ1の最大値を求めると、加速度の方向と最大加速度を決定できる。すなわち、原子干渉計600はプローブレーザーの位相ゆらぎが同相成分として除去されて高精度な測定を行いつつxy平面内での加速度ベクトルを決定するのに有用である。中空光導波路120xと中空光導波路120yとの対のように互いに垂直に組み合わされた原子干渉計(L字干渉計)は、2次元にとどまらず3次元の加速度の方向やその値を決定するために適用することもできる。図5の原子干渉計200に例示されるように3次元的に延びるよう向けられた中空導波路から対となるものを選んで原子干渉計600に準じたL字干渉計を構成すれば、3次元の加速度ベクトルを決定することができる。
2-6. Multidimensional Acceleration Measurement In the present embodiment, the removal of the phase fluctuation of the probe laser of the in-phase component by the differential operation described above can also be applied to the one for measuring the multidimensional acceleration. FIG. 7B is a layout diagram showing a configuration of an optical waveguide and a configuration of a light source of a
Δφ 2 -Δφ 1 = -ka y T 2 - (ka x T 2) (5)
Will be. Here, as shown in FIG. 7B, when the acceleration a acting on the
= KT 2 a (2) 1/2 sin (θ + π / 4) (6)
It is expressed as. Here k x, k y (both vector) is the wave vector of the probe laser for optical pulse train PT in hollow
2−7.多光子運動量移行(LMT、large momentum transfer)動作
ここまで説明した本実施形態の原子干渉計において、干渉の動作は、干渉計のアームに相当する原子の分離を、プローブレーザー光源からの光パルスにおける1光子分の運動量の差に頼っていた。より大きな運動量差を実現するためには、LMT(large momentum transfer)の手法を採用することが有用である(非特許文献4)。図8Aは、LMTの動作のために改良した原子干渉計700の光導波路の構成とプローブレーザー光源による光パルス列の構成を説明する模式図であり、図8Bは、その動作における原子の状態の変化を示す説明図である。原子干渉計700では光パルス列が、原子10の2つの準位についてのπ/2パルス、複数のπパルス、およびπ/2パルスをこの順に含む。図8A、Bではともにπ/2パルスを1つ、πパルスを3つの所まで描いている。この際、光パルス列に含まれる各光パルスは、その少なくともいくつかが光パルス列をなす順に交番する向きで中空の通路124を伝播するように供給される。この場合、図8Bに示すように、πパルスが照射される毎に一方の原子にのみに光子の運動量が足されてゆくことから、運動量の変調量を大きく取ることができて、感度を高めることができる。このLMTの動作では、位相シフトと測定条件との間には、式(2)に代え、
Δφ=NkaT2 (7)
の関係が成立する。ただし、Nは運動量差を与えるプローブ光の光子数であり、他は式(2)と同様である。このようにLMTでは加速度測定の感度を高めることができる。なお、このような動作は、原子を分離させる機能をπ/2パルスを1つだけではなくその後のいくつかのπパルスまで使って実現している。最終的に干渉縞を得るには再度2つの原子を干渉させる必要があるため、運動量が小さく遅れて進む原子は、その後に同様の手法によって運動量を複数の光子分だけ加えて進ませ、他方の進んでいた原子からは複数の光子分の運動量を放出させて遅らせて、両者のタイミングをそろえて最後にπ/2パルスで干渉させる。
2-7. Multiphoton momentum transfer (LMT) operation In the atom interferometer of the present embodiment described so far, the interference operation separates the atoms corresponding to the arms of the interferometer in the optical pulse from the probe laser light source. It relied on the difference in momentum for one photon. In order to realize a larger momentum difference, it is useful to adopt a method of LMT (large momentum transfer) (Non-Patent Document 4). FIG. 8A is a schematic diagram illustrating the configuration of the optical waveguide of the
Δφ = NkaT 2 (7)
Relationship is established. However, N is the number of photons of the probe light that gives the momentum difference, and the others are the same as in the equation (2). In this way, LMT can increase the sensitivity of acceleration measurement. It should be noted that such an operation realizes the function of separating atoms by using not only one π / 2 pulse but also several subsequent π pulses. Since it is necessary to interfere the two atoms again in order to finally obtain the interference fringes, the atom having a small momentum and advancing with a delay is then advanced by adding the momentum by a plurality of photons by the same method, and the other atom is advanced. Momentum of multiple photons is emitted from the advancing atom to delay it, and the timing of both is aligned and finally they interfere with each other with a π / 2 pulse.
2−8.光格子
本願の発明者は、特許文献1にて筒状壁をもつ中空の通路を利用する高性能な光格子時計を提案している。この光格子時計は、全く別の目的の装置であるが、本願における原子干渉計と近い要素を利用するものである。本願においても、ガイドレーザービームを中空光導波路120の両側から中空の通路124に入射させれば、中空の通路124の内部に光格子を形成することができる。そうして形成される光格子は、原子10の速度を制御するために使用することができ、また、その状態からガイドレーザービームの一方を止めるだけで本実施形態にて説明した進行波のガイドレーザービームに戻すことができる。このため、原子干渉計100を含む本実施形態の原子干渉計において、ガイドレーザービームおよび追加のレーザービームの周波数が互いに他からシフトされることより、その光格子を、中空の通路の延びる方向である軸方向に中空の通路の内部を移動可能なものとすることは有用である。具体的には、そのような光格子を使えば、中空の通路124への原子10の導入の操作や、または原子10の初期状態の制御を容易に行うことができる。
2-8. Optical lattice The inventor of the present application proposes a high-performance optical lattice clock using a hollow passage having a tubular wall in
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の実施形態、変形例および実施例は、本出願において開示される発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。また、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行うものも本出願の発明の範囲に含まれている。
The embodiment of the present invention has been specifically described above. The above-described embodiments, modifications and examples are described for the purpose of explaining the invention disclosed in the present application, and the scope of the invention of the present application should be defined based on the description of the scope of claims. It is a thing. Modifications that exist within the scope of the invention, including other combinations of embodiments, are also within the scope of the claims. Also included in the scope of the invention of the present invention are various modifications, combinations, sub-combinations, and alternatives with respect to the components of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or the equivalent thereof. There is.
本発明は、高感度の原子干渉計として、または原子干渉計を利用する任意の機器として使用可能である。
The present invention can be used as a highly sensitive atom interferometer or as any device that utilizes an atom interferometer.
100、200、300、400、500、600、700 原子干渉計
10 原子
70 質量体
120、120a、120b、120c、120d 中空光導波路
1202 第1端
1204 第2端
122 筒状壁
124 中空の通路
140 ガイドレーザー光源
160 原子供給部
180 プローブレーザー光源
192 光ファイバー
194 リレー光学系
PT 光パルス列
GL ガイドレーザービーム
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700
Claims (20)
2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を前記中空の通路の内部に供給するための原子供給部と、
前記第1端または前記第2端のいずれか一方から他方に向けて前記中空の通路の内部を伝播し前記原子をガイドする進行波のレーザービームであるガイドレーザービームを供給するガイドレーザー光源と、ここで、該ガイドレーザービームは、前記中空の通路の内部の各位置において、前記原子に対し、該中空の通路の延びる方向である軸方向には実質的に力を作用させないガイドポテンシャルを生成するものであり、
前記2つの準位間の遷移周波数と同一またはほぼ同一の周波数をもつ光による光パルス列を、前記第1端または前記第2端のいずれか一方から前記中空の通路の内部に供給するプローブレーザー光源であって、前記光パルス列は、前記原子の前記2つの準位についてのπ/2パルス、πパルス、およびπ/2パルスをこの順に含むものである、プローブレーザー光源と
を備える原子干渉計。 An optical waveguide with a hollow passage extending from the first end to the second end,
An atom supply unit for supplying an atom having an electronic state that can cause a transition between two levels into the inside of the hollow passage, and an atom supply unit.
A guide laser light source that supplies a guide laser beam, which is a laser beam of a traveling wave that propagates inside the hollow passage toward the other from either the first end or the second end and guides the atom. Here, the guide laser beam generates a guide potential that substantially does not exert a force on the atom in the axial direction, which is the extending direction of the hollow passage, at each position inside the hollow passage. It is a thing
A probe laser light source that supplies an optical pulse train with light having the same or substantially the same frequency as the transition frequency between the two levels from either the first end or the second end into the hollow passage. An atomic interferometer comprising a probe laser light source, wherein the optical pulse train includes π / 2, π, and π / 2 pulses for the two levels of the atom in that order.
前記光パルス列をなす前記光パルスの周波数が、該魔法周波数の前記ガイドレーザービームの摂動を受けている前記原子の前記遷移周波数と同一またはほぼ同一になっている、
請求項1に記載の原子干渉計。 The guide laser beam has a magic frequency at which the optical potential of itself is the frequency at which the optical shifts caused by perturbation to the two levels of the atom are equal to each other.
The frequency of the optical pulse forming the optical pulse train is the same as or substantially the same as the transition frequency of the atom undergoing the perturbation of the guide laser beam of the magic frequency.
The atomic interferometer according to claim 1.
該ガイドレーザービームが生成する前記ガイドポテンシャルは、該中空の通路の内部の各位置において、前記原子に対し、前記軸方向に直交する方向である動径方向には該中空の通路の中心軸に向かう引力を作用させるものである、
請求項1に記載の原子干渉計。 The optical waveguide guides the guide laser beam supplied by the guide laser light source so as to have an intensity center inside the hollow passage.
The guide potential the guide laser beam is generated, at each position within the hollow passage, the atom to the central axis of the hollow passages in the radial direction which is a direction orthogonal to the axis Direction it's also Ru by the action of attraction towards,
The atomic interferometer according to claim 1.
請求項3に記載の原子干渉計。 The optical waveguide is a hollow core photonic crystal fiber (HC-PCF) having a tubular wall of photonic crystals surrounding the hollow passage.
The atom interferometer according to claim 3.
をさらに備えている請求項1に記載の原子干渉計。 The atom interferometer according to claim 1, further comprising an inversion mechanism that inverts the propagation direction of the guide laser beam from the guide laser light source in the hollow passage.
をさらに備えている請求項1に記載の原子干渉計。 The first aspect of claim 1 is further comprising a detection laser light source that supplies a detection pulse for detecting the occupancy of each of the two levels of the atom inside the hollow passage to the inside of the hollow passage. Atom interferometer.
前記追加のレーザービームは、前記中空の通路の内部で、前記ガイドレーザービームに対向して伝播して光格子となる定在波を形成しうるものであり、
該光格子は、前記ガイドレーザービームおよび前記追加のレーザービームの周波数が互いに他からシフトされることより、前記中空の通路の延びる方向である軸方向に前記中空の通路の内部を移動可能なものである、
請求項1に記載の原子干渉計。 The guide laser light source can simultaneously supply the guide laser beam and an additional laser beam.
The additional laser beam can form a standing wave inside the hollow passage that propagates against the guide laser beam to form an optical lattice.
The optical lattice is capable of moving inside the hollow passage in the axial direction, which is the extending direction of the hollow passage, because the frequencies of the guide laser beam and the additional laser beam are shifted from each other. Is,
The atomic interferometer according to claim 1.
請求項1に記載の原子干渉計。 The atom is selected from the group consisting of atoms and ions having a long-lived metastable state.
The atomic interferometer according to claim 1.
請求項8に記載の原子干渉計。 The atom is selected from the group consisting of ytterbium (Yb), mercury (Hg), strontium (Sr), cadmium (Cd), zinc (Zn), magnesium (Mg), and calcium (Ca).
The atom interferometer according to claim 8.
前記ガイドレーザー光源は、該第1光導波路および該第2光導波路の前記第1端または前記第2端のいずれか一方から他方に向けて前記中空の通路の内部を伝播する進行波のガイドレーザービームを供給するものであり、
前記原子供給部は、2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を該第1光導波路および該第2光導波路の前記中空の通路の内部に供給するためのものであり、
前記プローブレーザー光源は、前記光パルス列を、該第1光導波路および該第2光導波路の前記第1端または前記第2端のいずれか一方から前記中空の通路の内部に供給するものである、
請求項1に記載の原子干渉計。 In addition to the optical waveguide, that is, the first optical waveguide, a second optical waveguide having hollow passages extending from the first end to the second end is further provided.
The guide laser light source is a traveling wave guide laser propagating inside the hollow passage from either the first end or the second end of the first optical waveguide and the second optical waveguide toward the other. It supplies the beam and
The atom supply unit is for supplying an atom having an electronic state that can cause a transition between two levels into the inside of the hollow passage of the first optical waveguide and the second optical waveguide. can be,
The probe laser light source supplies the optical pulse train from either the first end or the second end of the first optical waveguide and the second optical waveguide into the hollow passage.
The atomic interferometer according to claim 1.
請求項10に記載の原子干渉計。 The first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged non-parallel to each other.
The atom interferometer according to claim 10.
前記ガイドレーザー光源は、該第1〜第3光導波路の前記第1端または前記第2端のいずれか一方から他方に向けて前記中空の通路の内部を伝播する進行波のガイドレーザービームを供給するものであり、
前記原子供給部は、2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を該第1光導波路、該第2光導波路、および該第3光導波路の前記中空の通路の内部に供給するためのものであり、
前記プローブレーザー光源は、前記光パルス列を、該第1〜第3光導波路の前記第1端または前記第2端のいずれか一方から前記中空の通路の内部に供給するものである、
請求項10に記載の原子干渉計。 In addition to the first optical waveguide and the second optical waveguide, a third optical waveguide having a hollow passage extending from the first end to the second end is further provided.
The guide laser light source supplies a guided laser beam of a traveling wave propagating inside the hollow passage from either one of the first end or the second end of the first to third optical waveguides toward the other. To do
The atom supply unit has an atom having an electronic state in its internal state that can cause a transition between two levels, inside the hollow passage of the first optical waveguide, the second optical waveguide , and the third optical waveguide. Is for supply to
The probe laser light source supplies the optical pulse train from either the first end or the second end of the first to third optical waveguides into the hollow passage.
The atom interferometer according to claim 10.
前記原子供給部は、第1光導波路と前記第2光導波路それぞれの中空の通路の内部に前記原子を供給するものであり、
前記プローブレーザー光源は、前記共通の一の直線に沿って前記第1光導波路と前記第2光導波路を通るように前記光パルスを供給するものである
請求項10に記載の原子干渉計。 The first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged so that their hollow passages are arranged along a common straight line.
The atom supply unit supplies the atom to the inside of the hollow passage of each of the first optical waveguide and the second optical waveguide.
The atom interferometer according to claim 10, wherein the probe laser light source supplies the optical pulse so as to pass through the first optical waveguide and the second optical waveguide along the common straight line.
前記原子供給部は、第1光導波路と前記第2光導波路それぞれの中空の通路の内部に前記原子を供給するものであり、
前記プローブレーザー光源からの前記光パルスが、前記第1光導波路および前記第2光導波路それぞれの中空の通路の内部において互いに反平行かまたはある角度をなして伝播するように供給されている
請求項10に記載の原子干渉計。 The first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged parallel to each other or at an angle.
The atom supply unit supplies the atom to the inside of the hollow passage of each of the first optical waveguide and the second optical waveguide.
Claimed that the optical pulse from the probe laser light source is supplied so as to propagate in the hollow passages of the first optical waveguide and the second optical waveguide so as to be antiparallel to each other or at an angle. 10. The atomic interferometer according to 10.
2つの準位間で遷移を起こしうる電子状態を内部状態に持つ原子を、前記ガイドレーザービームが供給されている前記中空の通路の内部に供給する段階と、
前記2つの準位間の遷移周波数と同一またはほぼ同一の周波数をもつ光による光パルス列を、前記第1端または前記第2端のいずれか一方から、前記ガイドレーザービームにより前記原子がガイドされている前記中空の通路の内部に供給する干渉動作段階と
を含み、前記ガイドレーザービームは、前記中空の通路の内部の各位置において、前記原子に対し、該中空の通路の延びる方向である軸方向には実質的に力を作用させないガイドポテンシャルを生成するものである、原子干渉計の動作方法。 Inside the hollow passage extending from the first end to the second end, a guided laser beam of a traveling wave propagating inside the hollow passage from either one of the first end or the second end toward the other is emitted. The supply stage and
A step of supplying an atom having an electronic state that can cause a transition between two levels into the inside of the hollow passage to which the guide laser beam is supplied, and a step of supplying the atom to the inside of the hollow passage to which the guide laser beam is supplied.
The atom is guided by the guide laser beam from either the first end or the second end of an optical pulse train with light having the same or almost the same frequency as the transition frequency between the two levels. look including the interference operation supplying the inside of the hollow passages are, the guide laser beam, at each position within said hollow passage, with respect to the atom is a direction of extension of the hollow passageway axis A method of operating an atom interferometer that creates a guide potential with virtually no force acting in the direction.
前記干渉動作段階を再度行う段階と
をさらに含む請求項15に記載の原子干渉計の動作方法。 After the interference operation step, a step of reversing the propagation direction between the first end and the second end of the guide laser beam in the hollow passage to supply the guide laser beam.
The method of operating an atomic interferometer according to claim 15, further comprising a step of performing the interference operation step again.
前記光パルス列をなす前記光パルスの周波数が、該魔法周波数の前記ガイドレーザービームの摂動を受けている前記原子の前記遷移周波数と同一またはほぼ同一になっている、
請求項15に記載の原子干渉計の動作方法。 The guide laser beam has a magic frequency at which the optical potential of itself is the frequency at which the optical shifts caused by perturbation to the two levels of the atom are equal to each other.
The frequency of the optical pulse forming the optical pulse train is the same as or substantially the same as the transition frequency of the atom undergoing the perturbation of the guide laser beam of the magic frequency.
The method of operating the atom interferometer according to claim 15.
をさらに含む請求項15に記載の原子干渉計の動作方法。 15. The 15. 10. How to operate the atom interferometer.
請求項15に記載の原子干渉計の動作方法。 The optical pulse train comprises π / 2, π, and π / 2 pulses for the two levels of the atom, in that order.
The method of operating the atom interferometer according to claim 15.
前記光パルス列に含まれる各光パルスは、その少なくともいくつかが該光パルス列をなす順に交番する向きで前記中空の通路を伝播するように供給されるものである
請求項15に記載の原子干渉計の動作方法。 The optical pulse train contains π / 2 pulses, a plurality of π pulses, and π / 2 pulses for the two levels of the atom in this order.
The atom interferometer according to claim 15, wherein each optical pulse included in the optical pulse train is supplied so as to propagate through the hollow passage in a direction in which at least some of them alternate in the order of forming the optical pulse train. How it works.
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