KR101809402B1 - 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프 - Google Patents

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임신혁
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Abstract

본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프는, 레이저빔을 조사(照射)하는 레이저 다이오드(11)와, 상기 레이저빔을 확대 평행빔으로 형성하는 렌즈(12)와, 서로 이격된 위치에 상기 레이저빔이 관통할 수 있는 복수의 관통공이 각각 형성되는 제1 빔마스크(13)와, 상기 제1 빔마스크(13)와 이격된 위치에서 상기 레이저빔이 관통할 수 있고, 상기 제1 빔마스크(13)에 에 형성된 관통공과 마주보는 위치에 복수의 관통공이 각각 형성되는 제2 빔마스크(14)와, 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14) 사이에설치되고, 상기 레이저빔을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분할하는 편광빔스플리터(15)와, 상기 제2 빔마스크(14)의 후방에 설치되어, 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14)를 통과한 상기 레이저빔의 일부는 통과시키고, 나머지 일부는 상기 제1 빔마스크(13) 쪽으로 반사시키는 미러블록(18)과, 상기 미러블록(18)의 중심에 설치되어 상기 미러블록(18)을 관통하는 레이저빔과 상기 미러블록(18)에서 반사되는 레이저빔이 통과하는 원자가스쉘(19)과, 상기 미러블록(18)의 외측에 설치되어 상기 원자가스쉘(19)을 통과하는 레이저빔을 광펌핑하는 코일(20) 및 상기 미러블록(18)을 통과한 레이저빔, 상기 편광빔스플리터(15)에서 분리된 수평방향의 레이저빔과 수직방향의 레이저빔을 각각 감지하는 제1~3 포토다이오드(21)(22)(23)를 포함한다.

Description

단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프{ATOM SPIN GYROSCOPE USING A SINGLE LASER BEAM}
본 발명은 단일 광선을 이용하여 회전량을 측정하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프에 관한 것이다.
도 1에는 종래기술에 따른 원자 스핀 자이로스코프의 구조가 도시되어 있다.
제1 레이저 다이오드(111)로부터 조사된 레이저빔이 제1 렌즈(112)와 제1 편광판(113) 및 제1 파장판(114)을 통과하여, 알칼리 원자(루비듐, 세슘등)와 노블 가스(Xe), 질소등으로 채워진 원자 가스쉘(131)로 투과된다. 마찬가지로, 상기 제1 레이저 다이오드(111)와 수직하게 배치된 제2 레이저 다이오드(121)로부터 조사된 레이저빔이 제2 렌즈(122)와 제2 편광판(123) 및 제2 파장판(124)을 통과하여, 상기 원자 가스쉘(131)로 투과된다. 상기 제1 파장판(114)은 1/4 파장판이 되고, 상기 제2 파장판(124)은 1/2 파장판이 될 수 있다.
상기 제1 레이저 다이오드(111)의 광축상에는 DC자기장 코일(115)이 설치되고, 상기 제1 레이저 다이오드(111)로부터 조사된 레이저빔은 상기 원자가스쉘(131)을 통과한 후, σ+ 편광으로 광펌핑된 후 제1 포토다이오드(116)로 입사된다.
상기 제2 레이저 다이오드(121)의 관축상에는 편광빔스플리터(125)가 설치되어, 수평편광과 수직편광으로 분리 한 후, 각각 제2 포토다이오드(126)와 제3 포토다이오드(127)로 입사된다.
상기 원자가스쉘(131) 내부에서 알칼리 원자와 노블 가스 원자의 스핀은 제각각 다른 방향을 향하고 있는데, 이때, 상기 DC자기장 코일(115)을 이용하여 양자축 정의를 위한 균일한 자기장을 걸어주고, ?+ 편광의 광펌핑 레이저를 자기장에 수평한 방향으로 상기 원자가스셀(131)에 입사시키면 알칼리 원자의 스핀이 자기장 방향(z방향)으로 정렬된다. 원자셀에서는 알칼리 원자와 노블 가스 원자와의 스핀 교환 충돌이 연속하여 일어나고 있으므로 알칼리 원자의 정렬된 스핀이 노블 가스로 옮겨가게 된다. 충분한 시간(노블 가스에 따라 수분에서 수시간)이 지나면 원자셀의 알칼리 원자 및 노블 가스의 스핀이 모두 자기장 방향으로 정렬된다.
상기 노블 가스 원자의 스핀(μnb)은 z축을 중심으로 라모어 주파수(ωnb = γnbB0, γnb는 노블 가스의 gryomagnetic ratio, B0는 자기장의 세기)에 해당하는 주파수로 세차 운동을 하게 된다. 그러나 스핀의 세차 운동의 위상이 각 원자마다 전부 다르기 때문에, 추가적인 AC 자기장 코일을 사용하여 스핀의 세차 운동을 결맞게 만들어 준다. 이제 노블 가스 원자의 스핀은 아무 저항 없이 움직이는 회전체처럼 생각할 수 있으므로, 회전(회전 각속도 Ω)이 입력오면 측정되는 라모어 주파수는 ωnb = γnbB0±Ω가 된다. 라모어 주파수에서의 부호는 회전방향에 의하여 바뀌는 값이다. 노블 가스 원자 스핀의 세차 운동은 다시 자기장을 발생시킨다. 알칼리 원자의 스핀(μak)은 노블 가스에 의한 자기장과 걸어주는 자기장의 합에 해당하는 축으로 세차 운동을 하게 된다. 그 때의 알칼리 원자의 세차 주파수는 ωnb ≒ γakB0으로 빠르게 회전하는 성분과 노블 가스의 세차 운동에 의한 자기장 변화, 즉 ωnb = γnbB0±Ω로 주파수로 느리게 변화하는 성분을 갖게 된다. 즉, 알칼리 원자의 라모어 주파수를 측정함으로써 회전량 변화를 측정할 수 있게 된다.
라모어 주파수의 검출을 위하여 대표적으로 패러데이 회전 효과를 측정하는 방식이 쓰인다. 선형 편광의 검출 레이저를 원자셀에 입사시키면, 좌원 편광과 우원 편광의 빔이 서로 다른 위상을 느끼고, 이로 인하여 선형 편광이 회전하게 되는데, 이 편광 변화를 편광 빔스플린터를 통과한 검출 레이저 광선의 세기 변화로 측정하는 방식이다. 알칼리 원자의 스핀이 세차 운동하고 있다면 알칼리 원자의 스핀 방향에 따라 편광 변화 정도가 달라지게 된다. 따라서 편광 변화 정도의 주파수를 알아냄으로서 라모어 주파수를 검출할 수 있다.
상기와 같은 원자 스핀을 이용한 회전량 측정장치, 즉, 원자 스핀 자이로스코프에서는 광펌핑 레이저와 검출 레이저 두 개의 레이저가 필요하다. 그리고 그 편광은 각각, ?+ 편광과 선형 편광을 가지고 있어야 한다. 따라서 상기 렌즈(112)(122), 편광판(113)(123), 파장판(114)(123) 등의 광학부품의 개수가 상기 레이저 빔의 개수에 비례하여 증가하고, 전체적인 크기가 증가하는 단점이 있다. 덧붙여 레이저 세기나 주파수 변화로 인한 검출빔의 세기 변화는 편광 변화를 유도하는 것에 방해가 되므로 레이저 세기 및 주파수 안정화가 필요한데, 두 대의 레이저를 각 각 세기 안정화, 주파수 안정화를 해야 하는 복잡함도 존재한다. 검출 시에는 패러데이 효과로 인한 검출빔의 편광이 돌아가는 정도로 회전량을 측정하게 되는데, 이 때 추가로 편광빔스플리터 등의 편광에 따라 빔을 나누는 광학 부품의 사용이 요구되어, 구자가 복잡하게 하고 그 크기를 증가시키게 된다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 '칩 스케일 원자 자이로스코프'에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-2007-0111957A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 크기의 증가를 최소화하면서, 하나의 레이저 광원을 이용하여 광펌핑 레이저와 검출 레이저로 사용할 수 있도록 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프는 레이저빔을 조사하는 레이저 다이오드와, 상기 레이저빔을 확대 평행빔으로 형성하는 렌즈와, 서로 이격된 위치에 상기 레이저빔이 관통할 수 있는 복수의 관통공이 각각 형성되는 제1 빔마스크와, 상기 제1 빔마스크와 이격된 위치에서 상기 레이저빔이 관통할 수 있고, 상기 제1 빔마스크에 에 형성된 관통공과 마주보는 위치에 복수의 관통공이 각각 형성되는 제2 빔마스크와, 상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크 사이에설치되고, 상기 레이저빔을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분할하는 편광빔스플리터와, 상기 제2 빔마스크의 후방에 설치되어, 상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크를 통과한 상기 레이저빔의 일부는 통과시키고, 나머지 일부는 상기 제1 빔마스크 쪽으로 반사시키는 미러블록과, 상기 미러블록의 중심에 설치되어 상기 미러블록을 관통하는 레이저빔과 상기 미러블록에서 반사되는 레이저빔이 통과하는 원자가스쉘과, 상기 미러블록의 외측에 설치되어 상기 원자가스쉘을 통과하는 레이저빔을 광펌핑하는 코일 및 상기 미러블록을 통과한 레이저빔, 상기 편광빔스플리터에서 분리된 수평방향의 레이저빔과 수직방향의 레이저빔을 각각 감지하는 제1 포토다이오드, 제2 포토다이오드 및 제3 포토다이오드를 포함하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
상기 미러블록은, 상기 제2 빔마스크와 상기 원자가스쉘을 통과한 레이저빔이 관통하도록 중앙에 관통부가 형성되고, 상기 관통부의 일측으로 상기 제2 빔마스크를 통과한 레이저빔이 입사되고 상기 레이저빔을 상기 원자가스쉘로 반사키는 입사미러와, 상기 입사미러에서 반사된 레이저빔이 상기 원자가스쉘을 통과한 후 상기 제2 빔마스크로 반사시키는 반사미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 입사미러와 상기 반사미러는 상기 레이저다이오드로부터 조사된 레이저빔의 광축과 각각 45도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 빔마스크에는, 중앙에 형성되어 상기 레이저다이오드로부터 조사된 레이저빔을 통과시키는 제1 관통공과, 상기 제1 관통공과 이격된 위치에 형성되어 상기 입사미러로 입사시키는 제2 관통공과, 상기 제1 관통공 및 상기 제2 관통공와 이격되어, 상기 반사미러로부터 반사된 레이저빔을 통과하는 제3 관통공이 형성되고, 상기 제2 빔마스크에는 상기 제1 관통공, 상기 제2 관통공 및 상기 제3 관통공이 형성된 위치에 대응하는 위치에 각각 제1 관통공, 제2 관통공 및 제3 관통공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 빔마스크의 제1 관통공에는 1/4파장판으로 형성되는 제1 파장판이 설치되고, 상기 제2 빔마스크의 제2 관통공에는 1/2파장판으로 형성되는 제2 파장판이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 미러블록의 외측에는 상기 미러블록의 관통부를 통과한 레이저빔을 감지하는 제1 포토다이오드가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 반사미러에서 반사된 레이저빔은 상기 편광빔스플리터에서 수평방향과 수직방향으로 분리되고, 상기 제1 빔마스크의 제3 관통공에는 상기 편광빔스플리터에서 분리된 수평 편광 성분을 측정하고, 상기 제2 빔마스크를 향하도록 제2 포토다이오드가 설치되며, 상기 편광빔스플리터에서 분리된 수직 평광 성분을 측정하고, 상기 제2 포토다이오드와 수직하게 제3 포토다이오드가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 미러블록은 제로듀어(Zerodur)를 재질로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크는 알루미늄을 양극산화하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크는 흑색의 다공성 플라스틱을 재질로 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프에 따르면, 하나의 광원을 이용하여 광펌핑 레이저와 검출 레이저로 사용할 수 있다.
또한 하나의 레이저 광원을 이용하므로, 2개의 2레이저 광원을 이용한 종래기술 대비 그 크기를 소형화할 수 있고, 구조를 간단히 할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 원자 스핀 자이로스코프를 도시한 개략도.
도 2는 원자 스핀을 이용하여 회전량을 측정하는 원리를 도시한 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프를 도시한 투영사시도.
도 5는 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프에서 미러블록을 도시한 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프에서 빔마스크를 도시한 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프는, 레이저빔을 조사(照射)하는 레이저 다이오드(11)와, 상기 레이저빔을 확대 평행빔으로 형성하는 렌즈(12)와, 서로 이격된 위치에 상기 레이저빔이 관통할 수 있는 복수의 관통공이 각각 형성되는 제1 빔마스크(13)와, 상기 제1 빔마스크(13)와 이격된 위치에서 상기 레이저빔이 관통할 수 있고, 상기 제1 빔마스크(13)에 에 형성된 관통공과 마주보는 위치에 복수의 관통공이 각각 형성되는 제2 빔마스크(14)와, 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14) 사이에설치되고, 상기 레이저빔을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분할하는 편광빔스플리터(15)와, 상기 제2 빔마스크(14)의 후방에 설치되어, 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14)를 통과한 상기 레이저빔의 일부는 통과시키고, 나머지 일부는 상기 제1 빔마스크(13) 쪽으로 반사시키는 미러블록(18)과, 상기 미러블록(18)의 중심에 설치되어 상기 미러블록(18)을 관통하는 레이저빔과 상기 미러블록(18)에서 반사되는 레이저빔이 통과하는 원자가스쉘(19)과, 상기 미러블록(18)의 외측에 설치되어 상기 원자가스쉘(19)을 통과하는 레이저빔을 광펌핑하는 코일(20) 및 상기 미러블록(18)을 통과한 레이저빔, 상기 편광빔스플리터(15)에서 분리된 수평방향의 레이저빔과 수직방향의 레이저빔을 각각 감지하는 제1 포토다이오드(21), 제2 포토다이오드(22) 및 제3 포토다이오드(23)를 포함한다.
레이저 다이오드(11)는 레이저빔을 조사(照射)한다.
렌즈(12)는 상기 레이저 다이오드(11)와 이격된 위치에 설치된다. 상기 렌즈(12)는 상기 레이저 다이오드(11)로부터 조사된 레이저빔을 확대 평행빔으로 형성한다.
제1 빔마스크(13)는 상기 렌즈(12)를 통과한 레이저빔이 통과한다. 상기 제1 빔마스크(13)에는 복수의 관통공이 형성되는데, 3개의 관통공이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제1 빔마스크(13)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 빔마스크(13)의 중심에는 가장 큰 크기로 제1 관통공(13a)이 형성되어, 상기 레이저빔의 스핀정렬을 위한 광펌핑에 사용된다. 상기 제1 관통공(13a)의 양측에 각각 제2 관통공(13b)과 제3 관통공(13c)이 형성되는데, 상기 제2 관통공(13b)은 상기 레이저 다이오드(11)로부터 조사된 레이저빔의 일부가 통과하는 통로가 되고, 상기 제3 관통공(13c)은 후술되는 미러블록(18)에 의해 반사된 레이저빔이 통과하는 통로가 된다. 상기 제1 관통공(13a)의 직경은 나머지 관통공에 비하여 크게 형성되는 것이 바람직하다.
제2 빔마스크(14)는 상기 제1 빔마스크(13)와 이격되게 설치된다. 상기 제2 빔마스크(14)도 상기 제1 빔마스크(13)와 같이, 복수의 관통공이 형성된다. 상기 제2 빔마스크(14)에도 제1 빔마스크(13)와 같이, 제1 관통공(14a), 제2 관통공(14b) 및 제3 관통공(14c)이 형성되고, 그 위치는 각각 상기 제1 빔마스크(13)에 형성된 제1 관통공(13a), 제2 관통공(13b) 및 제3 관통공(13c)에 대응하는 위치에 형성된다. 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14)에 형성된 관통공의 위치가 서로 대응하는 위치(투영하였을 때 동일한 위치)에 형성되도록 한다.
상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14)는 난반사를 줄이기 위하여, 양극 산화된 알루미늄을 재질로 하거나, 흑색의 다공성 플라스틱을 재질로 하는 것이 바람직하다.
편광빔스플리터(15)는 상기 제1 빔마스크(13)와 상기 제2 빔마스크(14) 사이에 설치된다. 상기 편광빔스플리터(15)는 미러블록(18)에 의해 반사된 레이저빔이 상기 제2 빔마스크(14)로부터 상기 제1 빔마스크(13)로 투과할 때, 상기 레이저빔이 수평 편광 성분과 수직 편광 성분으로 분리되도록 한다.
제1 파장판(16)과 제2 파장판(17)은 상기 제2 빔마스크(14)에 설치되어, 상기 제2 빔마스크(14)를 통과하는 레이저빔의 광로차를 형성한다. 상기 제1 파장판(16)은 1/4 파장판으로 제공되고, 상기 제2 파장판(17)은 1/2 파장판으로 제공되어, 각각 λ/4, λ/2의 광로차를 발생시킨다(단, λ는 파장). 이때, 상기 제1 파장판(16)은 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)에 설치되고, 상기 제2 파장판(17)은 상기 제2 빔마스크(14)의 제2 관통공(14b)에 설치된다.
미러블록(18)은 상기 제2 빔마스크(14)를 통과한 레이저빔의 일부는 통과시키고, 상기 제2 빔마스크(14)의 제2 관통공(14b)으로 입사된 레이저빔을 반사시켜, 상기 제2 빔마스크(14)의 제3 관통공(14c)으로 반사시킨다.
이를 위하여, 상기 미러블록(18)은 중앙에 상기 레이저빔이 관통하는 관통부(18c)가 형성된다. 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)을 통과한 레이저빔은 상기 관통부(18c)를 그대로 통과하여 제1 포토다이오드(21)로 입사한다.
상기 관통부(18c)의 양측으로 각각 경사지게 형성된 입사미러(18a)와 반사미러(18b)가 형성된다. 상기 입사미러(18a)는 상기 제2 빔마스크(14)의 제2 관통공(14b)으로부터 입사된 레이저빔을 상기 반사미러(18b)로 반사키고, 상기 반사미러(18b)는 상기 입사미러(18a)에서 반사된 레이저빔을 상기 제2 빔마스크(14)의 제3 관통공(14c)으로 반사시킨다. 상기 입사미러(18a)와 상기 반사미러(18b)는 서로 90도의 간격으로 형성되고, 상기 레이저 다이오드(11)로부터 조사된 레이저빔의 광축, 즉 상기 제1 빔마스크(13)의 제1 관통공(13a)의 중심과 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)의 중심을 연결하는 가상의 직선(도 5에서 z축)과 각각 45도씩 경사지게 형성되도록 한다.
상기 미러블록(18)의 내부에는 원자가스쉘(19)이 위치한다. 즉, 상기 원자가스쉘(19)은 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)과 상기 관통부(18c)의 사이에 위치하면서, 상기 입사미러(18a)와 상기 반사미러(18b)의 사이에 위치한다. 상기 미러블록(18)을 통하여, 상기 레이저다이오드(11)의 레이저빔을 2개의 방향으로 분리하여, 원자가스쉘(19)로 입사되도록 함으로써, 하나의 광원으로 서로 수직한 2방향으로 상기 원자가스쉘(19)로 레이저빔이 입사되도록 한다.
상기 미러블록(18)은 특수 글라스 세라믹인 제로듀어(zerodur)를 재질로 하는 것이 바람직하다. 상기 미러블록(18)이 열팽창계수가 낮은 상기 제로듀어를 재질로 함에 따라, 열에 의한 레이저빔의 경로변화를 최소화할 수 있다. 상기 미러블록(18)이 상기 제로듀어로 형성되고, 상기 입사미러(18a)와 상기 반사미러(18b)가 되는 거울이 상기 제로듀어에 접착되거나, 상기 제로듀어의 표면에 코팅을 하여 상기 입사미러(18a)와 상기 반사미러(18b)를 형성할 수도 있다.
코일(20)은 상기 미러블록(18)의 외측에 감겨진 상태로 구비된다. 상기 코일(20)에 전원이 인가되면, 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)으로부터 상기 원자가스쉘(19)을 통과하는 레이저빔을 광펌핑하는 역할을 한다.
상기 미러블록(18)을 관통한 레이저빔, 상기 편광빔스플리터(15)에서 분리된 수평 편광 성분의 레이저빔 및 상기 편광빔스플리터(15)에서 분리된 수직 편광 성분의 레이저빔을 감지하기 위해서 제1 포토다이오드(21), 제2 포토다이오드(22) 및 제3 포토다이오드(23)가 각각 설치된다.
제1 포토다이오드(21)는 상기 미러블록(18)에서 상기 관통부(18c)의 외측에 설치된다. 상기 제1 포토다이오드(21)는 상기 관통부(18c)를 통과하는 레이저빔의 세기를 측정한다.
제2 포토다이오드(22)와 제3 포토다이오드(23)는 상기 미러블록(18)에서 반사된 레이저빔의 수평 편광 성분과 수직 편광 성분을 감지한다. 이를 위해서, 상기 제2 포토다이오드(22)는 상기 제1 빔마스크(13)의 제3 관통공(13c)에 설치되되 상기 제2 빔마스크(14)를 향하도록 설치된다. 상기 제2 포토다이오드(22)는 상기 편광빔스플리터(15)를 통과한 수평 편광 성분의 세기를 측정한다. 상기 제3 포토다이오드(23)는 상기 제2 포토다이오드(22)와 수직하게 설치되어, 상기 편광빔스플리터(15)를 통과한 수직 편광 의 세기를 측정한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 레이저다이오드(11)로부터 조사된 레이저빔은 상기 렌즈(12)를 통과하면서 확대 평행빔이 된다. 상기 렌즈(12)를 통과한 레이저빔은 상기 제1 빔마스크(13)로 입사된다. 상기 제1 빔마스크(13)에 형성된 제1 관통공(13a) 내지 제3 관통공(13c) 중에서, 상기 제3 관통공(13c)에는 제2 포토다이오드(22)가 설치되어 있으므로, 상기 레이저빔은 상기 제1 빔마스크(13)에서 상기 제1 관통공(13a)과 상기 제2 관통공(13b)으로만 입사된다. 상기 제1 빔마스크(13)의 상기 제1 관통공(13a)을 통과한 레이저빔은 스핀 정렬을 위한 광펌핑을 측정하는데 사용되고, 상기 제2 관통공(13b)을 통과한 레이저빔은 스핀에 의한 검출 광선의 편광변화를 측정의 검출에 사용된다.
상기 제1 빔마스크(13)를 통과한 레이저빔은 상기 편광빔스플리터(15)를 통과하여, 편광이 수평으로 정의된다.
상기 편광빔스플리터(15)를 통과한 레이저빔은 상기 제2 빔마스크(14)를 통과한다. 상기 제2 빔마스크(14)의 제1 관통공(14a)을 통과시에는 상기 제1 파장판(16)을 통과하고, 상기 제2 빔마스크(14)의 제2 관통공(14b)을 통과시에는 상기 제2 파장판(17)을 통과한다.
상기 제1 파장판(16)을 통과하는 레이저빔은 1/4 파장판을 통과하면서, 상기 편광된 레이저빔이 σ+ 혹은 σ- 편광(원편광)을 갖도록 한다
상기 제2 파장판(17)을 통과하는 레이저빔은 1/2 파장판을 통과하면서, 상기 레이저빔이 선형 편광이 되도록 한다.
상기 제1 파장판(16)을 통과한 레이저빔은 상기 원자가스쉘(19)을 z방향(도 5 기준)으로 통과하면서, 알칼리 원자의 스핀을 자기장 방향으로 정렬시키게 된다.
상기 제2 파장판(17)을 통과한 레이저빔은 상기 입사미러(18a)에서 반사되어 상기 원자가스쉘(19)을 x방향(도 5 기준)으로 통과하고, 다시 상기 반사미러(18b)에서 반사되어 상기 제2 빔마스크(14)의 제3 관통공(14c)으로 통과한다. 이후, 상기 제2 빔마스크(14)로부터 상기 제1 빔마스크(13)방향으로 투과되면서 상기 편광빔스플리터(15)를 통과하면서 수직 편광 성분 및 수직 편광 성분으로 분리된다. 상기 레이저빔이
상기 원자가스셀(19)을 지날 때 패러데이 효과에 의하여 검출빔의 편광이 회전하게 되고, 회전정도는 상기 편광빔스플리터(15)를 통과하는 수직 편광 성분 및 수직 편광 성분의 빔세기를 측정하여 구한다.
상기 제2 포토다이오드(22)는 상기 수직 편광 성분의 빔세기를 측정하고, 상기 제2 포토다이오드(22)는 상기 수평 성분의 빔세기를 측정한다.
최종적인 신호는
Figure 112017021678602-pat00001
으로 구한다.
여기서, I↔는 수평편광 검출빔의 세기, I↕는 수직편광 검출빔의 세기를 의미한다.
이 신호는 노블 가스 원자의 라모어 주파수에 회전량이 더해지거나 빼지는 주파수로 느리게 진동하는 성분과 알칼리 원자의 라모어 주파수로 빠르게 진동하는 성분의 합으로 이루어져있다. 따라서 복조(demodulation) 등의 방법을 이용하여 라모어 주파수를 알아낼 수 있다.
11 : 레이저 다이오드 12 : 렌즈
13 : 제1 빔마스크 13a : 제1 관통공
13b : 제2 관통공 13c : 제3관통공
14 : 제2 빔마스크 14a : 제1 관통공
14b : 제2 관통공 14c : 제3관통공
15 : 편광빔스플리터 16 : 제1 파장판
17 : 제2 파장판 18: 미러블록
18a : 입사미러 18b : 반사미러
18c : 관통부 19 : : 원자가스셀
20 : 코일 21 : 제1 포토다이오드
22 : 제2 포토다이오드 23 : 제3 포토다이오드
111 : 제1 레이저 다이오드 112 : 제1 렌즈
113 : 제1 편광판 114 : 제1 파장판
115 : DC자기장 코일 116 : 제1 포토다이오드
121 : 제2 레이저 다이오드 122 : 제2 렌즈
123 : 제2 편광판 124 : 제2 파장판
125 : 편광빔스플리터 126 : 제2 포토다이오드
127 : 제3 포토다이오드 131 : 원자가스쉘

Claims (10)

  1. 레이저빔을 조사(照射)하는 레이저 다이오드와,
    상기 레이저빔을 확대 평행빔으로 형성하는 렌즈와,
    서로 이격된 위치에 상기 레이저빔이 관통할 수 있는 복수의 관통공이 각각 형성되는 제1 빔마스크와,
    상기 제1 빔마스크와 이격된 위치에서 상기 레이저빔이 관통할 수 있고, 상기 제1 빔마스크에 에 형성된 관통공과 마주보는 위치에 복수의 관통공이 각각 형성되는 제2 빔마스크와,
    상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크 사이에설치되고, 상기 레이저빔을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분할하는 편광빔스플리터와,
    상기 제2 빔마스크의 후방에 설치되어, 상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크를 통과한 상기 레이저빔의 일부는 통과시키고, 나머지 일부는 상기 제1 빔마스크 쪽으로 반사시키는 미러블록과,
    상기 미러블록의 중심에 설치되어 상기 미러블록을 관통하는 레이저빔과 상기 미러블록에서 반사되는 레이저빔이 통과하는 원자가스쉘과,
    상기 미러블록의 외측에 설치되어 상기 원자가스쉘을 통과하는 레이저빔을 광펌핑하는 코일 및
    상기 미러블록을 통과한 레이저빔, 상기 편광빔스플리터에서 분리된 수평방향의 레이저빔과 수직방향의 레이저빔을 각각 감지하는 제1 포토다이오드, 제2 포토다이오드 및 제3 포토다이오드를 포함하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록은,
    상기 제2 빔마스크와 상기 원자가스쉘을 통과한 레이저빔이 관통하도록 중앙에 관통부가 형성되고,
    상기 관통부의 일측으로 상기 제2 빔마스크를 통과한 레이저빔이 입사되고 상기 레이저빔을 상기 원자가스쉘로 반사키는 입사미러와,
    상기 입사미러에서 반사된 레이저빔이 상기 원자가스쉘을 통과한 후 상기 제2 빔마스크로 반사시키는 반사미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 입사미러와 상기 반사미러는 상기 레이저다이오드로부터 조사된 레이저빔의 광축과 각각 45도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 빔마스크에는,
    중앙에 형성되어 상기 레이저다이오드로부터 조사된 레이저빔을 통과시키는 제1 관통공과,
    상기 제1 관통공과 이격된 위치에 형성되어 상기 입사미러로 입사시키는 제2 관통공과,
    상기 제1 관통공 및 상기 제2 관통공와 이격되어, 상기 반사미러로부터 반사된 레이저빔을 통과하는 제3 관통공이 형성되고,
    상기 제2 빔마스크에는 상기 제1 관통공, 상기 제2 관통공 및 상기 제3 관통공이 형성된 위치에 대응하는 위치에 각각 제1 관통공, 제2 관통공 및 제3 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 빔마스크의 제1 관통공에는 1/4파장판으로 형성되는 제1 파장판이 설치되고,
    상기 제2 빔마스크의 제2 관통공에는 1/2파장판으로 형성되는 제2 파장판이 설치되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록의 외측에는 상기 미러블록의 관통부를 통과한 레이저빔을 감지하는 제1 포토다이오드가 설치되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 반사미러에서 반사된 레이저빔은 상기 편광빔스플리터에서 수평방향과 수직방향으로 분리되고,
    상기 제1 빔마스크의 제3 관통공에는 상기 편광빔스플리터에서 분리된 수평 편광 성분을 측정하고, 상기 제2 빔마스크를 향하도록 제2 포토다이오드가 설치되며,
    상기 편광빔스플리터에서 분리된 수직 평광 성분을 측정하고, 상기 제2 포토다이오드와 수직하게 제3 포토다이오드가 설치되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록은 제로듀어(Zerodur)를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크는 알루미늄을 양극산화하여 제조되는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔마스크와 상기 제2 빔마스크는 흑색의 다공성 플라스틱을 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일 광선을 이용한 원자 스핀 자이로스코프.

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