KR20180025035A - 단일 라만레이저를 이용한 원자간섭계 자이로스코프 - Google Patents

단일 라만레이저를 이용한 원자간섭계 자이로스코프 Download PDF

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KR20180025035A
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Abstract

본 발명은, 라만레이저 빔을 발생시키는 라만레이저 생성부; 상기 라만레이저 생성부에서 발생한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되는 편광빔분배기; 상기 편광빔분배기를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 통과하는 상기 라만레이저 빔을 원형편광으로 전환시키는 제1 1/4파장판; 상기 제1 1/4파장판을 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 입사되는 상기 라만레이저 빔의 회절을 일으키는 음향광변조기; 상기 음향광변조기를 통과한 상기 라만라이저 빔을 상기 음향광변조기로 되반사시키도록 구성되는 반사부; 상기 반사부, 상기 음향광변조기, 상기 제1 1/4파장판, 상기 편광빔분배기를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환된 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 이송하기 위한 광섬유부; 및 상기 광섬유부를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 상기 라만레이저 빔과 교차하는 방향으로 진행하는 원자빔의 경로를 따라 소정 구간 확대시켜, 상기 라만레이저 빔과 상기 원자빔의 간섭영역을 제공하도록 이루어지는 라만레이저 빔 확대기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프를 개시한다.

Description

단일 라만레이저를 이용한 원자간섭계 자이로스코프{ATOM INTERFEROMETER GYROSCOPE BASED ON SINGLE RAMAN LASER BEAM}
본 발명은 단일 라만레이저를 이용하는 원자간섭계 자이로스코프에 관한 것이다.
종래의 원자간섭계 자이로스코프는 원자빔과의 간섭을 위한 π/2-π-π/2에 해당하는 라만레이저 빔을 조사하기 위하여, 세 군데 영역에 각각 라만레이저 빔 확대기를 설치하여 운용하였다.
하지만, 종래의 원자간섭계 자이로스코프는 라만레이저 빔이 세 군데 영역을 통해 각각 발생되어, 라만레이저 빔 확대 장치 간의 정렬 단계를 필요로 하며, 장치의 크기와 복잡성으로 인해 라만레이저 빔의 미세 조정 및 운용에 제한이 발생한다.
본 발명의 일 목적은, 원자빔과 간섭을 일으키는 라만레이저 빔이 하나의 단일 영역을 통해 발생하도록 구성되는 원자간섭계 자이로스코프를 제공하는 데에 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 단일 라만레이저를 이용한 원자간섭계 자이로스코프는, 라만레이저 빔을 발생시키는 라만레이저 생성부; 상기 라만레이저 생성부에서 발생한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되는 편광빔분배기; 상기 편광빔분배기를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 통과하는 상기 라만레이저 빔을 원형편광으로 전환시키는 제1 1/4파장판; 상기 제1 1/4파장판을 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 입사되는 상기 라만레이저 빔의 회절을 일으키는 음향광변조기; 상기 음향광변조기를 통과한 상기 라만라이저 빔을 상기 음향광변조기로 되반사시키도록 구성되는 반사부; 상기 반사부, 상기 음향광변조기, 상기 제1 1/4파장판, 상기 편광빔분배기를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환된 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 이송하기 위한 광섬유부; 및 상기 광섬유부를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 상기 라만레이저 빔과 교차하는 방향으로 진행하는 원자빔의 경로를 따라 소정 구간 확대시켜, 상기 라만레이저 빔과 상기 원자빔의 간섭영역을 제공하도록 이루어지는 라만레이저 빔 확대기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프를 개시한다.
상기 원자간섭계 자이로스코프는, 상기 라만레이저 빔 확대기를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔의 편광 방향을 전환시키도록 이루어지는 제2 1/4파장판을 더 포함하고, 상기 제2 1/4파장판의 일면 상에는 상기 제2 1/4파장판을 투과한 상기 라만레이저 빔을 상기 라만레이저 빔 확대기를 향하여 되반사를 위한 반사층이 형성될 수 있다.
상기 라만레이저 빔은, 상기 라만레이저 빔 확대기를 통과한 후 수직편광으로 상기 원자빔에 입사되며, 상기 반사층에 의해 되반사된 후 수평편광으로 전환되도록 이루어질 수 있다.
상기 원자간섭계 자이로스코프는, 상기 간섭영역을 통과하는 상기 원자빔의 경로 상에 배치되어 상기 간섭영역을 통과한 상기 원자빔의 형광신호를 검출하도록 이루어지는 광검출부; 및 상기 광검출부와 연결되며, 검출된 상기 형광신호를 근거로 상기 라만레이저 빔의 특성을 조절하기 위한 에러신호를 생성하도록 이루어지는 서보부를 더 포함할 수 있다.
상기 음향광변조기는, 상기 서보부에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 통과하는 상기 라만레이저 빔의 세기를 조절하도록 이루어질 수 있다.
상기 라만레이저 생성부는, 상기 서보부에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 발생되는 상기 라만레이저 빔의 주파수를 조절하도록 이루어질 수도 있다.
상기 편광빔분배기와 상기 제1 1/4파장판은 광접착에 의해 상호 접합되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 라만레이저 생성부에서 발생된 라만레이저 빔이 음향광변조기를 통해 회절된 후 반사부를 통해 되반사되고, 다시 음향광변조기와 편광빔분배기를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환되어 광섬유부로 입사된 후 이송되며, 최종적으로 라만레이저 빔 확대기를 통해 원자빔의 경로를 따라 소정 구간 확대된 하나의 간섭영역을 제공하도록 이루어진다. 이에 따라, 원자간섭계 자이로스코프 장치의 크기를 전체적으로 작게 구현할 수 있으며, 장치를 구성하는 광학부품을 단순화시킬 수 있다. 또한, 라만레이저 빔이 하나의 단일 영역을 통해 발생되어 라만레이저 빔의 정렬 오차에 의한 위상 오차의 발생을 최소화하고, 장치의 전체 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프를 나타낸 개념도이다.
도 2는 외부에서 인가한 각속도에 의한 도 1에 도시된 원자간섭계 자이로스코프의 출력의 일 예를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 단일 라만레이저를 이용한 원자간섭계 자이로스코프에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프(100)를 나타낸 개념도이고, 도 2는 외부에서 인가한 각속도에 의한 도 1에 도시된 원자간섭계 자이로스코프(100)의 출력의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 라만레이저 생성부(110), 편광빔분배기(120), 제1 1/4파장판(130), 음향광변조기(140), 반사부(150), 광섬유부(160), 라만레이저 빔 확대기(170)를 포함한다.
라만레이저 생성부(110)는 라만레이저 빔(11a)을 일 방향을 향하여 발생시키도록 이루어진다. 여기서, 상기 라만레이저 빔(110a)은 두 주파수 차가 원자간섭계에 사용되는 원자의 바닥상태 초미세 주파수와 같은 경우를 말한다. 예를 들어, 루비듐87의 경우 라만레이저의 두 주파수 차는 6.8 GHz 이다.
편광빔분배기(120)는, 도시된 바와 같이 라만레이저 생성부(110)에서 발생한 상기 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치된다. 편광빔분배기(120)는 입사하는 하나의 광을 특정 편광 조건에 따라 투과 또는 반사시키도록 이루어진다.
제1 1/4파장판(130)은 편광빔분배기(120)를 통과한 상기 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치되어 통과하는 상기 라만레이저 빔(110a)을 원형편광으로 전환시키도록 이루어진다.
한편, 상기 편광빔분배기(120)와 상기 제1 1/4파장판(130)은 광접착에 의해 상호 접합되도록 이루어질 수 있다.
음향광변조기(140)는, 상기 제1 1/4파장판(130)을 통과한 상기 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치되어 입사되는 라만레이저 빔(110a)의 회절을 일으키도록 구성된다. 음향광변조기(140)를 통과하는 라만레이저 빔(110a)은 공간적으로 회절을 일으킨다. 또한, 음향광변조기(140)는 일반적으로 80 MHz의 동작 주파수를 가지며 고속으로 광선의 세기를 조절할 수 있는 광학소자이다.
반사부(150)는 음향광변조기(140)를 통과한 상기 라만레이저 빔(110a)을 음향광변조기(140)로 되반사시키도록 구성된다. 예를 들어, 반사부(150)는 음향광변조기(140)를 통과한 라만레이저 빔(110a)이 차례로 입사되도록 배치되는 렌즈(151)와 거울(152)로 구성될 수 있다. 또한, 렌즈(151)와 거울(152)을 통해 되반사한 라만레이저 빔(110a)은 다시 음향광변조기(140)를 지나면서 한번 더 공간적으로 회절하여 입사하는 라만레이저 빔(100a)과 일치하는 경로로 진행된다. 이후, 라만레이저 빔(110a)은 다시 제1 1/4파장판(130)을 지나면서 수직편광으로 바뀌고, 편광빔분배기(120)에 의해 반사되면서 원래의 경로가 전환된다.
광섬유부(160)는 반사부(150), 음향광변조기(140), 제1 1/4파장판(130), 편광빔분배기(120)를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환된 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치되어, 입사되는 상기 라만레이저 빔(110a)을 이송시키도록 이루어진다. 광섬유부(160)는 도시된 바와 같이 편광빔분배기(120)로부터 반사되는 라만레이저 빔(110a)이 입사되는 제1 광섬유(161)와, 제1 광섬유(161)로 입사된 후 이송되어 공간적으로 다른 영역에서 이송된 라만레이저 빔(110a)을 발생시키는 제2 광섬유(162)로 이루어질 수 있다.
라만레이저 빔 확대기(170)는 광섬유부(160)를 통과한 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔(110a)을 상기 라만레이저 빔(110a)과 교차하는 방향으로 진행하는 원자빔(10a)의 경로를 따라 소정 구간 확대시켜, 상기 라만레이저 빔(110a)과 상기 원자빔(10a)의 간섭영역(170a)을 제공하도록 이루어진다. 예를 들어, 라만레이저 빔(110a)은 도시된 바와 같이 원자빔(10a)의 진행방향인 Z축을 따라 길게 확대될 수 있다. 또한, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 상기 원자빔(10a)을 발생시키도록 이루어지는 원자빔 생성부(10)를 더 구비할 수 있다. 또한, 원자빔 생성부(10)는 제만 감속기(Zeeman slower), low velocity intense source(LVIS), 이차원 자기광포획장치(2-dimensional magneto-optical trap apparatus), 그리고 moving molasses 방법 등에 의해 원자빔(10a)을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 원자간섭계 자이로스코프(100)에 적용 가능한 원자빔(10a)은 일반적으로 종속도가 10~20 m/s, 속도분포성분은 1 m/s이하이다.
한편, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 제2 1/4파장판(175)을 더 포함할 수 있다.
제2 1/4파장판(175)은 상기 라만레이저 빔 확대기(170)를 통과한 라만레이저 빔(110a)의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔(110a)의 편광 방향을 예를 들어 90도로 회전 전환시키도록 이루어진다. 또한, 제2 1/4파장판(175)의 일면 상에는 상기 제2 1/4파장판(175)을 투과한 상기 라만레이저 빔(110a)을 상기 라만레이저 빔 확대기(170)를 향하여 되반사시키도록 이루어지는 반사층(176)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 라만레이저 빔(110a)의 문의(interrogation) 시간이 5 ms 이라고 하면, 20 m/s의 종속도를 가진 원자빔(10a)은 10 cm를 이동한다. 그리고 총 간섭영역은 20 cm에 해당한다.
한편, 라만레이저 빔(110a)은, 상기 라만레이저 빔 확대기(170)를 통과한 후 수직편광으로 상기 원자빔(10a)에 입사되며, 상기 반사층(176)에 의해 되반사된 후 수평편광으로 전환되도록 이루어질 수 있다. 또한, 같은 방향에서 입사하는 라만레이저 빔(110a)에 의한 유도라만전이를 억제하기 위해 라만레이저 빔(110a)과 원자빔(10a) 간의 도플러 효과를 이용할 수도 있다.
또한, 임의의 한 바닥상태 준위에 있는 원자빔(10a)은 라만레이저 빔(110a)과 상호 작용하면서 유도라만전이에 의해 원자간섭계를 형성한다. 또한, 문의(interrogation) 시간 동안 음향광변조기(140)에 의해 라만레이저 빔(110a)이 원자빔(10a)에 조사되지 않도록 조절한다.
한편, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 광검출부(180), 서보부(190)를 더 포함할 수 있다.
광검출부(180)는 상기 간섭영역(170a)을 통과하는 원자빔(10a)의 경로 상에 배치되어 상기 간섭영역(170a)을 통과한 원자빔(10a)의 형광신호를 검출하도록 이루어진다. 예를 들어, 광검출부(180)는, 간섭영역(170a)을 통과한 라만레이저 빔(110a)과 교차하는 방향으로 검출레이저 빔(181a)을 발생시키는 검출레이저 발생부(180)와 상기 검출레이저 빔(181a)을 통과한 라만레이저 빔(110a)으로부터 상기 형광신호를 검출하는 광검출기(182)로 구성될 수 있다. 참고로, 도 2를 참조하면, 원자간섭계 자이로스코프가 형성되면 외부에서 인가한 각속도에 의한 간섭무늬가 나타난다.
서보부(190)는, 상기 광검출부(180)와 연결되며, 검출된 상기 형광신호를 근거로 라만레이저 빔(110a)의 특성을 조절하기 위한 에러신호를 생성하도록 이루어진다.
또한, 상기 음향광변조기(140)는, 상기 서보부(190)에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 통과하는 라만레이저 빔(110a)의 세기를 조절하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 라만레이저 생성부(110)는, 상기 서보부(190)에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 발생되는 라만레이저 빔(110a)의 주파수를 조절하도록 이루어질 수도 있다. 상기 구성에 의하면, 원자간섭계의 측정 정밀도 및 동적 범위를 보다 확대할 수 있다.
한편, 본 도면에서는 도시되지 않았으나, 라만레이저 빔(110a)의 세기가 부족한 경우 라만레이저 생성부(110)와 편광빔분배기(120) 사이에 광증폭기(미도시)가 추가로 배치되어 라만레이저 빔(110a)의 세기를 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 라만레이저 생성부(110)에서 발생된 라만레이저 빔(110a)이 음향광변조기(140)를 통해 회절된 후 반사부(150)를 통해 되반사되고, 다시 음향광변조기(140)와 편광빔분배기(120)를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환되어 광섬유부(160)로 입사된 후 공간적으로 이송되며, 최종적으로 라만레이저 빔 확대기(170)를 통해 원자빔(10a)의 경로를 따라 소정 구간 확대된 하나의 간섭영역(170a)을 제공하도록 이루어진다. 이에 따라, 원자간섭계 자이로스코프(100) 장치의 크기를 전체적으로 작게 구현할 수 있으며, 장치를 구성하는 광학부품을 단순화시킬 수 있다. 또한, 라만레이저 빔(110a)이 하나의 단일 영역을 통해 발생되어 라만레이저 빔(110a)의 정렬 오차에 의한 위상 오차의 발생을 최소화하고, 장치의 전체 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
100 : 원자간섭계 자이로스코프 110 : 라만레이저 생성부
110a : 라만레이저 빔 120 : 편광빔분배기
130 : 제1 1/4파장판 140 : 음향광변조기
150 : 반사부 151 : 렌즈
152 : 거울 160 : 광섬유부
161 : 제1 광섬유 162 : 제2 광섬유
170 : 라만레이저 빔 확대기 175 : 제2 1/4파장판
180 : 광검출부 181 : 검출레이저 생성부
181a : 검출레이저 빔 182 : 광검출기
190 : 서보부 191 : 로컬 오실레이터

Claims (7)

  1. 라만레이저 빔을 발생시키는 라만레이저 생성부;
    상기 라만레이저 생성부에서 발생한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되는 편광빔분배기;
    상기 편광빔분배기를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 통과하는 상기 라만레이저 빔을 원형편광으로 전환시키는 제1 1/4파장판;
    상기 제1 1/4파장판을 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어 입사되는 상기 라만레이저 빔의 회절을 일으키는 음향광변조기;
    상기 음향광변조기를 통과한 상기 라만라이저 빔을 상기 음향광변조기로 되반사시키도록 구성되는 반사부;
    상기 반사부, 상기 음향광변조기, 상기 제1 1/4파장판, 상기 편광빔분배기를 차례로 통과한 후 수직편광으로 전환된 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되어, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 이송하기 위한 광섬유부; 및
    상기 광섬유부를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔을 상기 라만레이저 빔과 교차하는 방향으로 진행하는 원자빔의 경로를 따라 소정 구간 확대시켜, 상기 라만레이저 빔과 상기 원자빔의 간섭영역을 제공하도록 이루어지는 라만레이저 빔 확대기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라만레이저 빔 확대기를 통과한 상기 라만레이저 빔의 경로 상에 배치되며, 입사되는 상기 라만레이저 빔의 편광 방향을 전환시키도록 이루어지는 제2 1/4파장판을 더 포함하고,
    상기 제2 1/4파장판의 일면 상에는 상기 제2 1/4파장판을 투과한 상기 라만레이저 빔을 상기 라만레이저 빔 확대기를 향하여 되반사를 위한 반사층이 형성되는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 라만레이저 빔은, 상기 라만레이저 빔 확대기를 통과한 후 수직편광으로 상기 원자빔에 입사되며, 상기 반사층에 의해 되반사된 후 수평편광으로 전환되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 간섭영역을 통과하는 상기 원자빔의 경로 상에 배치되어 상기 간섭영역을 통과한 상기 원자빔의 형광신호를 검출하도록 이루어지는 광검출부; 및
    상기 광검출부와 연결되며, 검출된 상기 형광신호를 근거로 상기 라만레이저 빔의 특성을 조절하기 위한 에러신호를 생성하도록 이루어지는 서보부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 음향광변조기는, 상기 서보부에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 통과하는 상기 라만레이저 빔의 세기를 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 라만레이저 생성부는, 상기 서보부에서 생성된 상기 에러신호에 근거하여 발생되는 상기 라만레이저 빔의 주파수를 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 편광빔분배기와 상기 제1 1/4파장판은 광접착에 의해 상호 접합되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
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