WO2019073657A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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遼太郎 井上
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誠一 森元
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祐一郎 神納
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Definitions

  • the present invention relates to a gyroscope based on Mach-Zehnder type atomic interference.
  • a Mach-Zehnder type atomic interferometer is known as one of atomic interferometers.
  • the conventional Mach-Zehnder type atomic interferometer 900 shown in FIG. 1 includes an atomic beam source 100, an interference unit 200, a traveling light standing wave generation unit 300, and an observation unit 400.
  • the atomic beam source 100 generates an atomic beam 100a.
  • the atomic line 100a is a thermal atomic line, a cooled atomic line (an atomic line having a velocity slower than that of the thermal atomic line), a Bose-Einstein condensate, and the like.
  • the thermal atomic beam is generated, for example, by heating an element of high purity in an oven.
  • the cooled atomic beam is generated, for example, by laser cooling a thermal atomic beam.
  • Bose-Einstein condensates are produced by cooling Bose particles to near absolute zero.
  • the individual atoms included in the atomic line 100a are set to the same energy level (for example,
  • the atom beam 100a passes through three traveling light standing waves 200a, 200b, and 200c.
  • a traveling light standing wave is generated by facing lasers having different frequencies, and drifts at a sufficiently slower speed than the speed of light.
  • two-level transitions of atoms due to light irradiation are used. Therefore, in order to avoid spontaneous emission decoherence, generally, a long-lived two-level transition is used.
  • the atomic line is an alkali metal atomic line
  • a stimulated Raman transition between two levels included in the ground state hyperfine structure is used. In the hyperfine structure, the lowest energy level is
  • Stimulated Raman transition between two levels is generally realized by a traveling light standing wave formed by opposing irradiation of two laser beams whose difference frequency is approximately equal to the resonance frequency of
  • the optical configuration of the traveling light standing wave generation unit 300 that generates the three traveling light standing waves 200a, 200b, and 200c is known and is not related to the main point of the present invention, and thus the description thereof will be omitted (FIG. 1).
  • a laser light source, a lens, a mirror, an acousto-optic modulator (AOM (Acousto-Optic Modulator)) and the like are schematically illustrated.
  • AOM Acoustic-Optic Modulator
  • g> is in the overlapping state of
  • e> is 1: 1.
  • the atom gains momentum for two photons in transition from
  • e> deviates from the direction of movement of atoms in state
  • the first traveling light standing wave 200a is referred to as a ⁇ / 2 pulse and has a function as an atomic beam splitter.
  • e> pass through the second traveling light standing wave 200b.
  • the transit time of the second traveling light standing wave 200b that is, the interaction time between the traveling light standing wave and the atom
  • the second traveling light standing wave 200b is set to 2 ⁇ t
  • the second traveling light standing wave 200b is passed.
  • g> is inverted to the atomic line consisting of atoms in state
  • e> is in the state
  • e> deviates from the movement direction of the atom in the state
  • e> after passing through the second traveling light standing wave 200b is the atom of the state
  • the atom loses the same momentum as the momentum obtained from two photons when transitioning from
  • g> after passing through the second traveling light standing wave 200b is the atom of the state
  • the second traveling light standing wave 200 b is called a ⁇ pulse and has a function as a mirror of an atomic beam.
  • e> pass the third traveling light standing wave 200c.
  • the transit time of the third traveling light standing wave 200c (that is, the interaction time between the traveling light standing wave and the atom) is appropriately set (specifically, the third traveling light standing wave)
  • the transit time of the wave 200c is set to the above ⁇ t),
  • An atomic line 100b is obtained according to the state of superposition with e>.
  • the atomic beam 100 b is an output of the interference unit 200.
  • the third traveling light standing wave 200c is called a ⁇ / 2 pulse and has a function as a combiner of atomic beams.
  • the observation unit 400 detects the angular velocity or the acceleration by observing the atomic beam 100 b from the interference unit 200. For example, the observation unit 400 irradiates the atomic beam 100 b from the interference unit 200 with the probe light 408, and detects fluorescence from an atom in the state
  • Non-Patent Document 1 is a reference for the Mach-Zehnder type atomic interferometer using the two-photon Raman process by the above-mentioned traveling light standing wave.
  • the phase sensitivity of the gyroscope is proportional to A / v, where A is an area surrounded by two paths of atomic lines and v is an atomic velocity.
  • A is an area surrounded by two paths of atomic lines and v is an atomic velocity.
  • an increase in the area A and / or a reduction in the velocity v are effective in improving the phase sensitivity.
  • the distance between the first traveling light standing wave and the third traveling light standing wave may be increased (in the two-photon Raman process, the momentum that atoms can receive) Is limited to two photons, so the distance between the two paths can not be increased).
  • such gyroscopes are large and not practical.
  • the present invention aims to provide a high sensitivity practical gyroscope based on Mach-Zehnder type atomic interference.
  • the gyroscope of the present invention is a gyroscope based on Mach-Zehnder type atomic interference, and includes an atomic beam source, a traveling light standing wave generation unit, an interference unit, and an observation unit.
  • An atomic beam source continuously generates atomic beams in which individual atoms are in the same state.
  • the traveling light standing wave generation unit generates three or more traveling light standing waves. Each traveling light standing wave satisfies the n-th Bragg condition, where n is a positive integer of 2 or more.
  • the interference part obtains an atomic beam as a result of interaction between the atomic beam and three or more traveling light standing waves.
  • the observation unit detects angular velocity or acceleration by observing the atomic beam from the interference unit.
  • a gyroscope based on Mach-Zehnder type atomic interference utilizes n-order (where n is a predetermined positive integer of 2 or more) Bragg diffraction.
  • a gyroscope 500 of the embodiment shown in FIG. 2 includes an atomic beam source 101, an interference unit 201, a traveling light standing wave generation unit 301, and an observation unit 400.
  • the atomic beam source 101, the interference unit 201, and the observation unit 400 are accommodated in a vacuum chamber (not shown).
  • the atomic beam source 101 continuously generates atomic lines 101a in which individual atoms are in the same state.
  • techniques are known which continuously produce thermal atomic lines (for example -100 m / s) or cooling atomic lines (for example -10 m / s).
  • the thermal atomic beam is generated, for example, by passing a high-speed atomic gas obtained by sublimation of a high purity element in the oven 111 through the collimator 113.
  • a cooled atomic beam is generated, for example, by passing a high-speed atomic gas through a Zeeman Slower or a two-dimensional cooling device (not shown). See Reference 1 for low-speed atomic beam sources using a two-dimensional cooling system. (Reference 1) J. Schoser et al., “Intense source of cold atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap,” Phys. Rev. A 66, 023410-Published 26 August 2002.
  • the traveling light standing wave generation unit 301 includes three traveling light standing waves (first traveling light standing wave 201a, second traveling light standing wave 201b, and third traveling light) that satisfy the n-th Bragg condition.
  • a standing wave 201c) is generated.
  • the first traveling light standing wave 201a functions as the above-described splitter
  • the second traveling light standing wave 201b functions as the above-described mirror
  • the third traveling light standing wave 201c is the above-described It also satisfies the condition that each has a function as a combiner.
  • the three traveling light standing waves (the first traveling light standing wave 201a, the second traveling light standing wave 201b, and the third traveling light standing wave 201c) that satisfy such various conditions are respectively Gaussian. It is realized by appropriately setting the beam waist of the beam (Gaussian Beam), the wavelength, the light intensity, and the difference frequency between the opposing lasers. Note that the beam waist of the Gaussian beam can be set optically (for example, the laser beam is condensed by a lens), and the light intensity of the Gaussian beam can be set electrically (for example, the output of the Gaussian beam is adjusted).
  • the generation parameter of the traveling light standing wave is different from that of the conventional generation parameter, and the configuration of the traveling light standing wave generation unit 301 that generates these three traveling light standing waves is the conventional traveling light standing wave
  • the description of the configuration of the traveling light standing wave generator 301 is omitted because it is not different from the configuration of the generator 300 (FIG. 1) (FIG. 2 schematically shows a laser light source, a lens, a mirror, an AOM, etc. ).
  • the atom beam 101a passes through three traveling light standing waves 201a, 201b, and 201c.
  • g, p 1 > in the same internal state is used.
  • g, p 0 > are
  • g, p 1 > immediately after passing through the standing wave 201 a is 1: 1.
  • g, p 1 > is the direction based on the n-th order Bragg condition.
  • g, p 0 > without Bragg diffraction) and the direction based on the nth Bragg condition is the angle of the zeroth light It is n times the angle formed by the direction and the direction based on the first-order Bragg condition.
  • g, p 1 > Can also be enlarged.
  • g, p 1 > pass the second traveling light standing wave 201 b.
  • the interaction between the second traveling light standing wave 201 b and the atom is appropriately set (the beam waist, the wavelength, the light intensity, and the difference frequency between the opposing lasers are appropriately set)
  • the second traveling light standing wave 201b By passing the traveling light standing wave 201b, an atomic line composed of atoms in the state
  • the atomic line consisting of atoms of p 1 > reverses to the atomic line consisting of atoms of state
  • g, p 1 > is deviated from the movement direction of the atom in the state
  • g, p 1 > after passing through the second traveling light standing wave 201 b is the state
  • p 1 > is parallel to the traveling direction of the atomic line consisting of atoms.
  • the atom has momentum obtained from 2n photons when transitioning from
  • g, p 0 > after passing through the second traveling light standing wave 201 b is the state
  • g, p 1 > pass the third traveling light standing wave 201 c.
  • g, p 1 > cross each other.
  • the traveling direction of the atomic beam 101b obtained after passing through the third traveling light standing wave 201c is either one or both of the direction of the 0th-order light and the direction based on the n-th Bragg condition. .
  • the observation unit 400 detects the angular velocity or the acceleration by observing the atom beam 101b from the interference unit 201 (that is, the atom beam 101b obtained after passing through the third traveling light standing wave 201c). For example, the observation unit 400 irradiates the atomic beam 101 b from the interference unit 201 with the probe light 408, and detects fluorescence from an atom in the state
  • the light detector 409 a photomultiplier tube, a fluorescence photodetector, etc. can be exemplified.
  • the spatial resolution is improved, that is, two paths after passing through the third traveling light standing wave (atom line consisting of atoms of state
  • a channeltron is used as the light detector 409, one of the two paths after passing the third traveling light standing wave is ionized by a laser or the like instead of the probe light, and the channel The ion may be detected by a tron.
  • the phase sensitivity of the form gyroscope 500 is greater than the phase sensitivity of the conventional gyroscope 900 having the same spacing as the spacing between the first traveling light standing wave and the third traveling light standing wave in the gyroscope 500 .
  • the total length of the gyroscope 500 of the present embodiment (the length in the emission direction of the atomic beam) is that of the conventional gyroscope 900. Less than full length.
  • the phase sensitivity of the gyroscope is improved, the bias stability of the gyroscope is also improved.
  • the phase sensitivity is such that A is an area surrounded by two paths of atomic lines and v is an atomic velocity It is known to be proportional to A / v. That is, in the gyroscope 500 shown in FIG. 2, from the interaction position of the atomic beam 101 a and the first traveling light standing wave 201 a to the interaction position of the atomic beam 101 a and the second traveling light standing wave 201 b When the distance is L, the phase sensitivity is proportional to L 2 / v.
  • L may be made small, but if L is made small simply, the phase sensitivity will also be reduced. Therefore, in order not to reduce the phase sensitivity, the atomic velocity may be reduced. From this point of view, it is preferable to use a cooling atomic beam. For example, if the atomic velocity is reduced to 1/100 of the thermal atomic velocity, the size of the gyroscope 500 can be reduced to 1/10 of the original size without changing the phase sensitivity.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the meaning of the present invention.
  • Mach-Zehnder type atomic interference is used in which one traveling split, one inversion and one mixing is performed using three traveling light standing waves.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and the present invention can also be practiced as an embodiment using multistage Mach-Zehnder type atomic interference, for example, in which multiple divisions, multiple inversions, and multiple mixings are performed. See Reference 2 for such multistage Mach-Zehnder type atomic interference.

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Abstract

3個の進行光定在波201a,201b,201cを生成する進行光定在波生成部301と、個々の原子が同じ状態にある原子線101aを連続生成する原子線源101と、原子線101aと3個の進行光定在波201a,201b,201cとの相互作用によってサニャック効果を発現する干渉部201と、干渉部201からの原子線101b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400を含む。各進行光定在波は、nを2以上の正整数として、n次Bragg条件を満たす。

Description

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
 本発明は、マッハ-ツェンダー(Mach-Zehnder)型原子干渉に基づくジャイロスコープに関する。
 近年、レーザー技術の進展に伴い、原子干渉計、原子干渉を利用した重力加速度計やジャイロスコープなどの研究が進んでいる。原子干渉計の一つとしてマッハ-ツェンダー型原子干渉計が知られている。図1に示す従来のマッハ-ツェンダー型原子干渉計900は原子線源100と干渉部200と進行光定在波生成部300と観測部400を含む。
 原子線源100は原子線100aを生成する。原子線100aは、熱的原子線、冷却原子線(熱的原子線の速度よりも遅い速度を持つ原子線)、ボース-アインシュタイン凝縮体(Bose-Einstein Condensate)などである。熱的原子線は、例えば、純度の高い元素をオーブンで加熱することによって生成される。冷却原子線は、例えば、熱的原子線をレーザー冷却することによって生成される。ボース-アインシュタイン凝縮体は、ボース粒子を絶対零度近くまで冷却することによって生成される。原子線100aに含まれる個々の原子は光ポンピングによって同じエネルギー準位(例えば、後述する|g>である)に設定される。
 干渉部200では、原子線100aが3個の進行光定在波200a,200b,200cを通過する。なお、進行光定在波は、周波数の異なるレーザーを対向させて生成され、光の速度に比べて十分に遅い速度でドリフトする。原子干渉計では、光照射による原子の2準位間遷移が利用される。したがって、自然放出によるデコヒーレンスを避ける観点から、一般的に、寿命の長い2準位間遷移が利用される。例えば、原子線がアルカリ金属原子線である場合、基底状態の超微細構造に含まれる2準位の間の誘導ラマン遷移が利用される。超微細構造において、最も低いエネルギー準位を|g>とし、|g>よりも高いエネルギー準位を|e>とする。2準位間の誘導ラマン遷移は、一般的に、差周波数が|g>と|e>との共鳴周波数に概ね等しい2個のレーザー光の対向照射で形成される進行光定在波によって実現される。3個の進行光定在波200a,200b,200cを生成する進行光定在波生成部300の光学的構成は公知であり、また、本発明の要点と関係しないので説明を省略する(図1では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、音響光学変調器(AOM(Acousto-Optic Modulator))などが図示されている)。以下、進行光定在波による2光子ラマン過程を利用した原子干渉について説明する。
 原子線源100からの原子線100aが第1の進行光定在波200aを通過すると、初期状態が|g>にある個々の原子の状態は|g>と|e>との重ね合わせ状態に変化する。例えば第1の進行光定在波200aの通過時間Δt(つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間)を適切に設定すると、第1の進行光定在波200aを通過した直後の|g>の存在確率と|e>の存在確率の比は1対1になる。原子は、対向して進む2光子の吸収・放出を通して、|g>から|e>に遷移する際に光子2個分の運動量を得る。したがって、状態|e>の原子の運動方向は、状態|g>の原子の運動方向からずれる。つまり、原子線100aが第1の進行光定在波200aを通過すると、原子線100aは、1対1の割合で、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線に分裂する。第1の進行光定在波200aは、π/2パルスと呼ばれ、原子線のスプリッターとしての機能を持つ。
 分裂後、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線は、第2の進行光定在波200bを通過する。このとき、例えば第2の進行光定在波200bの通過時間(つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間)を2Δtに設定すると、第2の進行光定在波200bを通過することによって、状態|g>の原子からなる原子線は通過過程で状態|e>の原子からなる原子線に反転し、状態|e>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g>から|e>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g>の原子の運動方向からずれる。この結果、第2の進行光定在波200bを通過後の状態|e>の原子からなる原子線の進行方向は、第1の進行光定在波200aを通過後の状態|e>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む2光子の吸収・放出を通して、|e>から|g>に遷移する際に2光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|e>から|g>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|e>の原子の運動方向からずれる。この結果、第2の進行光定在波200bを通過後の状態|g>の原子からなる原子線の進行方向は、第1の進行光定在波200aを通過後の状態|g>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。第2の進行光定在波200bは、πパルスと呼ばれ、原子線のミラーとしての機能を持つ。
 反転後、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線は、第3の進行光定在波200cを通過する。原子線源100からの原子線100aが第1の進行光定在波200aを通過する時刻をt1=Tとし、分裂後の2個の原子線が第2の進行光定在波200bを通過する時刻をt2=T+ΔTとすると、反転後の2個の原子線が第3の進行光定在波200cを通過する時刻はt3=T+2ΔTである。時刻t3にて、反転後の状態|g>の原子からなる原子線と反転後の状態|e>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、例えば第3の進行光定在波200cの通過時間(つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間)を適切に設定すると(具体的には、第3の進行光定在波200cの通過時間を上記Δtに設定する)、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g>と|e>との重ね合わせ状態に応じた原子線100bが得られる。この原子線100bが、干渉部200の出力である。第3の進行光定在波200cは、π/2パルスと呼ばれ、原子線のコンバイナーとしての機能を持つ。
 マッハ-ツェンダー型原子干渉計900に角速度または加速度が加わると、第1の進行光定在波200aの照射から第3の進行光定在波200cの照射までの原子線の2個の経路に位相差が生じ、この位相差が第3の進行光定在波200cを通過した個々の原子の状態|g>の存在確率と状態|e>の存在確率に反映される。したがって、観測部400は、干渉部200からの原子線100b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。例えば、観測部400は、干渉部200からの原子線100bにプローブ光408を照射して、状態|e>の原子からの蛍光を光検出器409によって検出する。
 上述の進行光定在波による2光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉計については、例えば、非特許文献1などが参考になる。
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.
 進行光定在波による2光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉計では、原子は、対向して進む2光子の吸収・放出を通して、|g>から|e>に遷移すると共に光子2個分の運動量を得る。このため、図1では誇張して描画してあるが、実際には、第1の進行光定在波を通過した後に得られる2個の経路(状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線)の間隔はとても狭い。具体的には、原子線源からの原子線がミリメートルオーダーの径を持つのに対して、第2の進行光定在波を通過する位置における当該間隔はマイクロメートルオーダーである。
 ところで、ジャイロスコープの位相感度は、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。2光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープにおいても、位相感度の向上には、面積Aの増大、および/または、速度vの低減が有効である。図1に示す構成において面積Aを増大するには、第1の進行光定在波と第3の進行光定在波との間隔を大きくすればよい(2光子ラマン過程では、原子が受け取れる運動量が光子2個分に限られているので、2個の経路の間隔を拡げることはできない)。しかし、このようなジャイロスコープは大型であり実用的でない。
 したがって、本発明は、マッハ-ツェンダー型原子干渉に基づく、高感度の実用的ジャイロスコープを提供することを目的とする。
 本発明のジャイロスコープは、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であって、原子線源と進行光定在波生成部と干渉部と観測部を含む。
 原子線源は、個々の原子が同じ状態にある原子線を連続生成する。
 進行光定在波生成部は、3個以上の進行光定在波を生成する。各進行光定在波は、nを2以上の正整数として、n次Bragg条件を満たす。
 干渉部は、原子線と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。
 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または加速度を検出する。
 本発明によれば、進行光定在波によるn次Bragg回折を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくことによって、高感度の実用的ジャイロスコープを実現できる。
従来のジャイロスコープの構成を説明するための図。 実施形態のジャイロスコープの構成を説明するための図。
 図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図は実施形態の理解のために提供され、図示される各構成要素の寸法は正確ではない。
 本発明による実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープは、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回折を利用する。図2に示す実施形態のジャイロスコープ500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を含む。この実施形態では、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。
 原子線源101は、個々の原子が同じ状態にある原子線101aを連続生成する。現在の技術水準によれば、熱的原子線(例えば、~100m/s)あるいは冷却原子線(例えば、~10m/s)を連続生成する技術は知られている。既述のように、熱的原子線は、例えば、純度の高い元素をオーブン111で昇華させて得られた高速の原子気体をコリメーター113に通すことによって生成される。また、冷却原子線は、例えば、高速の原子気体を図示しないゼーマンスローワー(Zeeman Slower)あるいは2次元冷却装置に通すことによって生成される。2次元冷却装置を使った低速原子線源については参考文献1を参照のこと。
(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.
 進行光定在波生成部301は、n次Bragg条件を満たす3個の進行光定在波(第1の進行光定在波201a、第2の進行光定在波201b、第3の進行光定在波201c)を生成する。ただし、第1の進行光定在波201aは上述のスプリッターとしての機能を、第2の進行光定在波201bは上述のミラーとしての機能を、第3の進行光定在波201cは上述のコンバイナーとしての機能をそれぞれ持つという条件も満たす。
 このような諸条件を満たす3個の進行光定在波(第1の進行光定在波201a、第2の進行光定在波201b、第3の進行光定在波201c)はそれぞれ、ガウシアンビーム(Gaussian Beam)のビームウェスト、波長、光強度、さらに、対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ガウシアンビームのビームウェストは光学的に設定でき(例えばレーザー光をレンズで集光する)、ガウシアンビームの光強度は電気的に設定できる(例えばガウシアンビームの出力を調整する)。つまり、進行光定在波の生成パラメータが従来の生成パラメータと異なるのであり、これら3個の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部301の構成は従来の進行光定在波生成部300(図1)の構成と異ならないから、進行光定在波生成部301の構成の説明を省略する(図2では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、AOMなどが図示されている)。
 干渉部201では、原子線101aは3個の進行光定在波201a,201b,201cを通過する。本実施形態における原子干渉計では、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。
 原子線源101からの原子線101aが第1の進行光定在波201aを通過すると、初期状態が|g, p0>にある個々の原子の状態は|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に変化する。第1の進行光定在波201aと原子との相互作用を適切に設定すると(ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する)、第1の進行光定在波201aを通過した直後の|g, p0>の存在確率と|g, p1>の存在確率の比は1対1になる。原子は、対向して進む2n個の光子の吸収・放出を通して、|g, p0>から|g, p1>に遷移する際に光子2n個分の運動量(=p1-p0)を得る。したがって、状態|g, p1>の原子の運動方向は、状態|g, p0>の原子の運動方向から大きくずれる。つまり、原子線が第1の進行光定在波201aを通過すると、原子線101aは、1対1の割合で、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線に分裂する。状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向はn次のBragg条件に基づく方向である。0次光の方向(つまり、Bragg回折しなかった状態|g, p0>の原子からなる原子線101aの進行方向)とn次のBragg条件に基づく方向とが成す角は、0次光の方向と1次のBragg条件に基づく方向とが成す角のn倍である。つまり、状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向の広がり(換言すると、乖離)を従来(図1)よりも大きくできる。
 分裂後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第2の進行光定在波201bを通過する。このとき、第2の進行光定在波201bと原子との相互作用を適切に設定すると(ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する)、第2の進行光定在波201bを通過することによって、状態|g, p0>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p1>の原子からなる原子線に反転し、状態|g, p1>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p0>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g, p0>から|g, p1>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p0>の原子の運動方向からずれる。この結果、第2の進行光定在波201bを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向は、第1の進行光定在波201aを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む2n個の光子の吸収・放出を通して、|g, p1>から|g, p0>に遷移する際に2n個の光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|g, p1>から|g, p0>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|g, p1>の原子の運動方向からずれる。この結果、第2の進行光定在波201bを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向は、第1の進行光定在波201aを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。
 反転後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第3の進行光定在波201cを通過する。この通過時点にて、反転後の状態|g, p0>の原子からなる原子線と反転後の状態|g, p1>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、第3の進行光定在波201cと原子との相互作用を適切に設定すると(ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する)、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に応じた原子線101bが得られる。第3の進行光定在波201cを通過した後に得られる原子線101bの進行方向は、理論的には、0次光の方向とn次のBragg条件に基づく方向のいずれか一方または両方である。
 ジャイロスコープ500に、第1の進行光定在波201aの作用から第3の進行光定在波201cの作用までの原子線の2個の経路を含む平面内の角速度または加速度が加わると、第1の進行光定在波201aの作用から第3の進行光定在波201cの作用までの原子線の2個の経路に位相差が生じ、この位相差が第3の進行光定在波201cを通過した個々の原子の状態|g, p0>の存在確率と状態|g, p1>の存在確率に反映される。したがって、観測部400は、干渉部201からの原子線101b(つまり、第3の進行光定在波201cを通過した後に得られる原子線101b)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。例えば、観測部400は、干渉部201からの原子線101bにプローブ光408を照射して、状態|g, p1>の原子からの蛍光を光検出器409によって検出する。光検出器409としては、光電子増倍管、蛍光フォトディテクタなどを例示できる。また、本実施形態によると空間分解が向上する、つまり第3の進行光定在波を通過した後の2個の経路(状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線)の間隔が広いので、光検出器409としてCCDイメージセンサを用いることもできる。あるいは、光検出器409としてチャンネルトロンを用いる場合は、第3の進行光定在波を通過した後の2個の経路の一方の原子線を、プローブ光の替わりにレーザー等によってイオン化し、チャンネルトロンでイオンを検出してもよい。
 上述のとおり、0次光の方向とn次のBragg条件に基づく方向とが成す角が0次光の方向と1次のBragg条件に基づく方向とが成す角のn倍であるので、本実施形態のジャイロスコープ500の位相感度は、ジャイロスコープ500における第1の進行光定在波と第3の進行光定在波との間隔と同じ間隔を持つ従来のジャイロスコープ900の位相感度よりも大きい。つまり、同じ位相感度を持つ本実施形態のジャイロスコープ500と従来のジャイロスコープ900を比較すると、本実施形態のジャイロスコープ500の全長(原子線の射出方向の長さ)は従来のジャイロスコープ900の全長よりも短い。
<好ましい実施形態>
 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2に示すジャイロスコープ500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500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500のサイズを元のサイズの1/10にできる。
 この他、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。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.
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更と変形が許される。選択され且つ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用を解説するためのものである。本発明は様々な変更あるいは変形を伴って様々な実施形態として使用され、様々な変更あるいは変形は期待される用途に応じて決定される。そのような変更および変形のすべては、添付の請求範囲によって定義される本発明の範囲に含まれることが意図されており、公平、適法および公正に与えられる広さに従って解釈される場合、同じ保護が与えられることが意図されている。
101     原子線源
101a    原子線
101b    原子線
111     オーブン
113     コリメーター
201     干渉部
201a    第1の進行光定在波
201b    第2の進行光定在波
201c    第3の進行光定在波
301     進行光定在波生成部
400     観測部
500     ジャイロスコープ
 

Claims (2)

  1.  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であって、
     個々の原子が同じ状態にある原子線を連続生成する原子線源と、
     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、
     各前記進行光定在波は、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。
  2.  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。
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