(57)【要約】      （修正有）【課題】任意のものを測定することができる原子干渉計システムを提供する。【解決手段】原子干渉計システム１０は、アルカリ金属原子を含むセンサセル１４を含む。光学システムは、第１および第２の周波数ならびに円偏光を有する第１および第２のインタロゲーションビームを生成する。光学システムは、一連の測定サイクルのインタロゲーション段階中に、第１の方向においてセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、第１の方向とは反対の第２の方向において同じ円偏光でセンサセルを通過するように戻して、アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態からより高いエネルギー状態に駆動する光学系を含む。検出システム２４は、光学応答に基づいて、インタロゲーション段階中の第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の状態分布を検出する。【選択図】図１
2020184633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子干渉計システムであって、
アルカリ金属原子を含むセンサセルと、
第１の周波数および第１の円偏光を有する第１のインタロゲーションビーム、および第１の周波数とは異なる第２の周波数および前記第１の円偏光を有する第２のインタロゲーションビームを生成する光学システムであって、前記光学システムは、第１の方向において前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、前記第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、前記第１の方向と反対の第２の方向において前記第１の円偏光で前記センサセルを通過するように戻して、一連の測定サイクルの各々におけるインタロゲーション段階中に第１の円偏光で前記アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で駆動する光学系を含む、前記光学システムと、
前記一連の測定サイクルの各々における状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階中の前記第１のエネルギー状態と前記第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の状態分布を検出する検出システムとを備える原子干渉計システム。
【請求項２】
前記光学システムが、前記アルカリ金属原子を通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第１のインタロゲーションビームの前記第１の周波数による前記アルカリ金属原子の集団における光子の吸収をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供し、かつ前記アルカリ金属原子を通過する反射された第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第２のインタロゲーションビームの前記第２の周波数による前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の前記第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光学系は、１／４波長板およびミラーを備え、前記ミラーは、前記第１および第２のインタロゲーションビームを反射するように構成され、前記１／４波長板は、第１および第２の方向の各々における前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々に対する前記第１の円偏光を維持するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光学システムが、前記インタロゲーション段階中に第１のπ／２パルス、πパルス、および第２のπ／２パルスで前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給するように構成され、前記検出システムは、前記状態読み出し段階中の前記第２のπ／２パルス後の前記アルカリ金属原子の集団に関連する変化に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記光学システムは、光トラッピングビームを生成するように構成されたトラッピングビーム源を備え、前記原子干渉計システムは、光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムをさらに備え、前記ＭＯＴシステムは、
前記光トラッピングビームに応答してセル内の前記アルカリ金属原子をトラップするように構成されたトラッピング磁場を発生させるように構成された第１の磁場発生器と、
前記インタロゲーション段階中に均一な磁場を発生させるように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一な磁場は、前記第１のエネルギー状態から前記第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記アルカリ金属原子がルビジウム８７原子であり、前記均一な磁場が約３．２３ガウスの振幅を有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記均一な磁場が、前記アルカリ金属原子の＜１，−１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，１＞の前記第２のエネルギー状態への、または＜１，１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，−１＞の前記第２のエネルギー状態へのインタロゲーションエネルギー遷移に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記光学システムが、同じ光路に沿って前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに前記光トラッピングビームを供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記光学システムは、
前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々のＸ、Ｙ、およびＺ直交軸に沿った第１の光トラッピングビーム、第２の光トラッピングビーム、および第３の光トラッピングビームを供給するように構成されたトラッピングビーム源と、
前記第１のインタロゲーションビームを生成し、第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第１のインタロゲーションビームを前記光学系を介して前記センサセルを通過して供給するように構成される第１のインタロゲーションビーム源と、
前記第２のインタロゲーションビームを生成し、前記第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第２のインタロゲーションビームを供給するように構成される第２のインタロゲーションビーム源とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の原子干渉計システムを含むセンサシステムであって、
少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定するように構成された少なくとも１つのセンサを含むセンサコントローラを備え、前記原子干渉計システムは、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を提供し、かつ前記センサコントローラに前記第２の測定値を提供するようにさらに構成され、前記センサコントローラは、前記第２の測定値に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの前記第１の測定値を改善するように構成される、センサシステム。
【請求項１１】
前記センサコントローラは、前記原子干渉計システムに少なくとも１つの調整信号を提供して、前記原子干渉計システムを、前記光学システムに関連する少なくとも１つのパラメータを調整して、前記原子干渉計システムが前記原子干渉計システムが提供するように構成されている複数の所定の測定可能なパラメータのうちの１つの第２の測定値を提供することが可能となるように構成するように構成されている、請求項１０に記載のセンサシステム。
【請求項１２】
前記複数の所定の測定可能なパラメータは、周波数、周波数差、時間、時間差、および少なくとも１つの慣性パラメータを含む、請求項１１に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場および前記第１および第２のインタロゲーションビームのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの特性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記干渉計システムの較正を実施するように構成される較正コントローラをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々の円偏光を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場の極性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法であって、
一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光および磁場によりアルカリ金属原子をセンサセル内にトラップするステップと、
インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において、前記センサセルを通過する第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームと前記第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームとを提供して、前記第１の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、前記第２の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第２の運動量を提供するステップと、
状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の集団の遷移を検出するステップと、
前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップとを含む方法。
【請求項１７】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、前記第１および第２のインタロゲーションビームを、第１の方向において前記センサセルを第１の円偏光で前記第１の方向に通過するように供給し、かつ第２の方向において前記センサセルを前記第１の円偏光で前記第１の方向とは反対の第２の方向に光学系を介して通過するように供給することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、インタロゲーション段階中に第１のπ／２パルス、πパルス、および第２のπ／２パルスを含む複数のインタロゲーションサイクルの各々において前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給することを含み、遷移を検出することは、前記状態読み出し段階中の前記第２のπ／２パルス後の前記アルカリ金属原子の集団に関連する変化を検出することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記アルカリ金属原子をトラップすることは、
光トラッピングビームを生成するステップと、
前記光トラッピングビームに応答してセル内の前記アルカリ金属原子をトラップするように構成されたトラッピング磁場を発生させるステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記アルカリ金属原子がルビジウム８７原子であり、方法は、前記インタロゲーション段階中に均一な磁場を約３．２３ガウスの大きさで発生させて、前記アルカリ金属原子の集団の＜１，−１＞の第１のエネルギー状態から＜２，１＞の第２のエネルギー状態への、または＜１，１＞の第１のエネルギー状態から＜２，−１＞の第２のエネルギー状態へのインタロゲーション行うステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記アルカリ金属原子をトラップすることは、個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸に沿って光学系を介してセンサセルを通過する第１の光トラッピングビーム、第２の光トラッピングビーム、および第３の光トラッピングビームにより前記アルカリ金属原子をトラップすることを含み、前記第１および第２のインタロゲーションビームを生成することは、前記光学系を介した前記第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、前記個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々を生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定することを含み、方法はさらに、
補助センサにより前記なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を決定するステップと、
前記第１の測定値に基づいて、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を改善するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクルにおいて第１の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することを含み、前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することを含み、方法はさらに
第２の測定サイクルにおいて前記第１の円偏光と反対の第２の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第１の極性を有する遷移磁場を供給することを含み、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することを含み、方法はさらに、
第２の測定サイクルにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第２の極性を有する遷移磁場を供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
原子干渉計システムであって、
測定サイクルの各々のトラッピング段階中に磁場およびトラッピング光によりセンサセル内にアルカリ金属原子をトラップする光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムと、
光学システムであって、
第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームを生成するように構成された第１のインタロゲーションビーム源と、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームを生成するように構成された第２のインタロゲーションビーム源と、
インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々において、第１の円偏光で第１の方向にセンサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供して、前記第１の円偏光で前記第１のインタロゲーションビームの前記第１の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子を吸収をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供するとともに、前記第１の方向と反対の第２の方向において、前記第１の円偏光で前記第１および第２のインタロゲーションビームを前記アルカリ金属原子を通過するように反射して、前記第１の円偏光で前記第２のインタロゲーションビームの前記第２の周波数による前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の前記第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供する光学系とを含む、前記光学システムと、
少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するために、状態読み出し段階中に光学応答に基づいて前記インタロゲーション段階中に誘導された第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の状態分布を検出する検出システムと、
前記測定サイクルの少なくとも１つの各々において、磁場および前記第１および第２のインタロゲーションビームのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの特性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施する較正コントローラとを備える、光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１９年５月８日に出願された米国仮出願番号６２／８４５１１０からの優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子干渉計システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
光干渉計は、電磁波（例えば、光信号）を用いて、測定可能なパラメータの非常に正確な測定値を提供することができるシステムである。例えば、干渉法は、２つのビームに分割され、かつ２つの別々の光路に沿って提供される、単一の光源からの光を用いることができる。その後、２つのビームを結合して、結合されたビーム間の干渉に基づいて、２つの干渉計のビーム経路の相対光路長の変化を決定することができる。その結果、一方のビーム経路と他方のビーム経路との相対的な長さを変化させるパラメータは、光干渉法を使用して測定することができる。一例として、原子のドブロイ波長を使用して、原子干渉計を実施して、干渉計の１つのアーム上を移動する原子の、他のアームとの差を測定することもできる。この例では、干渉計を伝搬する波は、静止質量と電磁界に感応性のある内部エネルギー構造とを有する。例えば、典型的な光学波長と比較して劇的に短いドブロイ波長は、光ベースの干渉法と比較して、約１０桁の潜在的な感度の増加を提供する。結果として、時間、磁場、電場、加速、回転などの測定可能なパラメータ、および／またはその他の様々な測定可能なパラメータは、原子干渉法によって非常に的確かつ正確に測定することができる。一例として、干渉計は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）、慣性航法システム（ＩＮＳ）、および航空機、宇宙船、船舶などの他の航法および位置決めシステムを支援するなど、様々な航法実施形態において使用することができる。
【発明の概要】
【０００４】
一実施形態は、原子干渉計システムを含む。システムは、アルカリ金属原子を含むセンサセルを含む。光学システムは、第１および第２の周波数ならびに円偏光を有する第１および第２のインタロゲーションビームを生成する。光学システムは、一連の測定サイクルのインタロゲーション段階中に、第１の方向においてセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、第１の方向とは反対の第２の方向において同じ円偏光でセンサセルを通過するように戻して、アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態からより高いエネルギー状態に駆動する光学系を含む。検出システムは、光学応答に基づいて、インタロゲーション段階中の第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の状態分布を検出する。
【０００５】
別の例は、原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法を含む。方法は、一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光および磁場によりアルカリ金属原子をセンサセル内にトラッピングすることを含む。方法は、インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において、センサセルを通過する第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームと第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームとを提供して、第１の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、第２の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、第１の方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の運動量を提供することをも含む。方法は、状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移、またはその２つの任意の組み合わせ、を検出することをも含む。方法は、アルカリ金属原子の検出された最終の状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することをさらに含む。
【０００６】
別の例は、原子干渉計システムを含む。システムは、一連の測定サイクルの各々のトラップ段階中に磁場およびトラッピング光によりセンサセル内にアルカリ金属原子をトラップする光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムを含む。システムは、光学システムをも含む。光学システムは、第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームを生成するように構成された第１のインタロゲーションビーム源と、第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームを生成するように構成された第２のインタロゲーションビーム源とを含む。光学システムは、インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々において、第１の円偏光で第１の方向にセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供して、第１の円偏光で第１のインタロゲーションビームの第１の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子を吸収をもたらして、アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供するとともに、第１の方向と反対の第２の方向において、同じ個々の円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームをアルカリ金属原子を通過するように反射して、第１の円偏光で第２のインタロゲーションビームの第２の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供する光学系をも含む。システムはさらに、少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するために、状態読み出し中に光学応答に基づいてインタロゲーション段階中に誘導された第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移、または２つの任意の組み合わせ、を検出する検出システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】原子干渉計システムの例を示す図である。
【図２】原子干渉計システムの別の例を示す図である。
【図３】タイミング図の例を示す図である。
【図４】原子干渉計システムのさらに別の例を示す図である。
【図５】センサシステムの例を示す図である。
【図６】センサシステムの別の例を示す図である。
【図７】原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子干渉計システムに関する。原子干渉計システムは、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または加速度、加速度勾配、回転などの１つまたは複数の慣性パラメータなど、様々な測定可能なパラメータのうちの任意のものを測定するために実施することができる。本明細書で説明するように、原子干渉計システムは、測定可能なパラメータ（複数可）を測定するために、特定の方法で順次供給されるインタロゲーションビームによる原子の集団のインタロゲーションを実施することができる。原子干渉法の例は、センサセル内のアルカリ金属原子の集団の２つの状態間の遷移エネルギーを測定するための、シーケンシャルコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）ベースのインタロゲーション、ラビ（Ｒａｂｉ）パルスインタロゲーション、または他の様々なタイプの原子干渉法インタロゲーションを含む。本明細書で説明されるように、原子干渉計システムは、ＣＰＴまたはラビパルス方式のいずれかで原子の集団のインタロゲーションを実施することができる。
【０００９】
一例として、原子干渉計システムは、トラップ磁場および一組のトラッピング光ビームに応答してアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源（例えば、磁気光学トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ）システム）を含むことができる。例として、各測定サイクルのトラッピング段階中に、トラッピングシステムは、サイクル遷移（即ち、Ｆ＝２、ｍＦ＝２→Ｆ’＝３’、ｍＦ’＝３’、以下＜２，２＞−＜３’、３’＞と表記）でアルカリ金属原子を繰り返し中間状態（例えば、ルビジウム８７の場合、Ｆ’＝３の超微細構造）に励起して、アルカリ原子源を提供することができる。アルカリ金属原子をトラップしてソースおよびベースライン光学応答を提供すると、トラッピングシステムは、光トラッピングビームおよびトラッピング磁場の印加を停止して、インタロゲーション用のアルカリ金属原子を準備することができる。
【００１０】
原子干渉計システムは、光学システムをも含むこともできる。光学システムは、第１のインタロゲーションビームを提供する第１のインタロゲーションビーム源と、第２のインタロゲーションビームを提供する第２のインタロゲーションビーム源とを含むことができ、各インタロゲーションビームは、互いに異なる周波数および同じ円偏光を有する。本明細書で説明するように、「円偏光」という用語は、「円偏光」が楕円偏光などの円偏光を含む偏光の組み合わせを包含するように、少なくとも円偏光成分を有する偏光を指す。さらに、本明細書でも説明するように、円偏光は、円偏光を示す個々の光ビームの伝搬方向を参照して本明細書に記載されている。本明細書でさらに説明するように、「ビーム源」という用語は、レーザーまたは任意のレーザーから個々のビームを提供するための一組の光学系など、個々のビームを提供するための様々な方法のいずれかを指す。例えば、複数のビーム源は、音響光学変調または電気光学変調による周波数シフト、または周波数サイドバンドを生成して所望の周波数を提供するために個々のビーム源の電流を変調すること等に基づいて、任意の１つのレーザーから複数の個々のビームを提供することができる。本明細書でより詳細に説明するように、光学システムは、初期状態準備段階のために実施することができる１つまたは複数の光学部品（例えば、光ポンピングビーム源）をも含むことができる。
【００１１】
光学システムは、第１の方向においてセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、第１および第２のインタロゲーションビームを反射して第１の方向と反対の第２の方向において同じ円偏光でセンサセルを通過するように戻す光学系も含む。例えば、光学系は、センサセルの反対側に１／４波長板およびミラー（例えば、再帰反射ミラー）を含むことができる。例えば、トラッピングシステムに対して同じ光学構成を実施して、両方の動作段階で共通の光学系を使用するようにすることができる。従って、１／４波長板を最初に通過し、ミラーで反射され、１／４波長板を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームの円偏光は、第１および第２のインタロゲーションビームの伝搬方向に関しては同じであるが、アルカリ金属原子に関しては反対の角運動量とすることができる。
【００１２】
アルカリ金属原子はポンピングされ、所定の磁場にさらされて、インタロゲーション段階で、特定の周波数および円偏光の組み合わせでインタロゲーションビームによるインタロゲーションが可能となる。例えば、ポンピングおよび磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態（例えば、ＣＰＴインタロゲーションのための超微細状態またはラビインタロゲーションに関するラマン遷移のための「仮想」エネルギー状態）に駆動されるようにインタロゲーションが行われる。次に、アルカリ金属原子は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して、中間状態から第２のエネルギー状態に変化するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。個々の伝搬方向の各々における第１および第２のインタロゲーションビームによる光子の吸収および放出を可能にする光学系の構造に基づいて、吸収された光子および放出された光子が対向伝搬するインタロゲーションビームに基づいて名目上に反対方向にあること等に基づいてアルカリ金属原子は、２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、吸収された光子および放出された光子が同一方向に伝搬する第１および第２のインタロゲーションビームまたは同一方向に伝搬する第１および第２の再帰反射されたインタロゲーションビームに基づいて名目上同じ方向にある場合、アルカリ金属原子は、２光子のエネルギー差に等しい正味の運動量ゲインを示す。その結果、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子から開始する場合のインタロゲーションサイクル後に正味の応答を区別することができない他の原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームに対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションを行うことができる。例えば、従来の０−０「クロック」遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１，０＞−＜２，０＞、または＜２，０＞−＜１，０＞）で原子を励起する典型的な原子干渉システムの場合、ゼロ速度原子の曖昧性（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）は、反対の運動量方向の両方の運動量状態の混合をもたらし、結果として、原子干渉計の運動量状態の分裂に依存する量の正味の測定値が得られない。しかしながら、本明細書で説明するように、２光子の正味の運動量ゲインに基づいてアルカリ金属原子の集団の運動量方向を制御することによって、静止した原子であっても測定可能なパラメータ（複数可）の測定値において運動量状態の分裂を観察することができる。
【００１３】
従って、インタロゲーションビームは、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子の光学応答を得るための状態検出段階が続く。別の例として、アルカリ金属原子のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、均一な磁場は、磁場の変動への依存（例えば、適切な値を中心とする磁場に対する純粋に２次的なゼーマンエネルギーシフト依存性）を最小限に抑えるために、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１，−１＞−＜２，１＞、または＜１，１＞−＜２，−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００１４】
例えば、光学システムは、インタロゲーション段階中に複数のインタロゲーションサイクルの各々においてインタロゲーションビームを提供することができる。インタロゲーションサイクルの各々において、第１のインタロゲーションビームは、第１の周波数で第１の円偏光によって供給される角運動量に基づいて、アルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらすことができる。従って、光子の吸収は、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供することができる。インタロゲーションビームが反射されてセンサセルを通過するように戻されるため、第２のインタロゲーションビームは、第２の周波数で第１の円偏光によって供給される角運動量に基づいて、アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらすことができる。従って、光子の放出は、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の光子運動量（例えば、第１の光子運動量にほぼ等しい）を提供することができ、従って、第１の運動量方向における運動量を（例えば、正味の２光子運動量に）増加させることができる。
【００１５】
一例として、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームが任意の強度で所定の時間に亘って提供される従来のラビサイクリング項などのように、第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームを供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、第１および第２のエネルギー状態におけるアルカリ金属原子と、元の光子運動量状態および２光子運動量状態におけるアルカリ金属原子との約５０％重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍の強度（例えば、√２倍の強度）または第１のπ／２パルスと同じ強度で２倍の時間でインタロゲーションビームが提供されるπパルスなどの中間サイクルを含むことができる。従って、πパルスは、アルカリ金属原子のエネルギー状態および運動量状態分布の両方における５０％の重ね合わせを反転させるように作用することができ、その結果、２光子運動量変化を経験しなかったアルカリ金属原子の重ね合わせの半分は、２光子運動量変化を経験し、２光子運動量変化を経験した半分は、最初の２光子運動量変化を打ち消すように、反対方向に２光子運動量変化を経験する。中間サイクルは本明細書では単一のπパルスとして説明されているが、原子干渉計システムは、代わりに、原子干渉計システムの感度を高めるために、より高い運動量伝達およびより大きな運動量分離を提供するような、円偏光を交互に繰り返す一連のπパルスを実施することができることを理解されたい。
【００１６】
インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームが第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元することができる。その結果、状態読み出し段階では、インタロゲーション段階中にアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間、など）を、原子の最終的なエネルギーおよび運動量状態分布に基づいて決定することができる。マッハツェンダー（例えば、π／２−π−π／２）パルスシーケンスの実施は、実施することができる多様な干渉計インタロゲーションシーケンスのほんの一例にすぎず、他のタイプのインタロゲーションサイクルまたは他の高運動量転送技術がインタロゲーション段階で実施することができることが理解されるであろう。
【００１７】
一例として、原子干渉計システムの光学システムの光学系は、典型的な原子干渉計システムと比較して、より効率的で費用効果の高い方法で実施することができる。例えば、光学系は、３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚの各々に沿って、または非直交幾何学形状に沿って、第１および第２のインタロゲーションビーム、ならびに第１および第２のインタロゲーションビームの反射バージョンを供給するように構成することができる。従って、光学系は、インタロゲーションビームが光トラッピング光と同じ光路に沿って供給することができるようにすることができる。さらに、原子干渉計システムは、センサから提供される測定可能なパラメータの測定値を調整および／または較正するように構成されたセンサシステムにおいて実施することができる。例えば、センサシステムは、第１および第２のインタロゲーションビームの特性を調整することができるユーザー入力を介して構成可能とすることができる。その結果、原子干渉計システムは、測定するように構成された複数の所定の測定可能なパラメータのうちの１つの測定値を提供するようにプログラムすることができる。
【００１８】
図１は、原子干渉計システム１０の一例を示す。原子干渉計システム１０は、航空宇宙機の慣性航法システム（ＩＮＳ）など、測定可能なパラメータの非常に安定した測定を必要とする様々な用途のいずれかにおいて実施することができる。原子干渉計システム１０は、センサセル１４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源１２を含む。センサセル１４内のアルカリ金属原子の供給源は、熱ビーム、高温蒸気などの様々な技術のいずれかに基づくことができ、または低温原子トラッピング、部分的に閉じ込め原子トラッピング、または他のタイプの原子トラッピングを提供するトラッピング技術を実施することができる。一例として、原子源１２は、光磁気トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ）システムとして構成することができる。例えば、アルカリ金属原子は、ルビジウム８７であり得るが、ルビジウム８７に限定されず、代わりに、異なるアルカリ金属（例えば、セシウム１３３）に対応し得る。一例として、アルカリ金属原子は、センサセル１４内にトラップされ、次に、光トラッピングビームの印加およびトラッピング磁場の印加および除去に応答して、「光学モラセス（ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｌａｓｓｅｓ）」内でさらに冷却され得る。例えば、各測定サイクルはトラッピング段階を含むことができ、そのトラッピング段階の間にアルカリ金属原子は原子源１２によってトラッピングされる。
【００１９】
各測定サイクルでは、トラッピング段階に続いて、インタロゲーション段階が開始される。図１の例では、原子干渉計システム１０は光学システム１６を含む。光学システム１６は、センサセル１４に提供される光ビームを生成するように構成された複数のビーム源１８を含む。図１の例では、光ビームは、１つまたは複数の光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ、および一対のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を含む。光トラッピングビーム（複数可）ＯＰＴＴＲＰは、センサセル１４内のアルカリ金属原子のトラッピングを提供するために、前述したように、トラッピング段階中に提供される。光ポンプビームＯＰＴＴＲＰを提供して、磁場発生器（「Ｂ発生器」）２０によって生成された実質的に均一な磁場の存在下でアルカリ金属原子を分極して、インタロゲーション段階中のインタロゲーション用のアルカリ金属原子を準備することができる。一例として、本明細書でより詳細に説明するように、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ、および一対のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、原子干渉計システム１０の任意の軸（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ直交軸）に沿って提供されて、任意の個々の軸に沿ってアルカリ金属原子のインタロゲーションを可能にする。
【００２０】
第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うために、第１の方向および第１の方向とは反対の第２の方向にセンサセル１４を通過するように供給される。一例として、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、個々の第１および第２の周波数を有することができ、かつそれぞれセンサセル１４を通過する第１の方向に第１の円偏光を有することができる。光学システム１６は、共通の個々の光路に沿ってなど、センサセル１４を通過するように光トラッピングビーム（複数可）ＯＰＴＴＲＰならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を指向させるように構成された光学系２２を含む。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、３つの直交軸光トラッピング方式における光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰの１つに共通の光路に沿って伝搬することができる。光学系２２はまた、センサセル１４を通過する同じ円偏光で、第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル１４を通過して戻る第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給するように構成される。例えば、光学系２２は、１／４波長板およびミラー（例えば、再帰反射ミラー）を含んで、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を反射して同じ円偏光および反対の角運動量でセンサセル１４を通過するように戻すことができる。従って、１／４波長板を最初に通過し、ミラーで反射され、１／４波長板を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１とＯＰＴＩＮＴ２の円偏光が反転する。従って、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の円偏光は、ＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の伝搬方向に関してセンサセル１４を通過する各伝搬方向で同じであるが、角運動量はセンサセル１４内のアルカリ金属原子に関して反対である。
【００２１】
従って、アルカリ金属原子は、インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々の間に、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の特定の周波数および円偏光の組み合わせに基づいて、第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で遷移するように誘導され得る。例えば、ポンピングおよび磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して（例えば、σ＋またはσ−のアルカリ金属原子の角運動量に基づいて）、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションされる。次いで、アルカリ金属原子は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して（例えば、σ−またはσ＋のアルカリ金属原子に個々に反対の角運動量に基づいて）、中間状態から第２のエネルギー状態に変化するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。例えば、第１の周波数と第１の円偏光での第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１は、トラップされたアルカリ金属原子の集団による光子の吸収を可能にし、第２の周波数と第１の円偏光での第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２は、トラップされたアルカリ金属原子の集団による光子の放出を可能にする。反対方向からの第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を介した光子の吸収および放出を可能にする光学系２２の構造に基づいて、アルカリ金属原子は２光子の正味の運動量ゲイン（例えば、
【００２２】
【数１】
2020184633.tif 000003
）を示すことができ、ここで、光子の吸収および放出は、第１の円偏光における第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１と第１の円偏光における第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２との対向伝搬（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）に基づいて同じ近似方向であることを前提とする。動作磁場での双極子選択則の結果として、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子に対する光子の吸収および放出を区別することができない典型的な原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２に対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションが行われる。
【００２３】
一例として、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が所定の時間に亘って所定の強度で供給される第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方でアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスで供給されるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の各々の同じ円偏光で、第１のπ／２パルスとほぼ同じ強度で、かつ第１のπ／２パルスの２倍の時間でインタロゲーションパルスが供給されるπパルスを含むことができる。別の例として、πパルスは、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍で、かつ第１のπ／２パルスとほぼ同じ持続時間で供給することができる。従って、πパルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方で５０％の重ね合わせを反転させて、センサセル１４内のアルカリ金属原子の２つの重ね合わせの半分を共に元に戻すように作用する。中間サイクルは、本明細書では単一のπパルスとして説明されているが、原子干渉計システム１０は、代わりに、原子干渉計システム１０の感度を高めるために、より高い運動量伝達およびより大きな運動量分離を提供するような、円偏光を交互に繰り返す一連のπパルスまたは他の技法を実施することができることを理解されたい。
【００２４】
インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が、第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元するように干渉計を閉じることができる。その結果、状態読み出し段階では、インタロゲーション段階中の受感軸に沿ってアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間など）を決定することができる。
【００２５】
従って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子の光学応答を得るための状態検出段階に続く。別の例として、アルカリ金属原子のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、磁場発生器２０によって生成される均一磁場は、磁場の変動への依存を最小限にするために（例えば、第１の状態と第２の状態との間の遷移のゼーマンエネルギーシフトのゼロ勾配）、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１、−１＞−＜２，１＞、または＜１，１＞−＜２、−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００２６】
アルカリ金属原子のインタロゲーションにより、測定可能なパラメータを決定するために複数の測定サイクルに亘って取得される、信号ＯＰＴＤＥＴとして図１の例で示される光学応答を提供することができる。図１の例では、光学応答ＯＰＴＤＥＴは、光学検出器２６を含む検出システム２４に提供される。検出システム２４は、光学応答ＯＰＴＤＥＴに応答して干渉法に基づいて測定可能なパラメータを決定することができる。一例として、光学検出器２６は、干渉法により評価することができる光学応答ＯＰＴＤＥＴの蛍光または吸収、もしくは様々な光学検出技術のうちの任意のものを決定して、干渉計の構成に基づく測定可能なパラメータを決定することができる。本明細書でより詳細に説明するように、検出システム２４は、測定可能なパラメータを、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または１つまたは複数の慣性パラメータ（例えば、加速度、加速度勾配、および／または回転）のうちの１つまたは複数として決定するように構成され得る。また、本明細書で説明するように、検出システム２４は、原子干渉計システム１０が測定することができる測定可能なパラメータを柔軟に変更するようにプログラム可能にすることができる。
【００２７】
図２は、原子干渉計システム５０の別の例を示す。原子干渉計システム５０は、一連の測定サイクルに基づいて測定可能なパラメータを決定するように実施することができる。
原子干渉計システム５０は、センサセル５６に閉じ込められたアルカリ金属原子５４をトラップするように構成されたＭＯＴシステム５２を含む。図２の例では、センサセル５６は、光学的損失を実質的に軽減する透明ガラスから作成することができる。例えば、アルカリ金属原子５４は、ルビジウム８７であり得る。原子干渉計システム５０は、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰを生成するように構成されたトラッピングビーム源６０を含む光学システム５８をも含む。各測定サイクルは、トラッピング段階で開始することができ、そのトラッピング段階間、アルカリ金属原子５４は、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰおよびトラッピング磁場によりＭＯＴシステム５２によってトラッピングすることができる。原子干渉計システム５０は、ＭＯＴとして構成された原子源を含むものとして示されているが、アルカリ金属原子５４をトラップする他の方法を原子干渉計システム５０において実施することができることを理解されたい。
【００２８】
光学システム５８は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋を生成するように構成された第１のビーム源６２と、第２の光ビームＯＰＴＩＮＴ２＋を生成するように構成された第２のビーム源６４とを含む。第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋は、アルカリ金属原子５４の集団のインタロゲーションを行うために、第１の方向に、かつ第１の方向とは反対の第２の方向に光学系（図示せず）を介してセンサセル５６を通過するように供給される。一例として、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋は、個々の第１および第２の周波数を有することができ、かつ各々がセンサセル５６を通過する第１の方向において第１の円偏光を有することができる。一例として、光学系は、共通の個々の光路に沿ってなど、センサセル５６を通過するように光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ（例えば、３つの直交軸のうちの１つに対応する）ならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を指向させるように構成される。図２の例では、原子干渉計システム５０は、センサセル５６の反対側にある１／４波長板６６およびミラー６８を含む。例えば、１／４波長板６６およびミラー６８は、同じ円偏光で第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル５６を通過して戻る第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を供給するための光学系（例えば、光学系２２）の一部である。例えば、ミラー６８は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を反射して同じ円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２としてセンサセル５６を通過するように戻す再帰反射ミラーとすることができる。従って、１／４波長板６６を最初に通過し、ミラー６８で反射され、１／４波長板６６を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋の円偏光は、同じに維持して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−とＯＰＴＩＮＴ２−を提供することができる。
【００２９】
従って、アルカリ金属原子５４は、インタロゲーション段階の間に、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋ならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−およびＯＰＴＩＮＴ２−の特定の周波数および円偏光の組み合わせに基づいて、第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で遷移するように誘導され得る。図２の例では、ＭＯＴシステム５２は、磁場発生器７０（「遷移Ｂ発生器」）を含む。例えば、ポンピングおよび磁場発生器７０によって提供される磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションされる。例えば、ポンピングおよび磁場は、アルカリ金属原子５４が第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋から光子を吸収する感度を提供する一方で、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋に対して不感度性である（または対向伝搬する第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−から光子を吸収する感度を提供する一方で、対向伝搬する第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に対して不感度性である）。
【００３０】
従って、アルカリ金属原子５４は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して、中間状態から第２のエネルギー状態に降下するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。例えば、ポンピングおよび磁場は、アルカリ金属原子５４が第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に応答して光子を放出する感度を提供する一方で、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−に対して不感度性である（または前方伝搬する第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋から光子を放出する感度を提供する一方で、前方伝搬する第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋に不感度性である）。従って、反対方向からの第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２−を介した光子の吸収および放出を可能にする１／４波長板６６およびミラー６８の構造に基づいて、アルカリ金属原子は２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、ここで、光子の吸収および放出は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋と第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−との対向伝搬に基づいて、同じ近似方向であることを前提とする。その結果、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子に対する光子の吸収および放出を区別することができない典型的な原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２に対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションが行われる。
【００３１】
従って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子５４の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子５４の光学応答を得るための状態検出段階が続く。別の例として、アルカリ金属原子５４のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子５４のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、磁場発生器７０によって生成される均一な磁場は、磁場の変動への依存を最小限に抑えるために（例えば、他のエネルギー遷移を拒絶するために）、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、＜１，−１＞−＜２，１＞または＜１，１＞−＜２，−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００３２】
図１の例で説明したのと同様に、アルカリ金属原子５４のインタロゲーションにより、測定可能なパラメータを決定するために複数の測定サイクルに亘って取得される、信号ＯＰＴＤＥＴとして図２の例で示される光学応答を提供することができる。図２の例では、光学応答ＯＰＴＤＥＴは、光学検出器７４を含む検出システム７２に提供される。検出システム７２は、光学応答ＯＰＴＤＥＴに応答して干渉法に基づいて測定可能なパラメータを決定することができる。一例として、光学検出器７４は、干渉法により評価することができる光学応答ＯＰＴＤＥＴの蛍光または吸収（または他の任意の光学検出技術）を決定して、原子干渉計システム５０の構成に基づく測定可能なパラメータを決定することができる。本明細書でより詳細に説明するように、検出システム７２は、測定可能なパラメータを、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または１つまたは複数の慣性パラメータ（例えば、加速度、加速度勾配、および／または回転）のうちの１つまたは複数として決定するように構成され得る。また、本明細書で説明するように、検出システム７２は、原子干渉計システム５０が測定することができる測定可能なパラメータを柔軟に変更するようにプログラム可能にすることができる。
【００３３】
図３は、タイミング図１００の例を示す。タイミング図１００は、所与の測定サイクルを形成する信号およびタイミングに関する各測定サイクルのタイミングに対応する。図３の例に関する以下の説明では、図１および２の例を参照する。
【００３４】
タイミング図１００は、各測定サイクルの個別の段階を示している。段階は、互いに対してスケーリングされたものとして示されておらず、かつ／または本明細書に記載されている段階のいくつかは必須ではない場合があることを理解されたい。時間Ｔ０から始まり、測定サイクルはトラッピング段階１０２で開始される。時間Ｔ０において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰが、トラッピング磁場とともにセンサセル５６を通過するように供給される。さらに、前述したように、アルカリ金属原子５４は、アルカリ金属原子集団の実質的に全体の励起を確実にするために、追加の誘導（例えば、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰによるポンピング）を受け得る。
【００３５】
時間Ｔ１において、測定サイクルは、光学モラセス段階１０４に移行する。時間Ｔ１において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰは、センサセル５６を通過するように維持されるが、トラッピング磁場は非活性化される。その結果、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰは、アルカリ金属原子５４のさらなる冷却を提供することができる。例えば、アルカリ金属原子５４は、温度が絶対零度近く（例えば、約５μＫ）に低下して、アルカリ金属原子５４は、拡散速度（例えば、数センチメートル／秒）を大幅に低下させることができる。その結果、アルカリ金属原子５４を、インタロゲーションの準備のために実質的に含ませることができる。一例として、光学モラセス段階１０４は、約２５ｍｓの持続時間を有することができる。一例として、光学モラセス段階１０４は、本明細書に記載されるものに限定されず、本明細書に記載される原子干渉法に必要ではない場合があり得る。
【００３６】
時間Ｔ２において、測定サイクルは、原子状態準備段階１０６に移行する。時間Ｔ２において、均一磁場発生器７０によって提供されるような実質的に均一な磁場が活性化される。従って、原子状態準備段階１０６は、所与の測定サイクル中にインタロゲーションを開始するための条件を設定する。一例として、原子状態準備段階１０６は、約２ｍｓの持続時間を有することができる。
【００３７】
時間Ｔ３で、インタロゲーション段階１０８が開始される。インタロゲーション段階１０８は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋がセンサセル５６を通過するように提供されるインタロゲーション段階に対応する。前述したように、ポンピングおよび実質的に均一な磁場に応答して、アルカリ金属原子５４は、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋に対して不感度性でありながら、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋から吸収された光子に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションが行われる。次に、アルカリ金属原子５４は、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−に対して不感度性でありながら、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に応答した光子の放出に基づいて中間状態から第２のエネルギー状態に降下するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。従って、アルカリ金属原子５４は、２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、ここで、光子の吸収および放出からのアルカリ金属原子５４の集団の運動量変化は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−の対向伝搬に基づいて、同じ近似方向であることを前提とする。
【００３８】
前述したように、インタロゲーション段階１０８は、複数のインタロゲーションサイクルを含むことができる。例えば、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が所定の時間ｔ１／２に亘って所定の強度で提供される第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方でアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスからの時間間隔Ｔの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスで供給されるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の各々の同じ円偏光で、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍の強度（または、２倍の持続時間の間に同じ強度）でインタロゲーションビームが供給されるπパルスを含むことができる。従って、πパルスは、５０％の重ね合わせを反転して、干渉経路を閉じることを開始するように作用することができる。インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が、第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間ｔ１／２に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元することができる。
【００３９】
時間Ｔ６において、測定サイクルは、状態読み出し段階１１０に移行する。時間Ｔ６において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰが再び活性化され、均一磁場が非活性化される。状態読み出し段階１１０の間、第２の状態（例えば、それぞれ状態＜２、１＞または＜２−１）に対する第１の状態（例えば、状態＜１，−１＞または＜１，１＞）におけるアルカリ金属原子５４の集団の状態分布が測定されて、アルカリ金属原子５４の集団が状態読み出し段階１１０中に光学応答ＯＰＴＤＥＴを提供するようにする。一例として、状態読み出し段階１１０は、約３ｍｓの持続時間を有することができる。さらに、インタロゲーション段階１０８中にアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間など）を決定することができる。
【００４０】
図４は、原子干渉計システム１５０の別の例を示す。原子干渉計システム１５０は、前述したのと同様に、一連の測定サイクルに基づいて測定可能なパラメータを決定するように実施することができる。図１の例で前述したのと同様に、原子干渉計システム１５０は、磁場発生器１５６によって発生した磁場に基づいてセンサセル１５４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源１５２を含む。
【００４１】
図１の例においても前述したように、各測定サイクルでは、トラッピング段階に続いて、インタロゲーション段階が開始される。図４の例では、原子干渉計システム１５０は、光学システム１５８を含む。光学システム１５８は、光学システム１６２によりセンサセル１５４に供給される光学ビームを生成するように構成された複数のビーム源１６０を含む。図４の例では、原子干渉計システム１５０は、光学システム１５８が、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰＸ、ＯＰＴＴＲＰＹ、およびＯＰＴＴＲＰＺとして示されるように、３つのほぼ直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺの各々に沿って光トラッピング光を供給することができることを示す。光学システム１５８はまた、３つの直交軸Ｘ、Ｙ、およびＺの各々に沿って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアを供給するものとして示されている。例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアは、個々の光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰＸ、ＯＰＴＴＲＰＹ、およびＯＰＴＴＲＰＺと同じ光路に沿って供給される。一例として、原子干渉計システム１５０は、アルカリ金属原子の光トラッピングを提供するものと同じ光学系を使用して、３つの直交軸の各々に沿った測定を交互に順番に提供することができる。従って、検出システム１６４は、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアの検出を提供して、３つの直交軸の各々に沿った測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を提供することができる。図４の例で示されている軸は、Ｘ、Ｙ、およびＺの直交軸として示されているが、追加の軸または異なる軸に沿った測定が、センサシステム１５０によって実施されてもよく、かつＸ、Ｙ、およびＺ直交軸が例として提供されていることを理解されたい。
【００４２】
図５は、センサシステム２００の例を示す。センサシステム２００は、原子干渉計システム１０、５０、または１５０と実質的に同じ構成とすることができる。例えば、原子干渉計システム２００は、磁場発生器２０６によって生成された磁場に基づいて、センサセル２０４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源２０２を含む。原子干渉計システム２００は、光学システム２０８をも含む。光学システム２０８は、センサセル２０４に供給される光ビームを生成するように構成された複数のビーム源２１０および光学系２１２を含む。従って、センサシステム２００は、検出システム２１３において本明細書で前述した原子干渉法を実施するように構成されている。
【００４３】
図５の例では、センサシステム２００は、１つまたは複数のセンサ２１６を含むセンサコントローラ２１４をも含む。例えば、センサ（複数可）２１６は、時間を測定する水晶発振器、磁場を測定する磁力計、電界を測定する電位計、受感軸に沿って加速度を測定する加速度計、受感軸を中心とした回転を測定するジャイロスコープなど、測定可能なパラメータを測定（または提供）する様々なセンサの任意のものを含むことができる。一例として、センサ（複数可）２１６は、本明細書でより詳細に説明するように、測定可能なパラメータ（複数可）の測定を可能にするために、より低い精度を有し得る補助センサ（複数可）として構成することができる。
【００４４】
図６は、センサシステム２５０の別の例を示す。センサシステム２５０は、図５の例におけるセンサシステム２００の一部に対応することができる。センサシステム２５０は、図２の例で説明したのと同様に、センサセル２５６に閉じ込められたアルカリ金属原子２５４をトラップするように構成されたＭＯＴシステム２５２を含む。図６の例では、原子干渉計システム２５０は、センサセル２５６の反対側にある１／４波長板２５８およびミラー２６０を含む。例えば、１／４波長板２５８およびミラー２６０は、同じ円偏光で第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル２５６を通過して戻る第１の円偏光を有する第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を供給するための光学系（例えば、光学系２２）の一部である。例えば、ミラー２６０は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を反射して同じ円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２としてセンサセル２５６を通過するように戻す再帰反射ミラーとすることができる。
【００４５】
センサシステム２５０は、ミラー２６０の反射または再帰反射表面に対してミラー２６０の遠位表面に取り付けられるように実施される１つまたは複数のセンサ２６２をも含む。センサ（複数可）２６２は、図５の例におけるセンサ（複数可）２１６に対応することができ、従って、時間を測定する水晶発振器、磁場を測定する磁力計、電界を測定する電位計、受感軸に沿って加速度を測定する加速度計、受感軸を中心とした回転を測定するジャイロスコープなど、測定可能なパラメータを測定（または提供）する様々なセンサの任意のものを含むことができる。従って、センサ（複数可）２６２は、ＭＯＴシステム２５２に関連する干渉法に関して非常に近接して取り付けられるように配置されて、測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値を提供するセンサ（複数可）２６２の機能を提供することができ、センサシステム２５０は、本明細書で説明した干渉法による測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値に対して非常に正確な改善を提供することができる。
【００４６】
図５の例を再び参照すると、センサコントローラ２１４は、ユーザー入力に対応する入力ＣＮＦＧを受信して、干渉計が測定することができる様々な所定の測定可能なパラメータの任意のもののような、測定可能なパラメータの任意の１つを測定するように原子干渉計システムを構成する。従って、入力ＣＮＦＧは、干渉計の選択的な構成を提供して、原子干渉計システムがサポートできる所定の測定可能なパラメータのうちの所望のもの（以前に示された測定可能なパラメータのうちの任意の２つ以上）を測定するための選択入力であり得る。従って、センサコントローラ２１４は、調整信号ＴＮを光学システムに提供して、干渉計により測定可能なパラメータを測定する機能を提供するようにビーム源を調整することができる。例えば、調整信号ＴＮは、干渉計が個々の選択された測定可能なパラメータを測定する機能を提供するために、ビーム源の周波数および／または偏光、ひいてはインタロゲーションビームに影響を与えることができる。
【００４７】
センサコントローラ２１４は、検出システム２１３から個々の選択された測定可能なパラメータの測定値に対応する信号ＭＰを受信する。従って、センサコントローラ２１４は、信号ＭＰによって提供されるような測定されたパラメータに基づいて、センサ（複数可）２１６のうちの個々の１つから提供される測定可能なパラメータを調整および／または較正することができる。従って、原子干渉計システム２００は、精度の低いセンサ（複数可）２１６の１つに対して、測定可能なパラメータの非常に精度の高い測定値を決定する際の支援を提供することができる。特に、センサ（複数可）２１６は、測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値を提供することができ、それにより、センサシステム２００は、本明細書で説明した干渉法により測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値に対して非常に正確で安定した改善を提供することもできる。
【００４８】
さらに、センサシステム２００は、較正システム２１８を含む。較正システム２１８は、特に本明細書で説明されるような原子干渉法に関して、センサシステム２００の較正を実施するように構成される。例えば、較正システム２１８は、センサシステム２００の通常の動作モード中に動作することができ、その結果、較正システム２１８は、センサシステム２００の較正を、センサシステム２００の通常の動作中に実質的に継続的に、従って、リアルタイム動作の中断なしに実行することができる、センサシステム２００の自己較正を実施することができる。
【００４９】
図５の例では、較正システム２１８は、検出システム２１３からの信号ＭＰと、センサ（複数可）２１６からの信号ＳＭとを受信する。従って、信号ＳＭは、センサ（複数可）２１６による個々の測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を示す、個々のセンサ（複数可）２１６からの出力信号（複数可）に対応することができる。従って、較正システム２１８は、検出システム２１３およびセンサ（複数可）２１６によって提供される測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を実質的に継続的に監視するように構成される。さらに、較正システム２１８は、原子源２０２および／または光学システム２０８に較正信号ＣＡＬを提供する。較正信号ＣＡＬは、磁場発生器２０６によって発生した磁場および／または測定サイクルの周期的間隔で（例えば、交互の測定サイクルで）、ビーム源２１０によって生成されたインタロゲーションビームの少なくとも１つに対する調整を提供することができる。
【００５０】
例えば、較正信号ＣＡＬは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴの円偏光の変化に対応することができる。従って、アルカリ金属原子の集団は、異なる較正測定サイクルにおいてインタロゲーションサイクルでの光子運動量方向の反対の変化（例えば、各交互測定サイクルにおけるような、πパルスおよびπ／２パルスの各々における光子吸収および放出から生じる反対運動量方向）を有することができる。別の例として、較正信号ＣＡＬはまた、ビーム源２１０の強度、活性化時間、および／または周波数に影響を与えて、アルカリ金属原子によるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴの光子吸収および放出から生じる運動量変化のほぼ等しいかつ反対の効果を提供することもできる。別の例として、較正信号ＣＡＬは、磁場発生器２０６によって発生する遷移磁場の極性を反転させることができ、これにより、同様に、異なる較正測定サイクルにおいてインタロゲーションサイクルでの光子運動量方向の反対の変化（例えば、各交互測定サイクルにおけるような、πパルスおよびπ／２パルスの各々における光子吸収および放出から生じる反対運動量方向）を生じさせることができる。別の例として、較正信号ＣＡＬは、例えば、インタロゲーションパルスの持続時間、インタロゲーションパルス間の遅延、および／または全体のインタロゲーションサイクル時間など、インタロゲーションサイクルのタイミングにも影響を与えることができる。タイミング調整がレーザー強度調整と組み合わされて、πパルスおよびπ／２パルス効果を維持するために積分パルス領域を維持しながら、インタロゲーションパルスの持続時間を変更することもできる。さらに別の例として、較正信号ＣＡＬは、ビーム源２１０の円偏光の変化と、磁場発生器２０６によって発生する磁場の極性の変化との異なる組み合わせを提供して、選択された測定サイクルにおいて、光子の吸収および放出の効果の変化、およびその結果として生じるアルカリ金属原子の運動量変化を実施することができる。
【００５１】
前述したように、較正システム２１８は、検出システム２１３およびセンサ（複数可）２１６によって提供される測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を実質的に継続的に監視するように構成される。従って、較正システム２１８は、較正信号ＣＡＬによって提供される調整に基づいて測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を識別するように構成され、従って、アルカリ金属原子の運動量変化の影響をフィードバック方式で識別するように構成される。例えば、較正システム２１８は、測定サイクルに亘って測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を集約して、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値に与えるインタロゲーションビームおよび磁場の影響を識別するための１つまたは複数のフィルタリングアルゴリズム（例えば、カルマンフィルタ、粒子フィルタ、またはその他の様々なタイプのフィルタリングアルゴリズムの任意のものを介して）を実施するように構成される。従って、較正システム２１８は、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値における識別されたバイアス誤差を除去するために、ビーム源２１０（例えば、強度および／または周波数）、磁場発生器２０６（例えば、強度および／または方向）、またはセンサシステム２００の任意の他の部分（例えば、温度）に関連するパラメータを調整する等によって、センサシステム２００の自己較正を実施するように構成することができる。別の例として、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値に対するインタロゲーションビームおよび磁場の系統的な効果を観察可能に表現することに応答して、較正システム２１８は、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値から識別されたバイアス誤差を単に減算することができる。例えば、較正信号ＣＡＬはまた、ビーム源２１０、磁場発生器２０６、またはセンサシステム２００の他の構成要素に対してチューニング調整を提供することができる。従って、較正システム２１８は、センサシステム２００の動作を中断することなく、経時的に測定可能なパラメータ（複数可）のより正確な測定値を提供することができる。
【００５２】
前述した構造的および機能的特徴を考慮すると、本発明の様々な態様による方法は、図７を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図７の方法は、連続的に実行されるように示され、説明されているが、いくつかの態様は、本発明に従って、本明細書に示され説明されたものからの他の態様と異なる順序で、かつ／または同時に発生することができるので、本発明は、図示の順序に限定されないことが理解され、認識されるべきである。さらに、本発明の態様による方法を実施するために、例示されているすべての特徴が必要とされるとは限らない。
【００５３】
図７は、原子干渉計システム（例えば、原子干渉計システム１０）により少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するための方法３００の例を示す。３０２において、アルカリ金属原子は、一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光（例えば、トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ）および磁場によりセンサセル（例えば、センサセル１４）内にトラップされる。３０４において、インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビーム（例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１）が供給され、かつ第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビーム（例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２）がセンサセルを通過するように供給される。インタロゲーションビームは、第１の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、第２の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の光子運動量を提供する。３０６において、インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移が、状態読み出し段階中の光学応答に基づいて検出される。３０８において、アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータが決定される。
【００５４】
上述したものは、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明するために考えられる構成要素または方法のすべての組み合わせを説明することはできないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の技術思想および範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。さらに、開示または請求項が「１つの」、「第１の」、または「別の」要素、またはそれらの同等物を記載する場合、１つまたは複数のそのような要素を含むと解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素の要求も除外もされない。本明細書で使用される場合、「含む」という用語は、限定されるものではないが、含むことを意味し、「含んでいる」という用語は、限定されるものではないが、含んでいることを意味する。「〜に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。
【図１】
2020184633.tif 000004
【図２】
2020184633.tif 000005
【図３】
2020184633.tif 000006
【図４】
2020184633.tif 000007
【図５】
2020184633.tif 000008
【図６】
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【図７】
2020184633.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月29日(2020.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子干渉計システムであって、
アルカリ金属原子を含むセンサセルと、
第１の周波数および第１の円偏光を有する第１のインタロゲーションビーム、および第１の周波数とは異なる第２の周波数および前記第１の円偏光を有する第２のインタロゲーションビームを生成する光学システムであって、前記光学システムは、第１の方向において前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、前記第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、前記第１の方向と反対の第２の方向において前記第１の円偏光で前記センサセルを通過するように戻して、一連の測定サイクルの各々におけるインタロゲーション段階中に第１の円偏光で前記アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で駆動する光学系を含む、前記光学システムと、
前記一連の測定サイクルの各々における状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階中の前記第１のエネルギー状態と前記第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の状態分布を検出する検出システムとを備える原子干渉計システム。
【請求項２】
前記光学システムが、前記アルカリ金属原子を通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第１のインタロゲーションビームの前記第１の周波数による前記アルカリ金属原子の集団における光子の吸収をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供し、かつ前記アルカリ金属原子を通過する反射された第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第２のインタロゲーションビームの前記第２の周波数による前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の前記第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光学システムは、光トラッピングビームを生成するように構成されたトラッピングビーム源を備え、前記原子干渉計システムは、光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムをさらに備え、前記ＭＯＴシステムは、
前記光トラッピングビームに応答してセル内の前記アルカリ金属原子をトラップするように構成されたトラッピング磁場を発生させるように構成された第１の磁場発生器と、
前記インタロゲーション段階中に均一な磁場を発生させるように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一な磁場は、前記第１のエネルギー状態から前記第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記アルカリ金属原子がルビジウム８７原子であり、前記均一な磁場が約３．２３ガウスの振幅を有し、
前記均一な磁場が、前記アルカリ金属原子の＜１，−１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，１＞の前記第２のエネルギー状態への、または＜１，１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，−１＞の前記第２のエネルギー状態へのインタロゲーションエネルギー遷移に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記光学システムが、同じ光路に沿って前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに前記光トラッピングビームを供給するように構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記光学システムは、
前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々のＸ、Ｙ、およびＺ直交軸に沿った第１の光トラッピングビーム、第２の光トラッピングビーム、および第３の光トラッピングビームを供給するように構成されたトラッピングビーム源と、
前記第１のインタロゲーションビームを生成し、第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第１のインタロゲーションビームを前記光学系を介して前記センサセルを通過して供給するように構成される第１のインタロゲーションビーム源と、
前記第２のインタロゲーションビームを生成し、前記第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第２のインタロゲーションビームを供給するように構成される第２のインタロゲーションビーム源とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の原子干渉計システムを含むセンサシステムであって、
少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定するように構成された少なくとも１つのセンサを含むセンサコントローラを備え、前記原子干渉計システムは、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を提供し、かつ前記センサコントローラに前記第２の測定値を提供するようにさらに構成され、前記センサコントローラは、前記第２の測定値に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの前記第１の測定値を改善するように構成される、センサシステム。
【請求項８】
少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場および前記第１および第２のインタロゲーションビームのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの特性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記干渉計システムの較正を実施するように構成される較正コントローラをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々の円偏光を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場の極性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法であって、
一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光および磁場によりアルカリ金属原子をセンサセル内にトラップするステップと、
インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において、前記センサセルを通過する第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームと前記第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームとを提供して、前記第１の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、前記第２の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第２の運動量を提供するステップと、
状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の集団の遷移を検出するステップと、
前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップとを含む方法。
【請求項１２】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、前記第１および第２のインタロゲーションビームを、第１の方向において前記センサセルを第１の円偏光で前記第１の方向に通過するように供給し、かつ第２の方向において前記センサセルを前記第１の円偏光で前記第１の方向とは反対の第２の方向に光学系を介して通過するように供給することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定することを含み、方法はさらに、
補助センサにより前記なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を決定するステップと、
前記第１の測定値に基づいて、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を改善するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクルにおいて第１の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することを含み、前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することを含み、方法はさらに
第２の測定サイクルにおいて前記第１の円偏光と反対の第２の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第１の極性を有する遷移磁場を供給することを含み、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することを含み、方法はさらに、
第２の測定サイクルにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第２の極性を有する遷移磁場を供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１９年５月８日に出願された米国仮出願番号６２／８４５１１０からの優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子干渉計システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
光干渉計は、電磁波（例えば、光信号）を用いて、測定可能なパラメータの非常に正確な測定値を提供することができるシステムである。例えば、干渉法は、２つのビームに分割され、かつ２つの別々の光路に沿って提供される、単一の光源からの光を用いることができる。その後、２つのビームを結合して、結合されたビーム間の干渉に基づいて、２つの干渉計のビーム経路の相対光路長の変化を決定することができる。その結果、一方のビーム経路と他方のビーム経路との相対的な長さを変化させるパラメータは、光干渉法を使用して測定することができる。一例として、原子のドブロイ波長を使用して、原子干渉計を実施して、干渉計の１つのアーム上を移動する原子の、他のアームとの差を測定することもできる。この例では、干渉計を伝搬する波は、静止質量と電磁界に感応性のある内部エネルギー構造とを有する。例えば、典型的な光学波長と比較して劇的に短いドブロイ波長は、光ベースの干渉法と比較して、約１０桁の潜在的な感度の増加を提供する。結果として、時間、磁場、電場、加速、回転などの測定可能なパラメータ、および／またはその他の様々な測定可能なパラメータは、原子干渉法によって非常に的確かつ正確に測定することができる。一例として、干渉計は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）、慣性航法システム（ＩＮＳ）、および航空機、宇宙船、船舶などの他の航法および位置決めシステムを支援するなど、様々な航法実施形態において使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４１５７４９５号明細書
【特許文献２】米国特許第５２２７７２２号明細書
【特許文献３】米国特許第７８９３７８０号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態は、原子干渉計システムを含む。システムは、アルカリ金属原子を含むセンサセルを含む。光学システムは、第１および第２の周波数ならびに円偏光を有する第１および第２のインタロゲーションビームを生成する。光学システムは、一連の測定サイクルのインタロゲーション段階中に、第１の方向においてセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、第１の方向とは反対の第２の方向において同じ円偏光でセンサセルを通過するように戻して、アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態からより高いエネルギー状態に駆動する光学系を含む。検出システムは、光学応答に基づいて、インタロゲーション段階中の第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の状態分布を検出する。
【０００６】
別の例は、原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法を含む。方法は、一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光および磁場によりアルカリ金属原子をセンサセル内にトラッピングすることを含む。方法は、インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において、センサセルを通過する第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームと第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームとを提供して、第１の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、第２の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、第１の方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の運動量を提供することをも含む。方法は、状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移、またはその２つの任意の組み合わせ、を検出することをも含む。方法は、アルカリ金属原子の検出された最終の状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することをさらに含む。
【０００７】
別の例は、原子干渉計システムを含む。システムは、一連の測定サイクルの各々のトラップ段階中に磁場およびトラッピング光によりセンサセル内にアルカリ金属原子をトラップする光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムを含む。システムは、光学システムをも含む。光学システムは、第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームを生成するように構成された第１のインタロゲーションビーム源と、第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームを生成するように構成された第２のインタロゲーションビーム源とを含む。光学システムは、インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々において、第１の円偏光で第１の方向にセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供して、第１の円偏光で第１のインタロゲーションビームの第１の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子を吸収をもたらして、アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供するとともに、第１の方向と反対の第２の方向において、同じ個々の円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームをアルカリ金属原子を通過するように反射して、第１の円偏光で第２のインタロゲーションビームの第２の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供する光学系をも含む。システムはさらに、少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するために、状態読み出し中に光学応答に基づいてインタロゲーション段階中に誘導された第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移、または２つの任意の組み合わせ、を検出する検出システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】原子干渉計システムの例を示す図である。
【図２】原子干渉計システムの別の例を示す図である。
【図３】タイミング図の例を示す図である。
【図４】原子干渉計システムのさらに別の例を示す図である。
【図５】センサシステムの例を示す図である。
【図６】センサシステムの別の例を示す図である。
【図７】原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、原子干渉計システムに関する。原子干渉計システムは、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または加速度、加速度勾配、回転などの１つまたは複数の慣性パラメータなど、様々な測定可能なパラメータのうちの任意のものを測定するために実施することができる。本明細書で説明するように、原子干渉計システムは、測定可能なパラメータ（複数可）を測定するために、特定の方法で順次供給されるインタロゲーションビームによる原子の集団のインタロゲーションを実施することができる。原子干渉法の例は、センサセル内のアルカリ金属原子の集団の２つの状態間の遷移エネルギーを測定するための、シーケンシャルコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）ベースのインタロゲーション、ラビ（Ｒａｂｉ）パルスインタロゲーション、または他の様々なタイプの原子干渉法インタロゲーションを含む。本明細書で説明されるように、原子干渉計システムは、ＣＰＴまたはラビパルス方式のいずれかで原子の集団のインタロゲーションを実施することができる。
【００１０】
一例として、原子干渉計システムは、トラップ磁場および一組のトラッピング光ビームに応答してアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源（例えば、磁気光学トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ）システム）を含むことができる。例として、各測定サイクルのトラッピング段階中に、トラッピングシステムは、サイクル遷移（即ち、Ｆ＝２、ｍＦ＝２→Ｆ’＝３’、ｍＦ’＝３’、以下＜２，２＞−＜３’、３’＞と表記）でアルカリ金属原子を繰り返し中間状態（例えば、ルビジウム８７の場合、Ｆ’＝３の超微細構造）に励起して、アルカリ原子源を提供することができる。アルカリ金属原子をトラップしてソースおよびベースライン光学応答を提供すると、トラッピングシステムは、光トラッピングビームおよびトラッピング磁場の印加を停止して、インタロゲーション用のアルカリ金属原子を準備することができる。
【００１１】
原子干渉計システムは、光学システムをも含むこともできる。光学システムは、第１のインタロゲーションビームを提供する第１のインタロゲーションビーム源と、第２のインタロゲーションビームを提供する第２のインタロゲーションビーム源とを含むことができ、各インタロゲーションビームは、互いに異なる周波数および同じ円偏光を有する。本明細書で説明するように、「円偏光」という用語は、「円偏光」が楕円偏光などの円偏光を含む偏光の組み合わせを包含するように、少なくとも円偏光成分を有する偏光を指す。さらに、本明細書でも説明するように、円偏光は、円偏光を示す個々の光ビームの伝搬方向を参照して本明細書に記載されている。本明細書でさらに説明するように、「ビーム源」という用語は、レーザーまたは任意のレーザーから個々のビームを提供するための一組の光学系など、個々のビームを提供するための様々な方法のいずれかを指す。例えば、複数のビーム源は、音響光学変調または電気光学変調による周波数シフト、または周波数サイドバンドを生成して所望の周波数を提供するために個々のビーム源の電流を変調すること等に基づいて、任意の１つのレーザーから複数の個々のビームを提供することができる。本明細書でより詳細に説明するように、光学システムは、初期状態準備段階のために実施することができる１つまたは複数の光学部品（例えば、光ポンピングビーム源）をも含むことができる。
【００１２】
光学システムは、第１の方向においてセンサセルを通過する第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、第１および第２のインタロゲーションビームを反射して第１の方向と反対の第２の方向において同じ円偏光でセンサセルを通過するように戻す光学系も含む。例えば、光学系は、センサセルの反対側に１／４波長板およびミラー（例えば、再帰反射ミラー）を含むことができる。例えば、トラッピングシステムに対して同じ光学構成を実施して、両方の動作段階で共通の光学系を使用するようにすることができる。従って、１／４波長板を最初に通過し、ミラーで反射され、１／４波長板を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームの円偏光は、第１および第２のインタロゲーションビームの伝搬方向に関しては同じであるが、アルカリ金属原子に関しては反対の角運動量とすることができる。
【００１３】
アルカリ金属原子はポンピングされ、所定の磁場にさらされて、インタロゲーション段階で、特定の周波数および円偏光の組み合わせでインタロゲーションビームによるインタロゲーションが可能となる。例えば、ポンピングおよび磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態（例えば、ＣＰＴインタロゲーションのための超微細状態またはラビインタロゲーションに関するラマン遷移のための「仮想」エネルギー状態）に駆動されるようにインタロゲーションが行われる。次に、アルカリ金属原子は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して、中間状態から第２のエネルギー状態に変化するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。個々の伝搬方向の各々における第１および第２のインタロゲーションビームによる光子の吸収および放出を可能にする光学系の構造に基づいて、吸収された光子および放出された光子が対向伝搬するインタロゲーションビームに基づいて名目上に反対方向にあること等に基づいてアルカリ金属原子は、２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、吸収された光子および放出された光子が同一方向に伝搬する第１および第２のインタロゲーションビームまたは同一方向に伝搬する第１および第２の再帰反射されたインタロゲーションビームに基づいて名目上同じ方向にある場合、アルカリ金属原子は、２光子のエネルギー差に等しい正味の運動量ゲインを示す。その結果、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子から開始する場合のインタロゲーションサイクル後に正味の応答を区別することができない他の原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームに対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションを行うことができる。例えば、従来の０−０「クロック」遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１，０＞−＜２，０＞、または＜２，０＞−＜１，０＞）で原子を励起する典型的な原子干渉システムの場合、ゼロ速度原子の曖昧性（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）は、反対の運動量方向の両方の運動量状態の混合をもたらし、結果として、原子干渉計の運動量状態の分裂に依存する量の正味の測定値が得られない。しかしながら、本明細書で説明するように、２光子の正味の運動量ゲインに基づいてアルカリ金属原子の集団の運動量方向を制御することによって、静止した原子であっても測定可能なパラメータ（複数可）の測定値において運動量状態の分裂を観察することができる。
【００１４】
従って、インタロゲーションビームは、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子の光学応答を得るための状態検出段階が続く。別の例として、アルカリ金属原子のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、均一な磁場は、磁場の変動への依存（例えば、適切な値を中心とする磁場に対する純粋に２次的なゼーマンエネルギーシフト依存性）を最小限に抑えるために、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１，−１＞−＜２，１＞、または＜１，１＞−＜２，−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００１５】
例えば、光学システムは、インタロゲーション段階中に複数のインタロゲーションサイクルの各々においてインタロゲーションビームを提供することができる。インタロゲーションサイクルの各々において、第１のインタロゲーションビームは、第１の周波数で第１の円偏光によって供給される角運動量に基づいて、アルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらすことができる。従って、光子の吸収は、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供することができる。インタロゲーションビームが反射されてセンサセルを通過するように戻されるため、第２のインタロゲーションビームは、第２の周波数で第１の円偏光によって供給される角運動量に基づいて、アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらすことができる。従って、光子の放出は、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の光子運動量（例えば、第１の光子運動量にほぼ等しい）を提供することができ、従って、第１の運動量方向における運動量を（例えば、正味の２光子運動量に）増加させることができる。
【００１６】
一例として、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームが任意の強度で所定の時間に亘って提供される従来のラビサイクリング項などのように、第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームを供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、第１および第２のエネルギー状態におけるアルカリ金属原子と、元の光子運動量状態および２光子運動量状態におけるアルカリ金属原子との約５０％重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍の強度（例えば、√２倍の強度）または第１のπ／２パルスと同じ強度で２倍の時間でインタロゲーションビームが提供されるπパルスなどの中間サイクルを含むことができる。従って、πパルスは、アルカリ金属原子のエネルギー状態および運動量状態分布の両方における５０％の重ね合わせを反転させるように作用することができ、その結果、２光子運動量変化を経験しなかったアルカリ金属原子の重ね合わせの半分は、２光子運動量変化を経験し、２光子運動量変化を経験した半分は、最初の２光子運動量変化を打ち消すように、反対方向に２光子運動量変化を経験する。中間サイクルは本明細書では単一のπパルスとして説明されているが、原子干渉計システムは、代わりに、原子干渉計システムの感度を高めるために、より高い運動量伝達およびより大きな運動量分離を提供するような、円偏光を交互に繰り返す一連のπパルスを実施することができることを理解されたい。
【００１７】
インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームが第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元することができる。その結果、状態読み出し段階では、インタロゲーション段階中にアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間、など）を、原子の最終的なエネルギーおよび運動量状態分布に基づいて決定することができる。マッハツェンダー（例えば、π／２−π−π／２）パルスシーケンスの実施は、実施することができる多様な干渉計インタロゲーションシーケンスのほんの一例にすぎず、他のタイプのインタロゲーションサイクルまたは他の高運動量転送技術がインタロゲーション段階で実施することができることが理解されるであろう。
【００１８】
一例として、原子干渉計システムの光学システムの光学系は、典型的な原子干渉計システムと比較して、より効率的で費用効果の高い方法で実施することができる。例えば、光学系は、３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚの各々に沿って、または非直交幾何学形状に沿って、第１および第２のインタロゲーションビーム、ならびに第１および第２のインタロゲーションビームの反射バージョンを供給するように構成することができる。従って、光学系は、インタロゲーションビームが光トラッピング光と同じ光路に沿って供給することができるようにすることができる。さらに、原子干渉計システムは、センサから提供される測定可能なパラメータの測定値を調整および／または較正するように構成されたセンサシステムにおいて実施することができる。例えば、センサシステムは、第１および第２のインタロゲーションビームの特性を調整することができるユーザー入力を介して構成可能とすることができる。その結果、原子干渉計システムは、測定するように構成された複数の所定の測定可能なパラメータのうちの１つの測定値を提供するようにプログラムすることができる。
【００１９】
図１は、原子干渉計システム１０の一例を示す。原子干渉計システム１０は、航空宇宙機の慣性航法システム（ＩＮＳ）など、測定可能なパラメータの非常に安定した測定を必要とする様々な用途のいずれかにおいて実施することができる。原子干渉計システム１０は、センサセル１４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源１２を含む。センサセル１４内のアルカリ金属原子の供給源は、熱ビーム、高温蒸気などの様々な技術のいずれかに基づくことができ、または低温原子トラッピング、部分的に閉じ込め原子トラッピング、または他のタイプの原子トラッピングを提供するトラッピング技術を実施することができる。一例として、原子源１２は、光磁気トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ）システムとして構成することができる。例えば、アルカリ金属原子は、ルビジウム８７であり得るが、ルビジウム８７に限定されず、代わりに、異なるアルカリ金属（例えば、セシウム１３３）に対応し得る。一例として、アルカリ金属原子は、センサセル１４内にトラップされ、次に、光トラッピングビームの印加およびトラッピング磁場の印加および除去に応答して、「光学モラセス（ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｌａｓｓｅｓ）」内でさらに冷却され得る。例えば、各測定サイクルはトラッピング段階を含むことができ、そのトラッピング段階の間にアルカリ金属原子は原子源１２によってトラッピングされる。
【００２０】
各測定サイクルでは、トラッピング段階に続いて、インタロゲーション段階が開始される。図１の例では、原子干渉計システム１０は光学システム１６を含む。光学システム１６は、センサセル１４に提供される光ビームを生成するように構成された複数のビーム源１８を含む。図１の例では、光ビームは、１つまたは複数の光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ、および一対のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を含む。光トラッピングビーム（複数可）ＯＰＴＴＲＰは、センサセル１４内のアルカリ金属原子のトラッピングを提供するために、前述したように、トラッピング段階中に提供される。光ポンプビームＯＰＴＴＲＰを提供して、磁場発生器（「Ｂ発生器」）２０によって生成された実質的に均一な磁場の存在下でアルカリ金属原子を分極して、インタロゲーション段階中のインタロゲーション用のアルカリ金属原子を準備することができる。一例として、本明細書でより詳細に説明するように、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ、および一対のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、原子干渉計システム１０の任意の軸（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ直交軸）に沿って提供されて、任意の個々の軸に沿ってアルカリ金属原子のインタロゲーションを可能にする。
【００２１】
第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うために、第１の方向および第１の方向とは反対の第２の方向にセンサセル１４を通過するように供給される。一例として、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、個々の第１および第２の周波数を有することができ、かつそれぞれセンサセル１４を通過する第１の方向に第１の円偏光を有することができる。光学システム１６は、共通の個々の光路に沿ってなど、センサセル１４を通過するように光トラッピングビーム（複数可）ＯＰＴＴＲＰならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を指向させるように構成された光学系２２を含む。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、３つの直交軸光トラッピング方式における光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰの１つに共通の光路に沿って伝搬することができる。光学系２２はまた、センサセル１４を通過する同じ円偏光で、第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル１４を通過して戻る第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給するように構成される。例えば、光学系２２は、１／４波長板およびミラー（例えば、再帰反射ミラー）を含んで、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を反射して同じ円偏光および反対の角運動量でセンサセル１４を通過するように戻すことができる。従って、１／４波長板を最初に通過し、ミラーで反射され、１／４波長板を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１とＯＰＴＩＮＴ２の円偏光が反転する。従って、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の円偏光は、ＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の伝搬方向に関してセンサセル１４を通過する各伝搬方向で同じであるが、角運動量はセンサセル１４内のアルカリ金属原子に関して反対である。
【００２２】
従って、アルカリ金属原子は、インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々の間に、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の特定の周波数および円偏光の組み合わせに基づいて、第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で遷移するように誘導され得る。例えば、ポンピングおよび磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して（例えば、σ＋またはσ−のアルカリ金属原子の角運動量に基づいて）、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションされる。次いで、アルカリ金属原子は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して（例えば、σ−またはσ＋のアルカリ金属原子に個々に反対の角運動量に基づいて）、中間状態から第２のエネルギー状態に変化するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。例えば、第１の周波数と第１の円偏光での第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１は、トラップされたアルカリ金属原子の集団による光子の吸収を可能にし、第２の周波数と第１の円偏光での第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２は、トラップされたアルカリ金属原子の集団による光子の放出を可能にする。反対方向からの第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を介した光子の吸収および放出を可能にする光学系２２の構造に基づいて、アルカリ金属原子は２光子の正味の運動量ゲイン（例えば、
【００２３】
【数１】
2020184633.tif 000011
【００２４】
）を示すことができ、ここで、光子の吸収および放出は、第１の円偏光における第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１と第１の円偏光における第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２との対向伝搬（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）に基づいて同じ近似方向であることを前提とする。動作磁場での双極子選択則の結果として、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子に対する光子の吸収および放出を区別することができない典型的な原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２に対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションが行われる。
【００２５】
一例として、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が所定の時間に亘って所定の強度で供給される第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方でアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスで供給されるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の各々の同じ円偏光で、第１のπ／２パルスとほぼ同じ強度で、かつ第１のπ／２パルスの２倍の時間でインタロゲーションパルスが供給されるπパルスを含むことができる。別の例として、πパルスは、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍で、かつ第１のπ／２パルスとほぼ同じ持続時間で供給することができる。従って、πパルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方で５０％の重ね合わせを反転させて、センサセル１４内のアルカリ金属原子の２つの重ね合わせの半分を共に元に戻すように作用する。中間サイクルは、本明細書では単一のπパルスとして説明されているが、原子干渉計システム１０は、代わりに、原子干渉計システム１０の感度を高めるために、より高い運動量伝達およびより大きな運動量分離を提供するような、円偏光を交互に繰り返す一連のπパルスまたは他の技法を実施することができることを理解されたい。
【００２６】
インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が、第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元するように干渉計を閉じることができる。その結果、状態読み出し段階では、インタロゲーション段階中の受感軸に沿ってアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間など）を決定することができる。
【００２７】
従って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子の光学応答を得るための状態検出段階に続く。別の例として、アルカリ金属原子のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、磁場発生器２０によって生成される均一磁場は、磁場の変動への依存を最小限にするために（例えば、第１の状態と第２の状態との間の遷移のゼーマンエネルギーシフトのゼロ勾配）、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、ルビジウム８７の場合、＜１、−１＞−＜２，１＞、または＜１，１＞−＜２、−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００２８】
アルカリ金属原子のインタロゲーションにより、測定可能なパラメータを決定するために複数の測定サイクルに亘って取得される、信号ＯＰＴＤＥＴとして図１の例で示される光学応答を提供することができる。図１の例では、光学応答ＯＰＴＤＥＴは、光学検出器２６を含む検出システム２４に提供される。検出システム２４は、光学応答ＯＰＴＤＥＴに応答して干渉法に基づいて測定可能なパラメータを決定することができる。一例として、光学検出器２６は、干渉法により評価することができる光学応答ＯＰＴＤＥＴの蛍光または吸収、もしくは様々な光学検出技術のうちの任意のものを決定して、干渉計の構成に基づく測定可能なパラメータを決定することができる。本明細書でより詳細に説明するように、検出システム２４は、測定可能なパラメータを、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または１つまたは複数の慣性パラメータ（例えば、加速度、加速度勾配、および／または回転）のうちの１つまたは複数として決定するように構成され得る。また、本明細書で説明するように、検出システム２４は、原子干渉計システム１０が測定することができる測定可能なパラメータを柔軟に変更するようにプログラム可能にすることができる。
【００２９】
図２は、原子干渉計システム５０の別の例を示す。原子干渉計システム５０は、一連の測定サイクルに基づいて測定可能なパラメータを決定するように実施することができる。
原子干渉計システム５０は、センサセル５６に閉じ込められたアルカリ金属原子５４をトラップするように構成されたＭＯＴシステム５２を含む。図２の例では、センサセル５６は、光学的損失を実質的に軽減する透明ガラスから作成することができる。例えば、アルカリ金属原子５４は、ルビジウム８７であり得る。原子干渉計システム５０は、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰを生成するように構成されたトラッピングビーム源６０を含む光学システム５８をも含む。各測定サイクルは、トラッピング段階で開始することができ、そのトラッピング段階間、アルカリ金属原子５４は、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰおよびトラッピング磁場によりＭＯＴシステム５２によってトラッピングすることができる。原子干渉計システム５０は、ＭＯＴとして構成された原子源を含むものとして示されているが、アルカリ金属原子５４をトラップする他の方法を原子干渉計システム５０において実施することができることを理解されたい。
【００３０】
光学システム５８は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋を生成するように構成された第１のビーム源６２と、第２の光ビームＯＰＴＩＮＴ２＋を生成するように構成された第２のビーム源６４とを含む。第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋は、アルカリ金属原子５４の集団のインタロゲーションを行うために、第１の方向に、かつ第１の方向とは反対の第２の方向に光学系（図示せず）を介してセンサセル５６を通過するように供給される。一例として、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋は、個々の第１および第２の周波数を有することができ、かつ各々がセンサセル５６を通過する第１の方向において第１の円偏光を有することができる。一例として、光学系は、共通の個々の光路に沿ってなど、センサセル５６を通過するように光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ（例えば、３つの直交軸のうちの１つに対応する）ならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を指向させるように構成される。図２の例では、原子干渉計システム５０は、センサセル５６の反対側にある１／４波長板６６およびミラー６８を含む。例えば、１／４波長板６６およびミラー６８は、同じ円偏光で第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル５６を通過して戻る第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を供給するための光学系（例えば、光学系２２）の一部である。例えば、ミラー６８は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を反射して同じ円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２としてセンサセル５６を通過するように戻す再帰反射ミラーとすることができる。従って、１／４波長板６６を最初に通過し、ミラー６８で反射され、１／４波長板６６を２回目に通過することに応答して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋の円偏光は、同じに維持して、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−とＯＰＴＩＮＴ２−を提供することができる。
【００３１】
従って、アルカリ金属原子５４は、インタロゲーション段階の間に、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋ならびに第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−およびＯＰＴＩＮＴ２−の特定の周波数および円偏光の組み合わせに基づいて、第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で遷移するように誘導され得る。図２の例では、ＭＯＴシステム５２は、磁場発生器７０（「遷移Ｂ発生器」）を含む。例えば、ポンピングおよび磁場発生器７０によって提供される磁場に応答して、アルカリ金属原子は、光子の吸収に対応する第１の周波数および第１の円偏光に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションされる。例えば、ポンピングおよび磁場は、アルカリ金属原子５４が第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋から光子を吸収する感度を提供する一方で、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋に対して不感度性である（または対向伝搬する第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−から光子を吸収する感度を提供する一方で、対向伝搬する第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に対して不感度性である）。
【００３２】
従って、アルカリ金属原子５４は、光子の放出に対応する第２の周波数および第１の円偏光に応答して、中間状態から第２のエネルギー状態に降下するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。例えば、ポンピングおよび磁場は、アルカリ金属原子５４が第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に応答して光子を放出する感度を提供する一方で、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−に対して不感度性である（または前方伝搬する第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋から光子を放出する感度を提供する一方で、前方伝搬する第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋に不感度性である）。従って、反対方向からの第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２−を介した光子の吸収および放出を可能にする１／４波長板６６およびミラー６８の構造に基づいて、アルカリ金属原子は２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、ここで、光子の吸収および放出は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋と第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−との対向伝搬に基づいて、同じ近似方向であることを前提とする。その結果、トラップされたアルカリ金属原子は、比較的静止したアルカリ金属原子に対する光子の吸収および放出を区別することができない典型的な原子干渉計システムとは異なり、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２に対するアルカリ金属原子の速度に関係なく、光学応答を提供するようにインタロゲーションが行われる。
【００３３】
従って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２は、アルカリ金属原子５４の集団のインタロゲーションを行うことができ、その後、アルカリ金属原子５４の光学応答を得るための状態検出段階が続く。別の例として、アルカリ金属原子５４のインタロゲーションが外部磁場に対して実質的に不感度性である方法で第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間にあるように、アルカリ金属原子のインタロゲーションが、アルカリ金属原子５４のゼーマンシフト特性に関連する均一な磁場内で提供される。一例として、磁場発生器７０によって生成される均一な磁場は、磁場の変動への依存を最小限に抑えるために（例えば、他のエネルギー遷移を拒絶するために）、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子のインタロゲーションエネルギー遷移（例えば、＜１，−１＞−＜２，１＞または＜１，１＞−＜２，−１＞）に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有することができる。例えば、アルカリ金属原子は、均一磁場が約３．２３ガウスの大きさを有することができるようなルビジウム８７原子であり得る。
【００３４】
図１の例で説明したのと同様に、アルカリ金属原子５４のインタロゲーションにより、測定可能なパラメータを決定するために複数の測定サイクルに亘って取得される、信号ＯＰＴＤＥＴとして図２の例で示される光学応答を提供することができる。図２の例では、光学応答ＯＰＴＤＥＴは、光学検出器７４を含む検出システム７２に提供される。検出システム７２は、光学応答ＯＰＴＤＥＴに応答して干渉法に基づいて測定可能なパラメータを決定することができる。一例として、光学検出器７４は、干渉法により評価することができる光学応答ＯＰＴＤＥＴの蛍光または吸収（または他の任意の光学検出技術）を決定して、原子干渉計システム５０の構成に基づく測定可能なパラメータを決定することができる。本明細書でより詳細に説明するように、検出システム７２は、測定可能なパラメータを、周波数、周波数差、時間、時間差、および／または１つまたは複数の慣性パラメータ（例えば、加速度、加速度勾配、および／または回転）のうちの１つまたは複数として決定するように構成され得る。また、本明細書で説明するように、検出システム７２は、原子干渉計システム５０が測定することができる測定可能なパラメータを柔軟に変更するようにプログラム可能にすることができる。
【００３５】
図３は、タイミング図１００の例を示す。タイミング図１００は、所与の測定サイクルを形成する信号およびタイミングに関する各測定サイクルのタイミングに対応する。図３の例に関する以下の説明では、図１および２の例を参照する。
【００３６】
タイミング図１００は、各測定サイクルの個別の段階を示している。段階は、互いに対してスケーリングされたものとして示されておらず、かつ／または本明細書に記載されている段階のいくつかは必須ではない場合があることを理解されたい。時間Ｔ０から始まり、測定サイクルはトラッピング段階１０２で開始される。時間Ｔ０において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰが、トラッピング磁場とともにセンサセル５６を通過するように供給される。さらに、前述したように、アルカリ金属原子５４は、アルカリ金属原子集団の実質的に全体の励起を確実にするために、追加の誘導（例えば、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰによるポンピング）を受け得る。
【００３７】
時間Ｔ１において、測定サイクルは、光学モラセス段階１０４に移行する。時間Ｔ１において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰは、センサセル５６を通過するように維持されるが、トラッピング磁場は非活性化される。その結果、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰは、アルカリ金属原子５４のさらなる冷却を提供することができる。例えば、アルカリ金属原子５４は、温度が絶対零度近く（例えば、約５μＫ）に低下して、アルカリ金属原子５４は、拡散速度（例えば、数センチメートル／秒）を大幅に低下させることができる。その結果、アルカリ金属原子５４を、インタロゲーションの準備のために実質的に含ませることができる。一例として、光学モラセス段階１０４は、約２５ｍｓの持続時間を有することができる。一例として、光学モラセス段階１０４は、本明細書に記載されるものに限定されず、本明細書に記載される原子干渉法に必要ではない場合があり得る。
【００３８】
時間Ｔ２において、測定サイクルは、原子状態準備段階１０６に移行する。時間Ｔ２において、均一磁場発生器７０によって提供されるような実質的に均一な磁場が活性化される。従って、原子状態準備段階１０６は、所与の測定サイクル中にインタロゲーションを開始するための条件を設定する。一例として、原子状態準備段階１０６は、約２ｍｓの持続時間を有することができる。
【００３９】
時間Ｔ３で、インタロゲーション段階１０８が開始される。インタロゲーション段階１０８は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋がセンサセル５６を通過するように提供されるインタロゲーション段階に対応する。前述したように、ポンピングおよび実質的に均一な磁場に応答して、アルカリ金属原子５４は、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２＋に対して不感度性でありながら、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋から吸収された光子に応答して、第１のエネルギー状態から中間状態に変化するようにインタロゲーションが行われる。次に、アルカリ金属原子５４は、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１−に対して不感度性でありながら、第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−に応答した光子の放出に基づいて中間状態から第２のエネルギー状態に降下するように（例えば、続いて、または実質的に同時に）インタロゲーションが行われる。従って、アルカリ金属原子５４は、２光子の正味の運動量ゲインを示すことができ、ここで、光子の吸収および放出からのアルカリ金属原子５４の集団の運動量変化は、第１のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２−の対向伝搬に基づいて、同じ近似方向であることを前提とする。
【００４０】
前述したように、インタロゲーション段階１０８は、複数のインタロゲーションサイクルを含むことができる。例えば、インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が所定の時間ｔ１／２に亘って所定の強度で提供される第１のπ／２パルスでインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２を供給することを含むことができる。従って、第１のπ／２パルスは、エネルギー状態と運動量状態との両方でアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供することができる。第１のπ／２パルスからの時間間隔Ｔの後、インタロゲーションサイクルは、第１のπ／２パルスで供給されるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２の各々の同じ円偏光で、第１のπ／２パルスの振幅の約２倍の強度（または、２倍の持続時間の間に同じ強度）でインタロゲーションビームが供給されるπパルスを含むことができる。従って、πパルスは、５０％の重ね合わせを反転して、干渉経路を閉じることを開始するように作用することができる。インタロゲーションサイクルは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２が、第１のπ／２パルスと同じ円偏光で所定の時間ｔ１／２に亘って第１のπ／２パルスと同じ強度で供給される第２のπ／２パルスをさらに含むことができる。従って、第２のπ／２パルスは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのエネルギー状態遷移を経たアルカリ金属原子の約５０％の重ね合わせを提供して、従って、第１の運動量方向に正味の運動量を有して、アルカリ金属原子をインタロゲーション段階の前と同じ状態に復元することができる。
【００４１】
時間Ｔ６において、測定サイクルは、状態読み出し段階１１０に移行する。時間Ｔ６において、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰが再び活性化され、均一磁場が非活性化される。状態読み出し段階１１０の間、第２の状態（例えば、それぞれ状態＜２、１＞または＜２−１）に対する第１の状態（例えば、状態＜１，−１＞または＜１，１＞）におけるアルカリ金属原子５４の集団の状態分布が測定されて、アルカリ金属原子５４の集団が状態読み出し段階１１０中に光学応答ＯＰＴＤＥＴを提供するようにする。一例として、状態読み出し段階１１０は、約３ｍｓの持続時間を有することができる。さらに、インタロゲーション段階１０８中にアルカリ金属原子に発生した慣性効果を（例えば、光学応答に基づいて）検出することができ、測定可能なパラメータ（例えば、加速度、回転、時間など）を決定することができる。
【００４２】
図４は、原子干渉計システム１５０の別の例を示す。原子干渉計システム１５０は、前述したのと同様に、一連の測定サイクルに基づいて測定可能なパラメータを決定するように実施することができる。図１の例で前述したのと同様に、原子干渉計システム１５０は、磁場発生器１５６によって発生した磁場に基づいてセンサセル１５４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源１５２を含む。
【００４３】
図１の例においても前述したように、各測定サイクルでは、トラッピング段階に続いて、インタロゲーション段階が開始される。図４の例では、原子干渉計システム１５０は、光学システム１５８を含む。光学システム１５８は、光学システム１６２によりセンサセル１５４に供給される光学ビームを生成するように構成された複数のビーム源１６０を含む。図４の例では、原子干渉計システム１５０は、光学システム１５８が、光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰＸ、ＯＰＴＴＲＰＹ、およびＯＰＴＴＲＰＺとして示されるように、３つのほぼ直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺの各々に沿って光トラッピング光を供給することができることを示す。光学システム１５８はまた、３つの直交軸Ｘ、Ｙ、およびＺの各々に沿って、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアを供給するものとして示されている。例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアは、個々の光トラッピングビームＯＰＴＴＲＰＸ、ＯＰＴＴＲＰＹ、およびＯＰＴＴＲＰＺと同じ光路に沿って供給される。一例として、原子干渉計システム１５０は、アルカリ金属原子の光トラッピングを提供するものと同じ光学系を使用して、３つの直交軸の各々に沿った測定を交互に順番に提供することができる。従って、検出システム１６４は、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴＸ、ＯＰＴＩＮＴＹ、およびＯＰＴＩＮＴＺのペアの検出を提供して、３つの直交軸の各々に沿った測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を提供することができる。図４の例で示されている軸は、Ｘ、Ｙ、およびＺの直交軸として示されているが、追加の軸または異なる軸に沿った測定が、センサシステム１５０によって実施されてもよく、かつＸ、Ｙ、およびＺ直交軸が例として提供されていることを理解されたい。
【００４４】
図５は、センサシステム２００の例を示す。センサシステム２００は、原子干渉計システム１０、５０、または１５０と実質的に同じ構成とすることができる。例えば、原子干渉計システム２００は、磁場発生器２０６によって生成された磁場に基づいて、センサセル２０４内にアルカリ金属原子をトラップするように構成された原子源２０２を含む。原子干渉計システム２００は、光学システム２０８をも含む。光学システム２０８は、センサセル２０４に供給される光ビームを生成するように構成された複数のビーム源２１０および光学系２１２を含む。従って、センサシステム２００は、検出システム２１３において本明細書で前述した原子干渉法を実施するように構成されている。
【００４５】
図５の例では、センサシステム２００は、１つまたは複数のセンサ２１６を含むセンサコントローラ２１４をも含む。例えば、センサ（複数可）２１６は、時間を測定する水晶発振器、磁場を測定する磁力計、電界を測定する電位計、受感軸に沿って加速度を測定する加速度計、受感軸を中心とした回転を測定するジャイロスコープなど、測定可能なパラメータを測定（または提供）する様々なセンサの任意のものを含むことができる。一例として、センサ（複数可）２１６は、本明細書でより詳細に説明するように、測定可能なパラメータ（複数可）の測定を可能にするために、より低い精度を有し得る補助センサ（複数可）として構成することができる。
【００４６】
図６は、センサシステム２５０の別の例を示す。センサシステム２５０は、図５の例におけるセンサシステム２００の一部に対応することができる。センサシステム２５０は、図２の例で説明したのと同様に、センサセル２５６に閉じ込められたアルカリ金属原子２５４をトラップするように構成されたＭＯＴシステム２５２を含む。図６の例では、原子干渉計システム２５０は、センサセル２５６の反対側にある１／４波長板２５８およびミラー２６０を含む。例えば、１／４波長板２５８およびミラー２６０は、同じ円偏光で第１の方向と反対の第２の方向にセンサセル２５６を通過して戻る第１の円偏光を有する第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を供給するための光学系（例えば、光学系２２）の一部である。例えば、ミラー２６０は、第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１＋およびＯＰＴＩＮＴ２＋を反射して同じ円偏光で第１および第２のインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１およびＯＰＴＩＮＴ２としてセンサセル２５６を通過するように戻す再帰反射ミラーとすることができる。
【００４７】
センサシステム２５０は、ミラー２６０の反射または再帰反射表面に対してミラー２６０の遠位表面に取り付けられるように実施される１つまたは複数のセンサ２６２をも含む。センサ（複数可）２６２は、図５の例におけるセンサ（複数可）２１６に対応することができ、従って、時間を測定する水晶発振器、磁場を測定する磁力計、電界を測定する電位計、受感軸に沿って加速度を測定する加速度計、受感軸を中心とした回転を測定するジャイロスコープなど、測定可能なパラメータを測定（または提供）する様々なセンサの任意のものを含むことができる。従って、センサ（複数可）２６２は、ＭＯＴシステム２５２に関連する干渉法に関して非常に近接して取り付けられるように配置されて、測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値を提供するセンサ（複数可）２６２の機能を提供することができ、センサシステム２５０は、本明細書で説明した干渉法による測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値に対して非常に正確な改善を提供することができる。
【００４８】
図５の例を再び参照すると、センサコントローラ２１４は、ユーザー入力に対応する入力ＣＮＦＧを受信して、干渉計が測定することができる様々な所定の測定可能なパラメータの任意のもののような、測定可能なパラメータの任意の１つを測定するように原子干渉計システムを構成する。従って、入力ＣＮＦＧは、干渉計の選択的な構成を提供して、原子干渉計システムがサポートできる所定の測定可能なパラメータのうちの所望のもの（以前に示された測定可能なパラメータのうちの任意の２つ以上）を測定するための選択入力であり得る。従って、センサコントローラ２１４は、調整信号ＴＮを光学システムに提供して、干渉計により測定可能なパラメータを測定する機能を提供するようにビーム源を調整することができる。例えば、調整信号ＴＮは、干渉計が個々の選択された測定可能なパラメータを測定する機能を提供するために、ビーム源の周波数および／または偏光、ひいてはインタロゲーションビームに影響を与えることができる。
【００４９】
センサコントローラ２１４は、検出システム２１３から個々の選択された測定可能なパラメータの測定値に対応する信号ＭＰを受信する。従って、センサコントローラ２１４は、信号ＭＰによって提供されるような測定されたパラメータに基づいて、センサ（複数可）２１６のうちの個々の１つから提供される測定可能なパラメータを調整および／または較正することができる。従って、原子干渉計システム２００は、精度の低いセンサ（複数可）２１６の１つに対して、測定可能なパラメータの非常に精度の高い測定値を決定する際の支援を提供することができる。特に、センサ（複数可）２１６は、測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値を提供することができ、それにより、センサシステム２００は、本明細書で説明した干渉法により測定可能なパラメータ（複数可）のベースライン測定値に対して非常に正確で安定した改善を提供することもできる。
【００５０】
さらに、センサシステム２００は、較正システム２１８を含む。較正システム２１８は、特に本明細書で説明されるような原子干渉法に関して、センサシステム２００の較正を実施するように構成される。例えば、較正システム２１８は、センサシステム２００の通常の動作モード中に動作することができ、その結果、較正システム２１８は、センサシステム２００の較正を、センサシステム２００の通常の動作中に実質的に継続的に、従って、リアルタイム動作の中断なしに実行することができる、センサシステム２００の自己較正を実施することができる。
【００５１】
図５の例では、較正システム２１８は、検出システム２１３からの信号ＭＰと、センサ（複数可）２１６からの信号ＳＭとを受信する。従って、信号ＳＭは、センサ（複数可）２１６による個々の測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を示す、個々のセンサ（複数可）２１６からの出力信号（複数可）に対応することができる。従って、較正システム２１８は、検出システム２１３およびセンサ（複数可）２１６によって提供される測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を実質的に継続的に監視するように構成される。さらに、較正システム２１８は、原子源２０２および／または光学システム２０８に較正信号ＣＡＬを提供する。較正信号ＣＡＬは、磁場発生器２０６によって発生した磁場および／または測定サイクルの周期的間隔で（例えば、交互の測定サイクルで）、ビーム源２１０によって生成されたインタロゲーションビームの少なくとも１つに対する調整を提供することができる。
【００５２】
例えば、較正信号ＣＡＬは、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴの円偏光の変化に対応することができる。従って、アルカリ金属原子の集団は、異なる較正測定サイクルにおいてインタロゲーションサイクルでの光子運動量方向の反対の変化（例えば、各交互測定サイクルにおけるような、πパルスおよびπ／２パルスの各々における光子吸収および放出から生じる反対運動量方向）を有することができる。別の例として、較正信号ＣＡＬはまた、ビーム源２１０の強度、活性化時間、および／または周波数に影響を与えて、アルカリ金属原子によるインタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴの光子吸収および放出から生じる運動量変化のほぼ等しいかつ反対の効果を提供することもできる。別の例として、較正信号ＣＡＬは、磁場発生器２０６によって発生する遷移磁場の極性を反転させることができ、これにより、同様に、異なる較正測定サイクルにおいてインタロゲーションサイクルでの光子運動量方向の反対の変化（例えば、各交互測定サイクルにおけるような、πパルスおよびπ／２パルスの各々における光子吸収および放出から生じる反対運動量方向）を生じさせることができる。別の例として、較正信号ＣＡＬは、例えば、インタロゲーションパルスの持続時間、インタロゲーションパルス間の遅延、および／または全体のインタロゲーションサイクル時間など、インタロゲーションサイクルのタイミングにも影響を与えることができる。タイミング調整がレーザー強度調整と組み合わされて、πパルスおよびπ／２パルス効果を維持するために積分パルス領域を維持しながら、インタロゲーションパルスの持続時間を変更することもできる。さらに別の例として、較正信号ＣＡＬは、ビーム源２１０の円偏光の変化と、磁場発生器２０６によって発生する磁場の極性の変化との異なる組み合わせを提供して、選択された測定サイクルにおいて、光子の吸収および放出の効果の変化、およびその結果として生じるアルカリ金属原子の運動量変化を実施することができる。
【００５３】
前述したように、較正システム２１８は、検出システム２１３およびセンサ（複数可）２１６によって提供される測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を実質的に継続的に監視するように構成される。従って、較正システム２１８は、較正信号ＣＡＬによって提供される調整に基づいて測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を識別するように構成され、従って、アルカリ金属原子の運動量変化の影響をフィードバック方式で識別するように構成される。例えば、較正システム２１８は、測定サイクルに亘って測定可能なパラメータ（複数可）の測定値を集約して、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値に与えるインタロゲーションビームおよび磁場の影響を識別するための１つまたは複数のフィルタリングアルゴリズム（例えば、カルマンフィルタ、粒子フィルタ、またはその他の様々なタイプのフィルタリングアルゴリズムの任意のものを介して）を実施するように構成される。従って、較正システム２１８は、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値における識別されたバイアス誤差を除去するために、ビーム源２１０（例えば、強度および／または周波数）、磁場発生器２０６（例えば、強度および／または方向）、またはセンサシステム２００の任意の他の部分（例えば、温度）に関連するパラメータを調整する等によって、センサシステム２００の自己較正を実施するように構成することができる。別の例として、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値に対するインタロゲーションビームおよび磁場の系統的な効果を観察可能に表現することに応答して、較正システム２１８は、測定可能なパラメータ（複数可）の測定値から識別されたバイアス誤差を単に減算することができる。例えば、較正信号ＣＡＬはまた、ビーム源２１０、磁場発生器２０６、またはセンサシステム２００の他の構成要素に対してチューニング調整を提供することができる。従って、較正システム２１８は、センサシステム２００の動作を中断することなく、経時的に測定可能なパラメータ（複数可）のより正確な測定値を提供することができる。
【００５４】
前述した構造的および機能的特徴を考慮すると、本発明の様々な態様による方法は、図７を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図７の方法は、連続的に実行されるように示され、説明されているが、いくつかの態様は、本発明に従って、本明細書に示され説明されたものからの他の態様と異なる順序で、かつ／または同時に発生することができるので、本発明は、図示の順序に限定されないことが理解され、認識されるべきである。さらに、本発明の態様による方法を実施するために、例示されているすべての特徴が必要とされるとは限らない。
【００５５】
図７は、原子干渉計システム（例えば、原子干渉計システム１０）により少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するための方法３００の例を示す。３０２において、アルカリ金属原子は、一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光（例えば、トラッピングビームＯＰＴＴＲＰ）および磁場によりセンサセル（例えば、センサセル１４）内にトラップされる。３０４において、インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビーム（例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ１）が供給され、かつ第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビーム（例えば、インタロゲーションビームＯＰＴＩＮＴ２）がセンサセルを通過するように供給される。インタロゲーションビームは、第１の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、第２の周波数によりアルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、第１の運動量方向におけるアルカリ金属原子の集団の第２の光子運動量を提供する。３０６において、インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の遷移が、状態読み出し段階中の光学応答に基づいて検出される。３０８において、アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータが決定される。
【００５６】
上述したものは、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明するために考えられる構成要素または方法のすべての組み合わせを説明することはできないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の技術思想および範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。さらに、開示または請求項が「１つの」、「第１の」、または「別の」要素、またはそれらの同等物を記載する場合、１つまたは複数のそのような要素を含むと解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素の要求も除外もされない。本明細書で使用される場合、「含む」という用語は、限定されるものではないが、含むことを意味し、「含んでいる」という用語は、限定されるものではないが、含んでいることを意味する。「〜に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。
【００５７】
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
原子干渉計システムであって、
アルカリ金属原子を含むセンサセルと、
第１の周波数および第１の円偏光を有する第１のインタロゲーションビーム、および第１の周波数とは異なる第２の周波数および前記第１の円偏光を有する第２のインタロゲーションビームを生成する光学システムであって、前記光学システムは、第１の方向において前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供し、前記第１および第２のインタロゲーションビームを反射して、前記第１の方向と反対の第２の方向において前記第１の円偏光で前記センサセルを通過するように戻して、一連の測定サイクルの各々におけるインタロゲーション段階中に第１の円偏光で前記アルカリ金属原子を第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間で駆動する光学系を含む、前記光学システムと、
前記一連の測定サイクルの各々における状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階中の前記第１のエネルギー状態と前記第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の状態分布を検出する検出システムとを備える原子干渉計システム。
【００５８】
［付記２］
前記光学システムが、前記アルカリ金属原子を通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第１のインタロゲーションビームの前記第１の周波数による前記アルカリ金属原子の集団における光子の吸収をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供し、かつ前記アルカリ金属原子を通過する反射された第１および第２のインタロゲーションビームを供給して、前記第１の円偏光で前記第２のインタロゲーションビームの前記第２の周波数による前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の前記第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供するように構成される、付記１に記載のシステム。
【００５９】
［付記３］
前記光学系は、１／４波長板およびミラーを備え、前記ミラーは、前記第１および第２のインタロゲーションビームを反射するように構成され、前記１／４波長板は、第１および第２の方向の各々における前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々に対する前記第１の円偏光を維持するように構成される、付記１に記載のシステム。
【００６０】
［付記４］
前記光学システムが、前記インタロゲーション段階中に第１のπ／２パルス、πパルス、および第２のπ／２パルスで前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給するように構成され、前記検出システムは、前記状態読み出し段階中の前記第２のπ／２パルス後の前記アルカリ金属原子の集団に関連する変化に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するように構成される、付記１に記載のシステム。
【００６１】
［付記５］
前記光学システムは、光トラッピングビームを生成するように構成されたトラッピングビーム源を備え、前記原子干渉計システムは、光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムをさらに備え、前記ＭＯＴシステムは、
前記光トラッピングビームに応答してセル内の前記アルカリ金属原子をトラップするように構成されたトラッピング磁場を発生させるように構成された第１の磁場発生器と、
前記インタロゲーション段階中に均一な磁場を発生させるように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一な磁場は、前記第１のエネルギー状態から前記第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のインタロゲーションを行うために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含む、付記１に記載のシステム。
【００６２】
［付記６］
前記アルカリ金属原子がルビジウム８７原子であり、前記均一な磁場が約３．２３ガウスの振幅を有する、付記５に記載のシステム。
【００６３】
［付記７］
前記均一な磁場が、前記アルカリ金属原子の＜１，−１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，１＞の前記第２のエネルギー状態への、または＜１，１＞の前記第１のエネルギー状態から＜２，−１＞の前記第２のエネルギー状態へのインタロゲーションエネルギー遷移に対してほぼ中心の遷移周波数を提供する大きさを有する、付記６に記載のシステム。
【００６４】
［付記８］
前記光学システムが、同じ光路に沿って前記センサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに前記光トラッピングビームを供給するように構成される、付記５に記載のシステム。
【００６５】
［付記９］
前記光学システムは、
前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々のＸ、Ｙ、およびＺ直交軸に沿った第１の光トラッピングビーム、第２の光トラッピングビーム、および第３の光トラッピングビームを供給するように構成されたトラッピングビーム源と、
前記第１のインタロゲーションビームを生成し、第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第１のインタロゲーションビームを前記光学系を介して前記センサセルを通過して供給するように構成される第１のインタロゲーションビーム源と、
前記第２のインタロゲーションビームを生成し、前記第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、前記光学系を介して前記センサセルを通過する個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第２のインタロゲーションビームを供給するように構成される第２のインタロゲーションビーム源とを含む、付記１に記載のシステム。
【００６６】
［付記１０］
付記１に記載の原子干渉計システムを含むセンサシステムであって、
少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定するように構成された少なくとも１つのセンサを含むセンサコントローラを備え、前記原子干渉計システムは、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を提供し、かつ前記センサコントローラに前記第２の測定値を提供するようにさらに構成され、前記センサコントローラは、前記第２の測定値に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの前記第１の測定値を改善するように構成される、センサシステム。
【００６７】
［付記１１］
前記センサコントローラは、前記原子干渉計システムに少なくとも１つの調整信号を提供して、前記原子干渉計システムを、前記光学システムに関連する少なくとも１つのパラメータを調整して、前記原子干渉計システムが前記原子干渉計システムが提供するように構成されている複数の所定の測定可能なパラメータのうちの１つの第２の測定値を提供することが可能となるように構成するように構成されている、付記１０に記載のセンサシステム。
【００６８】
［付記１２］
前記複数の所定の測定可能なパラメータは、周波数、周波数差、時間、時間差、および少なくとも１つの慣性パラメータを含む、付記１１に記載のセンサシステム。
【００６９】
［付記１３］
少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場および前記第１および第２のインタロゲーションビームのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの特性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記干渉計システムの較正を実施するように構成される較正コントローラをさらに備える、付記１に記載のシステム。
【００７０】
［付記１４］
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々の円偏光を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、付記１３に記載のシステム。
【００７１】
［付記１５］
前記較正コントローラは、前記少なくとも１つの測定サイクルの各々において、磁場の極性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施するように構成される、付記１３に記載のシステム。
【００７２】
［付記１６］
原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定する方法であって、
一連の測定サイクルの各々のトラッピング段階中に、トラッピング光および磁場によりアルカリ金属原子をセンサセル内にトラップするステップと、
インタロゲーション段階における複数のインタロゲーションサイクルの各々において、前記センサセルを通過する第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームと前記第１のインタロゲーションビームとは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームとを提供して、前記第１の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の吸収をもたらして、第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第１の光子運動量を提供し、前記第２の周波数により前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記第１の方向における前記アルカリ金属原子の集団の第２の運動量を提供するステップと、
状態読み出し段階中の光学応答に基づいて、前記インタロゲーション段階から生じる第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間の前記アルカリ金属原子の集団の遷移を検出するステップと、
前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップとを含む方法。
【００７３】
［付記１７］
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、前記第１および第２のインタロゲーションビームを、第１の方向において前記センサセルを第１の円偏光で前記第１の方向に通過するように供給し、かつ第２の方向において前記センサセルを前記第１の円偏光で前記第１の方向とは反対の第２の方向に光学系を介して通過するように供給することを含む、付記１６に記載の方法。
【００７４】
［付記１８］
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、インタロゲーション段階中に第１のπ／２パルス、πパルス、および第２のπ／２パルスを含む複数のインタロゲーションサイクルの各々において前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給することを含み、遷移を検出することは、前記状態読み出し段階中の前記第２のπ／２パルス後の前記アルカリ金属原子の集団に関連する変化を検出することを含む、付記１６に記載の方法。
【００７５】
［付記１９］
前記アルカリ金属原子をトラップすることは、
光トラッピングビームを生成するステップと、
前記光トラッピングビームに応答してセル内の前記アルカリ金属原子をトラップするように構成されたトラッピング磁場を発生させるステップとを含む、付記１６に記載の方法。
【００７６】
［付記２０］
前記アルカリ金属原子がルビジウム８７原子であり、方法は、前記インタロゲーション段階中に均一な磁場を約３．２３ガウスの大きさで発生させて、前記アルカリ金属原子の集団の＜１，−１＞の第１のエネルギー状態から＜２，１＞の第２のエネルギー状態への、または＜１，１＞の第１のエネルギー状態から＜２，−１＞の第２のエネルギー状態へのインタロゲーション行うステップをさらに含む、付記１６に記載の方法。
【００７７】
［付記２１］
前記アルカリ金属原子をトラップすることは、個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸に沿って光学系を介してセンサセルを通過する第１の光トラッピングビーム、第２の光トラッピングビーム、および第３の光トラッピングビームにより前記アルカリ金属原子をトラップすることを含み、前記第１および第２のインタロゲーションビームを生成することは、前記光学系を介した前記第１、第２、および第３の光トラッピングビームの個々の１つと同じ光路に沿った個々の近似Ｘ、Ｙ、またはＺ軸インタロゲーション段階の間、前記個々の近似Ｘ、Ｙ、およびＺ直交軸のうちの少なくとも１つに沿って前記第１および第２のインタロゲーションビームの各々を生成することを含む、付記１６に記載の方法。
【００７８】
［付記２２］
前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記原子干渉計システムにより少なくとも１つの測定可能なパラメータの第１の測定値を決定することを含み、方法はさらに、
補助センサにより前記なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を決定するステップと、
前記第１の測定値に基づいて、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの第２の測定値を改善するステップとを含む、付記１６に記載の方法。
【００７９】
［付記２３］
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクルにおいて第１の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することを含み、前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能パラメータを決定することを含み、方法はさらに
第２の測定サイクルにおいて前記第１の円偏光と反対の第２の円偏光を有する前記第１および第２のインタロゲーションビームを供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、付記１６に記載の方法。
【００８０】
［付記２４］
前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供することは、第１の測定サイクにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第１の極性を有する遷移磁場を供給することを含み、前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することは、前記第１の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定することを含み、方法はさらに、
第２の測定サイクルにおいて前記第１および第２のインタロゲーションビームならびに第２の極性を有する遷移磁場を供給するステップと、
前記第２の測定サイクルにおいて前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定するステップと、
前記第１および第２の測定サイクルの各々における前記アルカリ金属原子の検出された状態分布に基づいて前記原子干渉計システムを較正するステップとを含む、付記１６に記載の方法。
【００８１】
［付記２５］
原子干渉計システムであって、
測定サイクルの各々のトラッピング段階中に磁場およびトラッピング光によりセンサセル内にアルカリ金属原子をトラップする光磁気トラッピング（ＭＯＴ）システムと、
光学システムであって、
第１の周波数を有する第１のインタロゲーションビームを生成するように構成された第１のインタロゲーションビーム源と、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のインタロゲーションビームを生成するように構成された第２のインタロゲーションビーム源と、
インタロゲーション段階の複数のインタロゲーションサイクルの各々において、第１の円偏光で第１の方向にセンサセルを通過する前記第１および第２のインタロゲーションビームを提供して、前記第１の円偏光で前記第１のインタロゲーションビームの前記第１の周波数によるアルカリ金属原子の集団の光子を吸収をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の第１の運動量方向における第１の光子運動量を提供するとともに、前記第１の方向と反対の第２の方向において、前記第１の円偏光で前記第１および第２のインタロゲーションビームを前記アルカリ金属原子を通過するように反射して、前記第１の円偏光で前記第２のインタロゲーションビームの前記第２の周波数による前記アルカリ金属原子の集団の光子の放出をもたらして、前記アルカリ金属原子の集団の前記第１の運動量方向における第２の光子運動量を提供する光学系とを含む、前記光学システムと、
少なくとも１つの測定可能なパラメータを測定するために、状態読み出し段階中に光学応答に基づいて前記インタロゲーション段階中に誘導された第１のエネルギー状態と第２のエネルギー状態との間のアルカリ金属原子の集団の状態分布を検出する検出システムと、
前記測定サイクルの少なくとも１つの各々において、磁場および前記第１および第２のインタロゲーションビームのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの特性を変更して、前記原子干渉計システムの通常の動作条件の間に前記原子干渉計システムの較正を実施する較正コントローラとを備える、光学システム。
【外国語明細書】
2020184633000001.pdf