(57)【要約】      （修正有）【課題】ＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】センサーシステム１０は、ポンプビームを生成し、センサーセル１４内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するように構成されているポンプレーザー１６を含むセルシステム１２と、プローブビーム２２を生成するように構成されているプローブレーザー２２を含む検出システム２０と、ポンプビームを周波数変調し、センサーセル１４を通過するプローブビームの特性に基づいて、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することにより、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている、ＡＣシュタルクシフト制御システム２６とを含む。【選択図】図１
2014130144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーシステムであって、該センサーシステムは、
ポンプレーザーを含むセルシステムであって、該ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するためのポンプビームを生成するように構成されている、セルシステムと、
プローブレーザーを含む検出システムであって、該プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成され、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され、該特性は、印加された磁場に応答した該偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる、検出システムと、
ＡＣシュタルクシフト制御システムであって、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、該ポンプビームを周波数変調することと、該センサーセルを通過する該プローブビームの該特性に基づいて、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている、ＡＣシュタルクシフト制御システムと
を含む、センサーシステム。
【請求項２】
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記周波数変調されたポンプビームの前記中心周波数を前記アルカリ金属粒子の２つの独立した基底状態に関連付けられた遷移周波数間に初めに設定することと、前記センサーセルを通過する前記プローブビームの前記特性に基づいて、該中心周波数を制御することにより、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が該２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数を維持することとを行うように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、
安定化システムであって、該安定化システムは、前記ポンプレーザーに提供される電流を生成することにより、前記ポンプビームの前記周波数を設定するように構成されている、安定化システムと、
実質的に安定なディザー周波数信号を生成するように構成されている周波数基準であって、該ディザー周波数信号は、該ポンプビームの該周波数を変調し、かつ前記プローブビームのファラデー回転の周波数を復調するために、該安定化システムに提供される、周波数基準と
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ポンプレーザーは、前記印加された磁場に対するオフセット角で前記ポンプビームを生成するように配向されることにより、前記センサーセルの内部の誘導磁場を生成し、該誘導磁場は、前記プローブビームと実質的に同一平面上にあり、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定なディザー周波数信号の周波数におおよそ等しい該プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記安定化システムは、前記プローブビームの前記ファラデー回転の前記復調された周波数に基づいて、前記周波数変調されたポンプビームの前記中心周波数をシフトすることにより、フィードバック態様で、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が前記２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数に該中心周波数を実質的に維持するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記セルシステムは、セル温度コントローラーをさらに含み、該セル温度コントローラーは、前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの監視された光吸収に応答して、フィードバック温度制御信号を介して該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記ポンプビームの前記周波数を変調することにより、前記検出システムによって計算された前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの時間平均の量における前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記アルカリ金属粒子は、８５Ｒｂ粒子である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記センサーシステムは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、ＮＭＲ磁力計、および電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計のうちの少なくとも１つとして構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成されているセンサーシステムにおいて、ＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減する方法であって、該方法は、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルを通るポンプビームを提供することと、
実質的に安定な周波数基準に基づいて、該ポンプビームの周波数を中心周波数について変調することと、
該センサーセルを通る直線偏光されたプローブビームを提供することと、
該実質的に安定な周波数基準に基づいて、該直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の周波数を復調することにより、周波数オフセットを生成することと、
該周波数オフセットに基づいて、該周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの光吸収を監視することと、
前記周波数変調されたポンプビームの初期中心周波数を、該センサーセルを通して提供された該ポンプビームの実質的な最大吸収に関連付けられた値に設定することと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記センサーセルを通る前記光ポンプビームを提供することは、印加された磁場に対するオフセット角で該センサーセルを通る該光ポンプビームを提供することにより、該センサーセルの内部の誘導磁場を生成することを含み、該誘導磁場は、該印加された磁場に実質的に直交し、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定な周波数基準の周波数におおよそ等しい前記プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブビームを提供することは、前記誘導磁場と実質的に同一平面上の該プローブビームを提供することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの前記監視された光吸収に応答して、該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記中心周波数を制御することは、前記直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の前記周波数を復調することに基づいて、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が前記２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数に該中心周波数を維持することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
センサーシステムであって、該センサーシステムは、
ポンプレーザーを含むセルシステムであって、該ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するための、電流の大きさに基づく周波数を有するポンプビームを生成するように構成されている、セルシステムと、
プローブレーザーを含む検出システムであって、該プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成され、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され、該特性は、印加された磁場に応答した該偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる、検出システムと、
ＡＣシュタルクシフト制御システムであって、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、該センサーセルを通過する該ポンプビームの光吸収に対応する吸収電圧を監視することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの実質的な最大光吸収を決定するように構成され、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、実質的に安定な周波数基準に基づいて、該ポンプビームを周波数変調するための該電流の該大きさを変調することと、該センサーセルを通過する該プローブビームのファラデー回転に基づいて、該周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するようにさらに構成されている、ＡＣシュタルクシフト制御システムと
を含む、センサーシステム。
【請求項１７】
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記実質的に安定な周波数基準に基づいて、前記センサーセルを通過する前記プローブビームの前記ファラデー回転の周波数を復調することにより、ＤＣオフセットを生成するようにさらに構成され、該ＤＣオフセットは、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数からの前記中心周波数のずれに対応し、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、フィードバック態様で、該ＤＣオフセットに基づいて、該中心周波数をシフトするようにさらに構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ポンプレーザーは、前記印加された磁場に対するオフセット角で前記ポンプビームを生成するように配向されることにより、前記センサーセルの内部の誘導磁場を生成し、該誘導磁場は、前記プローブビームと実質的に同一平面上にあり、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定な周波数基準の周波数におおよそ等しい該プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記セルシステムは、セル温度コントローラーをさらに含み、該セル温度コントローラーは、前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの前記監視された光吸収に応答して、フィードバック温度制御信号を介して該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記アルカリ金属粒子は、８５Ｒｂ粒子である、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、センサーシステムに関連し、特に、センサーシステムにおいてＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減するためのシステムおよび方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープおよび磁力計ならびに／または電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計のようなセンサーシステムは、磁場に応答して歳差運動させられる１つ以上の核スピン同位体と共に、１つ以上のアルカリ金属蒸気（例えば、ルビジウムまたはセシウム）を含むセルを含み得る。アルカリ金属蒸気（単数または複数）は、所与の周波数帯における光ポンピングに応答して、励起状態まで刺激され得る。従って、アルカリ金属蒸気は、ＡＣシュタルクシフトを受け得、ＡＣシュタルクシフトにおいて、アルカリ金属蒸気の原子は、原子遷移波長に対してオフ共鳴である光を用いて光ポンピングされ、核スピン同位体によってではなくアルカリ金属蒸気によって経験される仮想の磁場を引き起こす。ＡＣシュタルクシフトの結果の効果は、関連付けられた磁力計の検出された磁場において追加されたバイアスであるか、または関連付けられたジャイロスコープの回転角および／または速度において追加されたバイアスであり、従って、ＡＣシュタルクシフトの結果の効果は、それらのそれぞれの測定可能なパラメータにおける誤差である。アルカリ金属が、２つの独立した基底状態、それと共に２つの別個の原子遷移周波数を有するので、ＡＣシュタルクシフトは、アルカリ金属の光ポンピングにおいて不可避である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
センサーシステムであって、該センサーシステムは、
ポンプレーザーを含むセルシステムであって、該ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するためのポンプビームを生成するように構成されている、セルシステムと、
プローブレーザーを含む検出システムであって、該プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成され、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され、該特性は、印加された磁場に応答した該偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる、検出システムと、
ＡＣシュタルクシフト制御システムであって、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、該ポンプビームを周波数変調することと、該センサーセルを通過する該プローブビームの該特性に基づいて、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている、ＡＣシュタルクシフト制御システムと
を含む、センサーシステム。
（項目２）
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記周波数変調されたポンプビームの前記中心周波数を前記アルカリ金属粒子の２つの独立した基底状態に関連付けられた遷移周波数間に初めに設定することと、前記センサーセルを通過する前記プローブビームの前記特性に基づいて、該中心周波数を制御することにより、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が該２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数を維持することとを行うように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、
安定化システムであって、該安定化システムは、前記ポンプレーザーに提供される電流を生成することにより、前記ポンプビームの前記周波数を設定するように構成されている、安定化システムと、
実質的に安定なディザー周波数信号を生成するように構成されている周波数基準であって、該ディザー周波数信号は、該ポンプビームの該周波数を変調し、かつ前記プローブビームのファラデー回転の周波数を復調するために、該安定化システムに提供される、周波数基準と
を含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
前記ポンプレーザーは、前記印加された磁場に対するオフセット角で前記ポンプビームを生成するように配向されることにより、前記センサーセルの内部の誘導磁場を生成し、該誘導磁場は、前記プローブビームと実質的に同一平面上にあり、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定なディザー周波数信号の周波数におおよそ等しい該プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記安定化システムは、前記プローブビームの前記ファラデー回転の前記復調された周波数に基づいて、前記周波数変調されたポンプビームの前記中心周波数をシフトすることにより、フィードバック態様で、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が前記２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数に該中心周波数を実質的に維持するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
前記セルシステムは、セル温度コントローラーをさらに含み、該セル温度コントローラーは、前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの監視された光吸収に応答して、フィードバック温度制御信号を介して該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記ポンプビームの前記周波数を変調することにより、前記検出システムによって計算された前記少なくとも１つの測定可能なパラメータの時間平均の量における前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
前記アルカリ金属粒子は、８５Ｒｂ粒子である、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
前記センサーシステムは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、ＮＭＲ磁力計、および電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計のうちの少なくとも１つとして構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１０）
少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成されているセンサーシステムにおいて、ＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減する方法であって、該方法は、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルを通るポンプビームを提供することと、
実質的に安定な周波数基準に基づいて、該ポンプビームの周波数を中心周波数について変調することと、
該センサーセルを通る直線偏光されたプローブビームを提供することと、
該実質的に安定な周波数基準に基づいて、該直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の周波数を復調することにより、周波数オフセットを生成することと、
該周波数オフセットに基づいて、該周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減することと
を含む、方法。
（項目１１）
前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの光吸収を監視することと、
前記周波数変調されたポンプビームの初期中心周波数を、該センサーセルを通して提供された該ポンプビームの実質的な最大吸収に関連付けられた値に設定することと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
前記センサーセルを通る前記光ポンプビームを提供することは、印加された磁場に対するオフセット角で該センサーセルを通る該光ポンプビームを提供することにより、該センサーセルの内部の誘導磁場を生成することを含み、該誘導磁場は、該印加された磁場に実質的に直交し、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定な周波数基準の周波数におおよそ等しい前記プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
前記プローブビームを提供することは、前記誘導磁場と実質的に同一平面上の該プローブビームを提供することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの前記監視された光吸収に応答して、該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
前記中心周波数を制御することは、前記直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の前記周波数を復調することに基づいて、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が前記２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数に該中心周波数を維持することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
センサーシステムであって、該センサーシステムは、
ポンプレーザーを含むセルシステムであって、該ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するための、電流の大きさに基づく周波数を有するポンプビームを生成するように構成されている、セルシステムと、
プローブレーザーを含む検出システムであって、該プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成され、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され、該特性は、印加された磁場に応答した該偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる、検出システムと、
ＡＣシュタルクシフト制御システムであって、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、該センサーセルを通過する該ポンプビームの光吸収に対応する吸収電圧を監視することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの実質的な最大光吸収を決定するように構成され、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、実質的に安定な周波数基準に基づいて、該ポンプビームを周波数変調するための該電流の該大きさを変調することと、該センサーセルを通過する該プローブビームのファラデー回転に基づいて、該周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、該少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するようにさらに構成されている、ＡＣシュタルクシフト制御システムと
を含む、センサーシステム。
（項目１７）
前記ＡＣシュタルクシフト制御システムは、前記実質的に安定な周波数基準に基づいて、前記センサーセルを通過する前記プローブビームの前記ファラデー回転の周波数を復調することにより、ＤＣオフセットを生成するようにさらに構成され、該ＤＣオフセットは、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果が２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数からの前記中心周波数のずれに対応し、該ＡＣシュタルクシフト制御システムは、フィードバック態様で、該ＤＣオフセットに基づいて、該中心周波数をシフトするようにさらに構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１８）
前記ポンプレーザーは、前記印加された磁場に対するオフセット角で前記ポンプビームを生成するように配向されることにより、前記センサーセルの内部の誘導磁場を生成し、該誘導磁場は、前記プローブビームと実質的に同一平面上にあり、前記ＡＣシュタルクシフトの前記効果に対応し、該誘導磁場は、前記実質的に安定な周波数基準の周波数におおよそ等しい該プローブビームの前記ファラデー回転の前記周波数を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１９）
前記セルシステムは、セル温度コントローラーをさらに含み、該セル温度コントローラーは、前記センサーセルを通過する前記ポンプビームの前記監視された光吸収に応答して、フィードバック温度制御信号を介して該センサーセルの温度を設定することにより、該センサーセルを通過する該ポンプビームの時間平均の光吸収を実質的に安定化するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目２０）
前記アルカリ金属粒子は、８５Ｒｂ粒子である、上記項目のいずれかに記載のシステム。
【０００４】
（概要）
本発明の一実施形態は、センサーシステムを含む。システムは、ポンプレーザーを含むセルシステムを含み、ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するためのポンプビームを生成するように構成されている。システムは、プロ―レーザーを含む検出システムも含み、プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成されている。検出システムはまた、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され得、その特性は、印加された磁場に応答した偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる。システムは、ＡＣシュタルクシフト制御システムをさらに含み、ＡＣシュタルクシフト制御システムは、ポンプビームを周波数変調することと、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するように構成されている。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成されているセンサーシステムにおいて、ＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減する方法を含む。方法は、アルカリ金属粒子を含むセンサーセルを通るポンプビームを提供することと、実質的に安定な周波数基準に基づいて、ポンプビームの周波数を中心周波数について変調することとを含む。方法はまた、センサーセルを通る直線偏光されたプローブビームを提供することと、実質的に安定な周波数基準に基づいて、直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の周波数を復調することにより、周波数オフセットを生成することとを含む。方法は、周波数オフセットによって、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することにより、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減することをさらに含む。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、センサーシステムを含む。システムは、ポンプレーザーを含むセルシステムを含み、ポンプレーザーは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するための、電流の大きさに基づく周波数を有するポンプビームを生成するように構成されている。システムは、プローブレーザーを含む検出システムも含み、プローブレーザーは、プローブビームを生成するように構成されている。検出システムはまた、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成され得、その特性は、印加された磁場に応答した偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動から生じる。システムは、ＡＣシュタルクシフト制御システムをさらに含み、ＡＣシュタルクシフト制御システムは、センサーセルを通過するポンプビームの光吸収に対応する吸収電圧を監視することにより、センサーセルを通過するポンプビームの実質的な最大光吸収を決定するように構成され、ＡＣシュタルクシフト制御システムは、実質的に安定な周波数基準に基づいて、ポンプビームを周波数変調するための電流の大きさを変調することと、センサーセルを通過するプローブビームのファラデー回転に基づいて、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を制御することとを行うことにより、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減するようにさらに構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の局面に従ったセンサーシステムの例を図示している。
【図２】図２は、本発明の局面に従った吸収スペクトルの例を図示している。
【図３】図３は、本発明の局面に従ったセンサーシステムの別の例を図示している。
【図４】図４は、本発明の局面に従ったセンサーシステムにおいて、ＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減する方法の例を図示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（詳細な説明）
本発明は、一般に、センサーシステムに関連し、特に、センサーシステムにおいてＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減するためのシステムおよび方法に関連する。核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、ＮＭＲ磁力計、または電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計のようなセンサーシステムは、セルシステムを含み得、セルシステムは、センサーセル内に封入されたアルカリ金属粒子を偏極するためのポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーを含む。検出システムは、印加された磁場に応答した偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動に基づいて、少なくとも１つの測定可能なパラメータ（例えば、受感軸まわりの回転または外部磁場）を計算するように構成され得る。一例として、１つ以上の核スピン同位体のラーモア歳差運動周波数および／または位相情報が、測定可能なパラメータを計算するために抽出され得るように、偏極されたアルカリ金属粒子の歳差運動は、キセノン（例えば、１２９Ｘｅまたは１３１Ｘｅ）のような核スピン同位体の歳差運動と結合され得る。センサーシステムはまた、ＡＣシュタルクシフト制御システムを含み得、ＡＣシュタルクシフト制御システムは、センサーセルを通過するポンプビームの光吸収を監視して、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に軽減するようにポンプビームの周波数を変調するように構成されている。
【０００９】
光吸収の監視は、センサーセルから出て光検出器に入射するポンプビームに関連付けられた直線偏光された光に基づき得る。従って、実質的に安定な周波数基準が、ポンプビームの周波数を変調するように実装され得る。周波数変調されたポンプビームの中心周波数は、おおよそ、センサーセルを通過するポンプビームの実質的な最大吸収の周波数値に設定され得る。周波数変調されたポンプビームは、実質的に安定な周波数基準の周波数におけるＡＣシュタルクシフト効果に関連付けられた態様で、アルカリ金属粒子の歳差運動に影響する磁場をセンサーセル内に誘導し得る。従って、少なくとも１つの測定可能なパラメータに関連付けられた特性を示し得る、センサーセルを通して提供されるプローブビームは、実質的に安定な周波数基準とおおよそ同じ周波数におけるファラデー回転を有し得る。従って、ファラデー回転の周波数は、実質的に安定な周波数基準に基づいて復調されることにより、ＡＣシュタルクシフトの効果に対応するＤＣ誤差信号を生成し得る。従って、周波数変調されたポンプビームの中心周波数は、ＤＣ誤差信号に基づいてシフトされることにより、フィードバック態様で、ＡＣシュタルクシフトの効果がアルカリ金属の２つの独立した基底状態に対して等しくかつ反対である値に中心周波数を維持し得る。その結果、ＡＣシュタルクシフトの時間平均の効果が少なくとも１つの測定可能なパラメータに対して実質的に軽減されるように、ＡＣシュタルクシフトは、実質的に安定化される。
【００１０】
図１は、本発明の局面に従ったセンサーシステム１０の例を図示している。一例として、センサーシステム１０は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、ＮＭＲ磁力計、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上に対応し得る。センサーシステム１０は、種々のアプリケーション（例えば、検出、誘導、および／または航空術システム）のうちの任意のものにおいて実装され得る。別の例として、センサーシステム１０は、複数軸において動作するように構成され得るような、全体のセンサーアプリケーションの一部として実装され得る。
【００１１】
センサーシステム１０は、センサーセル１４とポンプレーザー１６とを含むセルシステム１２を含む。例えば、センサーセル１４は、種々の形状およびサイズのうちの任意のもののガラスケーシングであり得る。センサーセル１４は、ＮＭＲセンサーのケースにおいて、アルカリ金属１８と１つ以上の核スピン同位体（示されていない）とを含む。一例として、アルカリ金属１８は、８５Ｒｂのようなルビジウム（Ｒｂ）蒸気、または１３３Ｃｓのようなセシウム（Ｃｓ）蒸気であり得、核スピン同位体（単数または複数）は、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、および／またはキセノン（Ｘｅ）（例えば、３Ｈｅ、８３Ｋｒ、１２９Ｘｅ、および／または１３１Ｘｅ）のような希ガス同位体を含み得る。ポンプレーザー１６は、円偏光されて一組のオプティクスを介してセンサーセル１４を通るように向けられた光ポンプビームを生成することにより、アルカリ金属１８の粒子を偏極状態まで刺激する（つまり、励起する）ように構成され得る。アルカリ金属１８の偏極された粒子は、核スピン同位体を歳差運動させることによって生成され得るような印加された磁場（例えば、受感軸に沿って印加されたＡＣおよび／またはＤＣ磁場）に応答してセンサーセル１４において歳差運動し得る。例えば、印加された磁場（例えば、ＥＰＲ非受感Ｚ軸に沿ってＥＰＲラーモア歳差運動周波数で共鳴するＤＣおよびＡＣ磁場）によって刺激された、アルカリ金属１８の偏極された粒子は、ＥＰＲ受感軸（例えば、Ｘ軸および／またはＹ軸）に沿ったＤＣまたはＡＣ磁場によりＥＰＲ歳差運動を経験し得、核スピン同位体は、ＮＭＲラーモア歳差運動周波数またはＸ−Ｙ平面において印加された周波数で共鳴する磁場に応答して、印加された磁場（例えば、ＥＰＲ非受感Ｚ軸に沿ったＤＣ磁場）まわりに歳差運動し得る。さらに、センサーセル１４はまた、１つ以上のバッファガスを含み得る。
【００１２】
センサーシステム１０はまた、少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成されている検出システム２０を含む。例えば、測定可能なパラメータは、ＮＭＲジャイロスコープとして構成されているセンサーシステム１０の例における受感軸まわりの回転を含み得るか、またはＮＭＲおよび／またはＥＰＲ磁力計として構成されているセンサーシステム１０の例における外部磁場のベクトルの大きさを含み得る。図１の例において、検出システム２０は、プローブレーザー２２と回転検出器２４とを含む。プローブレーザー２２は、センサーセル１４を通過するプローブビームを生成するように構成され得る。アルカリ金属１８の粒子および関連付けられた核スピン同位体の歳差運動は、（例えば、プローブレーザー２２からの光子とアルカリ金属１８の粒子との間の相互作用に基づいた、）センサーセル１４から出るプローブビームに関連付けられた偏光位相変化をもたらし得る。従って、検出システム２０は、（例えば、プローブビームのファラデー回転を決定する回転検出器２４に基づいて、）センサーセル１４の回転または外部磁場から生じるようなアルカリ金属１８の粒子の歳差運動における変化に基づいて、測定可能なパラメータを計算し得る。
【００１３】
アルカリ金属１８の粒子は、ＡＣシュタルクシフトを受け得、ＡＣシュタルクシフトにおいて、ポンプレーザー１６を介したアルカリ金属１８の粒子の光ポンピングは、アルカリ金属１８の２つの独立した基底状態に対応する原子遷移波長に対してオフ共鳴である。ＡＣシュタルクシフトは、核スピン同位体によってではなくアルカリ金属１８によって経験される仮想の磁場を引き起こし、仮想の磁場は、核スピン同位体に比べてアルカリ金属１８の粒子の歳差運動に変化を引き起こす。その結果、ＡＣシュタルクシフトは、検出システム２０によって計算される測定可能なパラメータへ追加されたバイアスを示す。ＡＣシュタルクシフトが安定であり、かつ、センサーシステム１０が最適な動作点に合わせられる場合に、センサーシステム１０が、ＡＣシュタルクシフトから生じるスケールファクターまたはバイアス誤差を実質的に経験しないように、仮想の磁場が、印加された磁場に追加される。しかしながら、光ポンプビームの強度、周波数、および／または配列における変化、ならびに（例えば、センサーセル１４の温度に基づく）アルカリ金属１８の蒸気密度は、ＡＣシュタルクシフトによって引き起こされる仮想の磁場における変化をもたらし、従って、アルカリ金属１８によって経験される印加された磁場の全体の大きさにおける変化をもたらし得る。
【００１４】
磁力計として構成されているセンサーシステム１０の例において、磁力計の受感軸は、検出システム２０によって決定されるような、印加された磁場に対するアルカリ金属１８の粒子の相互作用に基づいて定義される。例えば、検出システム２０は、印加された磁場との典型的な固定位相関係において検出信号を復調し、それによって、アルカリ金属１８の粒子の歳差運動の位相における変化が、プローブビームとセンサーセル１４におけるアルカリ金属１８の歳差運動する粒子との相互作用に基づいて、検出信号に変化をもたし得る。しかしながら、アルカリ金属１８の粒子の歳差運動を変化させることに関連する不安定なＡＣシュタルクシフトの効果は、磁力計信号位相における変化をもたらし得、磁力計信号位相における変化は、受感軸まわりに回転されたベクトル角における外部磁場の成分として知覚され得る。
【００１５】
ジャイロスコープとして構成されているセンサーシステム１０の例において、磁場フィードバックは、受感軸に関連する交差軸における任意の検出された磁場を実質的にゼロにすることにより、受感軸の配列を印加された磁場に維持するように構成され得る。従って、不安定なＡＣシュタルクシフトによって引き起こされる、交差軸方向の仮想の磁場は、フィードバックシステムが実際の磁場を生成することにより知覚された仮想の磁場を相殺し得るように、実際の磁場と区別がつかないこともある。以前に説明されたように、センサーセル１４における核スピン同位体は、仮想の磁場の効果を受けないが、仮想の磁場を相殺するために生成された実際の磁場の効果を受ける。その結果、オフセットの現実の磁場は、ジャイロスコープの受感軸の誤配列、それと共にジャイロスコープの受感軸の不安定を引き起こし得る。さらに、ＡＣシュタルクシフトの存在は、核スピン同位体の歳差運動に対するアルカリ金属１８の粒子の歳差運動の位相を変え得る。この位相オフセットは、核スピン同位体の歳差運動の刺激のためのフィードバックにおける位相オフセットをもたらし、それは、角速度バイアスをもたらし得る。
【００１６】
ＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ、軽減するために、センサーシステム１０は、ＡＣシュタルクシフト制御システム２６を含む。ＡＣシュタルクシフト制御システム２６は、周波数基準２８と安定化システム３０とを含む。周波数基準２８は、安定化システム３０に比較的低い周波数（例えば、おおよそ８ｋＨｚと１２ｋＨｚとの間）のディザー信号を提供するための種々の実質的に安定な周波数発生器（例えば、結晶発振器または原子時計）のうちの任意のものとして構成され得る。安定化システム３０は、センサーセル１４を通過する光ポンプビームの吸収が、特に、ディザー信号の周波数の関数として変化するように、ポンプレーザー１６によって提供される光ポンプビームの周波数を変調するように構成されている。安定化システム３０はまた、例えば一組のオプティクスおよび光検出器に基づいて、センサーセル１４を通過する光ポンプビームの吸収を監視することにより、光ポンプビームの１つ以上の周波数を決定するように構成され、光ポンプビームの１つ以上の周波数は、センサーセル１４を通過する光ポンプビームの実質的な最大吸収に対応し、従って、アルカリ金属１８の独立した基底状態に関連付けられた遷移周波数に対応する。
【００１７】
実質的な最大吸収の周波数を獲得すると、安定化システム３０は、初めに、周波数変調された光ポンプビームの中心周波数を実質的な最大吸収の周波数に実質的に等しいように設定し得る。周波数変調されたポンプビームは、センサーセル１４の内部の磁場を誘導し得、その磁場は、ＡＣシュタルクシフト効果に関連付けられた態様で、アルカリ金属１８の粒子の歳差運動に影響し、その磁場は、周波数基準２８によって生成されたディザー信号の同じ周波数で変調される。例えば、ポンプレーザー１６は、アルカリ金属１８の粒子が歳差運動する軸に直交する平面において誘導磁場の成分を提供する態様で配向され得る。従って、プローブレーザー２２によって生成されるプローブビームは、測定可能なパラメータに基づいたファラデー回転（例えば、はるかに低い周波数において生じ得る）に加えて、誘導磁場に応答する、ディザー信号とおおよそ同じ周波数におけるファラデー回転を示し得る。従って、安定化システム３０は、ディザー信号に基づいてプローブビームのファラデー回転の周波数を復調することにより、ＡＣシュタルクシフトの効果に対応し得るＤＣ誤差信号を生成し得る。従って、周波数変調されたポンプビームの中心周波数は、ＤＣ誤差信号に基づいてシフトされることにより、フィードバック態様で、ＡＣシュタルクシフトの効果がアルカリ金属１８の２つの独立した基底状態に対して等しくかつ反対である値に中心周波数を維持し得る。従って、安定化システム３０によるポンプビームのフィードバック変調に基づいて、安定化システム３０は、ＡＣシュタルクシフトを安定化する。さらに、ＡＣシュタルクシフト効果が、アルカリ金属１８のそれぞれの２つの独立した基底状態からのアルカリ金属１８の励起に対して実質的に等しくかつ反対であるので、ＡＣシュタルクシフト効果は、実質的に軽減される。従って、センサーシステム１０の測定可能なパラメータ（単数または複数）に関連付けられたスケールファクターおよびバイアス誤差は、同様に、実質的に軽減される。
【００１８】
図２は、本発明の局面に従った吸収スペクトル５０の例を図示している。図２の例における吸収スペクトル５０は、５２で明示されている光ポンプビームの強度を周波数の関数として明示し、従って、周波数に基づいたアルカリ金属１８の粒子による光ポンプビームの光子の吸収を明示している。一例として、吸収スペクトル５０は、８５Ｒｂとして提供されたアルカリ金属１８の吸収スペクトルに対応し得る。吸収スペクトル５０は、センサーセルから出るポンプビームの強度が光検出器によって監視され得るように、光ポンプビームの周波数変調に基づいて決定され得る。
【００１９】
吸収スペクトル５０は、ＡＣシュタルクシフト制御システム２６における１つ以上の光検出器によって測定されるような、光ポンプビームの第一の強度ＩＮＴ１および第二の強度ＩＮＴ２を明示している。特に、図２の例において、光ポンプビームは、第一の強度ＩＮＴ１と第二の強度ＩＮＴ２との間において光ポンプビームの強度のおおよそガウス分布であると図２の例において明示されている、第一の周波数ｆ１と第二の周波数ｆ２との間の強度ＩＮＴ１からＩＮＴ２までの強度の減少を示す。従って、光ポンプビームが、周波数ｆ３での実質的な最大吸収を有し、第一の周波数ｆ１と第二の周波数ｆ２との間の周波数を有する場合に、アルカリ金属１８は、光ポンプビームのより多くの光子を吸収する。一例として、第一の周波数ｆ１と第二の周波数ｆ２との間の周波数帯は、８５Ｒｂアルカリ金属１８の２つの遷移周波数の各々が周波数ｆ３に値が近くあり得るように、８５Ｒｂアルカリ金属１８の２つの遷移周波数を含み得る。従って、センサーセル１４における１つ以上のバッファガスの存在が原因で、８５Ｒｂアルカリ金属１８の遷移周波数の吸収ピークは、あいまいにされて、第一の周波数ｆ１と第二の周波数ｆ２との間の周波数帯内に封じ込められ得る。
【００２０】
図２の例において周波数ｆ３に対応する、ポンプビームの実質的な最大光吸収を決定すると、安定化システム３０は、初めに、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を実質的な最大光吸収の周波数に設定するように構成され得る。図２の例において、中心周波数は、周波数ｆ３に設定され得、周波数ｆ３は、第一の周波数ｆ１と第二の周波数ｆ２との間の周波数帯のおおよそ中心に対応し得る。
【００２１】
周波数変調されたポンプビームの中心周波数を周波数ｆ３に設定すると、プローブレーザー２２によって生成されたプローブビームのファラデー回転周波数は、ディザー信号に基づいて安定化システム３０によって復調され得る。従って、プローブビームの復調されたファラデー回転周波数は、ＡＣシュタルクシフトの効果に対応し得るＤＣ誤差信号をもたらし得る。従って、安定化システム３０は、ＤＣ誤差信号に基づいて（例えば、ＤＣ誤差信号の符号に基づいて）、周波数変調されたポンプビームの中心周波数をシフトし得、ＤＣ誤差信号の符号は、中心周波数が、中心周波数を増加させるようにシフトされるべきか、または中心周波数を減少させるようにシフトされるべきかを示し得る。ＤＣ誤差信号がおおよそゼロに等しい場合、中心周波数は、ＡＣシュタルクシフトの効果が、２つの独立した基底状態からの８５Ｒｂアルカリ金属１８の粒子の励起に対して等しくかつ反対である周波数値である。
【００２２】
８５Ｒｂアルカリ金属１８による光ポンプビームの光吸収は、温度、磁場の強度、および／または他の理由のような種々の理由で変化し得る。従って、ＡＣシュタルクシフトの効果が実質的に等しくかつ反対である周波数は、経時的に変化し得る。従って、安定化システム３０は、フィードバック態様で動作することにより、周波数変調されたポンプビームの中心周波数を、ＡＣシュタルクシフトの効果が８５Ｒｂアルカリ金属１８の２つの独立した基底状態に対して実質的に等しくかつ反対である周波数に維持し得る。例えば、安定化システム３０は、フィードバック態様で、復調されたプローブビーム、それと共にＤＣ誤差信号を連続的に監視して、中心周波数を連続的にシフトすることにより、ＤＣ誤差信号をおおよそゼロに維持し、従って、中心周波数をＡＣシュタルクシフト効果に等しくかつ反対である周波数値に維持し得る。その結果、安定化システム３０が、ＡＣシュタルクシフトの時間平均の効果の軽減を経時的に維持し得るように、安定化システム３０は、フィードバック態様で、ＡＣシュタルクシフトの効果を安定化するように動作する。
【００２３】
以前に説明されたように、図２の例における吸収スペクトル５０は、８５Ｒｂアルカリ金属１８の吸収スペクトルに対応する。しかしながら、アルカリ金属１８が８５Ｒｂの使用に制限されることは意図されないことが理解される。例えば、１３３Ｃｓであるアルカリ金属１８の場合、ＡＣシュタルクシフト制御システム２６は、１３３Ｃｓの独立した基底状態に関連付けられた２つのそれぞれの遷移周波数に対応する実質的な最大吸収の２つの周波数を決定し得、それによって、２つの遷移周波数は、バッファガスによってあいまいにされずに、単一の周波数帯を生成する。従って、セルシステム１２は、２つの別個のポンプレーザー１６を実装し得、２つの別個のポンプレーザー１６は各々、初めに、１３３Ｃｓアルカリ金属の遷移周波数に対応するそれぞれの最大吸収ピークに調節される。別の例として、単一のポンプレーザー１６は、最大吸収ピーク間の周波数に調節され得るが、単一のポンプレーザー１６は、両方の遷移周波数のオフ共鳴で１３３Ｃｓアルカリ金属を十分にポンピングするほど十分に高い電力で１３３Ｃｓアルカリ金属をポンピングし得る。２つのポンプビームの例について、安定化システム３０は、ポンプビームの各々に対して別個のディザー信号を生成し得、それによって、プローブビームが、別個のディザー信号によって復調されることにより、ポンプビームの各々の中心周波数が別個にシフトされることを可能にして、ポンプビームの各々に対するＡＣシュタルクシフト効果を実質的に安定化し、かつ、軽減する。
【００２４】
図３は、本発明の局面に従ったセンサーシステム１００の別の例を図示している。一例として、センサーシステム１００は、ＮＭＲジャイロスコープ、ＮＭＲ磁力計、ＥＰＲ磁力計、またはそれらの組み合わせの一部に対応し得る。センサーシステム１００は、種々のアプリケーション（例えば、検出、誘導、および／または航空術システム）のうちの任意のものにおいて実装され得る。別の例として、センサーシステム１００は、複数軸において動作するように構成され得るような、全体のセンサーアプリケーションの一部として実装され得る。
【００２５】
センサーシステム１００は、セルシステム１０２とＡＣシュタルクシフト制御システム１０４とを含む。図３の例において、セルシステム１０２は、センサーセル１０６を含む。例えば、センサーセル１０６は、種々の形状及びサイズのうちの任意のもののガラスケーシングであり得る。センサーセル１０６は、ＮＭＲシステムとして構成されているセンサーシステム１００の例において、アルカリ金属１０８と１つ以上の核スピン同位体（示されていない）とを含む。一例として、アルカリ金属１０８は、８５Ｒｂのようなルビジウム（Ｒｂ）蒸気であることにより、図２の例において以前に説明されたように、他のアルカリ金属タイプ（例えば、Ｃｓ）に比べてアルカリ金属１０８の遷移周波数間の差を実質的に最小にし得る。そのうえ、一例として、核スピン同位体（単数または複数）は、希ガス同位体を含み得る。セルシステム１０２はまた、磁場発生器１１０を含み、磁場発生器は、磁場ＢＥを生成するように構成されている。一例として、磁場発生器１１０は、磁気ソレノイドとして構成され得、磁気ソレノイドは、センサーセル１０６を実質的に包囲することにより、磁場ＢＥを実質的に均一な磁場として生成する。磁場ＢＥに応答して、アルカリ金属１０８の粒子および核スピン同位体は、センサーセル１０６の軸に対して歳差運動し得る。
【００２６】
セルシステム１０２は、ポンプレーザー１１２も含む。ポンプレーザー１１２は、直線偏光（例えば、「ｓ」偏光）を有する光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓを生成するように構成されている。光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓは、ビームスプリッター１１４および１／４波長板１１６を通るように向けられる。１／４波長板１１６は、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの直線偏光を円偏光（光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃとして明示されている）に変化させるように構成されている。光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃは、センサーセル１０６を通るように向けられることにより、アルカリ金属１０８の粒子を偏極状態まで刺激する（つまり、励起する）。図３の例において、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃは、センサーセル１０６の遠位側におけるミラー１１８からの光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの反射に基づいて、２度センサーセル１０６を通るように向けられ、反射された光ポンプビームは、ＯＰＭＰ＿Ｃ’として明示されている。従って、アルカリ金属１０８の粒子の光ポンピングは、実質的に増加させられ得る。
【００２７】
センサーセル１０６から出る反射された光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃ’は、１／４波長板１１６を通るように向けられ、従って、円偏光を直線偏光に変える。しかしながら、光ポンプビームの直線偏光は、ポンプレーザー１１２によって提供された光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓに対して直交するように配向され、従って、光ポンプビームの直線偏光は、「ｐ」偏光を意味する光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐとして明示されている。従って、ビームスプリッター１１４に提供されると、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐは、反射されてＡＣシュタルクシフト制御システム１０４に向けられる。従って、ＡＣシュタルクシフト制御システム１０４は、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐの強度に基づいて、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの光吸収を監視し得る。本明細書中に説明されるように、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの光吸収は、光ポンプビームＯＰＭＰ＿ＣおよびＯＰＭＰ＿Ｃ’の合計の光吸収を意味する。
【００２８】
本明細書中に説明されるように、アルカリ金属１０８の粒子は、ＡＣシュタルクシフトを受け得、ＡＣシュタルクシフトにおいて、ポンプレーザー１１２によるアルカリ金属１０８の粒子の光ポンピングは、アルカリ金属１０８の２つの独立した基底状態に対応する原子遷移波長に対してオフ共鳴である。ＡＣシュタルクシフトが測定可能であることを保証するために、ポンプレーザー１１２は、印加された磁場ＢＥに対するオフセット角θで光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃを生成するように配向され得る。例えば、ポンプレーザー１１２は、オフセット角θでセンサーセル１０６を通る光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃが提供されるように、オフセット角θで物理的に配向され得るか、またはセルシステム１０２は、オフセット角θでセンサーセル１０６を通る光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃを提供するための追加のオプティクスを含み得る。
【００２９】
ＡＣシュタルクシフト制御システム１０４は、周波数基準１２０と、安定化システム１２２と、光検出器１２４とを含む。周波数基準１２０は、安定化システム１２２に比較的低い周波数（例えば、おおよそ８ｋＨｚと１２ｋＨｚとの間）のディザー信号ＤＴＨを提供するための種々の実質的に安定な周波数発生器（例えば、結晶発振器または原子時計）のうちの任意のものとして構成され得る。安定化システム１２２は、ポンプレーザー１１２に提供される変調電流ＩＭＯＤを生成するように構成されている。従って、ポンプレーザー１１２の振幅および周波数は、変調電流ＩＭＯＤの大きさに基づいて設定され得る。従って、安定化システム１２２は、ディザー信号ＤＴＨに基づいて、変調電流ＩＭＯＤの大きさを変調し得る。その結果、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収が、図２の例において明示されているように、特に、ディザー信号ＤＴＨの周波数の関数として変化するように、ポンプレーザー１１２によって提供される光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの周波数は、変調される。
【００３０】
光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐは、ビームスプリッター１１４から光検出器１２４に提供され、それによって、光検出器１２４は、吸収電圧ＶＤＥＴを生成するように構成され、吸収電圧ＶＤＥＴは、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐの強度に対応し、従って、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐの強度は、センサーセル１０６における光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収に対応する。吸収電圧ＶＤＥＴは、安定化システム１２２に提供され、それによって、安定化システム１２２は、吸収電圧ＶＤＥＴに基づいて光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収を監視し得る。光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの周波数がディザー信号ＤＴＨに基づいて変化するので、吸収電圧ＶＤＥＴは、同様に、（例えば、ディザー信号ＤＴＨに基づいて、）おおよそ同じ周波数で変化する。従って、安定化システム１２２は、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｐの吸収スペクトルを決定するように構成され得る。その結果、安定化システム１２２は、ポンプレーザー１１２によって生成された光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの周波数を決定し得、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの周波数は、センサーセル１０６を通る光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの実質的な最大吸収（例えば、遷移周波数間の周波数帯の中心）に対応する。
【００３１】
図３の例において、センサーシステム１００は、検出システム１２６も含み、検出システム１２６は、少なくとも１つの測定可能なパラメータを計算するように構成されている。例えば、測定可能なパラメータは、ＮＭＲジャイロスコープとして構成されているセンサーシステム１００の例における受感軸まわりの回転を含み得るか、またはＮＭＲ／ＥＰＲ磁力計として構成されているセンサーシステム１００の例における外部磁場のベクトルの大きさを含み得る。図３の例において、検出システム１２６は、プローブレーザー１２８と、回転検出器１３０と、測定コントローラー１３２とを含む。プローブレーザー１２８は、センサーセル１０６を通過するプローブビームＯＰＲＢを生成するように構成され得る。アルカリ金属１０８の粒子および関連付けられた核スピン同位体の歳差運動は、センサーセル１０６から出るプローブビーム（図３の例においてＯＰＲＢ’として明示されている）に関連付けられた位相変化をもたらし得る。センサーセル１０６から出るプローブビームＯＰＲＢ’は回転検出器１３０に提供され、回転検出器１３０は、プローブビームＯＰＲＢ’のファラデー回転を示す信号ＦＡＲを生成するように構成されている。従って、測定コントローラー１３２は、センサーセル１０６の回転または外部磁場から生じるような、アルカリ金属１０８の粒子の歳差運動における変化に基づいて、測定可能なパラメータを計算し得、アルカリ金属１０８の粒子の歳差運動における変化は、信号ＦＡＲによって提供されるような、プローブビームＯＰＲＢ’のファラデー回転によって示される。
【００３２】
そのうえ、以前に説明されたように、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃは、印加された磁場ＢＥに対するオフセット角θで配向され得る。その結果、ＡＣシュタルクシフトは、印加された磁場ＢＥに直交する平面における光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃのベクトル成分に基づいて、印加された磁場ＢＥに直交するベクトル方向にＡＣ磁場ＢＬを誘導する。ＡＣ磁場ＢＬは、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの周波数変調に基づいて、ディザー信号ＤＴＨの周波数におおよそ等しい周波数を有し得る。従って、ＡＣ磁場ＢＬは、ディザー信号ＤＴＨの周波数でアルカリ金属１０８の歳差運動に影響し得る。その結果、センサーセル１０６の回転または外部磁場から生じるプローブビームＯＰＲＢ’のファラデー回転に加えて、プローブビームＯＰＲＢ’は、誘導磁場ＢＬから生じる、ディザー信号ＤＴＨの周波数に実質的に等しい周波数を有するファラデー回転を有し得る。
【００３３】
従って、回転検出器１３０はまた、安定化システム１２２に信号ＦＡＲを提供する。従って、安定化システム１２２は、安定化システム１２２がプローブビームＯＰＲＢ’に対するＡＣシュタルクシフトの効果を決定し得るように、ディザー信号ＤＴＨに基づいて、信号ＦＡＲを復調するように構成され得る。従って、安定化システム１２２は、ＤＣ誤差信号を獲得し得、ＤＣ誤差信号は、ＡＣシュタルクシフトの効果が等しくかつ反対である周波数値からの光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの中心周波数のずれに対応する大きさおよび符号を有する。その結果、安定化システム１２２は、フィードバック態様で、ＤＣ誤差信号に基づいて、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの中心周波数をシフトすることにより、ＤＣ誤差信号を実質的に最小にする。従って、ＤＣ誤差信号がおおよそゼロに等しい場合、中心周波数は、ＡＣシュタルクシフトの効果が２つの独立した基底状態からのアルカリ金属１０８の粒子の励起に対しておおよそ等しくかつ反対である周波数値におおよそ等しい。
【００３４】
従って、安定化システム１２２は、信号ＦＡＲを連続的に復調することにより、ディザー信号ＤＴＨの周波数におけるプローブビームＯＰＲＢ’のファラデー回転を監視し得、安定化システム１２２は、フィードバック態様で、変調電流ＩＭＯＤに基づいて、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓの変調された周波数の中心周波数を調節し得る。その結果、周波数変調された光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓおよび光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの中心周波数は、ＡＣシュタルクシフトの効果がアルカリ金属１０８の２つの独立した基底状態に対して等しくかつ反対である周波数に中心を有するように維持される。従って、安定化システム１２２による光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｓのフィードバック変調に基づいて、安定化システム１２２は、ＡＣシュタルクシフトを安定化する。さらに、ＡＣシュタルクシフト効果が、アルカリ金属１０８のそれぞれの２つの独立した基底状態からのアルカリ金属１０８の励起に対して実質的に等しくかつ反対であるので、ＡＣシュタルクシフト効果は、実質的に軽減される。従って、センサーシステム１００の測定可能なパラメータ（単数または複数）に関連付けられたスケールファクターおよびバイアス誤差は、同様に、実質的に軽減される。
【００３５】
そのうえ、以前に説明されたように、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収は、センサーセル１０６の温度に部分的に基づく。図３の例において、セルシステム１０２は、セル温度コントローラー１３４も含み、セル温度コントローラー１３４は、センサーセル１０６の温度を設定するように構成されている。安定化システム１２２は、吸収電圧ＶＤＥＴを介した光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの監視された吸収に基づいて、セル温度コントローラー１３４によってセンサーセル１０６の温度を安定化するように構成され得る。一例として、安定化システム１２２は、復調された吸収電圧ＶＤＥＴに基づいて、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収における変化を決定し得、安定化システム１２２は、温度制御信号ＴＥＭＰ＿ＣＴＲＬをセル温度コントローラー１３４に提供することにより、センサーセル１０６の温度を変更して、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの吸収における変化を実質的に補償し得る。従って、安定化システム１２２は、同様に、フィードバック態様で、吸収電圧ＶＤＥＴに基づいて、センサーセル１０６の温度を安定化することにより、光ポンプビームＯＰＭＰ＿Ｃの実質的に最適の吸収を提供し得る。
【００３６】
上記に説明された前述の構造的かつ機能的な特徴の点から、本発明の局面に従った方法論が、図４を参照してより良く理解される。説明の簡単の目的のために、図４の方法論は、連続的に実行するように示されかつ説明されるが、本発明に従って、いくつかの局面が、本明細書中に示されかつ説明された順序とは別の順序で、かつ／または本明細書中に示されかつ説明された局面とは別の局面と同時に発生しうるので、本発明は、図示されている順序によって制限されないことが理解され、かつ認識される。そのうえ、図示されている特徴のすべてが、本発明の局面に従った方法論を実装するために要求されるわけではないこともある。
【００３７】
図４は、本発明の局面に従って、センサーシステムにおけるＡＣシュタルクシフト効果を実質的に軽減する方法１５０の例を図示している。１５２において、ポンプビームは、アルカリ金属粒子を含むセンサーセルを通して提供される。光ポンプビームは、ポンプレーザーから直線偏光において生成され得る。光ポンプビームは、印加された磁場に対してオフセット角θで配向されることにより、センサーセルにおけるアルカリ金属に対するＡＣシュタルクシフトから生じる仮想の磁場を誘導し得、仮想の磁場は、印加された磁場に直交するベクトル成分を有することにより、ＡＣシュタルクシフトを検出することが可能である。１５４において、ポンプビームの周波数は、実質的に安定な周波数基準に基づいて、中心周波数について変調される。変調は、比較的低い周波数（例えば、おおよそ８ｋＨｚと１２ｋＨｚとの間）を有するディザー信号に基づいてポンプレーザーに関連付けられた電流を変調することに基づいて、行われ得る。中心周波数は、アルカリ金属粒子によるポンプビームの実質的な最大吸収の周波数であり得るか、またはアルカリ金属粒子の遷移周波数間にある周波数であり得る。
【００３８】
１５６において、直線偏光されたプローブビームが、センサーセルを通して提供される。プローブビームは、プローブレーザーによって生成されることにより、ファラデー回転に基づいて、センサーシステムの少なくとも１つの測定可能なパラメータを決定し得る。１５８において、直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の周波数は、実質的に安定な周波数基準に基づいて復調されることにより、周波数オフセットを生成する。直線偏光されたプローブビームのファラデー回転は、オフセット角に基づいて周波数変調されたポンプビームと実質的に同じ周波数を有し得、オフセット角は、印加された磁場に対して直交する平面におけるポンプビームの成分を提供し、それによって、周波数変調されたポンプビームに等しい周波数を有するＡＣ磁場が、直交する平面に誘導される。１６０において、周波数変調されたポンプビームの中心周波数は、周波数オフセットに基づいて制御されることにより、少なくとも１つの測定可能なパラメータに対するＡＣシュタルクシフトの効果を実質的に安定化し、かつ軽減する。周波数オフセットは、ＤＣ誤差信号に基づいて決定され得、ＤＣ誤差信号は、フィードバック態様で、直線偏光されたプローブビームのファラデー回転の復調された周波数から生成される。
【００３９】
上記で説明されてきたものは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想像可能な組み合わせを説明することは不可能であるが、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。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲の内にあるすべてのそのような変更、改変、および変化を包含するように意図される。
【符号の説明】
【００４０】
１０  センサーシステム
１２  セルシステム
１４  センサーセル
１６  ポンプレーザー
１８  アルカリ金属
２０  検出システム
２２  プローブレーザー
２４  回転検出器
２６  ＡＣシュタルクシフト制御システム
２８  周波数基準
３０  安定化システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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