(57)【要約】  ３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを生成する進行光定在波生成部３０１と、個々の原子が同じ状態にある原子線１０１ａを連続生成する原子線源１０１と、原子線１０１ａと３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃとの相互作用によってサニャック効果を発現する干渉部２０１と、干渉部２０１からの原子線１０１ｂを観測することによって角速度または加速度を検出する観測部４００を含む。各進行光定在波は、ｎを２以上の正整数として、ｎ次Bragg条件を満たす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープであって、
個々の原子が同じ状態にある原子線を連続生成する原子線源と、
３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
前記干渉部からの前記原子線を観測することによって角速度または加速度を検出する観測部と
を含み、
各前記進行光定在波は、ｎを２以上の正整数として、ｎ次Bragg条件を満たす
ことを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１に記載のジャイロスコープにおいて、
前記原子線源は、冷却原子線を生成する
ことを特徴とするジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マッハ-ツェンダー（Mach-Zehnder）型原子干渉に基づくジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー技術の進展に伴い、原子干渉計、原子干渉を利用した重力加速度計やジャイロスコープなどの研究が進んでいる。原子干渉計の一つとしてマッハ-ツェンダー型原子干渉計が知られている。図１に示す従来のマッハ-ツェンダー型原子干渉計９００は原子線源１００と干渉部２００と進行光定在波生成部３００と観測部４００を含む。【０００３】
原子線源１００は原子線１００ａを生成する。原子線１００ａは、熱的原子線、冷却原子線（熱的原子線の速度よりも遅い速度を持つ原子線）、ボース-アインシュタイン凝縮体（Bose-Einstein Condensate）などである。熱的原子線は、例えば、純度の高い元素をオーブンで加熱することによって生成される。冷却原子線は、例えば、熱的原子線をレーザー冷却することによって生成される。ボース-アインシュタイン凝縮体は、ボース粒子を絶対零度近くまで冷却することによって生成される。原子線１００ａに含まれる個々の原子は光ポンピングによって同じエネルギー準位（例えば、後述する|g>である）に設定される。【０００４】
干渉部２００では、原子線１００ａが３個の進行光定在波２００ａ，２００ｂ，２００ｃを通過する。なお、進行光定在波は、周波数の異なるレーザーを対向させて生成され、光の速度に比べて十分に遅い速度でドリフトする。原子干渉計では、光照射による原子の２準位間遷移が利用される。したがって、自然放出によるデコヒーレンスを避ける観点から、一般的に、寿命の長い２準位間遷移が利用される。例えば、原子線がアルカリ金属原子線である場合、基底状態の超微細構造に含まれる２準位の間の誘導ラマン遷移が利用される。超微細構造において、最も低いエネルギー準位を|g>とし、|g>よりも高いエネルギー準位を|e>とする。２準位間の誘導ラマン遷移は、一般的に、差周波数が|g>と|e>との共鳴周波数に概ね等しい２個のレーザー光の対向照射で形成される進行光定在波によって実現される。３個の進行光定在波２００ａ，２００ｂ，２００ｃを生成する進行光定在波生成部３００の光学的構成は公知であり、また、本発明の要点と関係しないので説明を省略する（図１では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、音響光学変調器（ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator））などが図示されている）。以下、進行光定在波による２光子ラマン過程を利用した原子干渉について説明する。【０００５】
原子線源１００からの原子線１００ａが第１の進行光定在波２００ａを通過すると、初期状態が|g>にある個々の原子の状態は|g>と|e>との重ね合わせ状態に変化する。例えば第１の進行光定在波２００ａの通過時間Δt（つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間）を適切に設定すると、第１の進行光定在波２００ａを通過した直後の|g>の存在確率と|e>の存在確率の比は１対１になる。原子は、対向して進む２光子の吸収・放出を通して、|g>から|e>に遷移する際に光子２個分の運動量を得る。したがって、状態|e>の原子の運動方向は、状態|g>の原子の運動方向からずれる。つまり、原子線１００ａが第１の進行光定在波２００ａを通過すると、原子線１００ａは、１対１の割合で、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線に分裂する。第１の進行光定在波２００ａは、π／２パルスと呼ばれ、原子線のスプリッターとしての機能を持つ。【０００６】
分裂後、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線は、第２の進行光定在波２００ｂを通過する。このとき、例えば第２の進行光定在波２００ｂの通過時間（つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間）を2Δtに設定すると、第２の進行光定在波２００ｂを通過することによって、状態|g>の原子からなる原子線は通過過程で状態|e>の原子からなる原子線に反転し、状態|e>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g>から|e>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２００ｂを通過後の状態|e>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２００ａを通過後の状態|e>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む２光子の吸収・放出を通して、|e>から|g>に遷移する際に２光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|e>から|g>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|e>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２００ｂを通過後の状態|g>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２００ａを通過後の状態|g>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。第２の進行光定在波２００ｂは、πパルスと呼ばれ、原子線のミラーとしての機能を持つ。【０００７】
反転後、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線は、第３の進行光定在波２００ｃを通過する。原子線源１００からの原子線１００ａが第１の進行光定在波２００ａを通過する時刻をt1=Tとし、分裂後の２個の原子線が第２の進行光定在波２００ｂを通過する時刻をt2=T+ΔTとすると、反転後の２個の原子線が第３の進行光定在波２００ｃを通過する時刻はt3=T+2ΔTである。時刻t3にて、反転後の状態|g>の原子からなる原子線と反転後の状態|e>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、例えば第３の進行光定在波２００ｃの通過時間（つまり、進行光定在波と原子との相互作用時間）を適切に設定すると（具体的には、第３の進行光定在波２００ｃの通過時間を上記Δtに設定する）、状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g>と|e>との重ね合わせ状態に応じた原子線１００ｂが得られる。この原子線１００ｂが、干渉部２００の出力である。第３の進行光定在波２００ｃは、π／２パルスと呼ばれ、原子線のコンバイナーとしての機能を持つ。【０００８】
マッハ-ツェンダー型原子干渉計９００に角速度または加速度が加わると、第１の進行光定在波２００ａの照射から第３の進行光定在波２００ｃの照射までの原子線の２個の経路に位相差が生じ、この位相差が第３の進行光定在波２００ｃを通過した個々の原子の状態|g>の存在確率と状態|e>の存在確率に反映される。したがって、観測部４００は、干渉部２００からの原子線１００ｂを観測することによって角速度または加速度を検出する。例えば、観測部４００は、干渉部２００からの原子線１００ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|e>の原子からの蛍光を光検出器４０９によって検出する。【０００９】
上述の進行光定在波による２光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉計については、例えば、非特許文献１などが参考になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T. L. Gustavson, P. Bouyer and M. A. Kasevich, “Precision Rotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope,” Phys. Rev. Lett.78, 2046-2049, Published 17 March 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
進行光定在波による２光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉計では、原子は、対向して進む２光子の吸収・放出を通して、|g>から|e>に遷移すると共に光子２個分の運動量を得る。このため、図１では誇張して描画してあるが、実際には、第１の進行光定在波を通過した後に得られる２個の経路（状態|g>の原子からなる原子線と状態|e>の原子からなる原子線）の間隔はとても狭い。具体的には、原子線源からの原子線がミリメートルオーダーの径を持つのに対して、第２の進行光定在波を通過する位置における当該間隔はマイクロメートルオーダーである。【００１２】
ところで、ジャイロスコープの位相感度は、Ａを原子線の２個の経路で囲まれた面積とし、ｖを原子速度として、Ａ／ｖに比例することが知られている。２光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープにおいても、位相感度の向上には、面積Ａの増大、および／または、速度ｖの低減が有効である。図１に示す構成において面積Ａを増大するには、第１の進行光定在波と第３の進行光定在波との間隔を大きくすればよい（２光子ラマン過程では、原子が受け取れる運動量が光子２個分に限られているので、２個の経路の間隔を拡げることはできない）。しかし、このようなジャイロスコープは大型であり実用的でない。【００１３】
したがって、本発明は、マッハ-ツェンダー型原子干渉に基づく、高感度の実用的ジャイロスコープを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のジャイロスコープは、マッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープであって、原子線源と進行光定在波生成部と干渉部と観測部を含む。
原子線源は、個々の原子が同じ状態にある原子線を連続生成する。
進行光定在波生成部は、３個以上の進行光定在波を生成する。各進行光定在波は、ｎを２以上の正整数として、ｎ次Bragg条件を満たす。
干渉部は、原子線と３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る。
観測部は、干渉部からの原子線を観測することによって角速度または加速度を検出する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、進行光定在波によるｎ次Bragg回折を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくことによって、高感度の実用的ジャイロスコープを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のジャイロスコープの構成を説明するための図。
【図２】実施形態のジャイロスコープの構成を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図は実施形態の理解のために提供され、図示される各構成要素の寸法は正確ではない。
【００１８】
本発明による実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉に基づくジャイロスコープは、ｎ次（ただし、ｎは２以上の予め定められた正整数である）のBragg回折を利用する。図２に示す実施形態のジャイロスコープ５００は、原子線源１０１と干渉部２０１と進行光定在波生成部３０１と観測部４００を含む。この実施形態では、原子線源１０１と干渉部２０１と観測部４００は図示しない真空チャンバー内に収容されている。
【００１９】
原子線源１０１は、個々の原子が同じ状態にある原子線１０１ａを連続生成する。現在の技術水準によれば、熱的原子線（例えば、〜１００ｍ／ｓ）あるいは冷却原子線（例えば、〜１０ｍ／ｓ）を連続生成する技術は知られている。既述のように、熱的原子線は、例えば、純度の高い元素をオーブン１１１で昇華させて得られた高速の原子気体をコリメーター１１３に通すことによって生成される。また、冷却原子線は、例えば、高速の原子気体を図示しないゼーマンスローワー（Zeeman Slower）あるいは２次元冷却装置に通すことによって生成される。２次元冷却装置を使った低速原子線源については参考文献１を参照のこと。
（参考文献１）J. Schoser et al., “Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap,” Phys. Rev. A 66, 023410 - Published 26 August 2002.
【００２０】
進行光定在波生成部３０１は、ｎ次Bragg条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）を生成する。ただし、第１の進行光定在波２０１ａは上述のスプリッターとしての機能を、第２の進行光定在波２０１ｂは上述のミラーとしての機能を、第３の進行光定在波２０１ｃは上述のコンバイナーとしての機能をそれぞれ持つという条件も満たす。
【００２１】
このような諸条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）はそれぞれ、ガウシアンビーム（Gaussian Beam）のビームウェスト、波長、光強度、さらに、対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ガウシアンビームのビームウェストは光学的に設定でき（例えばレーザー光をレンズで集光する）、ガウシアンビームの光強度は電気的に設定できる（例えばガウシアンビームの出力を調整する）。つまり、進行光定在波の生成パラメータが従来の生成パラメータと異なるのであり、これら３個の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部３０１の構成は従来の進行光定在波生成部３００（図１）の構成と異ならないから、進行光定在波生成部３０１の構成の説明を省略する（図２では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、ＡＯＭなどが図示されている）。
【００２２】
干渉部２０１では、原子線１０１ａは３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを通過する。本実施形態における原子干渉計では、同じ内部状態における異なる２個の運動量状態|g, p0>と|g, p1>との間の光照射による遷移が利用される。
【００２３】
原子線源１０１からの原子線１０１ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、初期状態が|g, p0>にある個々の原子の状態は|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に変化する。第１の進行光定在波２０１ａと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第１の進行光定在波２０１ａを通過した直後の|g, p0>の存在確率と|g, p1>の存在確率の比は１対１になる。原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p0>から|g, p1>に遷移する際に光子２ｎ個分の運動量（=p1-p0）を得る。したがって、状態|g, p1>の原子の運動方向は、状態|g, p0>の原子の運動方向から大きくずれる。つまり、原子線が第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、原子線１０１ａは、１対１の割合で、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線に分裂する。状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向はｎ次のBragg条件に基づく方向である。０次光の方向（つまり、Bragg回折しなかった状態|g, p0>の原子からなる原子線１０１ａの進行方向）とｎ次のBragg条件に基づく方向とが成す角は、０次光の方向と１次のBragg条件に基づく方向とが成す角のｎ倍である。つまり、状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向の広がり（換言すると、乖離）を従来（図１）よりも大きくできる。
【００２４】
分裂後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第２の進行光定在波２０１ｂを通過する。このとき、第２の進行光定在波２０１ｂと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第２の進行光定在波２０１ｂを通過することによって、状態|g, p0>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p1>の原子からなる原子線に反転し、状態|g, p1>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p0>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g, p0>から|g, p1>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p0>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p1>から|g, p0>に遷移する際に２ｎ個の光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|g, p1>から|g, p0>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|g, p1>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。
【００２５】
反転後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第３の進行光定在波２０１ｃを通過する。この通過時点にて、反転後の状態|g, p0>の原子からなる原子線と反転後の状態|g, p1>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、第３の進行光定在波２０１ｃと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に応じた原子線１０１ｂが得られる。第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる原子線１０１ｂの進行方向は、理論的には、０次光の方向とｎ次のBragg条件に基づく方向のいずれか一方または両方である。
【００２６】
ジャイロスコープ５００に、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路を含む平面内の角速度または加速度が加わると、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路に位相差が生じ、この位相差が第３の進行光定在波２０１ｃを通過した個々の原子の状態|g, p0>の存在確率と状態|g, p1>の存在確率に反映される。したがって、観測部４００は、干渉部２０１からの原子線１０１ｂ（つまり、第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる原子線１０１ｂ）を観測することによって角速度または加速度を検出する。例えば、観測部４００は、干渉部２０１からの原子線１０１ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|g, p1>の原子からの蛍光を光検出器４０９によって検出する。光検出器４０９としては、光電子増倍管、蛍光フォトディテクタなどを例示できる。また、本実施形態によると空間分解が向上する、つまり第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路（状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線）の間隔が広いので、光検出器４０９としてＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。あるいは、光検出器４０９としてチャンネルトロンを用いる場合は、第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路の一方の原子線を、プローブ光の替わりにレーザー等によってイオン化し、チャンネルトロンでイオンを検出してもよい。
【００２７】
上述のとおり、０次光の方向とｎ次のBragg条件に基づく方向とが成す角が０次光の方向と１次のBragg条件に基づく方向とが成す角のｎ倍であるので、本実施形態のジャイロスコープ５００の位相感度は、ジャイロスコープ５００における第１の進行光定在波と第３の進行光定在波との間隔と同じ間隔を持つ従来のジャイロスコープ９００の位相感度よりも大きい。つまり、同じ位相感度を持つ本実施形態のジャイロスコープ５００と従来のジャイロスコープ９００を比較すると、本実施形態のジャイロスコープ５００の全長（原子線の射出方向の長さ）は従来のジャイロスコープ９００の全長よりも短い。
【００２８】
＜好ましい実施形態＞
ジャイロスコープの位相感度が向上するとジャイロスコープのバイアス安定性も向上するが、位相感度は、既述のとおり、Ａを原子線の２個の経路で囲まれた面積とし、ｖを原子速度として、Ａ／ｖに比例することが知られている。つまり、図２に示すジャイロスコープ５００において、原子線１０１ａと第１の進行光定在波２０１ａとの相互作用位置から原子線１０１ａと第２の進行光定在波２０１ｂとの相互作用位置までの距離をＬとすると、位相感度はＬ2／ｖに比例する。小型のジャイロスコープ５００を実現するためにはＬを小さくすればよいが、単にＬを小さくしただけでは位相感度も低下してしまう。したがって、位相感度を低下させないためには原子速度も小さくすればよい。この観点から、冷却原子線を使うことが好ましい。例えば、原子速度を熱的原子速度の1/100にすれば位相感度を変えることなくジャイロスコープ５００のサイズを元のサイズの1/10にできる。
【００２９】
この他、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、３個の進行光定在波を用いて、１回の分裂と１回の反転と１回の混合を行うマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このような実施形態に限定されず、本発明は、例えば複数回の分裂と複数回の反転と複数回の混合を行う多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用した実施形態として実施することもできる。このような多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉については、参考文献２を参照のこと。
（参考文献２）Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A 63, 063611 (2001) - Published 16 May 2001.
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更と変形が許される。選択され且つ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用を解説するためのものである。本発明は様々な変更あるいは変形を伴って様々な実施形態として使用され、様々な変更あるいは変形は期待される用途に応じて決定される。そのような変更および変形のすべては、添付の請求範囲によって定義される本発明の範囲に含まれることが意図されており、公平、適法および公正に与えられる広さに従って解釈される場合、同じ保護が与えられることが意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１０１          原子線源
１０１ａ        原子線
１０１ｂ        原子線
１１１          オーブン
１１３          コリメーター
２０１          干渉部
２０１ａ        第１の進行光定在波
２０１ｂ        第２の進行光定在波
２０１ｃ        第３の進行光定在波
３０１          進行光定在波生成部
４００          観測部
５００          ジャイロスコープ
【図１】
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【図２】
2019073657.tif 000004
【国際調査報告】
2019073657.tif 000005
2019073657.tif 000006
2019073657.tif 000007
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