(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子センサ・システムであって、
磁場に反応して歳差運動するアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
中心周波数を中心にして変調され、かつ該蒸気セルを通過するように供給される光学プローブ・ビームを生成するように構成されたプローブ・レーザと、
該蒸気セルを出た該光学プローブ・ビームに関連した検出ビームに関連したファラデー回転に対応する強度信号を生成するように構成された光検出器アセンブリであって、前記強度信号が、前記光学プローブ・ビームの直交する偏光にそれぞれ対応する第１の強度信号および第２の強度信号を含む、前記光検出器アセンブリと、
該光学プローブ・ビームの変調周波数に対応する周波数において該第１の強度信号と該第２の強度信号の和に対応する加算信号を復調し、復調された該加算信号に基づいて該プローブ・レーザに供給されるフィードバック信号を生成し、該フィードバック信号に基づいて該光学プローブ・ビームの該中心周波数を実質的に安定させる検出システムと
を備える原子センサ・システム。
【請求項２】
前記光検出器アセンブリが、偏光ビームスプリッタ、第１の光検出器および第２の光検出器を含み、該偏光ビームスプリッタが、前記検出ビームを、直交する第１の偏光信号成分と第２の偏光信号成分とに分離するように構成されており、該第１の光検出器および該第２の光検出器が、直交する該第１の偏光信号成分および該第２の偏光信号成分にそれぞれ対応する該第１の強度信号および第２の強度信号を生成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３】
前記検出システムが、前記第１の強度信号と前記第２の強度信号とを加算して前記加算信号を生成するように構成された加算構成要素を含み、前記検出システムが、該加算信号を復調して前記フィードバック信号を生成するように構成されたプローブ・コントローラを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記検出システムが、前記第１の強度信号を前記第２の強度信号から減算して、前記検出ビームのファラデー回転に対応する差信号を生成するように構成された差構成要素を含み、前記検出システムが、該差信号を復調してセンサ出力信号を生成するように構成されたセンサ・コントローラを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記フィードバック信号が、前記光学プローブ・ビームの前記中心周波数を、前記アルカリ金属蒸気による前記光学プローブ・ビームの実質的な最大吸収に対応する周波数に維持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６】
前記光学プローブ・ビームが、前記中心周波数を中心に両側にあるほぼ等しい正の振幅および負の振幅を有する方形波信号によって周波数変調される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記方形波信号の前記正の振幅が、前記光学プローブ・ビームに関連した第１の方向の実質的な最大ファラデー回転に対応し、前記方形波信号の前記負の振幅が、前記光学プローブ・ビームに関連した、該第１の方向とは反対の第２の方向の実質的な最大ファラデー回転に対応する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の原子センサ・システムを備えるＮＭＲジャイロスコープ・システム。
【請求項９】
請求項１に記載の原子センサ・システムを備える原子磁力計システム。
【請求項１０】
原子センサ・システムにおいて光学プローブ・ビームの周波数を安定させる方法であって、
歳差運動をしているアルカリ金属蒸気を含む該原子センサ・システムの蒸気セルに該光学プローブ・ビームを通過させる工程と、
該蒸気セルを出た該光学プローブ・ビームを、直交する偏光成分にビーム分割する工程と、
直交するそれぞれの該偏光成分の強度を測定して、第１の強度信号および第２の強度信号を生成する工程と、
該第１の強度信号と該第２の強度信号とを加算して加算信号を生成する工程と、
該加算信号の大きさに関連したフィードバック信号を生成する工程と、
該フィードバック信号に基づいて該光学プローブ・ビームの該周波数を安定させる工程と
を含む方法。
【請求項１１】
前記光学プローブ・ビームの前記周波数を変調信号に基づいて中心周波数を中心にして変調する工程と、
該変調信号の周波数において前記加算信号を復調して、前記フィードバック信号を生成する工程と
をさらに含み、
前記光学プローブ・ビームの前記周波数を安定させる工程が、前記フィードバック信号に基づいて前記光学プローブ・ビームの前記中心周波数を安定させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学プローブ・ビームの前記中心周波数を安定させる工程が、前記光学プローブ・ビームの前記中心周波数を、前記アルカリ金属蒸気による前記光学プローブ・ビームの実質的な最大吸収に対応する周波数に維持することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光学プローブ・ビームの前記周波数を変調する工程が、前記光学プローブ・ビームの前記周波数を、前記中心周波数を中心に両側にあるほぼ等しい正の振幅および負の振幅を有する方形波信号として構成された前記変調信号に基づいて、前記中心周波数を中心にして変調することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記変調信号の前記正の振幅を、第１の方向の実質的な最大ファラデー回転に関連した前記光学プローブ・ビームの第１の周波数に対応するように設定する工程と、
前記変調信号の前記負の振幅を、該第１の方向とは反対の第２の方向の実質的な最大ファラデー回転に関連した前記光学プローブ・ビームの第２の周波数に対応するように設定する工程と
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
原子センサ・システムであって、
磁場に反応して歳差運動するアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
方形波変調信号によって中心周波数を中心にして変調され、かつ該蒸気セルを通過するように供給される光学プローブ・ビームを生成するように構成されたプローブ・レーザと、
該蒸気セルを出た該光学プローブ・ビームに対応する検出ビームの直交する偏光にそれぞれ対応する第１の強度信号および第２の強度信号を生成するように構成された光検出器アセンブリと、
該第１の強度信号と該第２の強度信号とを加算して加算信号を生成し、該方形波変調信号の周波数において該加算信号を復調して該プローブ・レーザに供給されるフィードバック信号を生成し、該光学プローブ・ビームの該中心周波数を実質的に安定させる検出システムと
を備える原子センサ・システム。
【請求項１６】
前記検出システムが、前記第１の強度信号を前記第２の強度信号から減算して、前記検出ビームのファラデー回転に対応する差信号を生成するように構成された差構成要素を含み、前記検出システムが、該差信号を復調してセンサ出力信号を生成するように構成されたセンサ・コントローラを備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記フィードバック信号が、前記光学プローブ・ビームの前記中心周波数を、前記アルカリ金属蒸気による前記光学プローブ・ビームの実質的な最大吸収に対応する周波数に維持するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記方形波変調信号が、前記中心周波数を中心に両側にあるほぼ等しい正の振幅および負の振幅を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
方形波信号の前記正の振幅が、前記光学プローブ・ビームに関連した第１の方向の実質的な最大ファラデー回転に対応し、前記方形波信号の前記負の振幅が、前記光学プローブ・ビームに関連した、該第１の方向とは反対の第２の方向の実質的な最大ファラデー回転に対応する、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にセンサ・システムに関し、詳細には、原子センサ・システムにおけるプローブ・ビーム周波数の安定化に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、原子磁力計などの原子センサは、光学ビームを使用して動作する。例えば、光学ビームを使用して受感軸の周りの回転を検出するか、または外部磁場の存在および大きさを検出する。一例として、ＮＭＲ（ＮＭＲ）センサ・システムは、第１の光学ビームをポンプ・ビームとして使用することができる。このポンプ・ビームは、例えば、センサの密封されたセル内でセシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属の蒸気をスピン偏極させるように構成された円偏光した光学ビームとすることができる。ＮＭＲセンサ・システムはさらに、第２の光学ビームをプローブ・ビームとして使用することができる。このプローブ・ビームは、例えば、例えば受感軸の周りの検出システムの回転を検出するか、または外部磁場の大きさを検出するために、アルカリ金属の直接に測定された歳差運動に基づいてキセノン（Ｘｅ）などの貴ガスの同位体の歳差運動を間接的に検出するように構成された直線偏光した光学ビームとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２０２７５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１６９５９０号明細書
【特許文献３】国際公開第２００６／０７１８９１号
【特許文献４】国際公開第２０１２／１０６０９４号
【特許文献５】特開２００３−２７３５６６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
実施形態の一例は原子センサ・システムを含む。このシステムは、磁場に反応して歳差運動するアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルを含む。このシステムはさらに、中心周波数を中心にして変調され、かつ蒸気セルを通過するように供給される光学プローブ・ビームを生成するプローブ・レーザを含む。光検出器アセンブリが、蒸気セルを出た光学プローブ・ビームに関連した検出ビームに関連したファラデー回転に対応する強度信号を生成する。このシステムはさらに、光学プローブ・ビームの変調周波数に対応する周波数において強度信号を復調し、復調された強度信号に基づいてプローブ・レーザに供給されるフィードバック信号を生成し、フィードバック信号に基づいて光学プローブ・ビームの中心周波数を実質的に安定させるように構成された検出システムを含む。
【０００５】
別の実施形態は、原子センサ・システムにおいて光学プローブ・ビームの周波数を安定させる方法を含む。この方法は、歳差運動をしているアルカリ金属蒸気を含む原子センサ・システムの蒸気セルに光学プローブ・ビームを通過させる工程を含む。この方法はさらに、蒸気セルを出た光学プローブ・ビームを、直交する偏光成分にビーム分割する工程と、直交するそれぞれの偏光成分の強度を測定して、第１の強度信号および第２の強度信号を生成する工程とを含む。この方法はさらに、第１の強度信号と第２の強度信号とを加算して加算信号を生成する工程と、加算信号の大きさに関連したフィードバック信号を生成する工程とを含む。この方法はさらに、フィードバック信号に基づいて光学プローブ・ビームの周波数を安定させる工程を含む。
【０００６】
別の実施形態は原子センサ・システムを含む。このシステムは、磁場に反応して歳差運動するアルカリ金属蒸気を含む蒸気セルを含む。このシステムはさらに、方形波変調信号によって中心周波数を中心にして変調され、かつ蒸気セルを通過するように供給される光学プローブ・ビームを生成するように構成されたプローブ・レーザを含む。このシステムはさらに、蒸気セルを出た光学プローブ・ビームに対応する検出ビームの直交する偏光にそれぞれ対応する第１の強度信号および第２の強度信号を生成するように構成された光検出器アセンブリを含む。このシステムはさらに、第１の強度信号と第２の強度信号とを加算して加算信号を生成し、方形波変調信号の周波数において加算信号を復調してプローブ・レーザに供給されるフィードバック信号を生成し、光学プローブ・ビームの中心周波数を実質的に安定させる検出システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】原子センサ・システムの例を示す図。
【図２】変調信号波形のタイミング図の例を示す図。
【図３】光学プローブ・ビームの波長に関連したグラフの例を示す図。
【図４】検出システムの例を示す図。
【図５】原子センサ・システムにおいて光学プローブ・ビームの周波数を安定させる方法の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は一般にセンサ・システムに関し、詳細には、原子センサ・システムにおけるプローブ・ビーム周波数の安定化に関する。ＮＭＲセンサ・システムは、例えばＮＭＲジャイロスコープまたは原子磁力計として実施することができる。ＮＭＲプローブ・システムは、光学ポンプ・ビームを生成するように構成されたポンプ・レーザと、光学プローブ・ビームを生成するように構成されたプローブ・レーザとを含む。この光学ポンプ・ビームを、ビーム光学部品などを介して蒸気セルを通過させて、蒸気セル内のアルカリ金属蒸気を刺激することができる。光学プローブ・ビームを、光学ポンプ・ビームに対して直角に蒸気セルを通過させて、アルカリ金属蒸気の偏極に反応した光学プローブ・ビームの特性を測定することができる。アルカリ金属蒸気は、貴ガス同位体の歳差運動に反応して、アルカリ金属蒸気と貴ガス同位体との相互作用に基づいて変調され得る。従って、この光学プローブ・ビームを実施して、ＮＭＲジャイロスコープの例では受感軸の周りの回転を測定し、または、原子磁力計の例では外部磁場の大きさを測定することができる。
【０００９】
一例として、この光学プローブ・ビームを、方形波変調信号などの変調信号を用いて、中心周波数を中心にして変調することができる。蒸気セルを出たときに、この光学プローブ・ビームを、偏光ビームスプリッタに関して直角に配置された一対の光検出器に供給することができる。従って、この光学プローブ・ビームを、光学プローブ・ビームの直交する偏光にそれぞれ対応する第１の強度信号および第２の強度信号に分割することができる。この第１の強度信号と第２の強度信号とを加算して、加算信号を生成することができ、この加算信号を、方形波信号の周波数にほぼ等しい周波数において復調することができる。このようにすると、復調された加算信号の振幅に基づいて光学プローブ・ビームを安定させることができる。一例として、このシステムが、復調された加算信号を、定常状態条件にある中心周波数を挟んだ正および負のそれぞれの振幅において中心周波数を中心に両側にあるほぼ等しいファラデー回転に対応する実質的に一定の振幅に維持することができるような態様で、この中心周波数は、アルカリ金属蒸気による光学プローブ・ビームの最大吸収の周波数に対応することができる。例えば、第１の強度信号と第２の強度信号の差に対応する差信号の復調が、外部磁場または受感軸の周りのシステムの回転に起因するファラデー回転を決定することができるような態様で、変調信号の正および負のそれぞれの振幅は、定常状態条件にあるほぼ等しい両方向の最大ファラデー回転に対応することができる。
【００１０】
図１は、原子センサ・システムの例１０を示す。原子センサ・システム１０は、受感軸の周りの回転を測定するように構成されたＮＭＲジャイロスコープ、外部から加えられた磁場の大きさを測定するように構成された原子磁力計など、さまざまなＮＭＲセンサのうちの任意の１つのＮＭＲセンサに対応し得る。従って、原子センサ・システム１０は、航行用途および防衛用途のうちの少なくとも一方などのさまざまな用途のうちの任意の１つの用途に提供することができる。
【００１１】
原子センサ・システム１０は、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰを生成するように構成されたポンプ・レーザ１２と、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢを生成するように構成されたプローブ・レーザ１４とを含む。光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰは、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰを円偏光させるように構成された４分の１波長板１６を通過するように供給されて、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰが蒸気セル１８を通過するように供給される。図１の例では、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰおよび光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢが、互いに直交する軸に沿って蒸気セル１８を通過するように供給される。光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰは、原子センサ・システム１０の受感軸とほぼ平行に（例えば同一直線上に）供給される。原子センサ・システム１０は、さらに、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰと実質的に平行な方向に蒸気セル１８を通過するように供給されるバイアス磁場ＢＢＩＡＳを発生させるように構成された磁場発生装置２０を含む。バイアス磁場ＢＢＩＡＳは、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気の歳差運動を共鳴条件で刺激して、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰに対して直角に加えられた磁場（例えば直交する外部磁場成分）に反応した蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気の偏極ベクトルの変調を実質的に増幅するように構成することができる。
【００１２】
一例として、蒸気セル１８は、アルカリ金属蒸気（例えばセシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ））を含むとともに、貴ガス同位体（例えばアルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ））を含むことができる透明または半透明のケーシングを有する密封されたセルとして構成される。光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰの波長は、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気の輝線（例えばＤ１またはＤ２）に対応している。従って、蒸気セル１８は、原子センサ・システム１０の有効物理現象部分（ｏｐｅｒａｔｉｖｅ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を構成し得る。具体的には、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰを蒸気セル１８に通過させて、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気をスピン偏極させることができる。一例として、バイアス磁場ＢＢＩＡＳの存在下で、蒸気セル１８内の貴ガス同位体は歳差運動することで、スピン偏極したアルカリ金属蒸気粒子が変調されたスピン偏極を有して、正味のスピン偏極の一成分が歳差運動している貴ガス同位体と整列することとなる。従って、蒸気セル１８を出た光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢに対応する検出ビームＯＰＴＤＥＴによって、貴ガス同位体の歳差運動を測定することができる。一例として、光学ポンプ・ビームＯＰＴＰＭＰに直交する軸に沿った蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気のスピン偏極の射影（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）に基づいて、蒸気セル１８を出た直線偏光した検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転を決定することができる。従って、貴ガス同位体の歳差運動の決定に応答して原子センサ・システム１０の回転、外部磁場の大きさ、またはスピン歳差運動の周波数もしくは位相を測定することができる。
【００１３】
本明細書で説明する場合に、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢと検出ビームＯＰＴＤＥＴは同じ光学ビームに対応し、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢは蒸気セル１８に供給され、検出ビームＯＰＴＤＥＴは、蒸気セル１８を出た光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢ、従ってファラデー回転を受けた光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢに対応することを理解すべきである。従って、本明細書で説明する場合には、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢと検出ビームＯＰＴＤＥＴが、ファラデー回転に関して交換可能であると説明することができる。具体的には、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢは、蒸気セル１８を通過するときにファラデー回転をもたらし、そのようなファラデー回転が、検出ビームＯＰＴＤＥＴ上で測定される。
【００１４】
図１の例では、原子センサ・システム１０が、偏光ビームスプリッタ２４を含む光検出器アセンブリ２２を含み、偏光ビームスプリッタ２４は、検出ビームＯＰＴＤＥＴを直交する偏光群に分離するように構成されている。光検出器アセンブリ２２はさらに、それぞれの直交偏光に関連づけられた第１の光検出器２６および第２の光検出器２８（例えば第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオード）を含む。第１の光検出器２６は、第１の強度信号ＩＮＴＳ１を生成するように構成されており、第２の光検出器２８は、第２の強度信号ＩＮＴＳ２を生成するように構成されている。これらの強度信号はそれぞれ、検出ビームＯＰＴＤＥＴのそれぞれの直交成分の強度に対応する。従って、第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の差は、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転に対応し得る。強度信号ＩＮＴＳ１およびＩＮＴＳ２は検出システム３０に供給される。検出システム３０は、強度信号ＩＮＴＳ１およびＩＮＴＳ２によって決定されるような検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転に基づいて原子センサ・システム１０の測定可能な外部パラメータＳＮＳを計算するように構成されている。測定可能な外部パラメータＳＮＳは、例えば、原子センサ・システム１０の回転、外部磁場の大きさ、およびスピン歳差運動の周波数または位相のうちの１つまたは複数に対応する。
【００１５】
上記で説明したようにして測定される検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転の変化は、測定対象の外部パラメータに起因し得る。しかしながら、このファラデー回転の変化が、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気による光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの光子の最大吸収に対応する吸収ピークに関連した波長に対する光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長の変化に起因することもある。吸収ピークのこのような波長において、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気は、ほぼゼロの円偏光複屈折を示し、従って、外部パラメータが存在しないときには、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転を示し得ない。従って、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢは、吸収ピークに関連した波長よりも短かったりまたは長かったりするような離調された波長を有することがある。しかしながら、環境条件（例えば温度変化）およびプローブ・レーザ１４の電流励振の不安定性のうちの少なくとも一方の結果、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数（すなわち波長）が変化することがあり、この変化が、検出ビームＯＰＴＤＥＴの伝搬方向と平行な単位アルカリ偏極ベクトル成分当たりのファラデー回転に影響を及ぼすことがある。検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転に対するこのような影響と、外部パラメータが原子センサ・システム１０に影響を及ぼした結果により生じたファラデー回転とを識別できないことがあり、その結果、測定可能な外部パラメータＳＮＳに誤差が生じることがある。
【００１６】
光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数を安定させるため、検出システム３０はプローブ・コントローラ３２を含む。図１の例では、プローブ・レーザ１４が、変調信号ＤＴＨで変調される。一例として、変調信号ＤＴＨは、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢを生成するために、プローブ・レーザ１４の活性領域に供給される電流上に変調される方形波信号とすることができる。従って、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢを、吸収ピークに関連した波長に対応する周波数に維持することができる中心周波数を中心にして変調することができる。例えば、変調信号ＤＴＨは、ほぼ等しい検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転と、両方向の検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転とに対応する最小振幅および最大振幅を有することができる。その結果、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数が吸収ピークの周波数にほぼ等しいことに応答して、変調信号ＤＴＨの最小振幅における第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の和が、最大振幅における第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の和とほぼ等しくなる。その結果、変調信号ＤＴＨの最小振幅における第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の和と最大振幅における第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の和との差は、プローブ・レーザ１４によって生成されるような光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数ドリフトを示し得る。従って、プローブ・コントローラ３２は、図１の例に示されたプローブ・レーザ１４の変調をフィードバック信号ＦＤＢＫを介して調整して、フィードバック方式で、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数を吸収ピークにほぼ維持することができる。
【００１７】
図２は、変調信号波形のタイミング図の例５０を示す。一例として、図５０は、時間の関数としてプロットされた変調信号ＤＴＨを例示する。図２の例では、変調信号ＤＴＨが、中心波長λＣを中心にして振動する方形波信号として例示されている。この変調信号ＤＴＨは、第１の波長λＭＡＸに対応する最大振幅と、第２の波長λＭＩＮに対応する最小振幅とを有する信号として例示されている。図２の例では、第１の波長λＭＡＸと第２の波長λＭＩＮが、中心波長λＣを中心に両側に、波長差λ１だけ等しく隔てられている。
【００１８】
図３は、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長に関連したグラフの例を示す。具体的には、図３は、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの方向と平行な単位アルカリ偏極ベクトル成分当たりのファラデー回転を波長の関数として示したグラフ１００を示す。図３はさらに、検出ビームＯＰＴＤＥＴの強度を波長の関数として示したグラフ１０２を示す。
【００１９】
グラフ１００は、ゼロを中心とする任意単位の縦軸のファラデー回転の大きさと、中心波長λＣのところに例示された、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気の共鳴による光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長離調とを例示する。前述のとおり、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転を測定して、例えば原子センサ・システム１０の回転または外部磁場の大きさを決定することができる。しかしながら、グラフ１００によって例示されているとおり、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転は、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長に強く左右され得る。従って、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長が不安定な場合には、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転が影響を受け、それによって、測定可能な外部パラメータＳＮＳ（例えば原子センサ・システム１０の回転または外部磁場の大きさ）の測定に誤差が生じることがある。従って、プローブ・コントローラ３２は、中心波長λＣに関連した中心周波数を中心にした光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの変調に基づいて、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長を安定させることができる。
【００２０】
グラフ１０２は、任意単位の縦軸に、検出ビームＯＰＴＤＥＴの強度の大きさを例示する。図３の例では、この強度が、第１の光検出器２６および第２の光検出器２８によって、それぞれの電圧ＶＩＮＴＳ１およびＶＩＮＴＳ２として測定される。従って、検出ビームＯＰＴＤＥＴの強度は、ＶＩＮＴＳ１とＶＩＮＴＳ２の和に基づいて決定することができる。検出ビームＯＰＴＤＥＴの強度の逆の大きさは、蒸気セル１８中のアルカリ金属蒸気による光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの光子の吸収に対応し、電圧ＶＩＮＴＳ１とＶＩＮＴＳ２の和のより小さな値が、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの光子のより大きな吸収に対応する。従って、この強度の最小値は、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気による光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの光子の吸収の吸収ピーク１０４に対応する。
【００２１】
加えてタイミング図５０を参照すると、中心波長λＣが吸収ピーク１０４に設定され、従って、中心波長λＣが外部パラメータが存在しないときに光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢが実質的にゼロのファラデー回転をもたらす波長に設定されるように変調信号ＤＴＨが提供される。しかしながら、第１の波長λＭＡＸに対応する変調信号ＤＴＨの最大振幅を、図３の例では正のピーク「Ａ」として例示された第１の方向の最大ファラデー回転に関連づけることができる。従って、第１の波長λＭＡＸを光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの赤方離調に関連づけて、ピーク「Ａ」が中心波長λＣから波長差λ１だけ隔てられる第１の方向の実質的な最大ファラデー回転が提供される。同様に、第２の波長λＭＩＮに対応する変調信号ＤＴＨの最小振幅を、図３の例では負のピーク「Ｂ」として例示された、第１の方向とは反対の第２の方向の最大ファラデー回転に関連づけることができる。従って、第２の波長λＭＩＮを、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの青方離調に関連づけて、ピーク「Ｂ」が、中心波長λＣからピーク「Ａ」とは反対側にピーク「Ａ」に対する波長差に等しい波長差λ１だけ隔てられる第２の方向の実質的な最大ファラデー回転が提供される。従って、第２の方向の最大ファラデー回転は、第１の方向の最大ファラデー回転とは反対の、第１の方向の最大ファラデー回転と実質的にほぼ等しいファラデー回転となる。その結果、本明細書に記載されているとおり、測定可能な外部パラメータＳＮＳを検出するための信号対雑音比（ＳＮＲ）を実質的に最大にすることができ、同時に、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数は実質的に安定する。
【００２２】
一例として、ファラデー回転のピーク「Ａ」と「Ｂ」の波長差は、蒸気セル１８内のアルカリ金属蒸気の吸収スペクトルの半値全幅波長線幅に対応する。従って、ファラデー回転のピーク「Ａ」および「Ｂ」にそれぞれ対応する最大振幅および最小振幅における変調信号ＤＴＨの振幅は、それぞれ、（例えば１種または数種のバッファガスを含む）蒸気セル１８内のガス混合物およびガス数密度（ｇａｓ  ｎｕｍｂｅｒ  ｄｅｎｓｉｔｙ）の関数であるアルカリ共鳴（すなわち吸収）線幅の関数とすることができる。従って、任意の原子センサ・システム１０の特性に基づいて最大振幅および最小振幅における変調信号ＤＴＨの振幅を選択および最適化して、変調信号ＤＴＨの最大振幅および最小振幅のそれぞれにおいて、ファラデー回転のピーク「Ａ」および「Ｂ」を達成することができる。
【００２３】
図４は、検出システムの例１５０を示す。一例として、検出システム１５０は、図１の例の検出システム３０に対応する。図４の例では、検出システム１５０が、第１の強度信号ＩＮＴＳ１および第２の強度信号ＩＮＴＳ２、ならびに変調信号ＤＴＨを受け取る。検出システム１５０は、測定可能な外部パラメータＳＮＳおよびフィードバック信号ＦＤＢＫを出力として供給するように構成されている。一例として、第１の強度信号ＩＮＴＳ１および第２の強度信号ＩＮＴＳ２は、それぞれ、図１の例の光検出器アセンブリ２２内の第１の光検出器２６および第２の光検出器２８から供給される。
【００２４】
検出システム１５０は、第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２とを加算して、第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２の和に対応する加算信号ＳＵＭを生成するように構成された加算構成要素１５２を含む。加算信号ＳＵＭは、図１の例のプローブ・コントローラ３２に対応するプローブ・コントローラ１５４に供給される。図４の例では、プローブ・コントローラ１５４が、変調信号ＤＴＨの周波数において加算信号ＳＵＭを復調するように構成された復調器１５６を含む。前述のとおり、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数が吸収ピーク１０４の周波数にほぼ等しいことに応答して、加算信号ＳＵＭは、変調信号ＤＴＨの最小振幅および最大振幅のそれぞれにほぼ等しい振幅を有する。その結果、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数の中心波長λＣからの周波数ドリフト、即ち吸収ピーク１０４からの周波数ドリフトに応答して、加算信号ＳＵＭの振幅は、変調信号ＤＴＨの最小振幅と最大振幅の間で変動する。従って、復調された加算信号ＳＵＭは、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの波長と中心波長λＣの差を示し、中心波長λＣに対応する中心周波数からの光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数ドリフトの大きさを示す。従って、フィードバック信号ＦＤＢＫを供給して、関連したプローブ・レーザ（例えば図１の例のプローブ・レーザ１４）に供給される電流および関連したプローブ・レーザの温度のうちの一方を補正することで、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数を、アルカリ金属蒸気による光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの最大吸収に対応する中心波長λＣに維持することができる。
【００２５】
検出システム１５０はさらに、差構成要素１５８およびセンサ・コントローラ１６０を含む。差構成要素１５８は、第１および第２の強度信号ＩＮＴＳ１、ＩＮＴＳ２を減算して、第１の強度信号ＩＮＴＳ１と第２の強度信号ＩＮＴＳ２との差に対応する差信号ＤＩＦＦを生成するように構成されている。差信号ＤＩＦＦは、測定可能な外部パラメータＳＮＳ（例えば受感軸の周りの回転および外部磁場の大きさのうちの少なくとも一つ）を計算するように構成されたセンサ・コントローラ１６０に供給される。前述のとおり、変調信号ＤＴＨは、中心波長λＣにある吸収ピーク１０４に関して光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢのファラデー回転を等しくかつ両方向に提供する。従って、ファラデー回転のこのような極性反転の結果、差信号ＤＩＦＦも極性反転する。
【００２６】
一例として、図３の例のそれぞれのピーク「Ａ」および「Ｂ」におけるファラデー回転を、大きさがゼロの差信号ＤＩＦＦを生成するように設定することができる。一例として、強度信号ＩＮＴＳ１とＩＮＴＳ２は、ほぼ等しい振幅を有する。例えば、ゼロであるファラデー回転が、それぞれの光検出器２６および２８に等しい強度信号を提供するとき、ファラデー回転の大きさはπ／２の整数倍である。従って、強度信号ＩＮＴＳ１と強度信号ＩＮＴＳ２の振幅が等しいときには、ファラデー回転の極性反転において、光検出器２６および２８の応答度（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）および利得の変化を実質的に打ち消すことができる。このような打消しは、検出ビームＯＰＴＤＥＴの直交成分の強度に、光検出器２６および２８の利得および応答度に基づく任意の因数を乗じることによって生じ、ファラデー回転が２つのピーク「Ａ」と「Ｂ」の間で切り替わるときに、より小さな乗算された信号とより大きな乗算された信号の誤差の絶対値における差によって残余誤差が生じる。
【００２７】
図４の例では、センサ・コントローラ１６０が、変調信号ＤＴＨの周波数において差信号ＤＩＦＦを復調するように構成された復調器１６２を含む。従って、復調された差信号ＤＩＦＦは、光検出器２６および２８に関連したオフセットの差分変化とは無関係に、検出ビームＯＰＴＤＥＴのファラデー回転を示す。光検出器２６および２８と関連する応答度および利得のドリフトは、ファラデー回転の極性反転における光検出器２６および２８の応答度および利得の変化の打消しに基づいて実質的に抑制される。従って、センサ・コントローラ１６０は、検出ビームＯＰＴＤＥＴの測定されたファラデー回転に基づいて、測定可能な外部パラメータＳＮＳを計算することができる。従って、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数が中心波長λＣにおいて安定することに基づいて、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの周波数ドリフトに起因する測定可能な外部パラメータＳＮＳの計算における誤差を大幅に軽減することができる。
【００２８】
原子センサ・システム１０が図１〜４の例だけに限定されることは意図されていないことを理解すべきである。一例として、本明細書では、プローブ・コントローラ３２が、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心波長λＣに関連した中心周波数を、おおよその吸収ピーク１０４において安定させるものとして説明しているが、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの中心周波数を異なる周波数基準点に維持するようにプローブ・コントローラ３２をプログラムすることもできることを理解すべきである。例えば、蒸気セル１８内の偏極したアルカリ蒸気の状態分布によっては、吸収ピーク１０４に対するオフセットが、ＳＮＲの向上を提供する可能性がある。このオフセットは、最大振幅と最小振幅がゼロを挟んで非対称であるようなオフセットを含む信号ＤＴＨに基づいて、または復調された加算信号ＳＵＭが特定の非ゼロ・ターゲット値に設定／維持されるように調整された中心波長λＣに基づいて達成することができる。この場合、ゼロであるターゲット値は吸収ピーク１０４に対応することができる。
【００２９】
加えて、変調信号ＤＴＨの最大振幅および最小振幅はそれぞれ、ファラデー回転のピーク「Ａ」および「Ｂ」だけに限定されない。例えば、セル温度が十分に高いときなどに起こり得るような、セルを通過する距離の単位長さ当たりのプローブ・ビームの吸収が十分に大きい蒸気セル１８では、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの実質的に全ての光子が吸収されることに基づいて、最大ファラデー回転に対応する波長における光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの吸収が、検出可能なプローブ・ビーム光がセルを透過しないほどに十分に大きくなることがある。別の例として、光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢの光強度が十分であると、変調信号ＤＴＨのそれぞれの最大振幅および最小振幅がそれぞれ、ファラデー回転のピーク「Ａ」よりも大きくなり、かつファラデー回転のピーク「Ｂ」よりも小さくなることがあり、その結果、例えば、測定可能な外部パラメータＳＮＳを測定するためのＳＮＲがより大きくなることがある。また、図２の例では変調信号ＤＴＨが、約５０％のデューティサイクルを有する信号として例示されているが、測定可能な外部パラメータＳＮＳを測定するためのＳＮＲを実質的に最大にするために、蒸気セル１８の特性および蒸気セル１８の内容物に応じて、変調信号ＤＴＨに対して他のデューティサイクルを実施することもできる。従って、変調信号ＤＴＨの最大振幅および最小振幅ならびにデューティサイクルを調節して、測定可能な外部パラメータＳＮＳのＳＮＲを実質的に最大にすることができる。従って、原子センサ・システム１０は、さまざまな異なる方式で構成することができる。
【００３０】
以上で説明した構造上および機能上の特徴を考慮すれば、図５を参照することによって、本発明のさまざまな態様に基づく方法がより完全に理解される。説明を簡単にするために、図５の方法は、逐次的に実行するものとして示され説明されるが、本発明に基づくいくつかの態様は、本明細書に示され記載された順序とは異なる順序で実施すること、および他の態様と同時に実施することのうちの少なくとも一方とすることができるため、本発明は、示された順序によって限定されないことを理解すべきである。また、本発明の態様に基づく方法を実施するのに、示された全ての特徴が必要なわけではない。
【００３１】
図５は、原子センサ・システム（例えば原子センサ・システム１０）において光学プローブ・ビーム（例えば光学プローブ・ビームＯＰＴＰＲＢ）の周波数を安定させる方法の例２００を示す。２０２で、歳差運動をしているアルカリ金属蒸気を含む原子センサ・システムの蒸気セル（例えば蒸気セル１８）に光学プローブ・ビームを通過させる。２０４で、蒸気セルを出た光学プローブ・ビーム（例えば検出ビームＯＰＴＤＥＴ）を、直交する偏光成分にビーム分割する。２０６で、直交するそれぞれの偏光成分の強度を測定して、第１の強度信号（例えば第１の強度信号ＩＮＴＳ１）および第２の強度信号（例えば第２の強度信号ＩＮＴＳ２）を生成する。２０８で、この第１の強度信号と第２の強度信号とを加算して、加算信号（例えば加算信号ＳＵＭ）を生成する。２１０で、この加算信号の大きさに関連したフィードバック信号（例えばフィードバック信号ＦＤＢＫ）を生成する。２１２で、このフィードバック信号に基づいて、光学プローブ・ビームの周波数（例えば中心周波数）を（例えば中心波長λＣにおいて）安定させる。
【００３２】
以上に記載したのは本発明の例である。当然ながら、構成要素または方法の考え得る全ての組合せを記載することは不可能である。しかしながら、本発明の他の多くの組合せおよび置換が可能であることを当業者は認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求項を含む本出願の範囲に含まれる全てのそのような変更、改変および変形を包含することが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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