(57)【要約】      （修正有）【課題】光学的にディザされた原子ジャイロコンパスのためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】レーザ冷却されたアルカリ原子からなる雲を収容した真空チャンバであって、原子は、重力の影響下で自由に落下することができる、真空チャンバと、第１のセットのレーザビーム３１０を第１軸に沿って雲の中へ照射する第１のセットのレーザ源１２１、１２２と、第２のセットのレーザビーム３２０を第２軸に沿って雲の中へ照射する第２のセットのレーザ源１２３，１２４と、を備え、第１のセットと第２のセットのレーザビームは、平面を規定する軌道に沿って原子の波動関数を分離するコヒーレントなレーザパルスを照射し、波動関数は、平面に直交する軸２３０の周りの回転に対して感受性を有し、第１と第２のセットのレーザ源は、第２のレーザビームに対する第１のレーザビームの相対的な振幅を変調することによって軸にディザリングを加える。【選択図】図３Ｃ
2016057300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的にディザされた原子慣性センサ（１００）であって、
レーザ冷却されたアルカリ原子からなる原子雲（１１０）を収容した真空チャンバ（１１２）であって、前記アルカリ原子は、重力の影響下で自由に落下することができる、真空チャンバと、
第１のセットのレーザビーム（３１０）を第１軸に沿って前記原子雲（１１０）の中へ照射するように構成された第１のセットのレーザ源（１２１、１２２）と、
第２のセットのレーザビーム（３２０）を第２軸に沿って前記原子雲（１１０）の中へ照射するように構成された第２のセットのレーザ源（１２３、１２４）と、
を備え、
前記第１のセットのレーザビーム（３１０）と前記第２のセットのレーザビーム（３２０）は、検知平面（２４０）を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲（１１０）の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面（２４０）に直交して配向した検知軸（２３０）の周りの回転に対して感受性を有し、
前記第１のセットのレーザ源（１２１、１２２）と前記第２のセットのレーザ源（１２３、１２４）は、前記第２のセットのレーザビーム（３２０）に対する前記第１のセットのレーザビーム（３１０）の相対的な振幅を変調することによって前記検知軸（２３０）にディザリング運動を加える、
原子慣性センサ。
【請求項２】
原子慣性センサ（１００）を光学的にディザするための方法であって、
第１のセットのレーザビーム（３１０）をレーザ冷却されたアルカリ原子からなる原子雲（１１０）の中へ第１軸に沿って照射するステップであって、前記アルカリ原子は、真空チャンバ（１１２）内において重力の影響下で自由に落下することができる、ステップと、
第２のセットのレーザビーム（３２０）をレーザ冷却されたアルカリ原子からなる前記原子雲（１１０）の中へ第２軸に沿って照射するステップであって、前記第１のセットのレーザビーム（３１０）と前記第２のセットのレーザビーム（３２０）は、検知平面（２４０）を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲（１１０）の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面（２４０）に直交して配向した検知軸（２３０）の周りの回転に対して感受性を有する、ステップと、
前記第２のセットのレーザビーム（３２０）に対する前記第１のセットのレーザビーム（３１０）の相対的な振幅を変調することによって前記検知軸（２３０）をディザするステップと、
を含む方法。
【請求項３】
前記第１のセットのレーザビーム（３１０）の前記相対的な振幅は、レーザ生成デバイスからのレーザ光の光多重を通じて、前記第２のセットのレーザビーム（３２０）に対して変調される、請求項１に記載の慣性センサ（１００）又は請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  北方検出ジャイロコンパスは、ジャイロスコープを用いて地球の回転速度を測定することによって動作する。地球の回転速度は一定且つ既知の値であるので、ジャイロスコープによって測定される感知回転速度が、ジャイロスコープの検知軸と地球が自転する軸との角度ずれの量を決定するのに用いられることが可能である。もし３つの直交に配向されたジャイロスコープからなる三体物が利用されるなら、それぞれが、当該ジャイロスコープの検知軸への地球の回転の射影を測定するだろう。これらの３つの射影を利用することによって、北方検出コンパスは、どちらの方向が北であるかを指し示すことが可能である。ジャイロスコープは典型的に、ある量のバイアス誤差を示す。即ち、ジャイロスコープは、全く回転が生じていない時であってもいくらかの回転速度を測定するだろう。精度が良く且つ安定な（したがって本来的に比較的小さいバイアス誤差を感じる）ジャイロスコープは、大型で重量があり、また多量の電力を消費しがちである。したがって、それらは、遠隔標的用途などの用途に望ましい小型の取り外されたジャイロコンパスで用いるのに適していない。
【０００２】
[0002]  微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、小型、軽量、低消費電力のジャイロスコープを生産するための一技術を表す。ジャイロスコープと共に良好な加速度計が用いられてよく、ジャイロスコープの検知軸を地球の中心に向けることによって一自由度が取り除かれる。これらのＭＥＭＳデバイスにおけるバイアス誤差を軽減し、他の自由度を扱うために、ディザリング（dithering）手法も開発されてきた。即ち、ＭＥＭＳジャイロスコープは、北の推定方向に関して、その検知軸に沿ってある設定変調周波数で機械的に揺動される。この運動によって、ＭＥＭＳジャイロスコープは、時間的に変調された回転速度の出力信号を生じさせることになる。その信号を復調することにより、バイアス誤差が除去され、地球の回転速度の測定値が取得されることが可能である。しかしながら、このディザリングの実装には、回転ステージを含んだ台の上に各ＭＥＭＳジャイロスコープを取り付けることが伴う。よって、ＭＥＭＳジャイロスコープの機械的なディザリングは、損耗、機械的故障、及び経時的に変動する性能特性に晒される付加的な可動部分を導入する。
【０００３】
[0003]  上述された理由のため、及び本明細書を読んで理解すれば当業者に明らかとなるであろう後述される他の理由のため、光学的にディザされた原子ジャイロコンパスのための改良されたシステム及び方法に対する要求が当該分野に存在する。
【発明の概要】
【０００４】
[0004]  本発明の実施態様は、光学的にディザされた原子ジャイロコンパスのための方法及びシステムを提供し、以下の明細書を読んで検討することによって理解されるだろう。
【０００５】
[0005]  光学的にディザされた原子ジャイロコンパスのためのシステム及び方法が提供される。一実施態様では、光学的にディザされた原子慣性センサは、レーザ冷却されたアルカリ原子からなる原子雲を収容した真空チャンバであって、前記アルカリ原子は、重力の影響下で自由に落下することができる、真空チャンバと、第１のセットのレーザビームを第１軸に沿って前記原子雲の中へ照射するように構成された第１のセットのレーザ源と、第２のセットのレーザビームを第２軸に沿って前記原子雲の中へ照射するように構成された第２のセットのレーザ源と、を備え、前記第１のセットのレーザビームと前記第２のセットのレーザビームは、検知平面を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面に直交して配向した検知軸の周りの回転に対して感受性を有し、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源は、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの相対的な振幅を変調することによって前記検知軸にディザリング運動を加える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
[0006]  好ましい実施態様の記載と以下の図に照らして考慮された時、本発明の実施態様はより簡単に理解され、本発明の更なる利点と効用はより容易に明らかとなることが可能である。
【０００７】
【図１】図１は、本開示の一実施態様の光学的にディザされた原子慣性センサを示す図である。
【図２】図２は、本開示の一実施態様の量子力学的な波動関数の分離によって規定される回転検知軸を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の一実施態様の回転検知軸の光学的なディザリングを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の一実施態様の回転検知軸の光学的なディザリングを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本開示の一実施態様の回転検知軸の光学的なディザリングを示す図である。
【図４】図４は、本開示の一実施態様の光学的にディザされた原子慣性センサを示す図である。
【図５】図５は、本開示の一実施態様の光学的にディザされた原子慣性センサを示す図である。
【図６】図６は、本開示の一実施態様の一対の光学的にディザされた原子慣性センサを備える装置を示す図である。
【０００８】
[0012]  一般的な慣例に従って、説明される様々な特徴は一定の縮尺で描かれず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれる。符号は図及び文章の全体にわたって同様の要素を記述する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0013]  以下の詳細な説明では、その一部をなす添付図面への参照がなされ、添付図面には、本発明が実施されることのできる具体的な例示の実施態様の例として示されている。これらの実施態様は、当業者が本発明を実施することができるように十分に詳しく説明され、また、他の実施態様が利用され得ること、並びに、本発明の範囲を逸脱することなく論理的、機械的、及び電気的な変更がなされ得ることが、理解されなければならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。
【００１０】
[0014]  本開示の実施態様は、原子センサジャイロスコープのためのディザリング手法を開示することによって、ジャイロコンパスなどの用途向けの小型で精度が良く安定なジャイロスコープに対する必要性に対処する。即ち、本開示は、原子ジャイロスコープ内の光学系を、ジャイロスコープ内で光が原子に照射されるベクトルを電気的に調整することによって仮想的な意味で回転させるためのシステム及び方法を提供する。ジャイロスコープの出力信号に対するその結果としての効果は、機械的なディザリングを通じて得られるであろうものと同一である。ジャイロスコープの入力軸は変調され、時間的に変調された回転速度の出力信号を生じさせる。その信号を復調することによって、バイアス誤差が除去され、検知軸に沿った地球の回転速度の測定値が取得されることが可能である。以下に詳述されるように、可動部分に対する必要性を導入することなく、ディザリングが達成される。
【００１１】
[0015]  図１は、本開示の一実施態様の光学的にディザされた（dithered）原子慣性センサ１００の動作を示す簡略図である。そのような原子ジャイロスコープの動作において、（１１０に示された）冷却原子のサンプルが、例えばレーザ冷却によって作成される。この冷却原子のサンプルは、本明細書において冷却原子雲１１０と称される。いくつかの実施態様では、冷却原子雲１１０は、真空チャンバ１１２内に保持される。原子雲１１０の原子は、典型的にはアルカリ原子であり、いくつかの実施態様では、雲１１０はルビジウム又はセシウム原子を含んでよい。一実施態様では、レーザ冷却は、雲１１０の原子をおよそ１０マイクロケルビンの温度まで冷却する。冷却されると、冷却原子雲１１０は解き放たれ、図２に示されるようにして重力の影響下で落下するようにされ、レーザ源１２１−１２４からの光パルスに晒されて慣性センサを形成する。レーザ源１２１及び１２２は、第１のセットのレーザビームを第１軸に沿って反対方向から雲１１０の中へ照射するように互いに整列される。レーザ源１２３及び１２４は、第２のセットのレーザビームを第２軸に沿って反対方向から雲１１０の中へ照射するように互いに整列され、第２軸は第１軸に直交している。代替の実施態様では、本明細書で論じられるレーザ源のいずれもが、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、又は同様のレーザ発光デバイスを用いて実現されることができる。いくつかの実施態様では、レーザ源は、レーザ生成デバイス自体であってよく、又は、光学的に通信可能なレーザ光発生デバイスから当該レーザ源へ向けられたレーザ光を（例えばビームスプリッタ及び／又はミラーを介するなどして）単に出力してもよい。
【００１２】
[0016]  図２は、全体的に２００において、原子雲１１０に含まれる各原子の量子力学的な波動関数の分離によって規定される回転検知軸を示す図である。上述されたように、原子雲１１０の原子は、（２０１によって指し示された）重力の影響下で落下するようにされ、その結果、各原子の初期波動関数は、元の軌道２１０を辿っていく。一実施態様では、３つの光パルスが、レーザ源１２１−１２４によって雲１１０上に照射されて、原子に運動量を付与する。第１の光パルスは、雲１１０に含まれる各原子の初期の量子力学的な波動関数を、図２に１１０−Ａ及び１１０−Ｂとして示される２つの部分に分離する。時間τ０で行われる第１のパルスの照射は、分離点２０５を定義する。第１のパルスは、雲１１０に含まれる各原子の第１の半分１１０−Ａに、波動関数の半分が空間的に分離し他の半分１１０−Ｂと異なる軌道を進むようにさせる運動量を付与する。第１の半分１１０−Ａによる離れていく軌道行程は、２１２に示されている。第１のパルスから運動量の変化を受け取らなかった各原子の波動関数の第２の半分１１０−Ｂは、初期波動関数の元の軌道２１０に沿った行程を維持する。こうして、波動関数のこれらの２つの半分は、進んでいくにつれて空間的に互いから次第に離れていく。第２の光パルスは、波動関数の各半分の運動量を反対にする。第２のパルスの照射は、２１５において示されており、２０５における第１のパルスの後、２つの半分１１０−Ａ及び１１０−Ｂが互いから所定距離になった時に、ある時間期間（τ１）で行われる。波動関数の元の軌道２１０から分離した第１の半分１１０−Ａは、この時点で元の波動関数の元の軌道２１０と平行な軌道２１４へシフトしている。第１のパルスによって影響を受けなかった第２の半分１１０−Ｂに関し、２１５における第２のパルスは、第２の半分１１０−Ｂが、元の軌道２１０から逸れ、第１のパルスの後に第１の半分１１０−Ａが進む軌道２１２と平行な軌道２１６を、両方の半分１１０−Ａ及び１１０−Ｂが再結合点２２０において互いと交わるまで、辿るようにさせる運動量を付与する。
【００１３】
[0017]  再結合点２２０では、第３の光パルスが照射され（第２のパルスの後にある時間期間τ２で行われる）、第２の半分１１０−Ｂのみに対して、今度は第２の半分１１０−Ｂを第１の半分と同じ軌道２１４に揃うようにシフトさせる運動量を付与する。即ち、第３のパルスは、各原子の波動関数の２つの半分１１０−Ａ及び１１０−Ｂを、再結合した原子が元の軌道２１０の経路と平行であるが元の軌道から空間的にオフセットした経路２１４を辿るように、再結合させる。スケールの言及を与える目的のために、一実施態様では、雲１１０の原子は、波動関数分離の第１の点２０５から波動関数が再結合される点２２０まで数ミリメートル（例えば約５ｍｍ）落下する。最終的な軌道２１４の元の軌道２１０からの空間的な水平方向オフセットは、数１０ミクロンのオーダーである。各原子の両方の半分が通った軌道によって囲まれた小さな平面エリアは、平行四辺形形状検知平面２４０に垂直な回転検知軸２３０を有した平行四辺形形状検知平面２４０を定義する。その結果、検知軸２３０周りの回転に起因する（１１０Ａ＋Ｂにおいて示された）再結合した原子の累積位相差が、回転速度を決定するために測定されることが可能である。米国特許公開２０１３／０２１３１３５「適応型の発射方向および／または位置を用いた原子干渉計」及び米国特許公開２０１４／００２２５３４「閉ループ原子慣性センサ」を参照されたい。両者はその全体が引用によって本明細書に組み込まれる。
【００１４】
[0018]  より具体的には、ルビジウムなどのアルカリ原子は、レーザパルスに対して非常に敏感な１つの価電子を有する。その電子は、２つの超微細基底状態の可能性（ルビジウムの場合Ｆ＝１又はＦ＝２）を持つ基底状態を有する。原子雲１１０内の原子は、同じ初期基底状態を共有するように調整されている。原子が分離して平行四辺形形状検知平面２４０を規定する軌道の周りを進む時、慣性センサの回転によって、一方の経路に沿って進む波動関数の半分は、他方の経路を進む半分とは異なる位相を感知するようになるだろう。２つの半分が２２０において再結合される時、それらは、再結合した原子１１０Ａ＋Ｂのうちのいくらかの部分が第１基底状態（即ち、それらが第２基底状態の前に所有していた元の基底状態）から遷移し、一方その残りが元の基底状態を維持するような位相シフトをもって再結合される。その結果、検知軸２３０周りの回転速度が、元の基底状態を維持した原子の数の、状態を変化させた数に対する関数として導出されることが可能である。これらの測定値は、例えば、再結合した原子１１０Ａ＋Ｂを様々な周波数の光に露出させることによる蛍光分析を通じて、取得されることができる。蛍光を生じさせる光の周波数は、原子がどの基底状態を持っているかを表すだろう。したがって、２つの異なる光の周波数に対するサンプルの相対的な応答は、各状態にいくつの原子があるかを決定するのに用いられることが可能である。
【００１５】
[0019]  本開示の実施態様は、平行四辺形形状検知平面２４０の面内回転、面外回転、又は面内回転と面外回転の組み合わせのいずれかを通じて検知軸２３０にディザリングを導入する。図３Ａは、３００において、上で論じられたように平行四辺形形状平面２４０に広がった原子雲１１０の上面図を提供し、雲１１０の原子は、重力の影響下で（又はいくつかの実施態様では、重力と例えば光糖蜜などのレーザ誘起力との複合した影響下で）ページの中の方へ落下している。図３Ａでは、（例えばレーザ源１２１及び１２２からの）第１のセットの互いに整列したレーザビーム３１０が、反対方向から雲１１０の中へ照射されて、図２に関して論じられた３つの光パルスを印加する。ここで、ただ１つのセットの対向するレーザビーム３１０だけが照射されるので、当該パルスによって作られる平行四辺形形状検知平面２４０のエリアはレーザビーム３１０の方向に整列して、レーザビーム３１０が照射される方向に直交する軸に沿って検知軸２３０が形成する。
【００１６】
[0020]  図３Ｂでは、（例えばレーザ源１２３及び１２４からの）第２のセットの互いに整列したレーザビーム３２０が、面内且つ第１のセットのレーザビーム３１０と直交して照射される。ただ１つのセットの対向するレーザビーム３２０だけが照射されるので、当該パルスによって作られる平行四辺形形状検知平面２４０のエリアはレーザビーム３２０の方向に整列して、レーザビーム３２０が照射される方向に直交する軸に沿って検知軸２３０が形成する。このようにして、検知軸２３０は、図３Ａにおいてちょうど第１のセットのレーザビーム３１０だけが照射された時の配置に対して、φ＝９０°の角度だけ面内で回転している。
【００１７】
[0021]  図３Ｃに示されるように、レーザビームの両方のセット３１０及び３２０からのパルスを同時に利用して平行四辺形形状検知平面２４０を形成することによって、検知軸２３０は任意の角度φに回転させることができる。より具体的には、第１のセットのレーザビーム３１０と第２のセットのレーザビーム３２０の相対的な振幅を調整してビームをコヒーレントにパルス化することによって、検知軸２３０の動的な面内回転が実現されることが可能である。代替の実装例では、ビーム３１０及び３２０は、同一のレーザ装置から導かれてよく、あるいはまた、ビーム３１０及び３２０を作り出す振動電界が両方のセットに対してコヒーレントに振動するように位相同期されてもよい。
【００１８】
[0022]  第２のセットのレーザビーム３２０の振幅に対する第１のセットのレーザビーム３１０の相対的な振幅をずらすことによって、検知軸２３０は、図３Ａ−３Ｃの平面内で任意の角度配置に回転させることが可能である。この構成を用いて、多くの様々なディザリング方式を実施するジャイロスコープが実現されることが可能である。例えば、検知軸２３０は、連続的に３６０度回転させることが可能であり、又は、ある軸位置と別の軸位置の間で連続的に切り換える、若しくはいくつかの異なる角度配置の間でインデックスを付けることが可能であろう。いくつかの実施態様では、一組の対向する（即ち向かい合った）レーザ源の間で周波数を交換することによっても同様に、完全な３６０度の回転が達成される。ドップラーシフトの方向は、平行四辺形の開き角度を決定する。
【００１９】
[0023]  任意の時点における検知軸２３０の方向は、レーザビームの方向と強度の関数として決定されるベクトルに従うだろう。例えば、第１のセットのレーザビーム３１０が第２のセットのレーザビーム３２０と直交する向きに配置され、且つ互いに振幅が等しい場合、その結果として検知軸２３０は、いずれのビームに対してもφ＝４５°の角度変位を有するベクトルに沿って、配置されるだろう。レーザのペア（例えばレーザ源１２１及び１２２）のうち一方の周波数オフセットを反対にすることによって、その結果として検知軸２３０は、φ＝３１５°の角度変位を有するベクトルに沿って配置されるだろう。レーザの他のペア（例えばレーザ源１２３及び１２４）のうち一方の周波数オフセットを反対にすることは、φ＝１３５°の角度変位を有するベクトルに沿って検知軸２３０を配置する。レーザ源の両方のペアの周波数オフセットを反対にすることは、φ＝２２５°の角度変位を有するベクトルに沿って検知軸２３０を配置する。一実施態様では、結果の角度変位は、当該２つのセットの光の方向と振幅の基本的なベクトル和によって計算されることができる。
【００２０】
[0024]  斯くして１つのセットのレーザビームでは、検知軸２３０はビームの方向に直交する方向に固定される。第２のセットのレーザビームを第１のセットとコヒーレントな様式で利用することによって、検知軸２３０は、その２つのセットのビームによって規定される平面内のどこへでも回転させることができる。図４及び５に示されるように、第３のセットのレーザビームを第１及び第２のセットとコヒーレントな様式で利用することによって、検知軸２３０は更に、第１及び第２のセットのビームによって規定される平面の外において三次元空間の任意の配置へ回転させることができる。例えば、図４は、４００において、第１のセットのレーザビーム３１０と第２のセットのレーザビーム３２０の両方に対して互いに直交する方向に照射された（例えばレーザ源１２５及び１２６からの）第３のセットの互いに整列したレーザビーム３３０を示す。代替の実装例では、ビーム３１０、３２０、及び３３０は、同一のレーザ装置から導かれてよく、あるいはまた、ビーム３１０、３２０、及び３３０を作り出す振動電界が全てのセットに対してコヒーレントに振動するように位相同期されてもよい。そのような実施態様に関して、図５に５００において示されるように、任意の時点における検知軸２３０の方向は、３つのセット全てのレーザビームの方向と強度の関数として決定されるベクトルに従うだろう。またいくつかの実施態様に関しては、その３つのセットの光の方向と振幅のベクトル和によって計算されることができる。
【００２１】
[0025]  いくつかの実施態様では、互いに整列したレーザビームのセットのそれぞれにおける光の振幅を制御することは、各レーザビームを発生させるレーザ源の出力を制御することによって達成されることができる。他の実施態様では、互いに整列したレーザビームのセットのそれぞれにおける光の振幅を制御することは、原子ビームスプリッタ及びミラーとして機能するレーザ光の光多重を通じて達成されることができる。その全体が引用によって本明細書に組み込まれる米国特許公開２０１４／００１６１１８「多軸原子慣性センサシステム」を参照されたい。例えば、一実施態様では、レーザ源からのレーザ光ビームは、上で論じられた第１のセット３１０及び第２のセット３２０のレーザビームとしてそれぞれ原子雲１１０に向けられる２つの別々のビームに分割される。分割は、その結果の２つの別々のビームの一方が他方よりも大きな光強度を有するように制御されることができ、それにより、第１のセット３１０と第２のセット３２０のレーザビームの相対的な振幅が、検知軸２３０の配置を制御すべく操作されることができる。同様にして、ビーム分割は、ビーム３１０、３２０、及び３３０としてそれぞれ原子雲１１０に向けられる３つの別々のビームを生じさせることができる。同様にして、分割は、その結果の３つの別々のビームが異なる光強度を有するように制御されることができ、それにより、第１のセット３１０、第２のセット３２０、及び第３のセット３３０のレーザビームの相対的な振幅が、検知軸２３０の配置を制御すべく操作されることができる。
【００２２】
[0026]  検知軸２３０をパルス化し配向するために用いられるレーザビームの異なるセットは互いに直交するように示されているが、これは説明の便宜のためにすぎないということが留意されるべきである。他の実施態様では、検知軸２３０を配置するのに用いられるレーザビームの異なるセットは、非直交に並べられてよく、依然として本開示の範囲内に入る。検知軸２３０を配置する原理は同じままであり、レーザビームの組からの光の方向と振幅のベクトル和に基づく。
【００２３】
[0027]  小型の原子ジャイロスコープの場合、入力軸２３０をディザリングすることは回転速度信号の信号対雑音比を押し上げ、そのことは地球の回転軸を特定するために必要とされる時間を減少させるであろう。いくつかの実施態様では、上記実施態様のいずれかにおいて論じられたような原子慣性センサは、重力鉛直軸の特定を可能にする感度の良い加速度計としても機能し、ジャイロコンパスと目標位置特定の両方に有用である。このケースでは、検知軸２３０の光学的なディザリングは、ディザ周波数のどんな信号もゼロにするために直交する軸からの光を混合することによって、機器の仮想的な水平化（virtual leveling）を可能にする。したがって、本明細書で説明された実施態様を利用するジャイロコンパス装置のフィールドセットアップは、大まかな初期アライメントから設定し、それに続けて機器の自己水平化（self-leveling）（例えば光学的ジンバル）を行うことが可能であろう。例えば、重力の方向の加速度は、レーザパルスを落下する原子の経路と平行に上方から照射することによって測定されることが可能である。原子の波動関数は図２に示されているのと同様にここでも分離するが、２つの経路は同一直線上にあり、その結果、パルスは波動関数のそれぞれの部分がどれくらい速く落下するかの変化を引き起こすだけである。即ち、第１のパルスは、各原子の１／２が運動量を得てより速く落下するようにさせる。第２のパルスは、第１の１／２が減速し、第２の１／２がより速く落下するようにさせる。第３のパルスは、この２つの半分を再結合する。今述べられたのと同じようにして、位相シフトが原子に付与され、加速度を決定するために測定されることができる。
【００２４】
[0028]  本開示において説明された原子慣性センサは、ジャイロスコープとして機能することと加速度計として機能することとの間に順序付ける（sequence）ことができるけれども、図６に示されるような更に他の実施態様では、平行四辺形形状検知平面２４０’に形作られる第２の原子雲を有した第２の真空チャンバ１０２’が、検知平面２４０を含んだ第１の真空チャンバ１０２と隣り合わせで同時に動作し、しかし第１とは向きが逆の平行四辺形形状検知平面２４０を生じるように構成される。この構成では、両方のセンサがジャイロスコープとして働くように構成されるが、加速度に起因する付加的な位相シフトも両方のセンサに蓄積するだろう。即ち、測定値は回転と加速度の両方に対して敏感である。この構成は、ジャイロスコープの検知軸が重力に平行である場合を除いて、回転と加速度を測定する。これは、自己水平化手順によってもたらされる望ましい構成である。
【００２５】
[0029]  隣り合わせの（互いの鏡映であるが）２つの動作するセンサを用いて、それぞれによって検知される回転の方向は反対となるだろうけれども、両方のセンサから同じ加速度が測定されることが可能である。これにより、面内又は面外の任意の回転において、回転と加速度のデータが別個の測定値として分離されるような、２つの方程式と２つの未知数が与えられる。各真空チャンバ内の２つの検知軸は、こうして、上述されたようなやり方でディザされることができる。
【００２６】
＜例示的実施態様＞
[0030]  例１は、光学的にディザされた原子慣性センサであって、レーザ冷却されたアルカリ原子からなる原子雲を収容した真空チャンバであって、前記アルカリ原子は、重力の影響下で自由に落下することができる、真空チャンバと、第１のセットのレーザビームを第１軸に沿って前記原子雲の中へ照射するように構成された第１のセットのレーザ源と、第２のセットのレーザビームを第２軸に沿って前記原子雲の中へ照射するように構成された第２のセットのレーザ源と、を備え、前記第１のセットのレーザビームと前記第２のセットのレーザビームは、検知平面を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面に直交して配向した検知軸の周りの回転に対して感受性を有し、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源は、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの相対的な振幅を変調することによって前記検知軸にディザリング運動を加える、原子慣性センサを含む。
【００２７】
[0031]  例２は、前記アルカリ原子は、重力とレーザ誘起力との複合した影響下で自由に落下することができる、例１の慣性センサを含む。
【００２８】
[0032]  例３は、前記ディザリング運動は、前記検知軸の面内ディザリングを含む、例１−２のいずれかの慣性センサを含む。
【００２９】
[0033]  例４は、第３のセットのレーザビームを第３軸に沿って前記原子雲の中へ照射するように構成された第３のセットのレーザ源を更に備え、前記第１のセットのレーザビーム、前記第２のセットのレーザビーム、及び前記第３のセットのレーザビームは、前記一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射し、前記第１のセットのレーザ源、前記第２のセットのレーザ源、及び前記第３のセットのレーザ源は、前記第１のセットのレーザビーム、前記第２のセットのレーザビーム、及び前記第３のセットのレーザビームの相対的な振幅を変調することによって前記検知軸に前記ディザリング運動を加える、例１−３のいずれかの慣性センサを含む。
【００３０】
[0034]  例５は、前記第１軸、前記第２軸、及び前記第３軸は、互いに直交する、例４の慣性センサを含む。
【００３１】
[0035]  例６は、前記ディザリング運動は、前記検知軸の面内及び面外ディザリングを含む、例４−５のいずれかの慣性センサを含む。
【００３２】
[0036]  例７は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源の一方又は両方は、少なくとも１つのレーザ生成デバイスを含む、例１−６のいずれかの慣性センサを含む。
【００３３】
[0037]  例８は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源の一方又は両方は、光学的に通信可能なレーザ光発生デバイスから当該レーザ源へ向けられたレーザ光を出力する、例１−７のいずれかの慣性センサを含む。
【００３４】
[0038]  例９は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源は、レーザ生成デバイスからのレーザ光の光多重を通じて、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの前記相対的な振幅を変調するように構成される、例１−８のいずれかの慣性センサを含む。
【００３５】
[0039]  例１０は、レーザ冷却されたアルカリ原子からなる第２の原子雲を収容した第２の真空チャンバであって、前記アルカリ原子は、重力の影響下で自由に落下することができる、第２の真空チャンバを更に備え、前記第１のセットのレーザ源は、前記第１のセットのレーザビームを前記第１軸に沿って前記第２の原子雲の中へ照射するように更に構成され、前記第２のセットのレーザ源は、前記第２のセットのレーザビームを第２軸に沿って前記第２の原子雲の中へ照射するように更に構成され、前記第１のセットのレーザビームと前記第２のセットのレーザビームは、第２の検知平面を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面に直交して配向した第２の検知軸の周りの回転に対して感受性を有し、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源は、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの前記相対的な振幅を変調することによって前記第２の検知軸にディザリング運動を加える、例１−９のいずれかの慣性センサを含む。
【００３６】
[0040]  例１１は、原子慣性センサを光学的にディザするための方法であって、第１のセットのレーザビームをレーザ冷却されたアルカリ原子からなる原子雲の中へ第１軸に沿って照射するステップであって、前記アルカリ原子は、真空チャンバ内において重力の影響下で自由に落下することができる、ステップと、第２のセットのレーザビームをレーザ冷却されたアルカリ原子からなる前記原子雲の中へ第２軸に沿って照射するステップであって、前記第１のセットのレーザビームと前記第２のセットのレーザビームは、検知平面を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射し、前記波動関数は、前記検知平面に直交して配向した検知軸の周りの回転に対して感受性を有する、ステップと、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの相対的な振幅を変調することによって前記検知軸をディザするステップと、を含む方法を含む。
【００３７】
[0041]  例１２は、前記検知軸をディザするステップは、前記検知軸の面内ディザリングを含む、例１１の方法を含む。
【００３８】
[0042]  例１３は、第３のセットのレーザビームを第３軸に沿って前記原子雲の中へ照射するステップであって、前記第１のセットのレーザビーム、前記第２のセットのレーザビーム、及び前記第３のセットのレーザビームは、前記一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記原子雲の中へ照射する、ステップを更に含み、前記検知軸をディザするステップは、前記第１のセットのレーザビーム、前記第２のセットのレーザビーム、及び前記第３のセットのレーザビームの相対的な振幅を変調するステップを更に含む、例１１−１２のいずれかの方法を含む。
【００３９】
[0043]  例１４は、前記検知軸をディザするステップは、前記検知軸の面内及び面外ディザリングを含む、例１３の方法を含む。
【００４０】
[0044]  例１５は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源の一方又は両方は、少なくとも１つのレーザ生成デバイスを含む、例１１−１４のいずれかの方法を含む。
【００４１】
[0045]  例１６は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源の一方又は両方は、光学的に通信可能なレーザ光発生デバイスから当該レーザ源へ向けられたレーザ光を出力する、例１１−１５のいずれかの方法を含む。
【００４２】
[0046]  例１７は、前記第１のセットのレーザ源と前記第２のセットのレーザ源は、レーザ生成デバイスからのレーザ光の光多重を通じて、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの前記相対的な振幅を変調するように構成される、例１１−１６のいずれかの方法を含む。
【００４３】
[0047]  例１８は、前記第１のセットのレーザビームをレーザ冷却されたアルカリ原子からなる第２の原子雲の中へ前記第１軸に沿って照射するステップであって、前記アルカリ原子は、第２の真空チャンバ内において重力の影響下で自由に落下することができる、ステップと、前記第２のセットのレーザビームをレーザ冷却されたアルカリ原子からなる前記第２の原子雲の中へ前記第２軸に沿って照射するステップであって、前記第１のセットのレーザビームと前記第２のセットのレーザビームは、第２の検知平面を規定する軌道に沿って前記アルカリ原子の量子力学的な波動関数を分離する一続きのコヒーレントなレーザパルスを前記第２の原子雲の中へ照射し、前記波動関数は、前記第２の検知平面に直交して配向した第２の検知軸の周りの回転に対して感受性を有する、ステップと、前記第２のセットのレーザビームに対する前記第１のセットのレーザビームの前記相対的な振幅を変調することによって前記第２の検知軸をディザするステップと、を更に含む、例１１−１７のいずれかの方法を含む。
【００４４】
[0048]  例１９は、重力に起因する加速度を測定することによって自己水平化を実施するステップと、ディザリングの平面を重力のベクトルに直交するように調整するステップと、を更に含む、例１１−１８のいずれかの方法を含む。
【００４５】
[0049]  例２０は、前記検知軸に沿って検知されたディザされた回転の出力を復調するステップと、前記検知軸に対する地球の回転ベクトルの向きを推定するステップと、を更に含む、例１１−１９のいずれかの方法を含む。
【００４６】
[0050]  本明細書において特定の実施態様が例示され説明されてきたけれども、それと同じ目的を達成するように意図されたあらゆる改変が、示された当該特定の実施態様に取って代わることができる、ということが当業者によって理解されるだろう。この出願は、本発明のあらゆる翻案又は変形を網羅するように意図される。したがって、この発明は、クレーム及びその均等物によってのみ限定される、ということが明白に意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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