特許 6290488 センサシステムにおける光ポンプビーム制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6290488

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月7日

(54)【発明の名称】センサシステムにおける光ポンプビーム制御

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20180226BHJP

   G01R 33/26 20060101ALI20180226BHJP

   G01R 33/032 20060101ALI20180226BHJP

【ＦＩ】

   G01N24/00 P

   G01R33/26

   G01R33/032

【請求項の数】15

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-57481(P2017-57481)

(22)【出願日】2017年3月23日

(65)【公開番号】特開2017-173329(P2017-173329A)

(43)【公開日】2017年9月28日

【審査請求日】2017年3月23日

(31)【優先権主張番号】15/080,876

(32)【優先日】2016年3月25日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503178185

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＮＯＲＴＨＲＯＰ ＧＲＵＭＭＡＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】マイケル ディ．ブラトヴィッツ

【審査官】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１３０１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２９３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８７６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０２１８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８８２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１５６５４７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２４／００−２４／１４

Ｇ０１Ｒ ３３／００−３３／６４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサシステムであって、
センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させるための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を備えるセルシステムと、
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備え、印加磁場に応じた前記偏極したアルカリ金属蒸気の歳差運動による、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成された検出システムと、
前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調してパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給し、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいてフィードバック方式で前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御することにより前記アルカリ金属蒸気の偏極均一性を制御して前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を低減するように構成されたポンプビーム制御システムと、
を備えるセンサシステム。

【請求項2】

前記ポンプビーム制御システムは、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて前記デューティサイクルを前記フィードバック方式で制御することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期に対して前記ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に等しくかつ反対となるデューティサイクルを維持するように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。

【請求項3】

前記ポンプビーム制御システムは、前記ポンプビームの周波数を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルに対応する第１周波数および第２周波数の各々に設定するように前記ポンプレーザに供給される電流を生成するように構成された安定化システムを備え、前記安定化システムは、前記電流の振幅を制御することにより前記プローブビームのファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを設定するように構成されたＰＷＭコントローラを備える、請求項１に記載のセンサシステム。

【請求項4】

前記ポンプレーザは、前記センサセルの内部において、前記プローブビームと実質的に同一平面上に前記ＡＣシュタルクシフトの影響に相当する誘起された仮想磁場を生成するように、前記印加磁場に対して前記ＰＷＭポンプビームをオフセットされた角度で供給するように配向されており、前記誘起された仮想磁場は、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにほぼ等しくする、請求項３に記載のセンサシステム。

【請求項5】

前記安定化システムは、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにより復調することに基づいて前記デューティサイクルを制御することで、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを、前記ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に時間平均ゼロの大きさとなるデューティサイクルに実質的に維持するように構成されている、請求項３に記載のセンサシステム。

【請求項6】

前記ポンプビーム制御システムは、前記ＰＷＭポンプビームの光吸収を監視して、前記アルカリ金属蒸気を介した前記ＰＷＭポンプビームのほぼ最大吸収に対応する中心周波数に対して前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調するように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。

【請求項7】

前記セルシステムはさらに、前記ＰＷＭポンプビームの光吸収の監視に基づいて、前記センサセルを通過する前記ＰＷＭポンプビームの時間平均光吸収を実質的に安定化させるように、前記センサセルの温度をフィードバック温度制御信号により設定するように構成されたセル温度コントローラをさらに備える、請求項６に記載のセンサシステム。

【請求項8】

前記ポンプビーム制御システムは、パルス幅変調周期の一定のクロックパルス数に対して、第１周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数と、第２周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数とを設定することに基づいて、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをデジタル的に調整するように構成された安定化システムを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対である、請求項６に記載のセンサシステム。

【請求項9】

前記センサシステムは、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つとして構成される、請求項１に記載のセンサシステム。

【請求項10】

少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成されたセンサシステムにおいてＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に低減する方法であって、
円偏光されたポンプビームを生成すること、
前記ポンプビームの周波数を中心周波数に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給すること、
センサセルを介して前記ＰＷＭポンプビームを供給して前記センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させることにより、磁場による前記アルカリ金属蒸気の歳差運動を促進させること、
前記センサセルを介して、直線偏光されたプローブビームを供給すること、
前記センサセルから放出された前記直線偏光されたプローブビームに対応する検出ビームのファラデー回転を前記デューティサイクルに基づいて復調することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期における前記ＰＷＭポンプビームの時間平均周波数を決定すること、
前記復調されたファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御して前記時間平均周波数を調整することにより、前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対する前記ＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に安定化し低減すること、
を備える方法。

【請求項11】

前記ＰＷＭポンプ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ＰＷＭポンプビームのほぼ最大吸収に対応する周波数に設定することをさらに備える請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記直線偏光されたプローブビームの前記ファラデー回転を復調することが、前記復調されたファラデー回転を時間平均してＤＣ誤差信号を決定することを備え、
前記デューティサイクルを制御することが、前記ＤＣ誤差信号の非ゼロ振幅に応答して前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを調整することを備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調することが、パルス幅変調周期の第１部分において第１周波数を有し、前記パルス幅変調周期の第２部分において第２周波数を有する前記ＰＷＭポンプビームを供給することを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対であり、
前記デューティサイクルを制御することが、
前記パルス幅変調周期の一定のクロックパルス数に対して、前記第１周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数と、前記第２周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数とを設定することに基づいて、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをデジタル的に調整することを備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記ＰＷＭポンプビームを供給することが、前記センサセルの内部において、前記プローブビームと実質的に同一平面上に前記ＡＣシュタルクシフトの影響に相当する誘起された磁場を生成するように、印加磁場に対して前記ＰＷＭポンプビームをオフセットされた角度で供給することを備え、前記誘起された磁場は、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにほぼ等しくする、請求項１０に記載の方法。

【請求項15】

前記センサ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に応じて、前記センサセルを通過する前記ポンプビームの時間平均光吸収を実質的に安定させるように前記センサセルの温度を設定することをさらに備える請求項１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概してセンサシステムに関し、特にセンサシステムにおける光ポンプビーム制御に関する。

【背景技術】

【0002】

核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープないしは磁力計および／または電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計などのセンサシステムは、磁場に応答して歳差運動する１つまたは複数の核スピン同位体とともに、ルビジウムやセシウムなどの１つまたは複数のアルカリ金属蒸気を含有するセルを含み得る。アルカリ金属蒸気は、所与の周波数帯域における光ポンピングに応答して励起状態に誘起され得る。光ポンピングは、センサセル内の偏極均一性をもたらすべくアルカリ金属蒸気の原子遷移波長に関して非共鳴であり得る。先行技術として、例えば特許文献１〜４が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第４，５２５，６７２号明細書

【特許文献2】米国特許第４，５４４，８９１号明細書

【特許文献3】米国特許第５，５３７，６７１号明細書

【特許文献4】米国特許第８，７４２，９６４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、非共鳴励起は、アルカリ金属蒸気に対しＡＣシュタルク（Stark）シフトを生じさせ、アルカリ金属蒸気の原子が、核スピン同位体には影響を及ぼさない仮想磁場の影響を受ける。このＡＣシュタルクシフトの結果、関連する磁力計の検出磁場に偏りが加えられることや、関連するジャイロスコープの回転角および／または回転速度に偏りが加えられることが生じ、それぞれの測定可能パラメータに誤差が生じる。アルカリ金属は２つの独立した基底状態、すなわち２つの別々の原子遷移周波数を有するので、アルカリ金属の光ポンピングにおいてＡＣシュタルクシフトは避けられない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一例は、センサシステムを含む。セルシステムは、センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させるためのポンプビームを生成するポンプレーザを含む。検出システムは、プローブビームを生成するためのプローブレーザを含む。前記検出システムは、前記偏極したアルカリ金属蒸気の印加磁場に応じた歳差運動による、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算し得る。ポンプビーム制御システムは、前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調してパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給し、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをフィードバック方式で制御することにより前記アルカリ金属蒸気の偏極均一性を制御して前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を低減する。

【0006】

本発明の別の実施形態は、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成されたセンサシステムにおいてＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に低減する方法を含む。方法は、円偏光されたポンプビームを生成すること、および、前記ポンプビームの周波数を中心周波数に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給することを含む。また、方法は、センサセルを介して前記ＰＷＭポンプビームを供給して前記センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させることにより、磁場による前記アルカリ金属蒸気の歳差運動を促進させること、および、前記センサセルを介して、直線偏光されたプローブビームを供給することを含む。また、方法は、前記センサセルから放出された前記直線偏光されたプローブビームに対応する検出ビームのファラデー回転を前記デューティサイクルに基づいて復調することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期における前記ＰＷＭポンプビームの時間平均周波数を決定することを含む。方法はさらに、前記復調されたファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御して前記時間平均周波数を調整することにより、前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対する前記ＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に安定化し低減することを含む。

【0007】

本発明の別の実施形態は、センサシステムを含む。センサシステムは、センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させるためのポンプビームを生成し、印加磁場に応じて前記アルカリ金属蒸気の歳差運動を促進するように構成されたポンプレーザを備えるセルシステムを含む。前記ポンプビームは、前記印加磁場に対してオフセットされた角度で前記センサセルを介して供給される。また、センサシステムは、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備える検出システムを含む。前記検出システムは、前記印加磁場に応じた前記偏極したアルカリ金属蒸気の歳差運動による、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成され得る。センサシステムはさらに、前記ポンプビームの周波数を前記アルカリ金属蒸気による前記ポンプビームのほぼ最大吸収に対応する中心周波数に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給し、前記センサセルから放出された前記プローブビームに対応する検出ビームを前記デューティサイクルに基づいて復調し、前記復調された検出ビームに基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをフィードバック方式で制御することにより、前記アルカリ金属蒸気の偏極均一性を制御して前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を低減するように構成されたポンプビーム制御システムを含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】センサシステムの一例を示す図。

【図2】パルス幅変調信号波形のタイミングチャートの一例を示す図。

【図3】センサシステムの別の例を示す図。

【図4】センサシステムの光ポンプビームを制御する方法の一例を示す図。

【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、特にセンサシステムにおける光ポンプビーム制御に関する。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）磁力計などのセンサシステムは、セルシステムを含み得る。セルシステムは、センサ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たポンプレーザを含む。検出システムは、磁場が印加されると、偏極したアルカリ金属粒子の歳差運動に基づいて、受感軸を中心とした回転や外部磁場などの少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成することができる。一例として、偏極したアルカリ金属粒子の歳差運動がキセノン（例えば、^１２９Ｘｅまたは^１３１Ｘｅ）などの核スピン同位体の歳差運動と結合されることで、ラーモア歳差運動周波数および／または１つまたは複数の核スピン同位体の位相情報が抽出されて測定可能パラメータが計算される。またセンサシステムは、センサセルを通過するポンプビームの光吸収を監視してポンプビームの周波数をパルス幅変調し、そのパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームに基づいて少なくとも１つの測定可能パラメータにおけるＡＣシュタルク（Stark）シフトの影響を実質的に低減するように構成されたポンプビーム制御システムを含み得る。

【0010】

光吸収の監視は、センサセルから放出するポンプビーム、例えば適切に配向された１／４波長板を通過する円偏光ポンプ光に関連付けられた直線偏光が光検出器に入射することに基づくものとすることができる。ＰＷＭポンプビームの中心周波数は、センサセルを通過するポンプビームの吸収が実質的にほぼ最大となる周波数値に設定することができ、ポンプビームのパルス幅変調は、デューティサイクルの所与のパルス幅変調周期における中心周波数に対して実質的に等しく反対の第１および第２周波数の間とすることができる。ＰＷＭポンプビームは、デューティサイクルに関連する第１および第２周波数でのＡＣシュタルクシフトの影響に関連して、アルカリ金属粒子の歳差運動に影響を及ぼすセンサセル内に仮想磁場を誘起することができる。このため、少なくとも１つの測定可能パラメータに関連する特性を示し得るセンサセルを介して提供されるプローブビームは、第１および第２周波数の各々でファラデー回転を示し得る。よって、デューティサイクルに基づいてファラデー回転を復調することにより、ＡＣシュタルクシフトの影響に対応するＤＣ誤差信号を生成することができる。したがって、ＤＣ誤差信号に基づいてＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを（例えば、デジタル的に）調整することにより、ＰＷＭポンプビームの第１および第２周波数の持続時間に関してＡＣシュタルクシフトの影響が等しく反対になるようにデューティサイクルをフィードバック方式で維持することができる。その結果、ＡＣシュタルクシフトは実質的に安定化され、ＡＣシュタルクシフトの時間平均された影響は、少なくとも１つの測定可能パラメータに関して実質的に低減される。

【0011】

図１は、センサシステム１０の一例を示す。一例として、センサシステム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、およびそれらの組み合せのうちの１つまたは複数に対応するものとすることができる。センサシステム１０は、検出システム、誘導システム、および／または航空システムなどの種々の用途のうちのいずれかで実施することができる。別の例として、センサシステム１０は、複数の軸で動作可能としたものなどのセンサアプリケーション全体の一部として実施することができる。

【0012】

センサシステム１０は、センサセル１４およびポンプレーザ１６を含むセルシステム１２を含む。例えば、センサセル１４は、種々の形状およびサイズのうちのいずれかによるガラスケースとすることができる。センサセル１４は、アルカリ金属１８と、ＮＭＲセンサの場合には１つまたは複数の核スピン同位体（図示せず）とを含む。一例として、アルカリ金属１８は、^８５Ｒｂなどのルビジウム（Ｒｂ）蒸気、または^１３３Ｃｓなどのセシウム（Ｃｓ）蒸気とすることができ、核スピン同位体は、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、および／またはキセノン（Ｘｅ）などの希ガス同位体（例えば、^３Ｈｅ、^８３Ｋｒ、^１２９Ｘｅ、および／または^１３１Ｘｅ）を含み得る。ポンプレーザ１６は、アルカリ金属１８の粒子をスピン偏極状態に誘起（すなわち、励起）する光学系を介してセンサセル１４へと導かれる円偏光の光ポンプビームを生成するように構成し得る。スピン偏極したアルカリ金属１８の粒子は、印加磁場（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）に応答してセンサセル１４内で歳差運動し得る。これは例えば、歳差運動する核スピン同位体によって生じ得る。例えば、偏極したアルカリ金属１８の粒子は、印加磁場で誘起される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（例えば、ＥＰＲ非受感Ｚ軸に沿ったＥＰＲラーモア歳差運動周波数と共鳴するＤＣおよびＡＣ磁場）によりＥＰＲ歳差運動を行い得るものとなり、核スピン同位体は、ＮＭＲラーモア歳差運動周波数またはＸＹ平面内で印加される周波数と共鳴する磁場に応答して、印加磁場（例えば、ＥＰＲ非受感Ｚ軸に沿ったＤＣ磁場）の周辺で歳差運動し得る。さらに、センサセル１４は、１つまたは複数のバッファガスを含むこともできる。

【0013】

また、センサシステム１０は、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成された検出システム２０を含む。例えば、測定可能パラメータは、センサシステム１０がＮＭＲジャイロスコープとして構成されている場合には、例えば受感軸を中心とした回転を含み得る。または、測定可能パラメータは、センサシステム１０がＮＭＲおよび／またはＥＰＲ磁力計として構成されている場合には、例えば外部磁場のベクトルの大きさを含み得る。図１の例では、検出システム２０は、プローブレーザ２２と回転検出器２４を含む。プローブレーザ２２は、センサセル１４を通過するプローブビームを生成するように構成し得る。アルカリ金属１８の粒子および関連する核スピン同位体の歳差運動は、センサセル１４から放出されるプローブビームに関連する偏極位相変化を（例えば、プローブレーザ２２の光子とアルカリ金属１８の粒子との相互作用に基づいて）もたらし得る。このため、検出システム２０は、センサセル１４の回転または外部磁場などによって生じるアルカリ金属１８の粒子の歳差運動の変化に基づいて、例えば、回転検出器２４がプローブビームのファラデー回転を決定することなどに基づいて、測定可能パラメータを計算することができる。

【0014】

アルカリ金属１８の粒子は、ＡＣシュタルクシフトの影響を受け得る。ＡＣシュタルクシフトでは、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、ポンプレーザ１６によるアルカリ金属１８の粒子の光ポンピングが非共鳴となる。ＡＣシュタルクシフトは、核スピン同位体に対しては影響を及ぼさないもののアルカリ金属１８に対して影響を及ぼす仮想磁場を引き起こし得る。この仮想磁場は、核スピン同位体に対するアルカリ金属１８の粒子の歳差運動に変化をもたらす。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パラメータに偏りを加えるものとなる。仮想磁場は、印加磁場に加えられる。ＡＣシュタルクシフトが安定していて、センサシステム１０が最適な動作点に調整されている場合は、センサシステム１０は、ＡＣシュタルクシフトの影響によって生じるスケールファクタや偏り誤差の影響を実質的に受けない。しかしながら、光ポンプビームの強度、周波数、および／またはアライメントの変化や、（例えば、センサセル１４の温度に基づく）アルカリ金属１８の蒸気密度の変化は、ＡＣシュタルクシフトによって生じる仮想磁場の変化を引き起こし、それによって、アルカリ金属１８が受ける印加磁場全体の大きさを変化させる。

【0015】

センサシステム１０が磁力計として構成されている場合の例では、磁力計の受感軸は、検出システム２０によって決定されるアルカリ金属１８の粒子と印加磁場との相互作用に基づいて規定される。例えば、検出システム２０は、印加磁場に対して典型的には一定の位相関係で検出信号を復調することにより、アルカリ金属１８の粒子の歳差運動の位相の変化が、センサセル１４において歳差運動するアルカリ金属１８の粒子とプローブビームとの相互作用に基づいて検出信号の変化をもたらすようにすることができる。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する不安定なＡＣシュタルクシフトの影響は、受感軸を中心に回転するベクトル角度での外部磁場の成分として捉えることが可能な磁力計信号の位相変化を生じさせ得る。

【0016】

センサシステム１０がジャイロスコープとして構成されている場合の例では、受感軸に対する交差軸での検出磁場を実質的にゼロにして印加磁場に対する受感軸のアライメントを維持するように磁場フィードバックを行うことができる。すなわち、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磁場は実際の磁場と区別することができないため、フィードバックシステムは、認識される仮想磁場を相殺するように実際の磁場を生成し得る。上記したように、センサセル１４内の核スピン同位体は、仮想磁場の影響を受けないものの、その仮想磁場を相殺するように生成された実際の磁場の影響は受ける。結果として、相殺のための実際の磁場がジャイロスコープの受感軸のずれ、ひいては不安定性を引き起こす可能性がある。さらには、ＡＣシュタルクシフトの影響によって、核スピン同位体の歳差運動に対してアルカリ金属１８の粒子の歳差運動の位相が変化する可能性がある。この位相ずれは、核スピン同位体の歳差運動の誘起のためのフィードバックに位相ずれを生じさせ、角速度の偏りをもたらす可能性がある。

【0017】

ＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に安定させ低減するために、センサシステム１０はポンプビーム制御システム２６を含む。このポンプビーム制御システム２６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ３０を含む安定化システム２８を含む。安定化システム２８は、ポンプレーザ１６によって供給される光ポンプビームの周波数をＰＷＭコントローラ３０によりパルス幅変調してＰＷＭポンプビームを供給することで、センサセル１４を通過するＰＷＭポンプビームの吸収を、とりわけ、ＰＷＭポンプビームのデューティサイクル中のポンプビームの瞬時周波数に応じて変化させるように構成されている。また、ポンプビーム制御システム２６は、センサセル１４を通過するＰＷＭポンプビームの吸収を光学系や光検出器などに基づいて監視することにより、ポンプレーザ１６の温度を制御して、ＰＷＭポンプビームの中心周波数を、アルカリ金属１８の蒸気によるＰＷＭポンプビームのほぼ最大吸収に対応する周波数、すなわちアルカリ金属１８の独立した基底状態に関連する遷移周波数に対応する周波数に実質的に維持するように構成されている。

【0018】

一例として、安定化システム２８は、まず、ＰＷＭポンプビームの中心周波数を実質的に最大吸収となる周波数にほぼ等しくなるように設定することができる。ＰＷＭポンプビームは、ＡＣシュタルクシフトの影響に関連したアルカリ金属１８の粒子の歳差運動に影響を及ぼす仮想磁場をセンサセル１４に誘起する。このＡＣシュタルクシフトの影響がＰＷＭポンプビームのデューティサイクルで調節される。例えば、ポンプレーザ１６は、アルカリ金属蒸気１８を歳差運動させる印加磁場に対するＰＷＭポンプビームのオフセット角度等に基づいて、アルカリ金属１８の粒子が歳差運動する軸と直交する平面内に誘導磁場の成分を生じさせるように配向され得る。これにより、プローブレーザ２２で生成されたプローブビームは、測定可能パラメータに基づいた（例えば、はるかに低い周波数で生じる）ファラデー回転に加えて、誘起された仮想磁場に応答してデューティサイクルで変調されたファラデー回転を示し得る。したがって、安定化システム２８は、デューティサイクルに基づいてプローブビームのファラデー回転を復調することで、ＡＣシュタルクシフトの影響に相当し得るＤＣ誤差信号を生成することができる。したがって、ＤＣ誤差信号に基づいてＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをフィードバック方式でシフトさせることで、デューティサイクルに対して、すなわち、アルカリ金属１８の２つの独立した基底状態に対して、ＡＣシュタルクシフトの影響が等しくかつ反対となるような値に対応するゼロ振幅にＤＣ誤差信号をフィードバック方式で維持することができる。したがって、安定化システム２８によるＰＷＭポンプビームのデューティサイクルのフィードバック調整に基づいて、安定化システム２８は、センサセル１４内の偏極均一性を実質的に最大化する非共鳴にアルカリ金属蒸気１８を光学的にポンピングしながらＡＣシュタルクシフトを安定化させる。さらには、ＡＣシュタルクシフトの影響がＡＣシュタルクシフトの大きさと方向（例えば、正または負の方向）の積およびアルカリ金属１８の２つの独立した規定状態からのアルカリ金属１８の励起に基づいた中心周波数に対する２つの非共鳴状態の各々におけるデューティサイクルに対して実質的に等しく反対であるため、ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に低減される。したがって、センサシステム１０の測定可能パラメータに関連するスケールファクタおよび偏り誤差も同様に実質的に低減される。

【0019】

図２は、パルス幅変調信号波形の例示的なタイミングチャート５０を示す。一例として、タイミングチャート５０は、時間に応じてプロットされた変調信号ＤＴＨを示している。変調信号ＤＴＨは、図２の例では中心波長λ_Ｃを中心に発振する方形波信号として示されている。変調信号ＤＴＨは、第１波長λ_ＭＡＸに対応する最大振幅と、第２波長λ_ＭＩＮに対応する最小振幅とを有するものとして示されている。図２の例では、第１および第２波長λ_ＭＡＸおよびλ_ＭＩＮは、中心波長λ_Ｃを中心に波長差λ_１だけ等しく反対に分離されている。

【0020】

タイミングチャート５０で示されるパルス幅変調信号波形は、ポンプレーザ１６によって生成されたＰＷＭポンプビームに相当し得る。したがって、中心波長λ_Ｃは、波長λ_ＭＡＸおよびλ_ＭＩＮの各々がアルカリ金属蒸気１８に関連する遷移波長に対して非共鳴となるように、アルカリ金属蒸気１８によるＰＷＭポンプビームの光子のほぼ最大吸収に相当する波長とすることができる。タイミングチャート５０は、ＰＷＭポンプビームの第１パルス幅変調周期５２、第２パルス幅変調周期５４、および第３パルス幅変調周期５６を含む。パルス幅変調周期５２，５４，５６の各々は、ＰＷＭポンプビームの波長が第１波長λ_ＭＡＸにある「オン」時間５８と、ＰＷＭポンプビームの波長が第２波長λ_ＭＩＮにある「オフ」時間６０とを含む。パルス幅変調周期５２，５４，５６およびその後のパルス幅変調周期は、例えば、一定のクロックサイクル数などに基づいた一定の持続時間を有し得る。

【0021】

一例として、センサセル１４を放出するプローブレーザ２２によって生成された光プローブビームに対応する検出ビームを復調することに基づいて、安定化システム２８は、ＤＣ誤差信号が非ゼロ値であると判定し得る。このため、アルカリ金属蒸気１８は、ＡＣシュタルクシフトの有害な影響を示す。非ゼロ値を有するＤＣ誤差信号に応答して、安定化システム２８は、例えば、「オフ」時間６０に対して「オン」時間５８に対応するクロックサイクルをデジタル的に調整するなどに基づいて、ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを調整するように構成することができる。図２の例では、安定化システム２８は、ＤＣ誤差信号に基づいて「オン」時間５８および「オフ」時間６０の各々のクロックサイクルを調整するなどして「オン」時間５８を減少させることにより、すなわちパルス幅変調周期５４の「オフ」時間６０を増加させることによりパルス幅変調周期５２に対するパルス幅変調周期５４のデューティサイクルを調整する。一例として、ＤＣ誤差信号は、所与のパルス幅変調周期にわたる検出ビームのファラデー回転の時間平均に基づくＡＣシュタルクシフトを示す極性を有し得る。

【0022】

その後、デューティサイクルに基づいて検出ビームを復調し、検出ビームの時間平均化されたファラデー回転を決定することに基づいて、安定化システム２８は、ＤＣ誤差信号が非ゼロ値を有すると再び判定し得る。この場合、パルス幅変調周期５４のデューティサイクルの調整が、ＡＣシュタルクシフトの有害な影響を打ち消すには不十分であったこととなる。非ゼロ値を有するＤＣ誤差信号に応答して、安定化システム２８はＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを再度調整する。図２の例では、安定化システム２８は、ＤＣ誤差信号に基づいて「オン」時間５８および「オフ」時間６０の各々のクロックサイクルを調整するなどして「オン」時間５８を再度減少させることにより、すなわちパルス幅変調周期５６の「オフ」時間６０を増加させることによりパルス幅変調周期５４に対するパルス幅変調周期５６のデューティサイクルを調整する。したがって、安定化システム２８は、検出ビームを実質的に連続的に監視してフィードバック方式でＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを調整することにより、ＤＣ誤差信号のゼロ値を維持する、すなわちＡＣシュタルクシフトの影響を安定させることができる。

【0023】

図３は、センサシステム１００の別の例を示す。一例として、センサシステム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するものとすることができる。センサシステム１００は、検出システム、誘導システム、および／または航空システムなどの種々の用途のうちのいずれかで実施することができる。別の例として、センサシステム１００は、複数の軸で動作可能としたものなどのセンサアプリケーション全体の一部として実施することができる。

【0024】

センサシステム１００は、セルシステム１０２とポンプビーム制御システム１０４とを含む。図３の例では、セルシステム１０２はセンサセル１０６を含む。センサセル１０６は、例えば、種々の形状およびサイズのうちのいずれかによるガラスケースとすることができる。センサセル１０６は、アルカリ金属１０８とともに、センサシステム１００がＮＭＲシステムとして構成されている例では１つまたは複数の核スピン同位体（図示せず）を含む。一例として、アルカリ金属１０８は、図２の例で上述したように、アルカリ金属１０８の基底状態遷移周波数間の差を他のアルカリ金属タイプ（例えば、Ｃｓ）に対して実質的に減少させるために^８５ＲｂなどのＲｂ蒸気とすることができる。また一例として、核スピン同位体は、希ガス同位体を含むことができる。セルシステム１０２はまた、磁場Ｂ_Ｅを生成するように構成された磁場発生器１１０を含む。一例として、磁場発生器１１０は、磁場Ｂ_Ｅを実質的に均一な磁場として生成するべくセンサセル１０６を実質的に取り囲む磁気ソレノイドとして構成することができる。磁場Ｂ_Ｅ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、センサセル１０６の軸に対して歳差運動することができる。

【0025】

また、セルシステム１０２はポンプレーザ１１２を含む。ポンプレーザ１１２は、直線偏光（例えば、「ｓ」偏光）を有する光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}を生成するように構成することができる。光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}は、ビームスプリッタ１１４および１／４波長板１１６を通って導かれる。１／４波長板１１６は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}の直線偏光を、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}として示される円偏光に変更するように構成されている。光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}はセンサセル１０６を通って導かれ、アルカリ金属１０８の粒子を偏極状態に誘起（すなわち、励起）する。図３の例では、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}は、センサセル１０６の遠位側のミラー１１８による光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の反射に基づいてセンサセル１０６を２回通過する。反射光ポンプビームはＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ’}として示されている。したがって、アルカリ金属１０８の粒子の光ポンピングを実質的に増加させることができる。

【0026】

センサセル１０６から放出された反射光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ’}は１／４波長板１１６を通って導かれ、円偏光から直線偏光に変換される。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１１２によって供給される光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}に対して直交するように配向され、「ｐ」偏光を示す光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}として示される。このため、ビームスプリッタ１１４に供給されると、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}は反射され、ポンプビーム制御システム１０４に導かれる。したがって、ポンプビーム制御システム１０４は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}の強度に基づいて光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の光吸収を監視することができる。本開示では、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の光吸収は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}および光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ’}の集合的な光吸収を示す。

【0027】

本開示において、アルカリ金属１０８の粒子はＡＣシュタルクシフトを受ける可能性があり、ＡＣシュタルクシフトが起きると、ポンプレーザ１１２を介したアルカリ金属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２つの原子遷移波長のうちの一方または両方に関して非共鳴となる。ＡＣシュタルクシフトを確実に測定可能とするために、ポンプレーザ１１２は、印加磁場Ｂ_Ｅに対してオフセット角度θで光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}を生成するように配向され得る。例えば、ポンプレーザ１１２がオフセット角度θで物理的に配向されることで、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}はオフセット角度θでセンサセル１０６を介して供給されるようになる。または、セルシステム１０２は、オフセット角度θでセンサセル１０６を介してポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}を供給するための追加の光学系を含み得る。

【0028】

ポンプビーム制御システム１０４は、安定化システム１２０および光検出器１２２を含む。安定化システム１２０は、ＰＷＭコントローラ１２４を含む。安定化システム１２０は、ポンプレーザ１１２に供給する変調電流Ｉ_ＭＯＤを生成するように構成されている。このため、ポンプレーザ１１２の振幅および周波数を変調電流Ｉ_ＭＯＤの大きさに基づいて設定することができる。これにより、安定化システム１２０は、ＰＷＭコントローラ１２４に基づいて変調電流Ｉ_ＭＯＤの大きさをパルス幅変調することができる。その結果、ポンプレーザ１１２によって供給される光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}の周波数が、ＰＷＭコントローラ１２４によって制御されるデューティサイクルを有するようにパルス幅変調されることで、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収が、とりわけ、図２の例示されるものと同様に、デューティサイクルの各部分の振幅に応じて変化するものとなる。このようにして、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}がパルス幅変調される。

【0029】

光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}は、ビームスプリッタ１１４から光検出器１２２に供給されることにより、光検出器１２２は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}の強度、すなわちセンサセル１０６における光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収に対応する吸収電圧Ｖ_ＤＥＴを生成するように構成される。この吸収電圧Ｖ_ＤＥＴが安定化システム１２０に供給されることにより、安定化システム１２０は、吸収電圧Ｖ_ＤＥＴに基づいて、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収を監視することができる。光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の周波数はデューティサイクルに基づいて変化するため、吸収電圧Ｖ_ＤＥＴも同様にほぼデューティサイクルで変化する。このため、安定化システム１２０は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｐ}の吸収スペクトルを、パルス幅変調周期における時間平均として決定するように構成することができる。その結果、安定化システム１２０は、ポンプレーザ１１２によって生成された光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}の周波数がセンサセル１０６による光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の実質的な最大吸収に対応するよう（例えば、遷移周波数間の周波数帯域の中心）にその周波数を決定することができる。

【0030】

また、図３の例では、センサシステム１００は、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成された検出システム１２６を含む。例えば、センサシステム１００がＮＭＲジャイロスコープとして構成される例では、測定可能パラメータは、受感軸周りの回転を含み得る。あるいは、センサシステム１００がＮＭＲ／ＥＰＲ磁力計として構成される例では、測定可能パラメータは、外部磁場のベクトルの大きさを含み得る。図３の例では、検出システム１２６は、プローブレーザ１２８と、回転検出器１３０と、測定コントローラ１３２とを含む。プローブレーザ１２８は、センサセル１０６を通過するプローブビームＯ_ＰＲＢを生成するように構成することができる。アルカリ金属１０８の粒子および関連する核スピン同位体の歳差運動は、センサセル１０６から放出されるプローブビームに対応する検出ビームＯ_ＤＥＴに関連する位相変化をもたらし得る。この検出ビームＯ_ＤＥＴは、検出ビームＯ_ＤＥＴ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た回転検出器１３０に供給される。これにより、測定コントローラ１３２は、センサセル１０６の回転または外部磁場などによって生じるアルカリ金属１０８の粒子の歳差運動の変化、すなわち、信号ＦＡＲによって供給される検出ビームＯ_ＤＥＴのファラデー回転により示される歳差運動の変化に基づいて、測定可能パラメータを計算することができる。

【0031】

また、上述したように、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}は、印加磁場Ｂ_Ｅに対しオフセット角度θで配向することができる。その結果、ＡＣシュタルクシフトは、印加磁場Ｂ_Ｅと直交する平面内の光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}のベクトル成分に基づいて、印加磁場Ｂ_Ｅと直交するベクトル方向にＡＣ仮想磁場Ｂ_Ｌを誘起する。この誘起された交流磁場Ｂ_Ｌは、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}のデューティサイクルに基づいて同様に変化し得る。このため、ＡＣ磁場Ｂ_Ｌは、そのデューティサイクルにおけるアルカリ金属１０８の歳差運動に影響を及ぼし得る。その結果、センサセル１０６の回転または外部磁場に起因する検出ビームＯ_ＤＥＴのファラデー回転に加えて、検出ビームＯ_ＤＥＴは、誘導された磁場Ｂ_Ｌに起因してデューティサイクルで変化するファラデー回転を有し得る。

【0032】

したがって、回転検出器１３０は、信号ＦＡＲを安定化システム１２０に供給し得る。これにより、安定化システム１２０は、デューティサイクルに基づいて信号ＦＡＲを復調することで、検出ビームＯ_ＤＥＴにおけるＡＣシュタルクシフトの影響を判定するように構成することができる。したがって、安定化システム１２０は、ＡＣシュタルクシフトの影響に対応する大きさおよび符号を有するＤＣ誤差信号、すなわち、ＡＣシュタルクシフトの影響が等しくかつ反対となる光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}のデューティサイクルからの偏差を有するＤＣ誤差信号を得ることができる。その結果、安定化システム１２０は、ＤＣ誤差信号に基づいてポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}のデューティサイクルを調整することで、フィードバック方式にてＤＣ誤差信号を実質的に最小にする（例えば、ゼロ値に設定する）ことができる。このように、ＤＣ誤差信号がほぼゼロに等しくなると、パルス幅変調周期にわたる光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}の時間平均周波数は、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ＡＣシュタルクシフトの影響がほぼ等しくかつ反対となる周波数値にほぼ等しくなる。

【0033】

このため、安定化システム１２０は、検出ビームＯ_ＤＥＴのファラデー回転を監視するために信号ＦＡＲをデューティサイクルで連続的に復調することができ、フィードバック方式で変調電流Ｉ_ＭＯＤに基づいて光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}のデューティサイクルを調整することができる。その結果、ＰＷＭポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}、すなわち光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の時間平均周波数は、２つの独立した基底状態に対してＡＣシュタルクシフトの影響が等しくかつ反対となる周波数に維持される。したがって、安定化システム１２０による光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}のフィードバックパルス幅変調に基づいて、安定化システム１２０は、アルカリ金属蒸気１０８の非共鳴励起を維持しながらＡＣシュタルクシフトを安定化することにより、アルカリ金属蒸気１０８の偏極均一性を実質的に最大にして、測定可能パラメータを測定する際のセンサシステム１００の性能を向上させる。さらには、時間平均されたＡＣシュタルクシフトの影響がＰＷＭデューティサイクルに基づいて実質的に等しくかつ反対となるため、ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に低減される。したがって、センサシステム１００の測定可能パラメータに関連するスケールファクタおよび偏り誤差が同様に実質的に低減される。

【0034】

また、上述したように、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収は、センサセル１０６の温度に部分的に基づいている。図３の例では、セルシステム１０２は、センサセル１０６の温度を設定するように構成されたセル温度コントローラ１３４をさらに含む。安定化システム１２０は、吸収電圧Ｖ_ＤＥＴによって光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収を監視することに基づいて、セル温度コントローラ１３４を介してセンサセル１０６の温度を安定化させるように構成することができる。一例として、安定化システム１２０は、復調された吸収電圧Ｖ_ＤＥＴに基づいて光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収の変化を判定し、セル温度コントローラ１３４に温度制御信号ＴＥＭＰ＿ＣＴＲＬを供給してセンサセル１０６の温度を調整することにより、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収の変化を実質的に補償することができる。これにより、安定化システム１２０は、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｃ}の吸収を実質的に最適化するように、フィードバック方式で吸収電圧Ｖ_ＤＥＴに基づいてセンサセル１０６の温度を安定化することができる。

【0035】

上述した構造的および機能的な特徴を考慮した本発明の種々の態様による方法は、図４を参照することでさらに理解することができる。説明の簡略化のために、図４の方法は順番に実行されるものとして図示され説明されているが、本発明は図示された順序に限定されず、本発明に従って幾つかの処理は異なる順序でおよび／または図示され説明されたものとは異なる処理と同時に行うこともできる。また、図示された特徴の全てが本発明の一態様による方法を実施するために必要とされるわけではない。

【0036】

図４は、センサシステム（例えば、センサシステム１０）におけるＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に低減するための方法１５０の一例を示す。ステップ１５２において、円偏光されたポンプビーム（例えば、光ポンプビームＯ_{ＰＭＰ＿Ｓ}）を生成する。ステップ１５４において、ポンプビームの周波数を中心周波数（例えば、波長λ_Ｃ）に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクル（例えば、「オン」時間５８および「オフ」時間６０）を有するＰＷＭポンプビームを供給する。ステップ１５６において、センサセル（例えば、センサセル１４）を介してＰＷＭポンプビームを供給することにより、センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気（例えば、アルカリ金属蒸気１８）を偏極して、アルカリ金属蒸気の歳差運動を磁場（例えば、磁場Ｂ_Ｅ）により促進する。ステップ１５８において、センサセルを介して、直線偏光されたプローブビーム（例えば、プローブビームＯ_ＰＲＢ）を供給する。ステップ１６０において、センサセルから放出される直線偏光されたプローブビームに対応する検出ビーム（例えば、検出ビームＯ_ＤＥＴ）のファラデー回転をデューティサイクルに基づいて復調することにより、ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期におけるＰＷＭポンプビームの時間平均周波数を決定する。ステップ１６２において、復調されたファラデー回転に基づきＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御して時間平均周波数を調整することにより、少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に安定化して低減する。

【0037】

本開示は以下に付記する実施形態を包含する。
［付記１］
センサシステムであって、
センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させるための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を備えるセルシステムと、
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備え、印加磁場に応じた前記偏極したアルカリ金属蒸気の歳差運動による、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成された検出システムと、
前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調してパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給し、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいてフィードバック方式で前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御することにより前記アルカリ金属蒸気の偏極均一性を制御して前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を低減するように構成されたポンプビーム制御システムと、
を備えるセンサシステム。
［付記２］
前記ポンプビーム制御システムは、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて前記デューティサイクルを前記フィードバック方式で制御することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期に対して前記ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に等しくかつ反対となるデューティサイクルを維持するように構成されている、付記１に記載のセンサシステム。
［付記３］
前記ポンプビーム制御システムは、前記ポンプビームの周波数を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルに対応する第１周波数および第２周波数の各々に設定するように前記ポンプレーザに供給される電流を生成するように構成された安定化システムを備え、前記安定化システムは、前記電流の振幅を制御することにより前記プローブビームのファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを設定するように構成されたＰＷＭコントローラを備える、付記１に記載のセンサシステム。
［付記４］
前記ポンプレーザは、前記センサセルの内部において、前記プローブビームと実質的に同一平面上に前記ＡＣシュタルクシフトの影響に相当する誘起された仮想磁場を生成するように、前記印加磁場に対して前記ＰＷＭポンプビームをオフセットされた角度で供給するように配向されており、前記誘起された仮想磁場は、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにほぼ等しくする、付記３に記載のセンサシステム。
［付記５］
前記安定化システムは、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにより復調することに基づいて前記デューティサイクルを制御することで、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを、前記ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に時間平均ゼロの大きさとなるデューティサイクルに実質的に維持するように構成されている、付記３に記載のセンサシステム。
［付記６］
前記ポンプビーム制御システムは、前記ＰＷＭポンプビームの光吸収を監視して、前記アルカリ金属蒸気を介した前記ＰＷＭポンプビームのほぼ最大吸収に対応する中心周波数に対して前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調するように構成されている、付記１に記載のセンサシステム。
［付記７］
前記セルシステムはさらに、前記ＰＷＭポンプビームの光吸収の監視に基づいて、前記センサセルを通過する前記ＰＷＭポンプビームの時間平均光吸収を実質的に安定化させるように、前記センサセルの温度をフィードバック温度制御信号により設定するように構成されたセル温度コントローラをさらに備える、付記６に記載のセンサシステム。
［付記８］
前記ポンプビーム制御システムは、パルス幅変調周期の一定のクロックパルス数に対して、第１周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数と、第２周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数とを設定することに基づいて、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをデジタル的に調整するように構成された安定化システムを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対である、付記６に記載のセンサシステム。
［付記９］
前記センサシステムは、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つとして構成される、付記１に記載のセンサシステム。
［付記１０］
少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成されたセンサシステムにおいてＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に低減する方法であって、
円偏光されたポンプビームを生成すること、
前記ポンプビームの周波数を中心周波数に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給すること、
センサセルを介して前記ＰＷＭポンプビームを供給して前記センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させることにより、磁場による前記アルカリ金属蒸気の歳差運動を促進させること、
前記センサセルを介して、直線偏光されたプローブビームを供給すること、
前記センサセルから放出された前記直線偏光されたプローブビームに対応する検出ビームのファラデー回転を前記デューティサイクルに基づいて復調することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期における前記ＰＷＭポンプビームの時間平均周波数を決定すること、
前記復調されたファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを制御して前記時間平均周波数を調整することにより、前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対する前記ＡＣシュタルクシフトの影響を実質的に安定化し低減すること、
を備える方法。
［付記１１］
前記ＰＷＭポンプ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ＰＷＭポンプビームのほぼ最大吸収に対応する周波数に設定することをさらに備える付記１０に記載の方法。
［付記１２］
前記直線偏光されたプローブビームの前記ファラデー回転を復調することが、前記復調されたファラデー回転を時間平均してＤＣ誤差信号を決定することを備え、
前記デューティサイクルを制御することが、前記ＤＣ誤差信号の非ゼロ振幅に応答して前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを調整することを備える、付記１０に記載の方法。
［付記１３］
前記ポンプビームの周波数をパルス幅変調することが、パルス幅変調周期の第１部分において第１周波数を有し、前記パルス幅変調周期の第２部分において第２周波数を有する前記ＰＷＭポンプビームを供給することを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対であり、
前記デューティサイクルを制御することが、
前記パルス幅変調周期の一定のクロックパルス数に対して、前記第１周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数と、前記第２周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数とを設定することに基づいて、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをデジタル的に調整することを備える、付記１０に記載の方法。
［付記１４］
前記ＰＷＭポンプビームを供給することが、前記センサセルの内部において、前記プローブビームと実質的に同一平面上に前記ＡＣシュタルクシフトの影響に相当する誘起された磁場を生成するように、印加磁場に対して前記ＰＷＭポンプビームをオフセットされた角度で供給することを備え、前記誘起された磁場は、前記プローブビームのファラデー回転を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルにほぼ等しくする、付記１０に記載の方法。
［付記１５］
前記センサ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に応じて、前記センサセルを通過する前記ポンプビームの時間平均光吸収を実質的に安定させるように前記センサセルの温度を設定することをさらに備える付記１０に記載の方法。
［付記１６］
センサシステムであって、
センサセル内に封入されたアルカリ金属蒸気を偏極させるためのポンプビームを生成し、印加磁場に応じて前記アルカリ金属蒸気の歳差運動を促進するように構成されたポンプレーザを備えるセルシステムであって、前記ポンプビームが前記印加磁場に対してオフセットされた角度で前記センサセルを介して供給される、セルシステムと、
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備え、前記印加磁場に応じた前記偏極したアルカリ金属蒸気の歳差運動による、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて、少なくとも１つの測定可能パラメータを計算するように構成された検出システムと、
前記ポンプビームの周波数を前記アルカリ金属蒸気による前記ポンプビームのほぼ最大吸収に対応する中心周波数に対してパルス幅変調することにより、デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ポンプビームを供給し、前記センサセルから放出された前記プローブビームに対応する検出ビームを前記デューティサイクルに基づいて復調し、前記復調された検出ビームに基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをフィードバック方式で制御することにより、前記アルカリ金属蒸気の偏極均一性を制御して前記少なくとも１つの測定可能パラメータに対するＡＣシュタルクシフトの影響を低減するように構成されたポンプビーム制御システムと、
を備えるセンサシステム。
［付記１７］
前記ポンプビーム制御システムは、前記センサセルを通過する前記プローブビームの特性に基づいて前記デューティサイクルを前記フィードバック方式で制御することにより、前記ＰＷＭポンプビームのパルス幅変調周期に対して前記ＡＣシュタルクシフトの影響が実質的に等しくかつ反対となるデューティサイクルを維持するように構成されている、付記１６に記載のセンサシステム。
［付記１８］
前記ポンプビーム制御システムは、前記ポンプビームの周波数を前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルに対応する第１周波数と第２周波数との間に設定するように前記ポンプレーザに供給される電流を生成するように構成された安定化システムを備え、前記安定化システムは、前記電流の振幅を制御することにより前記プローブビームのファラデー回転に基づいて前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルを設定するように構成されたＰＷＭコントローラを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対である、付記１６に記載のセンサシステム。
［付記１９］
前記セルシステムはさらに、前記ＰＷＭポンプビームの光吸収の監視に基づいて、前記センサセルを通過する前記ＰＷＭポンプビームの時間平均光吸収を実質的に安定化させるように、前記センサセルの温度をフィードバック温度制御信号により設定するように構成されたセル温度コントローラをさらに備える、付記１６に記載のセンサシステム。
［付記２０］
前記ポンプビーム制御システムは、パルス幅変調周期の一定のクロックパルス数に対して、第１周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数と、第２周波数における前記ＰＷＭポンプビームのクロックパルス数とを設定することに基づいて、前記ＰＷＭポンプビームのデューティサイクルをデジタル的に調整するように構成された安定化システムを備え、前記第１周波数および前記第２周波数が前記中心周波数に対して実質的に等しくかつ反対である、付記１６に記載のセンサシステム。
以上の説明は本発明の一例である。本発明を説明する上で、構成または方法のあらゆる組み合わせを説明することは可能でないが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせや置換が可能であることを認識し得る。したがって、本発明は、特許請求の範囲の思想および範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】