特許 6818332 原子ジャイロスコープ、原子干渉計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6818332

(24)【登録日】2021年1月5日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】原子ジャイロスコープ、原子干渉計

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/58 20060101AFI20210107BHJP

   G01P 15/00 20060101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/58

   G01P15/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-234570(P2019-234570)

(22)【出願日】2019年12月25日

【審査請求日】2020年9月15日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、「未来社会創造事業」、「大規模プロジェクト型」、「自己位置推定機器の革新的な高精度化及び小型化につながる量子慣性センサー技術」、「冷却原子・イオンを用いた高性能ジャイロスコープの開発」、「原子ビームジャイロ型慣性航法装置の実証機試作」産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000231073

【氏名又は名称】日本航空電子工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】井上 遼太郎

(72)【発明者】

【氏名】上妻 幹旺

(72)【発明者】

【氏名】田中 敦史

【審査官】 國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１９／０７３６５５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／５８

Ｇ０１Ｐ １５／００

Ｇ０２Ｆ １／１１

Ｇ０２Ｆ ２／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１レーザー光が伝播する光ファイバーと、前記光ファイバーと接続されており且つ前記第１レーザー光の周波数をシフトする周波数シフターと、を含む光学変調装置を含み、前記光学変調装置からの前記第１レーザー光および前記光学変調装置からの前記第１レーザー光と対向するもう一つの第２レーザー光から進行光定在波を生成する光学システムと、
原子線と３個以上の前記進行光定在波が相互作用する干渉システムと、
前記干渉システム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
を含む原子ジャイロスコープ。

【請求項2】

請求項１に記載の原子ジャイロスコープにおいて、
前記光学変調装置は、さらに光サーキュレーターを含み、
前記周波数シフターの一端は、前記光サーキュレーターの第１ポートに接続されており、
前記周波数シフターの他端は、前記光サーキュレーターの第３ポートに接続されており、
前記光サーキュレーターの第２ポートに前記第１レーザー光が入る
ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。

【請求項3】

請求項１に記載の原子ジャイロスコープにおいて、
前記光ファイバーに入る前記第１レーザー光は、前記原子線を横切っていない
ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれかに記載の原子ジャイロスコープにおいて、
前記周波数シフターは、音響光学変調器または電気光学変調器である
ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。

【請求項5】

第１レーザー光が伝播する光ファイバーと、前記光ファイバーと接続されており且つ前記第１レーザー光の周波数をシフトする周波数シフターと、を含む光学変調装置を含み、前記光学変調装置からの前記第１レーザー光および前記光学変調装置からの前記第１レーザー光と対向するもう一つの第２レーザー光から進行光定在波を生成する光学システムと、
原子線と３個以上の前記進行光定在波が相互作用する干渉システムと
を含む原子干渉計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、小型の原子ジャイロスコープと小型の原子干渉計に関し、より詳しくは、原子干渉システムのための小型の光学システムに関する。

【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および原子ジャイロスコープなどの研究が進んでいる。原子干渉計としてマッハ-ツェンダー（Mach-Zehnder）型原子干渉計やラムゼー-ボーデ（Ramsey-Borde）型原子干渉計などが知られている。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と干渉システム２００と光学システム３００と観測部４００を含む。原子線源１００と干渉システム２００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。

【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、熱的原子線の速度よりも遅い速度を持つ原子線である冷却原子線、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】

干渉システム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。各進行光定在波は、周波数が異なり且つ対向伝播する２個のレーザー光によって生成される。進行光定在波は、光の速度に比べて十分に遅い速度でドリフトする。ただし、一方のレーザー光の波数と他方のレーザー光の波数の差は十分に小さい。

【0005】

ここで、進行光定在波を生成する光学システム３００の光学的構成の一例を簡単に概説する。

【0006】

マスターレーザー光源３０１からのマスターレーザー光ＭＬは、例えばビームスプリッターＢＳ１とミラーＭ１とによって２分岐される。２分岐されたマスターレーザー光ＭＬの一方は、第１スレーブレーザー光源３０３に注入される。マスターレーザー光ＭＬに同期した第１スレーブレーザー光ＳＬ１を１/２波長板ＨＷＰ１に通すことによってレーザー光Ｌ₁が得られる。レーザー光Ｌ₁はミラーＭ２を経由して偏光ビームスプリッターＰＢＳ１に入る。２分岐されたマスターレーザー光ＭＬの他方は、例えばＥＯＭ（Electro-Optic Modulator；電気光学変調器）３０２を通過することによって所定の周波数ｆ―これは、後述する共鳴周波数に概ね等しい―だけ周波数シフトされる。周波数シフトされたマスターレーザー光ＭＬは、第２スレーブレーザー光源３０４に注入される。周波数シフトされたマスターレーザー光ＭＬに同期した第２スレーブレーザー光ＳＬ２を１/２波長板ＨＷＰ２に通すことによってレーザー光Ｌ₂が得られる。ただし、レーザー光Ｌ₁の偏光方向とレーザー光Ｌ₂の偏光方向は互いに直交する。レーザー光Ｌ₂は偏光ビームスプリッターＰＢＳ１に入る。

【0007】

レーザー光Ｌ₁とレーザー光Ｌ₂は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ１によって互いにオーバーラップし、シングルモードの偏光保持ファイバーＰＭＦによって原子線１００ａの近くまで導かれる。

【0008】

３個の進行光定在波２００ａ，２００ｂ，２００ｃのうち第１および第３の進行光定在波２００ａ，２００ｃは後述するπ／２パルスと呼ばれる性質を持ち、第２の進行光定在波２００ｂは後述するπパルスと呼ばれる性質を持つ。このような性質の違いを実現するために、まず、偏光保持ファイバーＰＭＦから出たレーザー光、つまりオーバーラップしているレーザー光Ｌ₁とレーザー光Ｌ₂は、例えばレンズ、コリメーター、光増幅器などで構成されるビーム整形器３０５によって所望のガウシアンビームに整形される。次いで、得られたガウシアンビームは、例えば１/２波長板とビームスプリッターなどで構成されるビーム分配器３０６によって３個のレーザー光のペア、つまり、レーザー光Ｌ_1,aとレーザー光Ｌ_2,aのペアと、レーザー光Ｌ_1,bとレーザー光Ｌ_2,bのペアと、レーザー光Ｌ_1,cとレーザー光Ｌ_2,cのペアに分配される。

【0009】

レーザー光Ｌ_1,xとレーザー光Ｌ_2,x（x∈{a,b,c}）は、１/４波長板ＱＷＰ１ｘを通過し、右円偏光σ_1,x^+,iと左円偏光σ_2,x^-,iになる。右円偏光σ_1,x^+,iと左円偏光σ_2,x^-,iは、さらに１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２ｘに入る。右円偏光σ_1,x^+,iに対応する直線偏光の進路は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２ｘによって変更される。左円偏光σ_2,x^-,iに対応する直線偏光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２ｘを通過し、レトロリフレクターＲＲｘで反射し、再び偏光ビームスプリッターＰＢＳ２ｘを通過し、再び１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、右円偏光σ_2,x^+,rになる。この結果、偏光保持ファイバーＰＭＦからのレーザー光に由来する右円偏光σ_1,x^+,iおよびレトロリフレクターＲＲｘからのレーザー光に由来する右円偏光σ_2,x^+,rが自由空間中を対向伝播し、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）が得られる。

【0010】

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。
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。

【0011】

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, p>にある個々の原子の状態は|g, p>と|e, p+h(k₁-k₂)>との重ね合わせ状態に変化する。ただし、pは原子の運動量であり、hはディラック定数、つまりプランク定数を2πで割った値であり、k₁は進行光定在波を生成する２個のレーザー光のうちの一方のレーザー光の波数であり、k₂は他方のレーザー光の波数である。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, p>の存在確率と|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>から|e, p+h(k₁-k₂)>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, p+h(k₁-k₂)>の原子の運動方向は、状態|g, p>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, p>の原子からなる原子線と状態|e, p+h(k₁-k₂)>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。

【0012】

分裂後、状態|g, p>の原子からなる原子線と状態|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>の原子からなる原子線は通過過程で状態|e, p+h(k₁-k₂)>の原子からなる原子線に反転し、状態|e, p+h(k₁-k₂)>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p>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, p>から|e, p+h(k₁-k₂)>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p>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, p+h(k₁-k₂)>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, p+h(k₁-k₂)>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, p+h(k₁-k₂)>から|g, p>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, p+h(k₁-k₂)>から|g, p>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>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, p>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。

【0013】

反転後、状態|g, p>の原子からなる原子線と状態|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>の原子からなる原子線と反転後の状態|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>の原子からなる原子線と状態|e, p+h(k₁-k₂)>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, p>と|e, p+h(k₁-k₂)>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、干渉システム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。

【0014】

マッハ-ツェンダー型原子干渉計９００に、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、干渉システム２００からの原子線１００ｂ、つまり第３の進行光定在波２００ｃを通過した後に得られる原子線を観測する、つまり、例えば励起状態|e>にある原子のポピュレーションを計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、干渉システム２００からの原子線１００ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|e, p+h(k₁-k₂)>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。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。

【0015】

上述の光学システム３００において、左円偏光σ_2,x^-,iを右円偏光σ_2,x^+,rに転換する再帰反射光学構成にＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator；音響光学変調器）３０７ｘ（x∈{a,b,c}）が付加された構成も知られている（図２参照。図２は、非特許文献２の図５．１８の構成を図１の構成に適用した構成を示している）。ＡＯＭ３０７ｘ（x∈{a,b,c}）が付加された再帰反射光学構成は、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）を生成する２個のレーザー光のうちの少なくとも一方のレーザー光の位相をＡＯＭ３０７ｘ（x∈{a,b,c}）によって調整できるので、レトロリフレクターＲＲｘの動揺の効果をキャンセルできるという利点を有する。

【0016】

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、非特許文献２などが参考になる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0017】

【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.

【非特許文献2】T. L. Gustavson, “Precision rotation sensing using atom interferometry,” Ph.D. dissertation, Stanford University, 2000.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

ＡＯＭ３０７ｘ（x∈{a,b,c}）が付加された再帰反射光学構成は、ＡＯＭ３０７ｘ（x∈{a,b,c}）だけでなく、原子線１００ａと進行光定在波２００ｘとの相互作用に適したレーザー光Ｌ₂の伝播モードとＡＯＭ３０７ｘとレーザー光Ｌ₂との相互作用に適した伝播モードをマッチさせるためのレンズＬＳ１ｘ（x∈{a,b,c}）と、レトロリフレクターＲＲｘへの入射レーザー光Ｌ₂の伝播モードとレトロリフレクターＲＲｘからの反射レーザー光Ｌ₂の伝播モードをマッチさせるためのレンズＬＳ２ｘ（x∈{a,b,c}）を含む。通常、レンズＬＳ１ｘとＡＯＭ３０７ｘとの距離はレンズＬＳ１ｘの焦点距離と一致し、レンズＬＳ２ｘとＡＯＭ３０７ｘとの距離はレンズＬＳ２ｘの焦点距離と一致し、レンズＬＳ２ｘとレトロリフレクターＲＲｘとの距離はレンズＬＳ２ｘの焦点距離と一致する。

【0019】

ところで、現実のＡＯＭ３０７ｘの回折効率は１に達しないので、ＡＯＭ３０７ｘから０次光、つまり入射レーザー光と同じ周波数成分を持つ非回折レーザー光が出る。非回折レーザー光が干渉システム２００まで戻ると不規則に変化する不要な光定在波が発生してしまうので、非回折レーザー光を除去する必要がある。具体的には、進行光定在波を生成するために必要な次数ｎ以外の次数の回折光を、ＡＯＭ３０７ｘとレトロリフレクターＲＲｘとの間で空間的に分離する。つまり、ＡＯＭ３０７ｘとレトロリフレクターＲＲｘとの間の距離を、次数ｎの回折光の回折角と次数ｎ＋１あるいはｎ−１の回折光の回折角との角度差およびレーザー光Ｌ₂のビーム径から算定される距離以上の長さに設定する。したがって、通常、再帰反射光学構成は長い全長を持ちがちである。長い全長を持つ再帰反射光学構成は、原子ジャイロスコープの実用化を阻害する要因の一つであった。

【0020】

したがって、本発明は、小型の原子ジャイロスコープと小型の原子干渉計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】

【0021】

ここで述べる技術事項は、請求の範囲に記載された発明を明示的にまたは黙示的に限定するためではなく、さらに、本発明によって利益を受ける者―例えば出願人と権利者である―以外の者によるそのような限定を容認する可能性の表明でもなく、単に、本発明の要点を容易に理解するために記載される。
本発明は、原子干渉システムのための光学システムにおいて、ＡＯＭが付加された再帰反射光学構成に替えて、ＡＯＭを含み且つ光ファイバーでレーザー光を導く光学構成を採用している。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、長大なサイズを持ちがちな再帰反射光学構成ではなく、光ファイバーでレーザー光を導く光学構成を採用しているので、小型の原子ジャイロスコープと小型の原子干渉計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】従来のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【図2】従来のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【図3】実施形態（第１例）のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【図4】実施形態（第２例）のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【図5】実施形態（第３例）のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【図6】実施形態（第４例）のマッハ-ツェンダー型原子干渉計の構成を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0024】

マッハ-ツェンダー型原子干渉スキームを例にとっ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のものであり、図示される各構成要素の寸法は実際の寸法と異なる。実施形態の説明は、便宜上、マッハ-ツェンダー型原子干渉計に基づくが、本発明の要旨は、進行光定在波を用いる任意の原子干渉スキームに適用できることに留意すべきである。

【0025】

実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、上述の「ＡＯＭが付加された再帰反射光学構成」に替えて「ＡＯＭを含み且つ光ファイバーでレーザー光を導く光学構成を採用した光学変調装置」を持つ。

【0026】

実施形態のマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００に含まれる光学システム３００は、３個の進行光定在波２００ａ，２００ｂ，２００ｃに対応して３個の光学変調装置５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃを持つ。光学変調装置５１０ｘ（x∈{a,b,c}）は、レーザー光が伝播する光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと、光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘに接続されており且つ当該レーザー光の周波数をシフトする周波数シフター５１３ｘを含む。周波数シフター５１３ｘに限定は無いが、例えば、ＡＯＭまたはＥＯＭである。

【0027】

以下、光学変調装置５１０ｘを用いたマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００の第１例（図３参照）、第２例（図４参照）、第３例（図５参照）、および第４例（図６参照）を説明する。

【0028】

＜第１例＞
レーザー光源３１１からの円偏光であるレーザー光Ｌは、ＥＯＭ３１２を通過することによって所定の周波数だけ周波数シフトされる。周波数シフトされたレーザー光Ｌは、光ファイバーカプラ３１３ａによって等分配される。光ファイバーカプラ３１３ａから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、光ファイバーカプラ３１３ｃによって等分配され、光ファイバーカプラ３１３ａから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、光ファイバーカプラ３１３ｂによって等分配される。光ファイバーカプラ３１３ｂから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、光ファイバーカプラ３１３ｄによって等分配され、光ファイバーカプラ３１３ｂから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、光ファイバーカプラ３１３ｅによって等分配される。

【0029】

光ファイバーカプラ３１３ｃから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator；可変光減衰器）３１４ａによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ａによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_a⁺は干渉システム２００に入る。光ファイバーカプラ３１３ｃから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、図示しない光コネクタによって光ファイバーカプラ３１３ｃに一端が接続されている光ファイバー５１１ａによって、原子線を横切ることなく、ＡＯＭ５１３ａに案内される。図３では、見易さを考慮して、光ファイバー５１１ａの中間部分の図示を省略している。

【0030】

光ファイバーカプラ３１３ｄから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、ＶＯＡ３１４ｂによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ｂによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_b⁺は干渉システム２００に入る。光ファイバーカプラ３１３ｄから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、図示しない光コネクタによって光ファイバーカプラ３１３ｄに一端が接続されている光ファイバー５１１ｂによって、原子線を横切ることなく、ＡＯＭ５１３ｂに案内される。図３では、見易さを考慮して、光ファイバー５１１ｂの中間部分の図示を省略している。

【0031】

光ファイバーカプラ３１３ｅから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、ＶＯＡ３１４ｃによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ｃによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_c⁺は干渉システム２００に入る。光ファイバーカプラ３１３ｅから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、図示しない光コネクタによって光ファイバーカプラ３１３ｅに一端が接続されている光ファイバー５１１ｃによって、原子線を横切ることなく、ＡＯＭ５１３ｃに案内される。図３では、見易さを考慮して、光ファイバー５１１ｃの中間部分の図示を省略している。

【0032】

光ファイバー５１１ｘ（x∈{a,b,c}）の他端は光コネクタによって周波数シフター５１３ｘに接続されており、レーザー光Ｌは周波数シフター５１３ｘに入る。レーザー光Ｌの周波数は、周波数シフター５１３ｘによってシフトされる。シフト量は、周波数シフター５１３ｘへの入力信号周波数ｆ_xに依存する。この結果、レーザー光Ｌは位相変調される。光ファイバー５１４ｘの一端が光コネクタによって周波数シフター５１３ｘに接続されており、周波数シフター５１３ｘから出たレーザー光Ｌは光ファイバー５１４ｘに入る。レーザー光Ｌは、光ファイバー５１４ｘの他端に取り付けられている光コネクタから出て、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１６ｘによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_x⁺は干渉システム２００に入る。

【0033】

この結果、光学変調装置５１０ｘを経ていないレーザー光に由来する円偏光σ_x⁺および光学変調装置５１０ｘを経たレーザー光に由来する円偏光σ_x⁺が自由空間中を対向伝播し、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）が得られる。

【0034】

＜第２例＞
第２例は、第１例の変形例である。レーザー光源３１１からの円偏光であるレーザー光Ｌは、ＥＯＭ３１２を通過することによって所定の周波数だけ周波数シフトされる。周波数シフトされたレーザー光Ｌは、光ファイバーカプラ３１３ａによって等分配される。光ファイバーカプラ３１３ａから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、ＶＯＡ３１４ａによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ａによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_a⁺は干渉システム２００に入る。

【0035】

光ファイバーカプラ３１３ａから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、光ファイバーカプラ３１３ｂによって等分配される。光ファイバーカプラ３１３ｂから出た２個のレーザー光Ｌのうちの一方は、ＶＯＡ３１４ｂによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ｂによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_b⁺は干渉システム２００に入る。光ファイバーカプラ３１３ｂから出た２個のレーザー光Ｌのうちの他方は、ＶＯＡ３１４ｃによって減衰され、さらに、例えばレンズとコリメーターなどで構成されるビーム整形器３１５ｃによって所望のガウシアンビームに整形される。得られた円偏光のガウシアンビームσ_c⁺は干渉システム２００に入る。

【0036】

光学変調装置５１０ｘ（x∈{a,b,c}）は、さらに、３ポートタイプの光サーキュレーター５１５ｘを含む。周波数シフター５１３ｘの一端は光ファイバー５１１ｘの一端に接続されており、光ファイバー５１１ｘの他端は光サーキュレーター５１５ｘの第１ポートに接続されており、周波数シフター５１３ｘの他端は光ファイバー５１４ｘの一端に接続されており、光ファイバー５１４ｘの他端は光サーキュレーター５１５ｘの第３ポートに接続されている。光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと周波数シフター５１３ｘとの接続には光コネクタが用いられる。

【0037】

ビーム整形器３１５ｘによって得られた円偏光のガウシアンビームσ_x⁺は、光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに取り付けられている光コネクタによって光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに導入される。この光コネクタは、例えばレンズコリメーターを持つ光コネクタである。ガウシアンビームσ_x⁺は、第２ポートから第３ポートに伝達し、第３ポートに接続されている光ファイバー５１４ｘを経由して周波数シフター５１３ｘに入る。ガウシアンビームσ_x⁺の周波数は、周波数シフター５１３ｘによってシフトされる。シフト量は、周波数シフター５１３ｘへの入力信号周波数ｆ_xに依存する。この結果、ガウシアンビームσ_x⁺は位相変調される。周波数シフター５１３ｘから出たガウシアンビームσ_x⁺は、周波数シフター５１３ｘに接続されている光ファイバー５１１ｘを経由して光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに導入される。位相変調されたガウシアンビームσ_x⁺は、第１ポートから第２ポートに伝達し、光コネクタから出る。この結果、光学変調装置５１０ｘを経ていないレーザー光に由来する円偏光σ_x⁺および光学変調装置５１０ｘを経たレーザー光に由来する円偏光σ_x⁺が自由空間中を対向伝播し、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）が得られる。

【0038】

３ポートタイプの光サーキュレーター５１５ｘの代わりに、４ポートタイプの光サーキュレーターを用いてもよい。この場合、第４ポートは使用されない。

【0039】

＜第３例＞
第３例のマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、上述の「ＡＯＭが付加された再帰反射光学構成」に替えて「ＡＯＭを含み且つ光ファイバーでレーザー光を導く光学構成を採用した光学変調装置」を持つことを除き、マッハ-ツェンダー型原子干渉計９００と同じである。したがって、ここではマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００とマッハ-ツェンダー型原子干渉計９００との相違点、つまり光学変調装置を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００とマッハ-ツェンダー型原子干渉計９００の両方に共通の技術事項については上述のマッハ-ツェンダー型原子干渉計９００の説明を本実施形態の説明に組み込み、これによって共通事項の重複説明を省略する。

【0040】

上述のようにガウシアンビームから分配されたレーザー光Ｌ_1,xとレーザー光Ｌ_2,x（x∈{a,b,c}）は偏光ビームスプリッターＰＢＳ３ｘに入る。直線偏光であるレーザー光Ｌ_1,xは偏光ビームスプリッターＰＢＳ３ｘを通過し、直線偏光であるレーザー光Ｌ_2,xは偏光ビームスプリッターＰＢＳ３ｘによって９０°反射する。レーザー光Ｌ_1,xは、１/４波長板ＱＷＰ１ｘを通過し、右円偏光σ_1,x^+,iになる。右円偏光σ_1,x^+,iは、１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４ｘに入る。右円偏光σ_1,x^+,iに対応する直線偏光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４ｘによって９０°反射し、図示しない光アイソレータに入る。

【0041】

偏光ビームスプリッターＰＢＳ３ｘで反射されたレーザー光Ｌ_2,xは、１／２波長板ＨＷＰ３ｘを通過し、原子線を横切ることなく、光ファイバー５１１ｘの一端に取り付けられている光コネクタによって光ファイバー５１１ａｘに導入される。図３では、見易さを考慮して、光ファイバー５１１ｘの中間部分の図示を省略している。この光コネクタは、例えばレンズコリメーターを持つ光コネクタである。光ファイバー５１１ｘの他端は周波数シフター５１３ｘに接続されており、レーザー光Ｌ_2,xは周波数シフター５１３ｘに入る。レーザー光Ｌ_2,xの周波数は、周波数シフター５１３ｘによってシフトされる。シフト量は、周波数シフター５１３ｘへの入力信号周波数ｆ_xに依存する。この結果、レーザー光Ｌ_2,xは位相変調される。光ファイバー５１４ｘの一端が周波数シフター５１３ｘに接続されており、周波数シフター５１３ｘから出たレーザー光Ｌ_2,xは光ファイバー５１４ｘに入る。光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと周波数シフター５１３ｘとの接続には光コネクタが用いられる。レーザー光Ｌ_2,xは、光ファイバー５１４ｘの他端に取り付けられている光コネクタから出て、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４ｘを通過し、さらに１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、右円偏光σ_2,x^+,rになる。この結果、偏光保持ファイバーＰＭＦからのレーザー光に由来する右円偏光σ_1,x^+,iおよび光学変調装置５１０ｘからのレーザー光に由来する右円偏光σ_2,x^+,rが自由空間中を対向伝播し、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）が得られる。

【0042】

＜第４例＞
第４例は、第３例の変形例である。光学変調装置５１０ｘは、さらに、３ポートタイプの光サーキュレーター５１５ｘを含む。周波数シフター５１３ｘの一端は光ファイバー５１１ｘの一端に接続されており、光ファイバー５１１ｘの他端は光サーキュレーター５１５ｘの第１ポートに接続されており、周波数シフター５１３ｘの他端は光ファイバー５１４ｘの一端に接続されており、光ファイバー５１４ｘの他端は光サーキュレーター５１５ｘの第３ポートに接続されている。光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと周波数シフター５１３ｘとの接続には光コネクタが用いられる。

【0043】

レーザー光Ｌ_1,xとレーザー光Ｌ_2,x（x∈{a,b,c}）は、１/４波長板ＱＷＰ１ｘを通過し、右円偏光σ_1,x^+,iと左円偏光σ_2,x^-,iになる。右円偏光σ_1,x^+,iと左円偏光σ_2,x^-,iは、さらに１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ５ｘに入る。右円偏光σ_1,x^+,iに対応する直線偏光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ５ｘによって９０°反射し、図示しない光アイソレータに入る。左円偏光σ_2,x^-,iに対応する直線偏光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ５ｘを通過し、光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに取り付けられている光コネクタによって光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに導入される。この光コネクタは、例えばレンズコリメーターを持つ光コネクタである。この直線偏光は、第２ポートから第３ポートに伝達し、第３ポートに接続されている光ファイバー５１４ｘを経由して周波数シフター５１３ｘに入る。直線偏光の周波数は、周波数シフター５１３ｘによってシフトされる。シフト量は、周波数シフター５１３ｘへの入力信号周波数ｆ_xに依存する。この結果、直線偏光は位相変調される。周波数シフター５１３ｘから出た直線偏光は、周波数シフター５１３ｘに接続されている光ファイバー５１１ｘを経由して光サーキュレーター５１５ｘの第２ポートに導入される。位相変調された直線偏光は、第１ポートから第２ポートに伝達し、光コネクタから出る。レーザー光Ｌ_2,xに由来する直線偏光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ５ｘを通過し、再び１/４波長板ＱＷＰ２ｘを通過し、右円偏光σ_2,x^+,rになる。この結果、偏光保持ファイバーＰＭＦからのレーザー光に由来する右円偏光σ_1,x^+,iおよび光学変調装置５１０ｘからのレーザー光に由来する右円偏光σ_2,x^+,rが自由空間中を対向伝播し、進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）が得られる。

【0044】

３ポートタイプの光サーキュレーター５１５ｘの代わりに、４ポートタイプの光サーキュレーターを用いてもよい。この場合、第４ポートは使用されない。

【0045】

上述の実施形態から明らかなとおり、不要な次数の回折光をＡＯＭ３０７ｘとレトロリフレクターＲＲｘとの間で空間的に分離する再帰反射光学構成と異なり、光ファイバーでレーザー光を導く光学構成は、光ファイバーの伝播モードの選択または分離によって不要な次数の回折光を除去できる。さらに、光ファイバーでレーザー光を導く光学構成は、レンズＬＳ２ｘの焦点距離に由来する設計上の制約も受けない。加えて、ＡＯＭ３０７ｘへの入射レーザー光のビーム径―これは結晶中の音響波長よりも十分に大きく典型的には概ね0.5mmである―よりも光ファイバーのコア径―例えばシングルモード光ファイバーのモードフィールド径は典型的には概ね0.005mmである―は十分に小さいので、自由空間を伝播したレーザー光を光ファイバーに導入するためのレンズと光ファイバーまでの焦点距離は、レンズＬＳ１ｘとＡＯＭ３０７ｘとの間の距離よりも短くできる。したがって、光ファイバーでレーザー光を導く光学構成は、小型の原子ジャイロスコープと小型の原子干渉計の実現に寄与する。

【0046】

再帰反射光学構成は、気流の影響、レトロリフレクターの動揺などの影響を受ける可能性があり、この影響を除去するための機構が必要であった。本実施形態によると、光学変調装置５１０ｘ（x∈{a,b,c}）はレトロリフレクターを含まないのでレトロリフレクターの動揺の影響を受ける可能性が無い。光学変調装置５１０ｘは光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘを含むので、光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘが気流の影響を受ける可能性が無いとは言えないが、光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘが気流などで動揺した場合のエラーキャンセル技術は既に知られている（参考文献１参照）。また、光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘを例えば留め具で固定することによって、気流の影響を受ける可能性を抑制することも可能である。
（参考文献１）Longsheng Ma, et al., “Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path,” Optics letters (1994), Vol.19, No.21, 1777-1779.

【0047】

マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００を原子ジャイロスコープとして利用する場合、観測部４００によって、励起状態の原子のポピュレーションから角速度または加速度を検出する処理を行ってもよい。励起状態の原子のポピュレーションから角速度または加速度を検出する処理は良く知られているので説明を省略する。

【0048】

上述の実施形態ではマッハ-ツェンダー型原子干渉スキームを採用したが、例えばラムゼー-ボーデ型原子干渉スキームを採用してもよい。
偏光保持ファイバーからのレーザー光に由来する左円偏光σ_1,x^-,iおよび光学変調装置５１０ｘ（x∈{a,b,c}）からのレーザー光に由来する左円偏光σ_2,x^-,rから進行光定在波２００ｘ（x∈{a,b,c}）を得てもよい。
さらに、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.

【0049】

請求の範囲と明細書において、特に断りが無い限り、「接続された」という用語とこのあらゆる語形変形は、互いに「接続」された２個の要素の間に１個又はそれ以上の中間要素が存在することを必ずしも否定しない。

【0050】

請求の範囲と明細書において、序数詞は、特に断りが無い限り、序数詞で修飾されるまたは序数詞と結合する要素を当該要素の順序または当該要素の量で限定することを意図しない。序数詞の使用は、特段の断りが無い限り、単に、２個以上の要素を互いに区別する便利な表現方法として使用される。したがって、例えば語句「第１のＸ」と語句「第２のＸ」は、２つのＸを区別するための表現であり、Ｘの総数が２であることを必ずしも意味せず、あるいは、第１のＸが第２のＸに先行しなければならないことを必ずしも意味しない。「第１」という用語について、必ずしも「最初」を意味するとは限らない。

【0051】

請求の範囲と明細書において、用語「含む」とその語形変化は非排他的表現として使用されている。例えば、「ＸはＡとＢを含む」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素―例えばＣ―を含むことを否定しない。また、或る文が用語「含む」またはその語形変化が否定辞と結合した語句―例えば「含まない」―を含む場合、当該文はその目的語について言及するだけである。したがって、例えば「ＸはＡとＢを含まない」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素を含む可能性を認めている。さらに、用語「または」は排他的論理和ではないことが意図される。

【0052】

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るものではない。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、添付の特許請求の範囲によって規定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】

【0053】

１００ 原子線源
１００ａ 原子線
１００ｂ 原子線
２００ 干渉システム
２００ａ 第１の進行光定在波
２００ｂ 第２の進行光定在波
２００ｃ 第３の進行光定在波
３００ 光学システム
３０１ マスターレーザー光源
３０２ ＥＯＭ
３０３ 第１スレーブレーザー光源
３０４ 第２スレーブレーザー光源
３０５ ビーム整形器
３０６ ビーム分配器
３０７ａ ＡＯＭ
３０７ｂ ＡＯＭ
３０７ｃ ＡＯＭ
３１１ レーザー光源
３１２ ＥＯＭ
３１３ａ 光ファイバーカプラ
３１３ｂ 光ファイバーカプラ
３１３ｃ 光ファイバーカプラ
３１３ｄ 光ファイバーカプラ
３１３ｅ 光ファイバーカプラ
３１４ａ ＶＯＡ
３１４ｂ ＶＯＡ
３１４ｃ ＶＯＡ
３１５ａ ビーム整形器
３１５ｂ ビーム整形器
３１５ｃ ビーム整形器
３１６ａ ビーム整形器
３１６ｂ ビーム整形器
３１６ｃ ビーム整形器
４００ 観測部
４０８ プローブ光
４０９ 光検出器
５００ マッハ-ツェンダー型原子干渉計
５１０ａ 光学変調装置
５１０ｂ 光学変調装置
５１０ｃ 光学変調装置
５１１ａ 光ファイバー
５１１ｂ 光ファイバー
５１１ｃ 光ファイバー
５１３ａ 周波数シフター
５１３ｂ 周波数シフター
５１３ｃ 周波数シフター
５１４ａ 光ファイバー
５１４ｂ 光ファイバー
５１４ｃ 光ファイバー
５１５ａ 光サーキュレーター
５１５ｂ 光サーキュレーター
５１５ｃ 光サーキュレーター
９００ マッハ-ツェンダー型原子干渉計
ＢＳ１ ビームスプリッター
ＨＷＰ１ １/２波長板
ＨＷＰ２ １/２波長板
ＨＷＰ３ａ １/２波長板
ＨＷＰ３ｂ １/２波長板
ＨＷＰ３ｃ １/２波長板
ＬＳ１ａ レンズ
ＬＳ１ｂ レンズ
ＬＳ１ｃ レンズ
ＬＳ２ａ レンズ
ＬＳ２ｂ レンズ
ＬＳ２ｃ レンズ
Ｍ１ ミラー
Ｍ２ ミラー
ＭＬ マスターレーザー光
ＰＢＳ１ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ２ａ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ２ｂ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ２ｃ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ３ａ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ３ｂ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ３ｃ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ４ａ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ４ｂ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ４ｃ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ５ａ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ５ｂ 偏光ビームスプリッター
ＰＢＳ５ｃ 偏光ビームスプリッター
ＰＭＦ 偏光保持ファイバー
ＱＷＰ１ａ １/４波長板
ＱＷＰ１ｂ １/４波長板
ＱＷＰ１ｃ １/４波長板
ＱＷＰ２ａ １/４波長板
ＱＷＰ２ｂ １/４波長板
ＱＷＰ２ｃ １/４波長板
ＲＲａ レトロリフレクター
ＲＲｂ レトロリフレクター
ＲＲｃ レトロリフレクター
ＳＬ１ 第１スレーブレーザー光
ＳＬ２ 第２スレーブレーザー光

【要約】

【課題】小型の原子干渉計を提供する。
【解決手段】原子干渉計５００は、第１レーザー光が伝播する光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと、光ファイバー５１１ｘ，５１４ｘと接続されており且つ第１レーザー光の周波数をシフトする周波数シフター５１３ｘと、を含む光学変調装置５１０ｘを含み、光学変調装置５１０ｘからの第１レーザー光および光学変調装置５１０ｘからの第１レーザー光と対向するもう一つの第２レーザー光から進行光定在波を生成する光学システム３００と、原子線１００ａと３個以上の進行光定在波２００ａ，２００ｂ、２００ｃが相互作用する干渉システム２００を含む。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】