JP5373105B2 - 小型核磁気共鳴ジャイロスコープのための小型光学セル - Google Patents

Description

本発明は一般的に光学セルに関する。特に、本発明は、小型核磁気共鳴ジャイロスコープ中に包含することが可能な光学アセブリに関する。

回転センサとして使用される希ガス原子核の中で巨視的核モーメントを達成することと、それらの希ガスモーメントを探知するための手段を達成するために、ＮＭＲジャイロスコープは、光学的に励起されたアルカリ原子を使用する。ＮＭＲジャイロスコープでは、アルカリのゼーマンレベルのスピンモーメントが、衝突を介して、希ガス原子の原子核に転移される。それに続く、適用磁場の周りのモーメントの歳差運動は、アルカリ原子に対するその効果によって観測され、光ビームの変調として検知される。２つの希ガス装置の歳差運動周期を比較することによって、望ましい回転効果が抽出される。ＮＭＲジャイロスコープの基本的動作は、米国特許第４，１５７，４９５号（Grover, Kanegsberg, Mark, Meyer)に記述されている。

米国特許第４，１５７，４９５号

小型ＮＭＲジャイロスコープなどで使用するのに適した小型光学セルは、入射レーザビームを、ポンプビームと検出ビームに分割するために設置されたビームスプリッタを含んでいる。ポンプビームは、ビームスプリッタを通過し、一対のミラーで反射して、１／４波長板に向かい、相互作用セルに入射する。相互作用セルを通過した後、ポンプビームはミラーで反射して、第１光検出器に入る。検出ビームは、ビームスプリッタで反射して、ポンプビームの経路と鉛直な経路を伝播して、相互作用セルに向かう。相互セルを通過した後、検出ビームは、偏光子に入射する。検出ビームの偏光された部分は、光検出器に入射する。

光学セルを形成するための本発明の方法は、光学信号を提供する光学信号源を配置するステップと、その光学信号をポンプビーム光学経路の中のビームスプリッタを通過するポンプビームと、検出ビーム光学経路の中のビームスプリッタによって反射される検出ビームとに分割するようにビームスプリッタを配置するステップを含む。この方法はまた、ポンプビームが１／４波長板に入射するように１／４波長板を配置し、ポンプビームが１／４波長板を伝播して通過した後、ポンプビームと検出ビームの光学経路が、相互作用セルの中で交差するように、そのポンプビームを向かわせるように配置した一対のミラーを配置するステップも更に含む。この方法は更に、ポンプビームがＮＭＲを出射した後、ポンプビームを検出するために第１光検出器を配置し、検出ビームが相互作用セルを出射した後、検出ビームが検出器偏光子に入射するように検出器偏光子を配置し、検出ビームが検出器偏光子を通って伝播した後、検出ビームを検出するための第２光検出器を配置するステップを含んでいる。

本発明の方法は、好ましくは、更に、偏光ビームスプリッタとして、ビームスプリッタを形成し、偏光ビームスプリッタに入射する前に、光学信号が、光源１／４波長板と光源偏光子を通過するように光源１／４波長板と光源偏光子を配置し、相互作用セルを通過したポンプビームは円偏光され、相互作用セルを通過した検出ビームは直線偏光されるように光源偏光子と、偏光ビームスプリッタを配置するステップを含む。

本発明の方法は、ポンプビームと検出ビームとの間の可変分割比を有するように偏光ビームスプリッタを形成し、調整可能な偏光角を有するように光源偏光子と検出器偏光子を形成するステップを更に含むことが出来る。

本発明の光学セルの上面図である。 本発明の右側面図である。 本発明の光学セルの前面図である。 本発明の光学セルの左側面図である。 本発明の光学セルの背面図である。

図１〜５に示すように、光学セルアセンブリ１０は、ガラス又は同様な材料から形成することが出来るフレーム１２を含む。好ましくは、フレーム１２は、一対の主要部分１４、１６を含む。主要部分１４は、複数のブロック１８〜２１を含むことが出来、また主要部分１６は、ガラス又はその他同様な材質で形成される複数のブロック２４〜２９を含むことが出来る。その２つの主要部分１４、１６は、好ましくは、互いに隣接するように配置される。本発明を視覚化するために、ブロック１８〜２１と２４〜２９は、本発明の範囲を限定しない立方体形状を有すると見なすことが可能である。

図４を参照すると、主要部分１４の中のブロック１８は、外部表面３４からブロック１８内のミラー３６まで延びる通路３２を含んでいる。図４に示すように、光学信号源３８は、ブロック１８の表面３４近傍に設置される。光学信号源３８は、好ましくは、公知であって、販売されている垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。光学信号源３８から出力された光学信号は、第１の１／４波長板４０と偏光子４２を通過して通路３２に入る。光学信号はミラー３６に伝播するが、そのミラーは、光学信号を９０°の角度方向に反射して、ブロック１９を通過してブロック２０の中にまで延びている通路４４の中に送る。ブロック２０内のミラー４６は、光学信号を、ブロック２０内のミラー４６からブロック２１内のミラー５０に延びる通路４８を通るように反射する。

図４及び５を参照すると、ミラー５０は、ブロック２１内の通路５２を通るように光源光を反射して、ブロック２４の中に送るが、このブロック２４において、その光源光は、第１主要部分１４から第２主要部分１６内に伝播する。次に、光源光は、視準レンズ５４を通り、ブロック２４内のミラー５６に伝播する。ミラー５６は、その光ビームを反射すると、光ビームは、ブロック２５内の偏光ビームスプリッタ６０に入射する。

図２及び５を参照すると、ポンプビーム６１は、ブロック２５内のビームスプリッタ６０を通過して、ブロック２６に進入する。ポンプビーム６１は、今度は、ミラー６６に伝播する。次に、そのポンプビーム６１は、ミラー６６で反射して、ブロック２７内のミラー７０に向かう。図２に示すように、ポンプビーム６１は、ミラー７０で反射して、ブロック２８に進入する。ポンプビーム６１は、ブロック２８内の第２の１／４波長板７４を通過して、同様にブロック２８内の相互作用セル７６に向かう。相互作用セル７６を通過後、ポンプビーム６１はブロック２９に進入して、ミラー７８に入射するが、ミラー７８は、ポンプビーム６１をブロック２９から外に反射して、光検出器８０に入射する。

ブロック２５において、検出ビーム８３と称される光源ビームの第２部分がビームスプリッタ６０で反射する。検出ビーム８３は、ブロック２５を通ってブロック２８内に伝播するが、このブロック２８内で、検出ビーム８３は相互作用セル７６を通過して、偏光子８４に到達する。従って、ポンプビームと検出ビーム８３は相互作用セル７６を通る互いに鉛直な経路を通ることが図２で確認出来る。偏光子８４を通過後、検出ビームは、光検出器８６に入射する。

参照番号を付けたブロック１８〜２９で示された光学アセンブリの全体サイズは、好ましくは、約４×４×６ｍｍである。これには、ＶＣＳＥＬレーザ源３８と、２個のフォトダイオード検出器８０、８６と、信号処理電子機器（図示せず）が設置される隣接する基板（図示せず）は含まれていない。光学アセンブリ１０は、好ましくは、次の特徴を有している。
（１）光ビームは、ブロック２１と２４の間のたった一ヶ所で、第１部分１４から第２部分１６に移行する。
（２）第１部分１４は、視準前の発散するレーザビームの横方向展開のための最大距離を可能にする折り曲げられた経路レイアウトを含む。
（３）第２部分１６は、ビームの視準、ビームの分割、セル２５を介した２つの直交する方向へのビームの伝播、及び２つの光検出器８０、８２へのビーム搬送などの多くの機能を有している。

光学アセンブリ１０の動作に対する重要事項は、偏光光学素子４２、６０及び８４の配置と方向設定である。これらの偏光光学素子構成要素４２、６０及び８４は、ＮＭＲセル７６のための４つの動作条件を提供するために必要である。これらの４つの条件は、
（１）ブロック２７から、相互作用セル７６を通って、光検出器８０に至るポンプビーム６１の円偏光、
（２）ブロック２５から、相互作用セル７６を通って、光検出器８６に至る検出ビーム８３の直線偏光、及び
（３）相互作用セル７６の最適動作のための、ポンプビーム６１と検出ビーム８３の出力の可変分割比。
（４）相互作用セル７６の最適動作のための、可変偏光角偏光子８４による光検出器８６における検出ビームの審査。

第１の１／４波長板４０は、偏光軸が、ＶＣＳＥＬ源３８の直線偏光出力に対して４５°である時、円偏光された光を生成する。円偏光された光は、第１の１／４波長板４０から第１偏光子４２に入射する。偏光角は、下流のブロック２５の偏光ビームスプリッタ６０における分割比を制御するために調整可能である。偏光子４２を通して送られる出力は、入射光が円偏光であるので、偏光子の角度から独立している。

第１偏光子４２からの、ブロック１８、２０、２１及び２４内のターニングミラー３６、４６、５０及び５６による４回の反射によって楕円偏光された光は、偏光ビームスプリッタ６０に入射する。入力光のＳ状態要素は、ビームスプリッタ６０によって反射されて、相互作用セル７６、次に、そこを出て光検出器８６に送達され、Ｐ状態要素は、ビームスプリッタ６０によって送られ、それぞれ、ブロック２６、２７のターニングミラー６６、７０に送達され、次に第２の１／４波長板７４に送達される。

第２の１／４波長板７４は、そこに入射した直線偏光された光を、相互作用セル７６を励起する円偏光された光に変換する。入射光の偏光は、この紙面に平行であり、第２の１／４波長板７４の軸は、この方向に対して４５°である。

調整可能な角度を有する第２偏光子８４は、検出ビーム８３のために使用される。

相互作用セル７６は、約１立方ミリメートルの体積を有するＮＭＲジャイロスコープのためのアルカリ希ガスセルから構成されている。相互作用セル７６は、好ましくは、ＶＣＳＥＬレーザ源３８、２個の光学検出器８０及び８６、信号処理電子機器、及び光学アセンブリ１０を伴った、１立方センチメートルオーダーの磁気的にシールドされた体積内に設置される。

光学アセンブリ１０は、好ましくは、ＶＣＳＥＬレーザ源３８と、２個の光検出器８０及び８６が、すべてのあるいは大部分の信号処理電子機器（図示せず）と共に、共通の基板（図示せず）の上に設置されるように設計される。ＶＣＳＥＬ源３８から相互作用セル７６に至る経路は、このアセンブリの全体の小さなサイズによって規定される制限内で最大限の長さに設定されており、その結果、相互作用セル７６の体積を満たす約１ミリメートルの直径の視準された光ビームを生成することが出来る。

光の偏光分析
図１〜５を参照すると、上面図は、ｘ−ｚ平面で、図２及び４の右及び左側面図はｘ−ｙ平面とする。図３及び５の前面及び背面図は、ｙ−ｚ平面である。ブロック１８、２０、２１及び２４は、第１の偏光子４２とビームスプリッタ６０との間に、それぞれターニングミラー３６、４６、５０及び５６を有する。表１は、入射面、伝播ベクトル方向、ターニングミラー３６、４６、５０及び５６とビームスプリッタ６０に入射する光のＳ状態偏光ベクトル方向とＰ状態偏光ベクトル方向を示す表である。ターニングミラー３６、４６、５０及び５６とビームスプリッタ６０のＳ状態偏光ベクトルは、入射面と伝播方向に対して垂直であり、一方、Ｐ状態偏光ベクトルは、入射面内にあり、伝播方向に対しては垂直である。

ｚ軸に沿って偏光されたＳ偏光光だけが、ミラー３６に入射して、ビームが伝播するにつれて、ビーム偏光ベクトル方向をたどると仮定する。表２は、ターニングミラー３６、４６、５０、５６及びビームスプリッタ６０の各々に対する入射光の順番を示す。

ｙ軸に沿って偏光されたＰ偏光光だけが、ミラー３６に入射すると仮定する。表はこの場合の順番を示している。

表２は、ミラー３６に投射された直線Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッタ６０に入射する直線Ｐ偏光光となり、偏光ビームスプリッタ６０は、この光のすべてを光検出器８０に向けた経路内に伝送することを示している。表３は、直線Ｐ偏光光は、偏光ビームスプリッタ６０に入射する直線Ｓ偏光光となることを示しているが、この偏光ビームスプリッタ６０は、この光すべてを光検出器８６に反射する。第１偏光子４２は、ｚ軸に沿ったＳ偏光光のために角度θ＝０°を有し、ｙ軸に沿ったＰ偏光光のために角度９０°を有するものとする。第１偏光子４２からの電場要素は、

である。

Ｅ_ＳとＥ_Ｐは両方とも、直線偏光された要素として、ビームスプリッタ６０に伝播する。ミラーでのロスは全く無く、電場要素Ｅ_Ｓ及びＥ_Ｐは、ビームスプリッタ６０において、次の関係になる。

上述のＳ及びＰの反転に注目して欲しい。位相ψ_Ｐ、ψ_Ｓは、４つのターニングミラー３６、４６、５０、５６からの反射によって生じる。位相差ψ_Ｐ−ψ_Ｓは、その４つのミラー３６、４６、５０、５６による反射の際の正味の遅延特性である。０や１８０°の倍数ではないψ_Ｐ−ψ_Ｓの場合や、０と１８０°の間の角度θの一般的な場合、ビームスプリッタ６０に入射する光は楕円偏光を有する。

偏光ビームスプリッタ６０から反射されたＳ偏光光に対するＰ偏光されて伝送された光の強度比は次式で表わされる。

この比率は、ターニングミラー３６、４６、５０、５６のミラー遅延特性の関数ではない。３次元における任意の入射角を有する一連のターニングミラー３６、４６、５０、５６には、（３）の式は適用されない。この挙動は、最も近い近傍のミラーがお互いに平行であるか垂直である一連のターニングミラーの場合に存在する。

ブロック２６、２７及び２９の同一面内のターニングミラー６６、７０及び７８に関してはこれまで述べていない。ミラー６６、７０及び７８に入射する光は、常にｚ軸に垂直にＰ偏光され、光検出器８０によって受光された出力は偏光とは独立しているので、ミラー７８に入射する光は、どのような偏光作用も受けることが出来る。

構成要素
小型波長板、偏光子、ビームスプリッタ、ターニングミラー及びレンズは、図１〜５に示した光学アセンブリ１０用に市販されている。例えば、ポラコール（Polarcor）で作られた偏光子と、薄い水晶板で作られた波長板は、厚さ０．１乃至０．５ｍｍで、直径１．０ｍｍ以下である。

図１〜５に示すブロックは、光学セルの寸法と全体のレイアウトを記述する象徴的な装置として使われている。８のブロック位置を占める７つのターニングミラーと、１つのビームスプリッタがある。ミラーを含むブロックを互いに隣接させて接合させたモジュラー構造の方法を使用することが出来る。このアセンブリをもっと頑丈にするために、薄い補強板（図示せず）を、左右の側面図で表わした表面に取り付けることも可能である。

ＮＭＲジャイロスコープの応用において、ブロック２８内の相互作用セル７６は、光学アセンブリ１０にしっかりと取り付けられており、高温に保持されなければならない。右側面の薄い補強板は、加熱のための熱の通り道であると同時に、相互作用セル７６の主要取り付け場所として使用される高い熱伝導率を有する堅牢な材質で製作することが出来る。

１０ 光学セル
１２ フレーム
１４ 主要部分（第１部分）
１６ 主要部分（第２部分）
１８〜２１、２４〜２９ ブロック
３２、４４、４８、５２ 通路
３４ 表面
３６、４６、５０、５６、６６、７０、７８ ミラー
３８ 光学信号源
４０、７４ １／４波長板
４２ 光源偏光子
５４ 視準レンズ
６０ 偏光ビームスプリッタ
６１ ポンプビーム
７６ 相互作用セル
８０、８６ 光検出器
８３ 検出ビーム
８４ 検出器偏光子

Claims (6)

1. 光学信号を提供するための光学信号源（３８）と、
   前記光学信号源（３８）の後段に設けられた光源１／４波長板（４０）、光源偏光子（４２）と、前記光源偏光子（４２）を通過した前記光学信号を、ポンプビーム光学経路の中のビームスプリッタ（６０）を通過するポンプビーム（６１）と、検出ビーム光学経路の中のビームスプリッタ（６０）によって反射する検出ビーム（８３）とに分割するためのビームスプリッタ（６０）と、
   前記ポンプビーム（６１）が入射するように配置された１／４波長板（７４）と、
   ポンプビーム（６１）が１／４波長板（７４）に伝播して通過した後、ポンプビーム（６１）と検出ビーム（８３）の光学経路が相互作用セル（７６）領域の中で相互に交差するように前記ポンプビーム（６１）を向かわせるように配置した一対のミラー（６６、７８）と、
   前記ポンプビーム（６１）が相互作用セル（７６）領域を出射した後、円偏光されたポンプビーム（６１）を検出するための第１光検出器（８０）と、
   前記検出ビーム（８３）が、相互作用セル（７６）領域を出射した後、直線偏光された検出ビーム（８３）が入射するように配置された検出器偏光子（８４）と、
   前記検出ビームが伝播して前記検出器偏光子を通過した後、その検出ビームを検出するための第２光検出器（８６）と前記偏光ビームスプリッタ（６０）は、前記ポンプビーム（６１）と前記検出ビーム（８３）の間の可変分割比を有し、前記光源偏光子（４０）と前記検出器偏光子（８４）は、調整可能偏光角を有することを特徴とする光学セル。
2. 視準された光学信号を、偏光ビームスプリッタ（６０）に提供するように配置された視準レンズ（５４）を更に具備する請求項１の光学セル。
3. 相互作用セル（７６）は、核磁気共鳴ジャイロスコープを具備する請求項１の光学セル。
4. 光学信号を提供する光学信号源（３８）を配置するステップと、
   前記光学信号源（３８）の後段に設けられた光源１／４波長板（４０）、光源偏光子（４２）と、前記光源偏光子（４２）を通過した前記光学信号を、ポンプビーム光学（６１）経路の中のビームスプリッタ（６０）を通過するポンプビーム（６１）と、検出ビーム（８３）光学経路の中のビームスプリッタ（６０）によって反射する検出ビーム（８３）とに分割するようにビームスプリッタ（６０）を配置するステップと、
   前記ポンプビーム（６１）が、入射するように１／４波長板（７４）を配置するステップと、
   ポンプビーム（６１）が、１／４波長板（７４）を伝播して通過した後、前記ポンプビーム（６１）と前記検出ビーム（８３）が、相互作用セル（７６）の中で、相互に交差するように前記ポンプビーム（６１）を向かわせるように配置した一対のミラー（６６、７８）を配置するステップと、
   前記ポンプビーム（６１）が前記相互作用セル（７６）を出射した後、円偏光されたポンプビーム（６１）を検出するための第１光検出器（８０）を配置するステップと、
   前記検出ビーム（８３）が、相互作用セル（７６）を出射した後、直線偏光された検出ビーム（８３）が入射するように検出器偏光子（８４）を配置するステップと、
   前記検出ビームが伝播して前記検出器偏光子（８４）を通過した後、その検出ビーム（８３）を検出するために第２光検出器（８６）を配置するステップと、
   前記ポンプビーム（６１）と前記検出ビーム（８３）の間の可変分割比を有するように前記偏光ビームスプリッタ（６０）を形成するステップと、
   調整可能偏光角を有するように前記光源偏光子（４０）と、前記検出器偏光子（８４）を形成するステップとを更に具備する方法。
5. 視準された光学信号を、偏光ビームスプリッタに提供するように視準レンズ（５４）を配置するステップを更に具備する請求項４の方法。
6. 前記相互作用セル（７６）は、核磁気共鳴ジャイロスコープを含む請求項４の方法。
   

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