JPS59188514A - 核磁気共鳴セルの光学的ポンピング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 関する。一層詳しくは、本発明は核磁気共鳴セルの光学
ポンピングの改良に関する。

ジャイロスコープで核磁気共鳴（以下、ｒＮＭＲＪと呼
ぶ）を利用することが、１９７９年６月５日に許され、
本出願人に譲渡された米国シイ≧特許第４，１　５　７
，４　９　５　号に開示されている。

ここに開示されているジャイロスコープは、核磁気モー
メントを有する１種またはそれ以上のアイソトープのラ
ーモア歳差運動の周波数または位相の変化として感度軸
線まわりの慣性角回転率または角度変位量を感知する原
理に基づいて作動する。

ジャイロスコープは角回転センサおよびそれに組合わせ
た電子機器からなる。このセンサの主要構成要素は、光
源，ＮＭＲセル，光検出器，一組の磁気シールドおよび
一組の磁界コイルである。電子機器の主要構成要素とし
ては、ラーモア歳差運動の周波数および位相の情報を抽
出する信号処理回路の他、種々の磁界を発生し、制御す
る回路がある。これらの磁界は時間と共に正弦波的に定
常状態になったり変化したりする。これが装置の適正な
動作に必要なのである。

ＮＭＲセルは一組の磁気シールド内に装着されていて外
部磁界を許容低レベルまで減衰する。磁界コイルはＮＭ
Ｒセルの均一な磁界を与えるのに使用される。定常磁界
と交流キャリヤ磁界の両方が装置の感度軸線に沿って与
えられ、交流フィードバック磁界が横軸線のうちの１つ
に沿って与えられる。横軸線に沿った直流磁界はほぼゼ
ロになるまで制御される。ＮＭＲセルは、ただ一種類の
アルカリ金属蒸気、たとえば、ルビジウムの他、１種類
あるいはそれ以上の種類の貴ガス、たとえば、クリプト
ンあるいはキセノンを収容している。ヘリウムとか窒素
とかのような１種類あるいはそれ以上の種類のバッファ
・ガスをセルに収容してもよい。

前記特許に開示されているように、ＮＭＲセルは円偏波
光線の照射を受ける。この光線はルビジウム・ランプか
ら発し、定常磁界に対して成る角度でセルを通過する。

この光の若干のものが吸収され、ルビジウム原子の磁気
モーメントを定常磁界の方向に部分的に整合させる。こ
の整合状態は部分的に貴ガスの核磁気モーメントに伝え
られ、これらモーメントに定常磁界の方向についての歳
差運動を行なわせる。定常磁界は２種の貴ガスのラーモ
ア歳差運動周波数で回転する磁界を発生させる。これら
の回転磁界はルビジウム磁気モーメントの歳差運動を変
調し、これらの磁気モーメントは透過光の相当する変調
を生じさせ、それによって、２種の貴ガスのラーモア歳
差運動周波数を光学的に検出することを可能とする。

光の強度の変調は光検出器によって電気信号に変換され
、これらの電気信号は次に電子的に復調され、ｆ波され
て２種の貴ガスのラーモア歳差運動周波数の信号となる
。これら２種の歳差運動周波数の差を用いて定常磁界を
制御し、ほぼ一定とする。一方の貴ガスの歳差運動周波
数を精密基準周波数から減算し、その結果の周波数差が
ジャイロスコープの角回転速度の測定値となる。個々の
核磁気モーメントは極めて小さく、固有平衡状態でほぼ
ランダムな向きのモーメントが全原子に存在する。ただ
１つの方向においてこれらの磁気モーメントの重要部分
を方向付ける技術を使用して、巨視的な磁気モーメント
、したがって、測定可能信号を発生させる。

単種アルカリ金属システムおよび原子の両貴ガスシステ
ムの整合磁気モーメントは緩和のメカニズムを受けやす
く、時間経過でこれらの整合状態が減退し、ランダムな
平衡配向となる。モーメントの各システムは、個々の緩
和時定数を特徴とする。この時定数は全構成要素の種類
、量に依存し、また、セル内の全環境に依存する。モー
メントの各システムの定常部分整合は、光学的ポンピン
グ率および緩和時間の両方の関数である。

正しく調整した上記形式のＮＭＲジャイロスコープにお
いて光学的ポンピングおよび磁気測定検出のために利用
される無線周波付勢アルカリ金属蒸気ランプが、成る出
力周波数スペクトルを発生し、これはＮＭＲセル内のル
ビジウム蒸気の吸収スペクトルに極めて近い。これは発
光媒質、吸収媒質の両方に同じアルカリ金属蒸気を使用
しているからである。

無線周波付勢アルカリ金属蒸気ランプはＮＭＲセルの光
学的なポンピングを許容できる程度に行なうが、この種
の光源は寸法９重量、消費電力が比較的太きい。これに
より、実際のところ、ＮＭＲジャイロスコープは成る種
の用途には不向きであり、他の用途でもぎりぎりの効果
を発揮するにすぎない。

寸法２重量、消費電力の分野で蒸気ランプに比べて良好
な動作特性を持つ光学装置の１つとしてレーザー・ダイ
オードがある。これは、占有空間や電力についての要件
を比較的満足させることに加えて、光学ポンピング・プ
ロセスに周波数チューナビリティや高いビーム・コリメ
ーションを与えるという利点を持つ。

蒸気ランプと異なって、レーザーを用いたときの不利益
としては、光が固有の狭い帯域幅で生じるということで
ある。レーザー発光の狭い帯域幅というのは、多くの用
途にとっては非常に有利な性質ではあるが、ＮＭＲ信号
の量が限られるという欠点を持ち、これはＮＭＲセル内
のルビジウム（あるいは他のアルカリ金属）蒸気の吸収
スペクトルのかなりの部分を利用できないということか
ら生じる可能性がある。

本発明は、その第１の特徴として、ＮＭＲセルを光学的
にポンピングする方法を提供することによって従来技術
の前記およびその他の問題を解決する。この方法は、セ
ルに円偏波光線を向け、この光線のスペクトル・プロフ
ァイルを変えてセルの吸収プロファイルに近づけること
からなる。

第２の特徴によれば、本発明はＮＭＲセルを光学的にポ
ンピングする装置を包含する。

この装置は、レーザー・ダイオードと、このダイオード
を変調し、そこから放射されたレーザー光のスペクトル
・プロファイルをセルの吸収プロファイルに近づける手
段との組合わせからなる。

本発明の前述およびその他の特徴、利点は、添付図面を
参照しながらの詳細な説明から明らかとなろう。これら
の図面および以下の詳細な説明において、同様な符号は
同様な部分を示すのに用いている。

第１図は本発明に従って構成し、光学ボンピングを使用
するＮＭＲ式の回転センサ、すなわちジャイロスコープ
の概略図である。このジャイロスコープにおいて、アル
カリ金属蒸気ランプからの出力とは異なるレーザー光が
利用され、角運動量（すなわち、光学ボンピング）の発
生および信号検出プロセスの両方を遂行する。

このシステムはレーザー・ダイオード１０゜１２′を包
含し、これらのダイオードはそれぞれポンピング、検出
プロセスを実行する。実施例では三菱株式会社が部品番
号Ｍ　Ｌ　４００１−５３４，０の下に市販しているレ
ーザー・ダイオードを両プロセスのために使用した。こ
れらの感温式レーザーの作動温度は、それぞれ温度制御
ユニット１６．２０の制御の下に熱電ヒータ・クーラ１
４，１８によって調節する。レーザー・ダイオード電流
ドライバ２２がレーザー１０の出力を匍］御するための
注入電流を与える。レーザー１２も注入電流を与えるユ
ニット（図示せず）Ｋよって作動させられるが、レーザ
ー・ダイオード１２と組合ったユニットと異なり、レー
ザー・ダイオード電流ドライバ２２は本発明に従って電
源の電流出力を変調するための普通の波形整形・タイミ
ング回路を包含する。以下に明らかにするように、ドラ
イバ２２の出力電流はレーザー１０の周波数スペクトル
を変調してシステム性能を高める。

レーザー１０がら放射された光線は円形偏光子２４（四
分の一波長板でもよい）に当る。

偏光子２４を通過した後、光線はＮＭＲセル（１１） ２６に入る。レーザー光に応答してセル２６内で生じろ
成る種の原子的、電子的な相互作用を第２図を参照しな
がら以下に論議する。

ＮＭＲセル２６内の構成要素の温度は、温度制御ユニッ
ト２９と連動するヒータ・クーラ２８によって注意深く
制御される。セル２６まわりの局部的な磁界を磁界コイ
ル４２が発生し、同時に磁気シールド二重層４４が作用
して外部磁界の影響を減らす。

ダイオード１２から出たレーサー光線はダイオード１０
からの光線を横切る方向でＮＭＲセル２６を通して送ら
れ、次いで図示配置のミラー３０．３２．３４によって
オプトエレクトロニクス式検出回路に送られる。この分
野では周知のように、セル２６内に生じた歳差運動ＮＭ
Ｒ磁界はルビジウム蒸気の光学的活性を変調し、それ故
に、ダイオード１２がらの光線が、セル２６を通過した
、光学的に変調されてこのような活性を反映する。

ミラー３４での反射後、検出光線は出力偏（１２） 光器３６を通り、この出力偏光器は光線内のノイズを減
らす。本質的には光子量を制限する。出力光線の強度は
普通のシリコン光検出器３８に当った際に電子信号に変
換される。

適当な信号処理電子装置４ｏによってこの電子信号から
所望の回転データが導き出される。

第２図は、セル２６内の貴ガスの各々についての、セル
を透過した光の強度の光学ポンピング、変調プロセスを
示す概略図である。

これらのプロセスは使用した両前ガスについて同様なも
のであるから、１つの貴ガスについてのみ説明する。Ｎ
ＭＲセル２６に入った円偏波ポンピング光４６は図示の
Ｚ軸線に沿って移動し、レーザー・ダイオード１２から
の検出光４８は図示のＸ軸線に沿って移動する。光学ポ
ンピング光４６と定常磁界５゜（第１図のコイル４２で
発生）の相互作用により、ルビジウム原子５２の磁気モ
ーメントは優先的に２方向に整合する。この磁気モーメ
ント整合はルビジウム原子５２がら貴ガス原子核５４に
スピン・エックスチェンジ・プロセスで伝達される。

貴ガス原子核５４の集合的な磁気モーメントのラーモア
歳差運動周波数に周波数位相で合致する正弦波交流フィ
ードバック磁界５６がＸ方向に加えられ、これはＸ−Ｙ
平面に原子核の磁気モーメントを与える。この貴カス原
子核磁気モーメント成分は貴ガス・ラーモア歳差周波数
で定常磁界５０まわりにＸ−Ｙ平面内で歳差運動を行な
うことになる。この歳差運動を行なっている原子核磁気
モーメントは、強度ｈａ　の成る原子核歳差運動磁界を
生じさせる。この磁界はｘ−ｙ平面内で回転し、Ｙ方向
成分が（ｈａｃ。５゜ａｔ）に等しくなる。

検出光４８は定常磁界５０の周波数の下にあるルビジウ
ム５２、重畳交流キャリヤ磁界５８および原子核歳差運
動磁界ｈａ　　のＸ成分と反応する。この反応で、透過
光６０のＸ成分の強度がキャリヤ周波数ωＣに変調され
る。

この変調された光はシリコン光検出器３８によって電気
信号に変換される。

第３図はＲｂＸｅＮＭＲセル内のＲｂ　８７のＤ１遷移
（レーザー光の周波数範囲内で生じ、　る可能性がある
）についての測定した吸収スペクトルのグラフである。

セルは、純粋のＲｂ８７金属１０ないし２０マイクログ
ラムに加えて、約０．５　ＴｏｒｒのＸｅｌ　２９　、
２　ＴｏｒｒのＸｅ１．３　］　、　］、　ＯＯＴｏｒ
ｒのヘリウム、４０Ｔｏｒｒ　　の窒素ガスを含む。「
ｃ」、「ｄ」。

ｒｅＪ　、ｒｆＪで示す線はＤＩ遷移の超微細構造を示
す。セルは８０℃に保った。その結果得た吸収スペクト
ルはピーク対ピーク周波数分離が約６．８　ＧＨｚであ
る２つの主要成分からなる。吸収曲線の形はドツプラー
効果、温度、圧力、衝突による幅の広がりを示しており
、ＮＭＲセルに行く成る波長範囲のエネルギの付与に応
答して生じるＤ１遷移の発生見込みについての統計上の
標準を示している。

種々の波長（および周波数）の放射線は種（１５） 々のエネルギ・レベルに一致する。レーザー・ダイオー
ド１０からの光線のような円偏波放射線は、吸収時に、
ルビジウム蒸気のエネルギ状態に変化を生じさせるほか
、ルビジウム原子の角運動量にも正味変化を生じさせる
。

角運動量におけるこの正味変化は、ＮＭＲジャイロスコ
ープの満足できる動作を得るのに必要であり、種々の原
子状態の母集団差を示し、これらの原子状態は、量子理
論によれば、所与のルビジウム原子を示す。

第３図の曲線に内在するように、成る周波数範囲のレー
ザーエネルギはＮＭＲセルに吸収され得、上述のように
、この吸収はルビジウム原子の角運動量を部分的に高め
る。上述したように、この角運動量は、局部磁界で歳差
運動を行なって出力信号を発生するように作ることので
きるセル内にある貴カスの原子核に伝えられる。

第４図は、本発明に従って変調される注入電流（実線）
と変調の行なわれてない注入室（１６） 流（破線）によって駆動されるＭＬ４．０Ｏ１−５３４
０レーザー・ダイオードの発生する出カスベクトルのグ
ラフ（強度対波長）である。

実線曲線は、ピーク対ピーク値２．８ミリアンペア、直
流値２１ミリアンペアのレーザー・ダイオード電流ドラ
イバ２２からの１０キロヘルツ方形波電流で得た。レー
ザー・ダイオード１０は、第４図に示す特定の曲線につ
いて、ヒータ・クーラ１４および温度制御器１６によっ
て２４℃に保った。明らかなように、レーザー・ダイオ
ード１０のこうして得た出カスベクトルは直流によって
のみ駆動される出力に比べて充分に変えられている。し
たがって、本発明に従って変調されたレーザー・ダイオ
ードの出力は所与の電力入力について二重ピーク強度の
スペクトルを発生することになる。先の図から明らかな
ように、レーザー出力の強度は、交流変調注入電流を直
流注入電流によって駆動されるレーザー・ダイオードの
出カスベクトルよりもＮＭＲセルの吸収スペクトルに一
層近づけた結果として成る周波数範囲に広げられる。第
４図の２つの曲線を比較した場合、順直流駆動ダイオー
ドの破線出力は比較的狭（・スペクトルに集中したレー
ザー・エネルギを示し、これはＮＭＲセルの吸収スペク
トルの２つのピーク値の一方のみと一致するように最も
良く調整することができる。これは、吸収スペクトルの
形により一層近づけるように見えろ交流変調注入電流に
よって駆動されるレーザー出カスベクトルの形と太いに
異なる。

レーザー放射スペクトルをルビジウム吸収スペクトルに
かなり一致させた結果として、本発明に従ってレーザー
出力を変調させることによって、レーザーの発するエネ
ルギがより多くセル内の原子、電子に吸収され、ルビジ
ウム原子に与えられる角運動量を高め、したがって、シ
ステム全体の発生する信号量を増大させることになるこ
とは明らかである。

レーザー光の吸収量の増大はセル温度、それ故、Ｒｈ密
度を高めることによって達成することができた。この方
法は貴ガス原子核モーメントの横方向緩和時間を短縮し
、したがって、ジャイロ性能を悪化させることになった
。

この方法は、Ｒｈ蒸気が低密度の場合、レーザー・ダイ
オード・ポンピング率がＲｂ−Ｒｈスピンエックスチェ
ンジ率（Ｒｈ−Ｘｅ　　ジャイロスコープで生じる状態
）を大幅に越えたとき特に重要である。時間平均放射線
プロファイルを吸収プロファイルに合致するように整形
することによって、貴ガス原子核モーメント歳差運動を
悪化させることなくより効率良くポンピングを行なえる
。

本発明に従って注入電流を与える際、交流電流は、振動
時間がルビジウム原子の緩和時定数を越えないような周
波数を持って振動せねばならない。このように変調波形
を選定することによって、ＮＭＲセルの吸収プロファイ
ルの形で有利になる。変調電流の振動時間、それから生
じる２つの幅の広がりの故に相違（１９） する出力波長の強度時間が万が一ルビジウム緩和時定数
を越えた場合には、二重ピーク・レーザー・プロファイ
ルの時間平均効果は消滅し、ＮＭＲセルの吸収スペクト
ルに一層近似する実線曲線の二重ピーク幅広がり出力強
度スペクトルにつ（・ての上記利点はポンピング・シス
テムから無くなる。

第５図は２３°Ｃで作動するＭＬ４００１−５３４０レ
ーザー・ダイオードについての出力波長対注入電流のグ
ラフである。容易にわかるように、この曲線は一連の線
形応答範囲を示し、出力レーザー周波数を６．８　ＧＨ
ｚの範囲にわたって滑らかにかつ連続的に変調し得る作
動点の選択を説明している。

レーザー変調電流波形を正しく選択することによって、
第４図に示すように出カスベクトルを発生させることが
できることがわかった。この特別に選択した方形波は、
Ｄ１遷移構造の平均波長（すなわち、ＣＩ　ｄ　ｌ　ｅ
　ｌ　ｆ線の平均波長）に相当する直流値についての（
２０） 電流の振動によって選んだ。上述のように、波形の交流
成分の周波数は、ルビジウム豫和時定数が波形の周期分
を越えることがないように選定され、駆動電流のピーク
対ピーク値は、レーザー出力のハンプがルビジウム吸収
スペクトルのハンプとほぼ一致するように選定される。

本発明を好ましい実施例について説明してきたが、発明
はそれに限らない。特許請求の範囲に定義したような教
示範囲内で種々の変更、たとえば、ここに開示したもの
の均等物、二重ピーク・プロファイルにおけるピーク高
さを不均等にするように変調波形のデユーティサイクル
を調節すること、そして、ＮＭＲ吸収スペクトルとレー
ザー出力を合致させるようなレーザー変調交流波形の使
用などを含む変更が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学ポンピング装置を組込んだＮ
ＭＲ回転センサの概略図であり、第２図は本発明による
レーザー光学ポンピング・プロセスを説明するためのＮ
ＭＲセルの機能概略図であり、 第３図はルビジウムのＤ１吸収スペクトルを示す図であ
り、　。 第４図は本発明に従って変調した注入電流と変調を行な
わな（・注入電流とによって駆動されるＭ　Ｌ　４００
１−５３４．０レーザー・ダイオードの発生する出カス
ベクトルを示す図であり、 第５図はＭＬ４００１−５３４０レーザー・ダイオード
についての波長対注入電流特性・　を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０．１２・・・レーザー・ダイオード、２６・・・Ｎ
ＭＲセル、　３０、３２、３４・・・ミラー、３６・・
・出力偏光器、４０・・・信号処理電子装置、４６・・
・円偏波ポンピング光、４８・・・検出光、５２・・・
ルビジウム原子、　５４・・・貴ガス原子核、５６・・
・正弦波交流フィードバック磁界、５８・・・重畳交流
キャリヤ磁界、 ６０・・・透過光。 （２３）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 】、　核磁気共鳴セルの光学的ポンピング方法において
   、 ａ）前記セルに円偏拓レーザー光線を向ける過程と、 ｂ）前記レーザー光のスペクトル・プロファイルを近似
   的に前記セルの吸収プロファイルになるように変化させ
   る過程、 を包含することを特徴とする核磁気共鳴セルの光学的ポ
   ンピング方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記レ
   ーザー光のスペクトル・プロファイルを変化させる過程
   がレーザー・ダイオードを変調する段階を包含すること
   を特徴とする核磁気共鳴セルの光学的ポンピング方法。 ３　％許請求の範囲第２項記載の方法において、レーザ
   ー・ダイオードを変調する段階が前記ダイオードにあら
   かじめ選択された交流波形電流を印加するステップを包
   含することを特徴とする核磁気共鳴セルの光学的ポンピ
   ング方法。 ４、特許請求の範囲第３項記載の方法において、前記波
   形がセルの吸収スペクトルの超微細成分の平均波長に相
   当する直流値を有する方形波であることを特徴とする核
   磁気共鳴セルの光学的ポンピング方法。 ５、核磁気共鳴セルの光学的ボンピング装置において、 ａ）レーザー・ダイオードと、 ｂ）このダイオードから放射されるレーザー光のスペク
   トル・プロファイルカ近似的に前記セルの吸収プロファ
   イルになるように該ダイオードを変調する手段と の組合わせからなる核磁気共鳴セルの光学的ボンピング
   装置。 ６、特許請求の範囲第５項記載の装置において、前記変
   調する手段がセル吸収スペクトルの超微細成分の平均波
   長に相当する直流値を有する交流波形電流を印加する手
   段を包含することを特徴とする核磁気共鳴セルの光学的
   ポンピング装置。 ７、特許請求の範囲第６項記載の装置において、前記レ
   ーザー・ダイオードがＣＷ単モード型であることを特徴
   とする核磁気共鳴セルの光学的ポンピング装置。 ８、特許請求の範囲第７項記載の装置において、前記レ
   ーザーがＧａ　Ａｔ　Ａｓ　　ダイオード・レーザーで
   あることを特徴とする核磁気共鳴セルの光学的ポンピン
   グ装置。