WO2020116019A1 - 原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ - Google Patents

原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ Download PDF

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laser light
atomic
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atoms
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遼太郎 井上
俊之 細谷
敦史 田中
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Tokyo Institute of Technology NUC
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Definitions

  • the present invention relates to atom beam collimation technology.
  • collimated atomic beams have been used in atomic beam lithography and atomic interferometers.
  • a technique for collimating an atomic beam for example, a technique for collimating an atomic beam emitted from an atomic beam source using a plurality of slits spaced in the traveling direction of the atomic beam, or a two-dimensional magneto-optical trap (two- A technique for collimating using a dimensional magneto-optical trap; 2D-MOT) mechanism is known.
  • 2D-MOT two- A technique for collimating using a dimensional magneto-optical trap
  • Atomic beam collimation technology using slits can achieve good collimation depending on the arrangement of slits.
  • the atomic beam collimation technique using a slit reduces the atomic flux because the slit greatly restricts the progress of the atomic beam.
  • the atomic beam collimation technique using the slits is not suitable for miniaturization because the slits are long in the traveling direction of the atomic beam.
  • Atomic beam collimation technology that uses the 2D-MOT mechanism can achieve good atomic flux because it does not limit the progress of atomic beams. Further, the atomic beam collimation technique using the 2D-MOT mechanism can be carried out with a smaller size than the atomic beam collimation technique using a slit, particularly a small size in the traveling direction of the atomic beam. However, the atomic beam collimation technology using the 2D-MOT mechanism is difficult to achieve good collimation because the cooling temperature is limited by the natural width of the cooling transition.
  • the present invention can be carried out in a smaller size as compared with an atomic beam collimation technique using a slit, particularly in a small size in the traveling direction of an atomic beam, can reduce a decrease in atomic flux, and can achieve good collimation.
  • the purpose is to provide technology.
  • the atomic beam collimation method of the present invention irradiates an atomic beam with a first laser beam having a wavelength corresponding to a transition between a ground state and a first excited state, whereby A first step of selectively transitioning atoms in an atomic beam having a velocity component smaller than a desired velocity in an orthogonal direction from a ground state to a first excited state, and for the atomic beam, after the first step , By irradiating a second laser beam having a wavelength corresponding to the transition between the ground state and the second excited state, to give a recoil momentum to the atom in the ground state in the atomic beam, and as a result, A second step of changing the traveling direction of atoms in the ground state in the line, and a second step having a wavelength corresponding to the transition between the ground state and the first excited state after the second step with respect to the atomic beam.
  • the third step of irradiating the laser beam of No. 3 makes the atoms in the first excited state in the atomic
  • the atomic beam collimator of the present invention includes an irradiation unit that irradiates atomic beams with first, second and third laser beams.
  • the atomic beam is applied in the order of the first laser light, the second laser light, and the third laser light.
  • the first laser light is a laser light having a wavelength corresponding to the transition between the ground state and the first excited state.
  • the second laser light is a laser light having a wavelength corresponding to the transition between the ground state and the second excited state.
  • the third laser light is a laser light having a wavelength corresponding to the transition between the ground state and the first excited state.
  • the present invention compared with the atomic beam collimation technique using a slit, it can be carried out with a small size, particularly with a small size in the traveling direction of the atomic beam, the reduction of atomic flux can be reduced, and good collimation can be achieved.
  • an atomic beam collimator 700 collimates a thermal atomic beam 110 from an atomic beam source 100 contained within a vacuum vessel 200.
  • the atomic beam source 100 continuously generates a thermal atomic beam.
  • the speed of the thermal atom beam is, for example, about 100 m/s.
  • An example of the atomic beam source 100 will be described.
  • the atomic beam source 100 has, for example, a main body 100a and a nozzle 100b communicating with the main body 100a.
  • gas atoms are obtained by heating a solid made of a single element of high purity.
  • the gas atoms obtained in the main body part 100a go out of the atom beam source 100 from the heated nozzle 100b as the thermal atom beam 110. See FIG. 1 of Reference 1 for an example of the construction of such an atomic beam source 100.
  • Reference 1 Cvejanovic D and Murray A J, “Design and characterization of an atomic beam oven for combined laser and electron impact experiments,” Meas. Sci. Tech. 13 1482-1487 (2002).
  • the traveling direction of the thermal atomic beam 110 is the direction in which the line obtained by connecting the peaks of the density distribution of atoms contained in the thermal atomic beam 110 extends, and is usually the ejection direction of the nozzle 100b, that is, the central axis of the nozzle 100b. Coincides with the direction in which is stretched.
  • the flow of the gas atoms narrowed down by the discharge holes located at the tip of the nozzle 100b is not a parallel flow but a Knudsen flow, that is, a jet flow that jets at a small solid angle. It contains atoms that have a velocity component in the direction orthogonal to the direction of travel of the line.
  • the “direction orthogonal to the traveling direction of the thermal atomic beam” is simply referred to as “orthogonal direction”.
  • An outline of an embodiment based on this concept is as follows. First, an atom having a sufficiently small velocity component in the orthogonal direction is transited from the ground state to the first excited state. This is, so to speak, an evacuation to a safe zone for the atom. Next, before the atoms in the first excited state fall to the ground state by spontaneous emission, the momentum is given to atoms other than those in the ground state, that is, atoms having a sufficiently small velocity component in the orthogonal direction.
  • the direction of travel of the momentumed atoms is changed, and many of the momentumed atoms are removed from the thermal atomic beam 110.
  • stimulated emission returns atoms having a sufficiently small velocity component in the orthogonal direction from the first excited state to the ground state. This is, so to speak, an evacuation lift for the atom.
  • three laser beams arranged along the traveling direction of the atomic beam are used.
  • the laser light is preferably a Gaussian beam.
  • the arrangement of the three laser beams along the traveling direction of the atomic beam can have a total length shorter than the interval between the slits in the traveling direction of the atomic beam in the atomic beam collimation technique using a slit.
  • the reduction of atomic flux can be reduced as compared with the atomic beam collimation technique using the slit.
  • the thermal atomic beam 110 enters the atomic beam collimator 700 (see FIG. 1).
  • the atomic beam collimator 700 includes an irradiation unit 710 that irradiates the thermal atomic beam 110 with the first laser light 701a, the second laser light 701b, and the third laser light 701c from the orthogonal direction.
  • the thermal atomic beam 110 is independently irradiated in the order of the first laser beam 701a, the second laser beam 701b, and the third laser beam 701c along the traveling direction of the thermal atomic beam.
  • the first laser light 701a has a wavelength ⁇ 1 corresponding to the transition between the ground state of the atom in the thermal atomic beam 110 and its first excited state.
  • a wavelength ⁇ 1 corresponding to the transition between the ground state of the atom in the thermal atomic beam 110 and its first excited state.
  • the spread of the absorption spectrum line of the atom in the thermal atomic beam 110 irradiated with the first laser beam 701a for example, there is power broadening generated according to the laser intensity of the first laser beam 701a.
  • Power broadening is also called saturation broadening. Letting the full width at half maximum (FWHM) of this absorption line be ⁇ , the following (Eq.1a) holds. Especially, when the contribution of power broadening is large, the following (Eq.1b) may be considered to hold, as is well known.
  • ⁇ 1 is the natural width of the transition between the ground state and the first excited state
  • k 1 is the wave number of the first laser light 701a
  • I 1 is the power density of the first laser light 701a
  • I 0 is the saturation intensity of the transition.
  • the second laser light 701b has a wavelength ⁇ 2 corresponding to the transition between the ground state of the atom in the thermal atomic beam 110 and its second excited state.
  • the atoms receive momentum in the traveling direction of the second laser light 701b by repeating a number of cycles of absorption and emission. As a result, the traveling directions of the atoms that have not transited to the first excited state in the first step are changed (second step S2).
  • the atom in the first excited state falls to the ground state by spontaneous emission before the end of the process of the third step described later, the atom acquires a random recoil momentum due to spontaneous emission, and further, the second There is a problem that the recoil momentum is acquired by the laser beam 701b of 1), or the state is transited to the first excited state again by the third laser beam 701c. Therefore, the lifetime ⁇ 1 of the first excited state is determined by the start of the process of the first step, that is, the process of the third step from the time when a certain atom A in the thermal atomic beam 110 reaches the first laser beam 701a.
  • the axial distance between the central axis of the first laser light 701a and the central axis of the third laser light 701c is D, and the central axis of the thermal atomic beam 110 is In other words, the beam width of the first laser light 701a in the extension of the central axis of the nozzle 100b is W 1, and the beam width of the third laser light 701c in the central axis of the thermal atomic beam 110 is W 3 .
  • the lifetime ⁇ 1 of the first excited state preferably satisfies the following (Eq.2a).
  • Eq.2b the following (Eq.2b) holds.
  • the beam width of the laser light is, for example, 1/e 2 width at the beam waist.
  • the change in the traveling direction of the atom is also small.
  • the beam width of the second laser beam 701b at the central axis of the thermal atomic beam 110 is W 2
  • the estimated maximum value of the velocity component in the orthogonal direction of the atoms in the thermal atomic beam 110 is v 0.
  • v recoil, ⁇ 2 be the recoil velocity in the orthogonal direction that the atom in the line 110 receives from one photon in the second laser beam 701b. It is preferable that absorption of photon energy occurs v 0 /v recoil, ⁇ 2 times or more during the heating. That is, it is preferable that the lifetime ⁇ 2 of the second excited state satisfies the following (Eq.3a). Of course, in actual design, it is desirable that the following (Eq.3b) holds. Note that v recoil, ⁇ 2 is calculated by the following (Eq.4).
  • the third laser light 701c has a wavelength ⁇ 1 corresponding to the transition between the ground state and the first excited state.
  • the stimulated emission causes the atoms in the thermal atomic beam 110 in the first excited state to move from the first excited state. Transition to the ground state (third step S3).
  • a collimated thermal atomic beam 110a composed of atoms having a velocity component slower than ⁇ v in the orthogonal direction is obtained.
  • atoms having a velocity component slower than ⁇ v in the orthogonal direction acquire one recoil momentum in the traveling direction of the first laser beam 701a in the process of the first step, but by stimulated emission in the process of the third step. Since one recoil momentum is lost in the opposite direction, there is no change in the velocity component of the atom in the orthogonal direction.
  • the natural width ⁇ 2 of the transition between the ground state and the second excited state is 2 ⁇ 35 MHz, and the lifetime ⁇ 2 of the second excited state is 5 ns.
  • v 0 is at most 50 m/s.
  • v recoil, ⁇ 2 2.4 ⁇ 10 -2 m/s.
  • the thermal atomic beam 110 is irradiated 10 3 times while being irradiated with the second laser beam 701b. Since the absorption of the photon energy of 1 can occur, it is possible to give a sufficient recoil momentum to the atoms that have not transited to the first excited state in the first step. Therefore, it can be seen from this example that good collimation can be achieved.
  • the three laser beams satisfying the above-described conditions that is, the first laser beam 701a, the second laser beam 701b, and the third laser beam 701c, have beam waist, wavelength, and light intensity, respectively. It is realized by setting each appropriately.
  • the beam waist can be optically set, for example, by converging laser light with a lens, and the light intensity can be electrically set, for example, by adjusting the output. That is, the configuration of the individual laser beam generators does not differ from the conventional configuration, and thus the description of the configuration of the irradiation unit 710 in which the three laser beam generators are juxtaposed is omitted.
  • the laser light sources 721 and 722 and the lens 740 are schematically illustrated.
  • the laser light source of the first laser light 701a and the laser light source of the third laser light 701c may be the same.
  • the laser light from one laser light source 721 is split by the beam splitter 730 to obtain the first laser light 701a and the third laser light 701c.
  • the Mach-Zehnder atomic interferometer 500 includes an atomic beam source 100, an atomic beam collimator 700, an interference unit 250, a traveling light standing wave generation unit 350, and an observation unit 400 (see FIG. 4).
  • the atomic beam source 100, the interference section 250, and the observation section 400 are housed in a vacuum container (not shown).
  • the Mach-Zehnder atomic interferometer 500 utilizes Bragg diffraction of the nth order.
  • n is a predetermined positive integer of 2 or more.
  • the traveling light standing wave generation unit 350 includes three traveling light standing waves that satisfy the n-th Bragg condition, that is, a first traveling light standing wave 201a, a second traveling light standing wave 201b, and a third traveling light standing wave 201a.
  • the optical standing wave 201c is generated.
  • the first traveling light standing wave 201a functions as a splitter for atomic beams
  • the second traveling light standing wave 201b functions as a mirror for atomic beams
  • the third traveling light standing wave 201c functions as an atomic beam. It also satisfies the condition that each has the function as a combiner.
  • the three traveling light standing waves 201a, 201b, and 201c satisfying such conditions are respectively the beam waist, the wavelength, the light intensity of the Gaussian beam, and the difference frequency between the opposing laser lights. It is realized by setting appropriately.
  • the beam waist of the Gaussian beam can be optically set, for example, by converging laser light with a lens, and the light intensity of the Gaussian beam can be electrically set, for example, by adjusting the output of the Gaussian beam. That is, the generation parameter of the traveling light standing wave is different from the conventional generation parameter, and the configuration of the traveling light standing wave generation unit 350 that generates these three traveling light standing waves is not different from the conventional configuration.
  • the description of the configuration of the traveling light standing wave generation unit 350 is omitted.
  • a laser light source, a lens, a mirror, an AOM, etc. are schematically shown.
  • the thermal atomic beam 110a passes through the three traveling light standing waves 201a, 201b, 201c.
  • g, p 1 >in the same internal state is used.
  • the interaction between the first traveling light standing wave 201a and the atoms is appropriately set, specifically, the beam waist, the wavelength, the light intensity, and the difference frequency between the opposing laser lights are appropriately set.
  • g, p 1 > immediately after passing through the traveling light standing wave 201a of is 1:1.
  • the atom absorbs and emits 2n photons traveling in opposite directions, and when it transits from
  • g, p 1 >, it has a momentum ( p 1 -p 0 ) of 2n photons. obtain. Therefore, the moving direction of the atom in the state
  • g, p 1 > is based on the Bragg condition of the nth order.
  • the direction of the 0th-order light that is, the angle formed by the traveling direction of the atomic beam consisting of atoms in the state
  • the interaction between the second traveling light standing wave 201b and the atom is appropriately set, specifically, the beam waist, the wavelength, the light intensity, and the difference frequency between the opposing laser lights are appropriately set.
  • g, p 1 > is deviated from the moving direction of the atom in the state
  • g, p 1 >after passing through the second traveling light standing wave 201b is the state
  • the atom has the momentum obtained from 2n photons in the transition from
  • g, p 0 > is deviated from the moving direction of the atom in the state
  • g, p 0 >after passing through the second traveling light standing wave 201b is the state
  • p 0 > which is parallel to the traveling direction of the atomic beam of atoms.
  • g, p 1 > after inversion intersect with each other.
  • the interaction between the third traveling light standing wave 201c and the atom is appropriately set, specifically, the beam waist, the wavelength, the light intensity, and the difference frequency between the opposing laser lights are appropriately set.
  • the thermal atomic beam 110b corresponding to the superposition state with 1 > is obtained.
  • the traveling direction of the thermal atomic beam 110b obtained after passing through the third traveling light standing wave 201c is theoretically one or both of the direction of the 0th-order light and the direction based on the nth-order Bragg condition. Is.
  • the Mach-Zehnder atomic interferometer 500 is provided with an angular velocity or acceleration in a plane including two paths of the atomic beam from the action of the first traveling light standing wave 201a to the action of the third traveling light standing wave 201c. Is added, a phase difference occurs in the two paths of the atomic beam from the action of the first traveling light standing wave 201a to the action of the third traveling light standing wave 201c, and this phase difference causes the third progress. It is reflected in the existence probability of the state
  • the observation unit 400 can detect the angular velocity or acceleration by observing the thermal atomic beam 110b from the interference unit 250, that is, the thermal atomic beam 110b obtained after passing through the third traveling light standing wave 201c. ..
  • the observation unit 400 irradiates the thermal atomic beam 110b from the interference unit 250 with the probe light 408, and the fluorescence from the atom in the state
  • the photodetector 409 include a photomultiplier tube and a fluorescence photodetector.
  • spatial decomposition is improved, that is, two paths after passing through the third traveling light standing wave, specifically, an atomic beam and a state consisting of atoms of the state
  • a CCD image sensor can be used as the photodetector 409 because the distance between atomic lines made of atoms
  • a channel tron is used as the photodetector 409, one atom beam of the two paths after passing through the third traveling light standing wave is ionized by a laser or the like instead of the probe light, Ions may be detected by tron.
  • the atoms used in the Mach-Zehnder atomic interferometer 500 are preferably alkaline earth metal atoms or alkaline earth-like metals, provided that the atom selection conditions described in the above atomic beam collimator 700 are satisfied.
  • Alkaline earth metal atoms are calcium, strontium, barium and radium.
  • the alkaline earth metal atom is an atom having an electronic configuration that does not have a magnetic moment due to an electron spin in the ground state, and examples thereof include beryllium, magnesium, ytterbium, cadmium, and mercury. Since these atoms have two electrons in the outermost shell, the sum of the spin angular momentums of antiparallel electrons becomes zero, so they are not easily affected by the environmental magnetic field.
  • alkaline earth metal atoms alkaline earth metal atoms, stable isotopes of alkaline earth metal atoms, or stable isotopes of alkaline earth metal atoms, atoms that do not have a nuclear spin are It is not affected at all and is desirable.
  • Alkaline earth metal atoms, alkaline earth metal atoms, stable isotopes of alkaline earth metal atoms, and stable isotopes of alkaline earth metal atoms do not have a hyperfine structure. Cannot be identified by its internal state.
  • the spatial resolution of the output of the atomic interferometer is greatly improved by utilizing the higher-order Bragg diffraction, so that the output of the atomic interferometer can be visually recognized.
  • the atomic beam collimator 700 described above is useful for the Mach-Zehnder atomic interferometer 500 that utilizes the nth-order Bragg diffraction.
  • the Mach-Zehnder type atomic interference utilizing the Bragg diffraction of the nth order (n ⁇ 2) is used, but the atomic interferometer is not limited to this type, and, for example, traveling optical standing wave Mach-Zehnder type atomic interference using a two-photon Raman process may be used (see Reference 2).
  • Reference 2 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.
  • Mach-Zehnder type atomic interference in which one traveling splitting, one inversion, and one mixing are performed using three traveling optical standing waves is used.
  • the present invention is not limited to this type, and for example, multistage Mach-Zehnder type atomic interference in which a plurality of splits, a plurality of inversions, and a plurality of mixings are performed may be used. See Reference 3 for such multi-stage Mach-Zehnder type atomic interference. (Reference 3) Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A63, 063611 (2001)-Published 16 May 2001.
  • the atomic interferometer to which the atomic beam collimator of the present invention is applied is not limited to the Mach-Zender type atomic interferometer, and may be, for example, a Ramsey-Borde type atomic interferometer.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention.
  • the atomic beam source 100 is not limited to the thermal atomic beam source described above, but may be a cooled atomic beam source.
  • the third laser beam 701c is used for stimulated emission, it is required that the traveling direction of the third laser beam 701c be the same as and parallel to the traveling direction of the first laser beam 701a, Further, it is preferable that the traveling directions of the first laser light 701a and the third laser light 701c are orthogonal to the traveling direction of the atomic beam.
  • the traveling direction of the second laser beam 701b is the atomic beam.
  • the first laser beam 701a and the third laser beam 701c do not need to be parallel to each other.
  • ordinal numbers are not intended to limit the elements modified by the ordinal numbers or combined with the ordinal numbers by the order of the elements or the amount of the elements, unless otherwise specified.
  • the use of ordinal numbers is simply used as a convenient method of distinguishing two or more elements from one another, unless otherwise stated. Therefore, for example, the phrase “first X” and the phrase “second X” are expressions for distinguishing two Xs, and do not necessarily mean that the total number of Xs is 2, or Does not necessarily mean that the X of the must precede the second X.
  • first does not necessarily mean "first.”
  • the term “include” and its inflected forms are used as non-exclusive expressions.
  • the sentence “X includes A and B” does not deny that X includes components other than A and B (eg, C).
  • a sentence includes the term “comprising” or a phrase whose inflection is associated with a negation (eg, “does not include”), the sentence only refers to the object.
  • the sentence "X does not include A and B” acknowledges that X may include components other than A and B.
  • the term “or” is not intended to be exclusive OR.
  • atomic beam source 100a main body 100b nozzle 110 thermal atomic beam 200 vacuum container 700 atomic beam collimator 701a first laser beam 701b second laser beam 701c third laser beam 710 irradiation unit 721 laser light source 722 laser light source 730 Beam splitter 740 lens

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Abstract

原子線に対して第１のレーザー光（７０１ａ）、第２のレーザー光（７０１ｂ）、第３のレーザー光（７０１ｃ）を照射する。第１のレーザー光と第３のレーザー光は基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ。第２のレーザー光は基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ。まず、第１のレーザー光によって、原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さな速さ成分を持つ原子を基底状態から第１の励起状態に遷移させる。次に、第２のレーザー光によって、基底状態にいる原子に運動量を与える。運動量を与えられた原子は、進行方向を変更されて原子線から除去される。最後に、第３のレーザー光によって、直交方向に所望の速さより小さな速さ成分を持つ原子を第１の励起状態から基底状態に戻す。

Description

原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ
　本発明は、原子線コリメーション（collimation）技術に関する。
　近年、コリメートされた原子線が、原子線リソグラフィおよび原子干渉計などにおいて使用されている。原子線をコリメートする技術として、例えば、原子線源から出た原子線を、原子線の進行方向に間隔を空けた複数のスリットを用いてコリメートする技術、あるいは、２次元磁気光学トラップ（two-dimensional magneto-optical trap; 2D-MOT）機構を用いてコリメートする技術が知られている。前者の技術に関して、例えば非特許文献１の図２に示される構成を参照のこと。後者の技術に関して、例えば非特許文献２を参照のこと。
St. Bernet, R. Abfalterer, C. Keller, M. Oberthaler, J. Schmiedmayer and A. Zeilinger, "Matter waves in time-modulated complex light potentials," Phys. Rev. A 62, 023606 (2000). J. Schoser, A. Batar, R. Low, V. Schweikhard, A. Grabowski, Yu. B. Ovchinnikov, and T. Pfau, "Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap," PHYSICAL REVIEW A, 66, 023410 2002.
　スリットを用いる原子線コリメーション技術は、スリットの配置に応じて良好なコリメーションを達成できる。しかし、スリットを用いる原子線コリメーション技術は、スリットによって原子線の進行を大きく制限するので原子フラックスを低下させる。さらに、スリットを用いる原子線コリメーション技術は、原子線の進行方向におけるスリットの間隔が長いので小型化に不向きである。
　2D-MOT機構を用いる原子線コリメーション技術は、原子線の進行を制限しないので良好な原子フラックスを達成できる。さらに、2D-MOT機構を用いる原子線コリメーション技術は、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ、特に原子線の進行方向における小さいサイズで実施できる。しかし、2D-MOT機構を用いる原子線コリメーション技術は、冷却遷移の自然幅によって冷却温度に限界があるので良好なコリメーションを達成し難い。
　本発明は、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ、特に原子線の進行方向における小さいサイズで実施でき且つ原子フラックスの低下を低減でき、且つ、良好なコリメーションも達成できる原子線コリメーション技術を提供することを目的とする。
　本発明の原子線コリメーション方法は、原子線に対して、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第１のレーザー光を照射することによって、原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ原子線中の原子を基底状態から第１の励起状態に選択的に遷移させる第１ステップと、原子線に対して、第１ステップの後、基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第２のレーザー光を照射することによって、原子線中の基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、原子線中の基底状態にいる原子の進行方向を変更する第２ステップと、原子線に対して、第２ステップの後、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第３のレーザー光を照射することによって、原子線中の第１の励起状態にいる原子を第１の励起状態から基底状態に遷移させる第３ステップを有する。
　本発明の原子線コリメーターは、原子線に対して、第１、第２、第３のレーザー光を照射する照射部を含む。原子線は、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光の順で照射される。第１のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。第２のレーザー光は、基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。第３のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。
　本発明によれば、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ、特に原子線の進行方向における小さいサイズで実施でき且つ原子フラックスの低下を低減でき、且つ、良好なコリメーションも達成できる。
原子線コリメーションを説明するための図である。 原子線コリメーターにおける構成要素の寸法を説明するための図である。 基底状態と第１の励起状態と第２の励起状態の関係を説明するための図である。 原子線コリメーターを利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計を説明するための図である。 原子線コリメーションの処理フロー図である。
　図面を参照して、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。
　例示の実施形態では、原子線コリメーター７００が、真空容器２００内に収容されている原子線源１００からの熱的原子線１１０をコリメートする。
　原子線源１００は、熱的原子線を連続生成する。熱的原子線の速さは、例えば１００ｍ／ｓ程度である。原子線源１００の一例を説明する。原子線源１００は、例えば、本体部１００ａと、本体部１００ａに連通するノズル１００ｂを含む構成を持つ。本体部１００ａでは、純度の高い単一元素からなる固体を加熱することによって気体原子が得られる。本体部１００ａで得られた気体原子は、熱的原子線１１０として、加熱されたノズル１００ｂから原子線源１００の外部に出て行く。このような原子線源１００の構成の一例として参考文献１の図１を参照のこと。
（参考文献１）Cvejanovic D and Murray A J, “Design and characterization of an atomic beam oven for combined laser and electron impact experiments,” Meas. Sci. Tech. 13 1482-1487 (2002).
　熱的原子線１１０の進行方向は、熱的原子線１１０に含まれる原子の密度分布のピークを繋いで得られる線の伸びる方向であり、通常、ノズル１００ｂの射出方向、つまりノズル１００ｂの中心軸が伸びる方向に一致する。ノズル１００ｂの先端に位置する吐出孔で絞り込まれた気体原子の流れは平行流でなくクヌーセン流である、つまり微小立体角で噴出する噴出流であるから、熱的原子線１１０は、熱的原子線の進行方向と直交する方向の速さ成分を持つ原子を含む。以下、「熱的原子線の進行方向と直交する方向」を単に「直交方向」と呼称する。
　直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子以外の原子を熱的原子線１１０から除去することができれば、熱的原子線１１０の良好なコリメーションが達成される。このコンセプトに基づく実施形態のアウトラインは次のとおりである。まず、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子を基底状態から第１の励起状態に遷移させる。これは、言わば、原子にとっての安全地帯への避難である。次に、第１の励起状態にいる原子が自然放出によって基底状態に落ちる前に、基底状態にいる原子、つまり直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子以外の原子に運動量を与える。運動量を与えられた原子の進行方向は変更され、運動量を与えられた原子の多くは熱的原子線１１０から除去される。最後に、誘導放出によって、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子を第１の励起状態から基底状態に戻す。これは、言わば、原子にとっての避難解除である。この結果、熱的原子線１１０中に、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子だけが残る。このような実施形態では、原子線の進行方向に沿って並ぶ三つのレーザー光が使用される。レーザー光は、好ましくはガウシアンビームである。三つのレーザー光の原子線の進行方向に沿った配置は、スリットを用いる原子線コリメーション技術における原子線の進行方向におけるスリットの間隔よりも短い全長を持つことができる。また、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子の進行を制限しないので、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比べて原子フラックスの低下を低減できる。以下、この実施形態の詳細を説明する。
　熱的原子線１１０は原子線コリメーター７００に入る（図１参照）。原子線コリメーター７００は、熱的原子線１１０に対して、直交方向から、第１のレーザー光７０１ａ、第２のレーザー光７０１ｂ、第３のレーザー光７０１ｃを照射する照射部７１０を含む。熱的原子線１１０は、熱的原子線の進行方向に沿って第１のレーザー光７０１ａ、第２のレーザー光７０１ｂ、第３のレーザー光７０１ｃの順で独立に照射される。
　第１のレーザー光７０１ａは、熱的原子線１１０中の原子の基底状態とその第１の励起状態の間の遷移に対応する波長λ1を持つ。熱的原子線１１０が第１のレーザー光７０１ａを通過すると、直交方向に所定のΔvより小さい速さ成分を持つ熱的原子線１１０中の原子が基底状態から第１の励起状態に遷移する（第１ステップＳ１）。ここでΔvについて説明を加える。一般的に、原子の吸収スペクトル線は励起状態の寿命に由来する自然幅を持つ。加えて、第１のレーザー光７０１ａを照射される熱的原子線１１０中の原子の吸収スペクトル線の広がりとして、例えば第１のレーザー光７０１ａのレーザー強度に応じて生じるpower broadeningを持つ。power broadeningは、saturation broadeningとも言われる。この吸収スペクトル線の半値全幅（FWHM; Full Width at Half Maximum）をΓとすると、下記（Eq.1a）が成立する。特に、power broadeningの寄与が大きい場合は、良く知られているように、下記（Eq.1b）が成立すると考えてよい。ここで、Γ1は基底状態と第１の励起状態の間の遷移の自然幅であり、k1は第１のレーザー光７０１ａの波数であり、I1は第１のレーザー光７０１ａのパワー密度であり、I0は当該遷移の飽和強度である。なお、第１の励起状態の寿命τ1（＝1/Γ1）は、後述の条件を満たさなければならない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　第２のレーザー光７０１ｂは、熱的原子線１１０中の原子の基底状態とその第２の励起状態の間の遷移に対応する波長λ2を持つ。第１ステップの処理の後、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂを通過すると、熱的原子線１１０中の基底状態にいる原子、換言すれば、第１のステップの処理で第１の励起状態に遷移しなかった原子は、光子エネルギーの吸収と放出を繰り返すことによって反跳運動量を獲得する。原子は、光子エネルギーを共鳴吸収する際、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に運動量を受け取るが、自然放出は等方的放出であるため多数回の放出による運動量変化の平均はゼロである。したがって、吸収と放出の多数回のサイクルを繰り返すことによって、原子は第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に運動量を受け取る。この結果、第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子の進行方向が変更する（第２ステップＳ２）。
　ここで、第１の励起状態と第２の励起状態が満たすことが好ましい条件について説明する。
　後述する第３ステップの処理の終了前に、第１の励起状態にいる原子が自然放出によって基底状態に落ちると、当該原子は、自然放出によるランダムな反跳運動量を獲得し、さらに、第２のレーザー光７０１ｂによって反跳運動量を獲得し、あるいは、第３のレーザー光７０１ｃによって再度、第１の励起状態に遷移するなどの問題が発生する。したがって、第１の励起状態の寿命τ1は、第１ステップの処理の開始、つまり熱的原子線１１０中の或る原子Ａが第１のレーザー光７０１ａに到達した時点から第３ステップの処理の終了、つまり当該原子Ａが第３のレーザー光７０１ｃから脱出した時点までの時間よりも長いことが好ましい。別の観点から説明すると、図２に示すように、第１のレーザー光７０１ａの中心軸と第３のレーザー光７０１ｃの中心軸との軸間距離をＤとし、熱的原子線１１０の中心軸、換言すればノズル１００ｂの中心軸の延長線における第１のレーザー光７０１ａのビーム幅をＷ1とし、熱的原子線１１０の中心軸における第３のレーザー光７０１ｃのビーム幅をＷ3とし、熱的原子線１１０の進行方向における原子の平均速度をＶとしたとき、第１の励起状態の寿命τ1が下記（Eq.2a）を満たすことが好ましい。もちろん、実際の設計では、下記（Eq.2b）が成立することが望ましい。レーザー光のビーム幅は、例えばビームウェストでの1/e2幅である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、第１のステップの処理で第１の励起状態に遷移しなかった原子が第２ステップの処理で獲得する反跳運動量が小さいならば、当該原子の進行方向の変更も小さい。特に、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に負の速さ成分を持つ原子に、当該原子がゼロ以上の正の速さ成分を持つまで反跳運動量を与えるのが好ましい。したがって、次の条件が満たされることが望ましい。熱的原子線１１０の中心軸における第２のレーザー光７０１ｂのビーム幅をＷ2とし、熱的原子線１１０中の原子の直交方向の速さ成分の推定最大値をv0とし、熱的原子線１１０中の原子が第２のレーザー光７０１ｂ中の一つの光子から受ける直交方向の反跳速さをvrecoil,λ2とすると、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂの照射を受けている間にv0/vrecoil,λ2回以上の光子エネルギーの吸収が起きることが好ましい。つまり、第２の励起状態の寿命τ2が下記（Eq.3a）を満たすことが好ましい。もちろん、実際の設計では、下記（Eq.3b）が成立することが望ましい。なお、vrecoil,λ2は下記（Eq.4）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第３のレーザー光７０１ｃは、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長λ1を持つ。第２ステップの処理の後、熱的原子線１１０が第３のレーザー光７０１ｃを通過すると、誘導放出によって、第１の励起状態にいる熱的原子線１１０中の原子は第１の励起状態から基底状態に遷移する（第３ステップＳ３）。この結果、直交方向にΔvより遅い速さ成分を持つ原子からなるコリメートされた熱的原子線１１０ａが得られる。なお、直交方向にΔvより遅い速さ成分を持つ原子は第１ステップの処理にて第１のレーザー光７０１ａの進行方向に１反跳運動量を獲得するが、第３ステップの処理において誘導放出によって反対方向に１反跳運動量を失うので、当該原子の直交方向の速さ成分に変化は無い。
　この実施形態を、熱的原子線１１０中の原子がカルシウムである場合の具体例を説明する。
　第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃは、基底状態のエネルギー準位（1Ｓ0）と第１の励起状態のエネルギー準位（3Ｐ1）の間の遷移に対応する波長λ1=657nmを持つ（図３参照）。基底状態と第１の励起状態の間の遷移の自然幅Γ1は2π×400Hzであり、第１の励起状態の寿命τ1は0.4msである。このとき、Γ1/k1=2.6×10-4m/sである。
　第２のレーザー光７０１ｂは、基底状態のエネルギー準位（1Ｓ0）と第２の励起状態のエネルギー準位（1Ｐ1）の間の遷移に対応する波長λ2＝423nmを持つ（図３参照）。基底状態と第２の励起状態の間の遷移の自然幅Γ2は2π×35MHzであり、第２の励起状態の寿命τ2は5nsである。熱的原子線１１０においてv0は高々50m/sである。この例では、上記（Eq.4）からvrecoil,λ2=2.4×10-2m/sである。このとき、第２のレーザー光７０１ｂのビーム幅のサイズが10-2mのオーダーであるとすると、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂの照射を受けている間に103回程度の光子エネルギーの吸収が起き得ることから、第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子に十分な反跳運動量を与えることができる。
　従って、この具体例から、良好なコリメーションを達成できることがわかる。
　上述の実施形態において、上述の諸条件を満たす３個のレーザー光、つまり第１のレーザー光７０１ａと第２のレーザー光７０１ｂと第３のレーザー光７０１ｃはそれぞれ、ビームウェスト、波長、光強度をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ビームウェストは例えばレーザー光をレンズで集光することによって光学的に設定でき、光強度は例えば出力を調整することによって電気的に設定できる。つまり、個々のレーザー光の生成装置の構成は従来の構成と異ならないから、３個のレーザー光の生成装置が並置された照射部７１０の構成の説明を省略する。図１では、概略としてレーザー光源７２１，７２２とレンズ７４０が図示されている。なお、第１のレーザー光７０１ａのレーザー光源と第３のレーザー光７０１ｃのレーザー光源は同じであってもよい。この場合、１個のレーザー光源７２１からのレーザー光をビームスプリッター７３０でスプリットすることによって第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃが得られる。
　次に、上述の原子線コリメーター７００を利用するマッハ-ツェンダー（Mach-Zehnder）型原子干渉計５００を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、原子線源１００と、原子線コリメーター７００と、干渉部２５０と、進行光定在波生成部３５０と、観測部４００を含む（図４参照）。この例では、原子線源１００と干渉部２５０と観測部４００は図示しない真空容器内に収容されている。
　上述のとおり原子線コリメーター７００でコリメートされた熱的原子線１１０ａは、干渉部２５０に入る。
　干渉部２５０の説明の前に、進行光定在波生成部３５０を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、ｎ次のBragg回折を利用する。ただし、ｎは２以上の予め定められた正整数である。進行光定在波生成部３５０は、ｎ次Bragg条件を満たす３個の進行光定在波、つまり第１の進行光定在波２０１ａと第２の進行光定在波２０１ｂと第３の進行光定在波２０１ｃを生成する。第１の進行光定在波２０１ａは原子線のスプリッターとしての機能を、第２の進行光定在波２０１ｂは原子線のミラーとしての機能を、第３の進行光定在波２０１ｃは原子線のコンバイナーとしての機能をそれぞれ持つという条件も満たす。
　このような諸条件を満たす３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、ガウシアンビーム（Gaussian Beam）のビームウェスト、波長、光強度、さらに、対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ガウシアンビームのビームウェストは例えばレーザー光をレンズで集光することによって光学的に設定でき、ガウシアンビームの光強度は例えばガウシアンビームの出力を調整することによって電気的に設定できる。つまり、進行光定在波の生成パラメータが従来の生成パラメータと異なるのであり、これら３個の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部３５０の構成は従来の構成と異ならないから、進行光定在波生成部３５０の構成の説明を省略する。図４では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、ＡＯＭなどが図示されている。
　干渉部２５０では、熱的原子線１１０ａは３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを通過する。本例における原子干渉計では、同じ内部状態における異なる２個の運動量状態|g, p0>と|g, p1>との間の光照射による遷移が利用される。
　熱的原子線１１０ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、初期状態が|g, p0>にある個々の原子の状態は|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に変化する。第１の進行光定在波２０１ａと原子との相互作用を適切に設定すると、具体的にはビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定すると、第１の進行光定在波２０１ａを通過した直後の|g, p0>の存在確率と|g, p1>の存在確率の比は１対１になる。原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収と放出を通して、|g, p0>から|g, p1>に遷移する際に光子２ｎ個分の運動量（=p1-p0）を得る。したがって、状態|g, p1>の原子の運動方向は、状態|g, p0>の原子の運動方向から大きくずれる。つまり、熱的原子線１１０ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、熱的原子線１１０ａは、１対１の割合で、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線に分裂する。状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向はｎ次のBragg条件に基づく方向である。０次光の方向、つまりBragg回折しなかった状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向とｎ次のBragg条件に基づく方向とが成す角は、０次光の方向と１次のBragg条件に基づく方向とが成す角のｎ倍である。つまり、状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向の広がり、換言すると乖離を大きくできる。
　分裂後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第２の進行光定在波２０１ｂを通過する。このとき、第２の進行光定在波２０１ｂと原子との相互作用を適切に設定すると、具体的にはビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定すると、第２の進行光定在波２０１ｂを通過することによって、状態|g, p0>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p1>の原子からなる原子線に反転し、状態|g, p1>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p0>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, p0>から|g, p1>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p0>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２０１ｂを通過後の状態|g, p1>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２０１ａを通過後の状態|g, p1>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２ｎ個の光子の吸収と放出を通して、|g, p1>から|g, p0>に遷移する際に２ｎ個の光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|g, p1>から|g, p0>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|g, p1>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２０１ｂを通過後の状態|g, p0>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２０１ａを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。
　反転後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第３の進行光定在波２０１ｃを通過する。この通過時点にて、反転後の状態|g, p0>の原子からなる原子線と反転後の状態|g, p1>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、第３の進行光定在波２０１ｃと原子との相互作用を適切に設定すると、具体的にはビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定すると、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>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, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に応じた熱的原子線１１０ｂが得られる。第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる熱的原子線１１０ｂの進行方向は、理論的には、０次光の方向とｎ次のBragg条件に基づく方向のいずれか一方または両方である。
　マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００に、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の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２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の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２０１ｃを通過した個々の原子の状態|g, p0>の存在確率と状態|g, p1>の存在確率に反映される。したがって、観測部４００は、干渉部２５０からの熱的原子線１１０ｂ、つまり第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる熱的原子線１１０ｂを観測することによって角速度または加速度を検出できる。例えば、観測部４００は、干渉部２５０からの熱的原子線１１０ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|g, p1>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。また、本例によると空間分解が向上する、つまり第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路、具体的には状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線の間隔が広いので、光検出器４０９としてＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。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。
　マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００において使用される原子は、上述の原子線コリメーター７００で説明した原子選定条件が満たされることを前提として、好ましくは、アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、あるいはアルカリ土類様金属原子の安定同位体である。アルカリ土類金属原子は、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムである。アルカリ土類様金属原子は、アルカリ土類金属原子と同様に、基底状態において電子スピンによる磁気モーメントを持たない電子配置を持つ原子であり、ベリリウム、マグネシウム、イッテルビウム、カドミウム、水銀などを例示できる。これらの原子は最外殻に２個の電子を持っているので、反平行の電子のスピン角運動量の和がゼロとなるので環境磁場の影響を受け難い。特に、アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、あるいはアルカリ土類様金属原子の安定同位体、のうち核スピンを持たない原子は、環境磁場の影響を全く受けないので望ましい。
　アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、およびアルカリ土類様金属原子の安定同位体は超微細構造を持たないので、原子干渉計の出力を原子の内部状態で識別することができない。しかし、本例では、高次ブラッグ回折を利用することによって原子干渉計の出力の空間分解が大きく向上するので、原子干渉計の出力を視覚的に認識することができる。この場合、原子線の直交方向の速さ成分が大きいと、様々な次数のブラッグ回折条件が同時に満たされるため、原子干渉のビジビリティ（visibility）が低下してしまう。したがって、上述の原子線コリメーター７００は、ｎ次Bragg回折を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００にとって有用である。
　上述の原子干渉計の例では、ｎ次（ｎ≧２）のBragg回折を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このタイプに限定されず、例えば、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を利用してもよい（参考文献２参照）。
（参考文献２）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.
　また、上述の原子干渉計の例では、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、このタイプに限定されず、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てもよい。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３を参照のこと。
（参考文献３）Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A63, 063611 (2001) - Published 16 May 2001.
　また、本発明の原子線コリメーターが適用される原子干渉計は、マッハ-ツェンダー型原子干渉計に限らず、例えばラムゼー-ボーデ（Ramsey-Borde）型原子干渉計であってもよい。
　この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、原子線源１００は、上述の熱的原子線源に限らず、冷却原子線源でもよい。また、第３のレーザー光７０１ｃは誘導放出のために使用されるので、第３のレーザー光７０１ｃの進行方向は第１のレーザー光７０１ａの進行方向と同じで且つ平行であることが要請され、さらに、第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃの各進行方向は原子線の進行方向と直交する方向であることが好ましい。しかし、第２のレーザー光７０１ｂは第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子の進行方向が変更するために使用されるから、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向は原子線の進行方向と直交する方向である必要も無いし、第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃの各進行方向と平行である必要も無い。
　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。
　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。
　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。
１００　　　　　原子線源
１００ａ　　　　本体部
１００ｂ　　　　ノズル
１１０　　　　　熱的原子線
２００　　　　　真空容器
７００　　　　　原子線コリメーター
７０１ａ　　　　第１のレーザー光
７０１ｂ　　　　第２のレーザー光
７０１ｃ　　　　第３のレーザー光
７１０　　　　　照射部
７２１　　　　　レーザー光源
７２２　　　　　レーザー光源
７３０　　　　　ビームスプリッター
７４０　　　　　レンズ

Claims (8)

  1. 　原子線コリメーション方法であって、
    　原子線に対して、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第１のレーザー光を照射することによって、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第１の励起状態に選択的に遷移させる第１ステップと、
    　前記原子線に対して、前記第１ステップの後、前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第２のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更する第２ステップと、
    　前記原子線に対して、前記第２ステップの後、前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第３のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記第１の励起状態にいる原子を前記第１の励起状態から前記基底状態に遷移させる第３ステップと
    を有する原子線コリメーション方法。
  2. 　原子線コリメーターであって、
    　原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    　前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    　前記第１のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第２のレーザー光は、前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第３のレーザー光は、前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である
    原子線コリメーター。
  3. 　請求項２に記載の原子線コリメーターにおいて、
    　前記原子線が前記第１のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第１の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の、前記原子線の進行方向と直交する方向における速さ成分の所定の最大値をΔvとし、前記原子線が前記第１のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第１の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の吸収スペクトル線の半値全幅をΓとし、前記第１のレーザー光の波数をk1としたとき、
    Δv=Γ/k1
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  4. 　請求項２または請求項３に記載の原子線コリメーターにおいて、
    　前記第１の励起状態の寿命をτ1とし、前記第１のレーザー光の中心軸と前記第３のレーザー光の中心軸との軸間距離をＤとし、前記第１のレーザー光のビーム幅をＷ1とし、
    前記第３のレーザー光のビーム幅をＷ3とし、前記原子線の進行方向における原子の平均速度をＶとしたとき、
    τ1≧（Ｄ+Ｗ1/2+Ｗ3/2）/Ｖ
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  5. 　請求項４に記載の原子線コリメーターにおいて、
    　前記第２の励起状態の寿命をτ2とし、前記原子線の進行方向と直交する方向における原子の速さ成分の推定最大値をv0とし、前記原子線中の原子が前記第２のレーザー光中の一つの光子から受ける前記原子線の進行方向と直交する方向の反跳速さをvrecoil,λ2とし、前記第２のレーザー光のビーム幅をＷ2としたとき、
    Ｗ2/Ｖ≧τ2×v0/vrecoil,λ2
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  6. 　請求項２から請求項５のいずれかに記載の原子線コリメーターにおいて、
    　前記第３のレーザー光の進行方向は、前記第１のレーザー光の進行方向と平行であることを特徴とする原子線コリメーター。
  7. 　原子干渉計であって、
    　原子線を連続生成する原子線生成装置と、
    　３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
    　前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と
    を含み、
    　前記原子線生成装置は、
    　原子線源と、
    　原子線コリメーターと
    を含み、
    　前記原子線コリメーターは、
    　原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    　前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    　前記第１のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第２のレーザー光は、前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第３のレーザー光は、前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である
    ことを特徴とする原子干渉計。
  8. 　原子ジャイロスコープであって、
    　原子線を連続生成する原子線生成装置と、
    　３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
    　前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
    　前記干渉部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
    を含み、
    　前記原子線生成装置は、
    　原子線源と、
    　原子線コリメーターと
    を含み、
    　前記原子線コリメーターは、
    　原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    　前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    　前記第１のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第２のレーザー光は、前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、
    　前記第３のレーザー光は、前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である
    ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。
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