[論文レビュー] Multi-axis atom interferometer gyroscope with a single source of atoms

Yun-Jhih Chen, Azure Hansen+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 49被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ガラス真空セル内の1つの冷たい原子源を用いて、点光源干渉計（PSI）を活用し、ラマンビームの進行方向に沿った線形加速度と、その垂直方向の平面内の回転ベクトル成分を同時に測定する、多軸原子干渉計ジャイロスコープを実証している。1秒間の平均化時間で、回転の大きさについて0.033°/s、方向について0.27°の感度を達成しており、コンパクトでポータブルな慣性センシングを可能にし、ジャイロコンパスやプロセッション追跡への応用が期待される。

ABSTRACT

Using the technique of point source atom interferometry, we characterize the sensitivity of a multi-axis gyroscope based on free-space Raman interrogation of a single source of cold atoms in a glass vacuum cell. The instrument simultaneously measures the acceleration in the direction of the Raman laser beams and the component of the rotation vector in the plane perpendicular to that direction. We characterize the sensitivities for the magnitude and direction of the rotation vector measurement, which are 0.033 $^{\circ}/\mathrm{s}$ and 0.27 $^{\circ}$ with one second averaging time, respectively. The sensitivity could be improved by increasing the Raman interrogation time, allowing the cold-atom cloud to expand further, correcting the fluctuations in the initial cloud shape, and reducing sources of technical noise. The unique ability of the PSI technique to measure the rotation vector in a plane may permit applications of atom interferometry such as tracking the precession of a rotation vector and gyrocompassing.

研究の動機と目的

• 1つの冷たい原子源を用いて、多軸回転および加速度センシングが可能なコンパクトでサイズ・重量・消費電力（SWaP）に優れた慣性センサの開発を目的とする。
• 複数の原子源や複雑なパルスシーケンスを必要とする従来の多軸ジャイロスコープの限界を克服することを目的とする。
• 点光源干渉計（PSI）を用いて、ラマンビームの進行方向に沿った加速度と、その垂直方向の平面内の回転ベクトル成分を同時に測定することを目的とする。
• 回転ベクトル測定における有限な原子クラウドサイズおよび技術的ノイズの影響を評価し、低減策を講じることを目的とする。
• PSIの2次元的感度を活用し、ジャイロコンパスやプロセッション追跡への応用を検討することを目的とする。

提案手法

• ガラス真空セル内に配置された1つの等方的拡散する冷たい原子クラウドを用い、点光源干渉計（PSI）を実装する。
• 各原子に対して物質波マハ・ツェンダー干渉計を形成するために、3パルスのラマンビームシーケンス（ビームスプリッター・ミラー・ビームスプリッター）を適用する。
• 拡散するクラウドにおける強い位置-速度相関を活用し、干渉計の位相シフトを保持する。この位相シフトは、原子密度分布における空間的フレームパターンとして検出可能である。
• ラマンビーム方向に沿ったフレームシフトから加速度を測定し、その垂直方向の平面内の回転ベクトル成分をフレームパターンから抽出する。
• 横断的平面での原子クラウドのイメージングを用いて、慣性効果に起因する位相シフトを抽出する。
• 固定されたビーム方向を有する1つのラマンビーム構成を用い、複数の光源やビーム再配置を必要とせずに、加速度と回転を同時にセンシングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの冷たい原子源を用いて、平面内での加速度と複数の回転成分を同時に測定できるか？
• RQ2 初期の原子クラウドの有限サイズが、PSIベースのジャイロスコープにおける回転ベクトル測定の精度に与える影響は何か？
• RQ3 コンパクトで1原子源の原子干渉計において、回転感度を制限する主な技術的ノイズ源は何か？
• RQ4 PSIベースのジャイロスコープは、ジャイロコンパスやプロセッション追跡といった実用的応用に十分な感度を達成できるか？
• RQ5 1原子源構成におけるラマンインターオロゲーション時間およびクラウド拡散と感度のスケーリング関係はどのように変化するか？

主な発見

• 1秒間の平均化時間で、回転ベクトルの大きさ感度が0.033°/sに達しており、主に短いラマンインターオロゲーション時間（8 ms）に起因する。
• 回転ベクトルの方向感度は0.27°であり、技術的ノイズおよびクラウドサイズ効果によって制限される角度分解能を示している。
• 初期クラウドサイズの有限性に起因する系のずれは、測定された回転速度をシミュレーション値の79–92%にまで低下させる。これはガウス分布クラウドモデルと予想される1−σ₀²/σ_f²補正係数と整合的である。
• 回転位相シフトは、位置依存ノイズやオフセットの変動に対して不感である。これは、これらの要因が干渉計のオフセットにのみ影響を及ぼし、1次的に回転測定に影響しないからである。
• 回転鏡およびテーブルの振動ノイズの寄与は、それぞれ1秒平均化時間で2×10⁻³ °/sおよび5×10⁻⁵ °/sであると推定される。
• PSIの2次元的感度により、自然にジャイロコンパスとして応用可能である。地球の回転ベクトルの水平面内成分は地理的北を指し、フレームカウントは緯度のコサインに比例する。