(57)【要約】【課題】光励起磁気センサの出力（検出結果）を安定させる。【解決手段】光励起磁気センサ１は、アルカリ金属が封入されたセル２と、アルカリ金属の原子を励起するポンプ光１７を発生する光源２７と、原子の励起状態を検出するためのプローブ光２６を発生する光源２７と、光源２７とセル２とを結ぶ光路に配置され、プローブ光２６を、所定の偏光角度を有する光成分であって原子に照射されるプローブ光２６Ａ１と、所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有する光成分であるプローブ光２６Ａａとに分離する偏光ビームスプリッタ７と、プローブ光２６Ａａの光量を検出するフォトダイオード３８Ａと、原子の励起状態を示す信号光であるアルカリ金属蒸気を通過したプローブ光２６Ａ２を受けるフォトダイオード３９Ａと、を備える。【選択図】図１
2020030162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属が封入されたセルと、
前記アルカリ金属の原子を励起するポンプ光を発生する第１光源と、
前記原子の励起状態を検出するための第１プローブ光を発生する第２光源と、
前記第２光源と前記セルとを結ぶ光路上に配置され、前記第１プローブ光を、所定の偏光角度を有する光成分であって前記原子に照射される第２プローブ光と、前記所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有する光成分である第３プローブ光とに分離する偏光ビームスプリッタと、
前記第３プローブ光の光量を検出する第３プローブ光検出部と、
前記原子の励起状態を示す信号光を検出する信号光検出部と、
を備える、光励起磁気センサ。
【請求項２】
前記信号光を反射する反射部を更に備え、
前記セルは、前記第２プローブ光の入射部であると共に、前記反射部からの反射信号光の出射部である第１セル光接続部を有し、
前記偏光ビームスプリッタは、
前記第１プローブ光の入射部である第１スプリッタ光接続部と、
前記第２プローブ光の出射部であると共に前記反射信号光の入射部である第２スプリッタ光接続部と、を有する、請求項１に記載の光励起磁気センサ。
【請求項３】
前記第２プローブ光及び前記反射信号光の光路を形成する光学部材をさらに備え、
前記光学部材は、
前記第２スプリッタ光接続部に光学的に接続された第１端面と、
前記第１セル光接続部に光学的に接続された第２端面と、を有する、請求項２に記載の光励起磁気センサ。
【請求項４】
前記セルは、前記ポンプ光の入射部である第２セル光接続部をさらに有し、
前記第１セル光接続部から入射した前記第２プローブ光の進行方向は、前記第２セル光接続部から入射した前記ポンプ光の進行方向に対して交差する、請求項２又は３に記載の光励起磁気センサ。
【請求項５】
前記第２光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置された偏光板をさらに備え、
前記偏光板は、前記第１プローブ光の偏光角度の変化を前記第３プローブ光の光量の変化に変換する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。
【請求項６】
前記第２光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置されて、前記第１プローブ光を分割して分割プローブ光を形成する光分割部と、
前記分割プローブ光を前記原子に照射して得られた分割信号光を検出する分割信号光検出部と、をさらに備え、
前記セルは、測定対象と対向する磁気入射部と、前記分割プローブ光の入射部である第２セル光接続部を有し、
前記第２セル光接続部から前記磁気入射部までの距離は、前記第１セル光接続部から前記磁気入射部までの距離よりも長い、請求項２〜５のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光励起磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ポンピングを利用する光励起磁気センサは、微小な磁気を測定する磁気センサである。光励起磁気センサは、超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）に代わる新たな磁気測定の技術として注目されている。例えば、特許文献１は、光ポンピングを利用した磁気センサを開示する。この磁気センサは、いわゆるポラリメータ型検出器の構成を採用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光励起磁気センサは、光ポンピングによりスピン偏極した蒸気状のアルカリ金属の原子（アルカリ金属蒸気）が磁気の影響を受けると、それらのスピン偏極がトルクを受けて回転し、向きが変わる（回転角が変化する）ことを利用する。スピン偏極の向き（回転角）の変化は、アルカリ金属蒸気にプローブ光を照射することにより得られる。
【０００５】
ここで、アルカリ金属蒸気のスピン偏極の向き（回転角）の変化は、アルカリ金属蒸気を通過した後のプローブ光（信号光）の直線偏光面の回転となって現れる。一方で、信号光の直線偏光面の回転は、アルカリ金属蒸気に入射する前のプローブ光の直線偏光面の回転に起因する場合もあり得る。つまり、外乱などによってアルカリ金属蒸気に入射する前のプローブ光の直線偏光面が回転したり、光量が変化したりすると、信号光もその影響を含んでしまう。その結果、磁気センサの出力（検出結果）は不安定になってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、安定した出力（検出結果）が得られる光励起磁気センサ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】
【０００７】
本発明の一形態である光励起磁気センサは、アルカリ金属が封入されたセルと、アルカリ金属の原子を励起するポンプ光を発生する第１光源と、原子の励起状態を検出するための第１プローブ光を発生する第２光源と、第２光源とセルとを結ぶ光路上に配置され、第１プローブ光を、所定の偏光角度を有する光成分であって原子に照射される第２プローブ光と、所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有する光成分である第３プローブ光とに分離する偏光ビームスプリッタと、第３プローブ光の光量を検出する第３プローブ光検出部と、原子の励起状態を示す信号光を検出する信号光検出部と、を備える。
【０００８】
この光励起磁気センサでは、第１プローブ光を偏光ビームスプリッタによって分離して、所定の偏光角度を有する第２プローブ光と、所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有する第３プローブ光とを得る。そして、当該第２プローブ光を原子に照射する。その結果、セルには、安定した偏光角度を有するプローブ光が提供される。そして、安定した偏光角度を有するプローブ光によれば、セルに封入されてポンプ光によって所定の励起状態とされたアルカリ金属原子の状態を安定して検出することができる。さらに、第３プローブ光の光量を第３プローブ光検出部で検出することで、プローブ光の光量の変化も検出することができる。従って、安定した出力（検出結果）を得ることができる。
【０００９】
上記の光励起磁気センサは、信号光を反射する反射部を更に備え、セルは、第２プローブ光の入射部であると共に、反射部からの反射信号光の出射部である第１セル光接続部を有し、偏光ビームスプリッタは、第１プローブ光の入射部である第１スプリッタ光接続部と、第２プローブ光の出射部であると共に反射信号光の入射部である第２スプリッタ光接続部と、を有してもよい。この構成によれば、信号光を反射させて偏光ビームスプリッタに入射することで、偏光ビームスプリッタを入射光学系と検出光学系に兼用することができるので、光励起磁気センサの構成を簡易にできる。
【００１０】
上記の光励起磁気センサは、第２プローブ光及び反射信号光の光路を形成する光学部材をさらに備え、光学部材は、第２スプリッタ光接続部に光学的に接続された第１端面と、第１セル光接続部に光学的に接続された第２端面と、を有してもよい。この構成によれば、光学部材により、安定した光路が形成されるので、空気に起因する第２プローブ光及び反射信号光の揺らぎや散乱を抑制することができる。
【００１１】
上記の光励起磁気センサにおいて、セルは、ポンプ光の入射部である第２セル光接続部をさらに有し、第１セル光接続部から入射した第２プローブ光の進行方向は、第２セル光接続部から入射したポンプ光の進行方向に対して交差してもよい。この構成によれば、光励起磁気センサを容易に小型化できる。
【００１２】
上記の光励起磁気センサは、第２光源と偏光ビームスプリッタとの間に配置された偏光板をさらに備え、偏光板は、第１プローブ光の偏光角度の変化を第３プローブ光の光量の変化に変換してもよい。この構成において偏光板は、偏光角度の変化を光量の変化に変換する。そうすると、第３プローブ光の光量が、第１プローブ光の光強度の変化と偏光角度の変化とが合算された信号となるので、より容易にプローブ光の変化を検出することができ、安定した出力を得ることができる。
【００１３】
上記の光励起磁気センサは、第２光源と偏光ビームスプリッタとの間に配置されて、第１プローブ光を分割して分割プローブ光を形成する光分割部と、分割プローブ光を原子に照射して得られた分割信号光を検出する分割信号光検出部と、をさらに備え、セルは、測定対象と対向する磁気入射部と、分割プローブ光の入射部である第２セル光接続部を有し、第２セル光接続部から磁気入射部までの距離は、第１セル光接続部から磁気入射部までの距離よりも長くてもよい。この構成によれば、測定対象からの距離が遠い領域における磁気を測定することで、外部ノイズの検出が可能となり、いわゆるグラジオメータ型のセンサを構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安定した出力が得られる光励起磁気センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施形態に係る光励起磁気センサの斜視図である。
【図２】図２は、実施形態に係る光励起磁気センサを別の方向から見た斜視図である。
【図３】図３は、図１の光励起磁気センサが備えるセルの断面を示す斜視図である。
【図４】図４は、ポンプ光源の構成を示す図である。
【図５】図５は、プローブ光源の構成を示す図である。
【図６】図６は、ポンプ光とプローブ光との関係を示す図である。
【図７】図７は、変形例１に係る光励起磁気センサの構成を模式的に示す図である。
【図８】図８は、変形例２に係る光励起磁気センサの構成を模式的に示す図である。
【図９】図９は、変形例２に係る光励起磁気センサの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、変形例３に係る光励起磁気センサの構成を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態に係る光励起磁気センサが備えるセルの断面構成と、変形例４に係る光励起磁気センサが備えるセルの断面構成と、を示す図である。
【図１２】図１２は、アルカリ金属の特性を示す表である。
【図１３】図１３は、比較例に係る光励起磁気センサの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、光励起磁気センサ１は、セル２と、ポンプ光源３と、プローブ光源４と、光検出ユニット６と、を有する。この光励起磁気センサ１は、プローブ光源４が有する１個の偏光ビームスプリッタ７を、プローブ光がセル２へ入射する際に通過する偏光素子として用いると共に、セル２からの信号光を検出する際の偏光素子としても用いる。セル２は、アルカリ金属と封入ガスを収容している。ポンプ光源３は、アルカリ金属が加熱されて気化した、蒸気状のアルカリ金属の原子（アルカリ金属蒸気）に対して照射されるポンプ光を発生する。アルカリ金属蒸気は、ポンプ光が照射されることにより、所定のスピン状態を形成する。この状態が、磁気計測が可能な状態である。そして、プローブ光源４は、アルカリ金属蒸気に対してスピン偏極の向きの変化（回転角の変化）を検出するためのプローブ光を発生する。プローブ光源４は、互いに異なる２か所の測定領域のそれぞれにプローブ光を照射する。このような構成によれば、光励起磁気センサ１は、いわゆるグラジオメータ型のセンサを構成する。偏光ビームスプリッタ７は、アルカリ金属蒸気を通過し、アルカリ金属原子の励起状態を示す（スピン偏極の向きの変化（回転角の変化）に関する情報を含んだ）プローブ光である信号光から、所定の偏光角度からずれた成分を分離して、光検出ユニット６に提供する。光検出ユニット６は、信号光を検出し、検出した信号光の強度に応じた電気信号を出力する。この電気信号を情報処理装置（不図示）などにより処理することにより、測定対象における磁気に関する情報を得ることができる。
【００１８】
〔セル〕
セル２は、ガラス製の封入容器であり、その内部にアルカリ金属（アルカリ金属蒸気）及び封入ガスを収容する。本実施形態においてアルカリ金属は、カリウム（Ｋ）である。アルカリ金属として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）を採用してもよい（図１２の表参照）。また、収容されるアルカリ金属はこれらを少なくとも１種類以上含めばよく、例えば、カリウムのみを含んでもよいし、例えばカリウムとルビジウムとを含んでもよい。
【００１９】
カリウムは、スピン破壊衝突（ｓｐｉｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）緩和レートがアルカリ金属のうち最も遅いので、より高感度化することができる。例えば、アルカリ金属におけるスピン破壊衝突緩和レートは、一例として、カリウム：ルビジウム：セシウム＝１：１０：１００である。また、感度で比較すると、一例として、カリウム：ルビジウム：セシウム＝１：３：１０である。つまり、原子番号の小さなアルカリ金属ほど高感度化には好ましい。
【００２０】
封入ガスは、アルカリ金属蒸気を制御するため、より具体的には、アルカリ金属蒸気のスピン偏極の緩和を抑制するためや、アルカリ金属蒸気の保護、ノイズ発光の抑制のために用いられる。封入ガスとしては、不活性ガスが好ましい。例えば、不活性ガスの原料として、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）を採用してよい。
【００２１】
封入ガスは、これらの不活性ガスの混合ガスであってもよく、例えば、ヘリウムと窒素の混合ガス（Ｈｅ：Ｎ２＝１０：１）であってもよい。ヘリウムは、バッファガスとしても機能し、アルカリ金属原子がセル２の内面に衝突に起因するスピン破壊衝突緩和を抑制する。また、封入ガスは、アルカリ金属原子との反応性が低く、原子番号の小さな原子ほど好適であるので、封入ガスとしてヘリウムを採用することが好ましい。また、窒素は、クエンチングガスとして機能する。具体的には、アルカリ金属原子を窒素とスピン衝突させて脱励起による発光ノイズを抑制する。封入ガスの封入圧力は、高い方が効果的である。例えば、封入圧力は、０．１ａｔｍ以上であり、最大４ａｔｍとしてよい。
【００２２】
図３に示すように、セル２は、ガラス基体８（容器部）と、コーティング層９（内側被覆膜）と、コーティング層１１（外側被覆膜）と、を有する。ガラス基体８は、アルカリ金属（アルカリ金属蒸気）及び封入ガスを密封する空間を形成する。
【００２３】
ガラス基体８の材料として、例えば、石英、サファイア、シリコン、コバールガラス、ホウケイ酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラス）を採用してよい。特に、コバールガラスは、パイレックス（登録商標）ガラスと比較すると、ヘリウム（Ｈｅ）の透過係数が一桁低い。従って、厚さを薄くでき、小型化に資する。このような材料によれば、後述するポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂを良好に透過して、内部のアルカリ金属蒸気に好適に提供することができる。つまり、ガラス基体８は、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂに対して光透過性を有する材料を採用してよい。
【００２４】
ガラス基体８は、筒状のガラス本体部１２と、封じ切り部１３と、を有する。後述するポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂはガラス本体部１２を透過して、アルカリ金属蒸気に照射される。また、アルカリ金属（アルカリ金属蒸気）及び封入ガスを密封する空間は、主にガラス本体部１２が形成する。ガラス本体部１２は、所定の軸線方向に延びる略直方体状の筒形状を呈し、その軸線に対して垂直な方向での断面は一例として正方形である。ガラス本体部１２の一端（先端）は平面であり、測定対象に対向する磁気入射部１２Ａとなる。ガラス本体部１２の他端（基端）には、封じ切り部１３が形成されている。この封じ切り部１３は、セル２を封止する際の封じ切り作業を行うための部位であり、その一端側（基端側）がガラス本体部１２の他端に接続され、他端側（先端側）がガラス本体部１２から所定の軸線方向に突出して設けられ、他端には気密に封止された封着部１３Ａを備える。また、封じ切り部１３は、ガラス本体部１２よりも小径であり、先端側は基端側に比べて縮径されており、特に、封着部１３Ａに向かうにつれて徐々に縮径されている。つまり、封じ切りのための部位を、ガラス本体部１２とは別途設けるとともに、ガラス本体部１２から最も離間した封着部１３Ａで封止することで、封じ切り作業時の熱や応力の影響がガラス本体部１２に及ぶことを抑制することができる。よって、後述するポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂの光学的な透過特性に影響を及ぼすことを抑制できる。さらに、ガラス本体部１２よりも小径な部分で封じ切り作業を行うため、作業自体が容易であり、作業に伴う熱や応力の発生自体も抑制することができる。なお、封じ切り部１３の内部にも、少なくとも封入ガスは収容可能であるため、セル２における封入ガスの絶対量も増やすことができる。
【００２５】
光励起磁気センサ１の動作中においては、アルカリ金属をアルカリ金属蒸気にするために、セル２を高温環境下に配置する必要がある。その際、蒸気状のアルカリ金属原子が、セル２を構成するガラス基体８内に侵入する恐れがある。また、封入ガスがガラス基体８を透過してしまう恐れもある。コーティング層９、１１は、これらのガラス基体８に対するアルカリ金属原子の侵入及び封入ガスの透過を抑制する。
【００２６】
コーティング層９は、ガラス基体８におけるガラス本体部１２の内面（内壁面）の全面に設けられる。なお、封じ切り部１３の内面（内壁面）においても、少なくとも封着部１３Ａの内面（内壁面）を除く領域の全面にコーティング層９が設けられているのが好ましい。コーティング層９は、主に、アルカリ金属原子のガラス基体８への侵入を抑制すると共に、封入ガスのガラス基体８からの透過を抑制する。さらに、コーティング層９は、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂを透過するような光学特性を備える。
【００２７】
コーティング層１１は、ガラス基体８におけるガラス本体部１２の外面（外壁面）に設けられ、好ましくは全面に設けられる。また、封じ切り部１３の外面（外壁面）にも、コーティング層１１が設けられ、好ましくは全面に設けられる。ただし、封着部１３Ａの外面（外壁面）は、ガラス基体８全体に対して相対的に微小な領域であるため、コーティング層１１が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。コーティング層１１は、主に、封入ガスがガラス基体８を透過することを抑制する。さらに、コーティング層１１は、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂを透過するような光学特性を備える。
【００２８】
このようなコーティング層９、１１の材料には、無機材料が用いられる。なお、ここでいう無機材料とは金属材料も含む。無機材料は、有機材料と比較して高温環境下での耐性に優れる。光励起磁気センサ１の磁気検出感度は、セル２におけるアルカリ金属蒸気（アルカリ金属原子）密度の影響を受ける。具体的には、アルカリ金属蒸気の密度が高くなると、磁気検出感度が高まる。アルカリ金属蒸気密度は、温度によって制御可能であり、アルカリ金属蒸気密度を高めるためには、動作温度を高めればよい。そうすると、コーティング層９、１１として比較的高温環境に強い無機材料を利用することにより、アルカリ金属蒸気の温度を２００℃以上（例えば２２０℃程度）に高めることが可能となるので、結果的に磁気検出感度を高めることができる。
【００２９】
例えば、コーティング層９、１１の材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、プラチナ（Ｐｔ）などを採用してよい。また、コーティング層９、１１の形成方法としては、蒸着や塗布等が用いられ、ガラス基体８を組み上げる前の構成部材に形成してからガラス基体８として組み上げてもよいし、ガラス基体８を組み上げた後に形成してもよい。ただし、ガラス基体８の組み上げ時にコーティング層９、１１が影響を及ぼすことを抑制するとともに、より均一なコーティング層９、１１を形成するため、ガラス基体８を組み上げた後に、蒸着によって形成するのが好ましい。その際、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用するのが好ましく、ガラス基体８の内部に対しては、封じ切り前の封じ切り部１３の開口部を介して材料を導入することで、コーティング層９、１１を一括に形成できるとともに、異物のない、緻密で強固なコーティング層を得ることができる。例えば、ＡＬＤによって酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるコーティング層９、１１を形成するのが好ましい。また、コーティング層９、１１は、これらの材料により構成された複数の膜を有していてもよい。つまり、コーティング層９、１１は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）単体であってもよいし、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び酸化チタン（ＴｉＯ２）を積層させたものであってもよい。酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に酸化チタン（ＴｉＯ２）を組み合わせることにより、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の水分に起因する変質を酸化チタン（ＴｉＯ２）によって抑制することができる。
【００３０】
コーティング層９、１１の厚さは、例えば、１ナノメートル以上１０００ナノメートル以下である。コーティング層９、１１が薄すぎる（例えば１ナノメートル以下）と、ピンホールなどの穴（未形成領域）が存在し、十分な効果を得られない場合があり得る。また、コーティング層９、１１が厚すぎる（例えば１０００ナノメートル以上）と、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂ及びプローブ光２６Ａ、２６Ｂの透過性が低下する恐れがある。一例として、コーティング層９、１１の厚さは、２０ナノメートルである。
【００３１】
このようなコーティング層９、１１によれば、検出感度を高めるための高温環境下においても、アルカリ金属原子のガラス基体８への侵入及び封入ガスのガラス基体８からの透過を好適に抑制できる。特に、このコーティング層９、１１は、無機材料により形成されており、無機材料は、有機材料と比較して高温環境下での耐性に優れるため、コーティング層９、１１の剥離や脱落を抑制できる。コーティング層９、１１の剥離や脱落が生じた場合、アルカリ金属原子のガラス基体８への侵入及び封入ガスのガラス基体８からの透過が抑制し難くなることに加え、ポンプ光やプローブ光の透過領域において生じた場合は光学的な透過特性が変わってしまう恐れがある。また、ガラス基体８の内部に設けられたコーティング層９においては、剥離や脱落した材料が異物となって測定に影響を及ぼす可能性もある。また、コーティング層９、１１は、ガラス基体８自身が含む、もしくはガラス基体８の外部環境からガラス基体８自身に侵入した物質に起因するアウトガスによるアルカリ金属原子の酸化を抑制する。その結果、アルカリ金属原子の消費を抑制することができる。従って、高温環境下のセル２内においても、アルカリ金属蒸気（アルカリ金属原子）の密度の低下を抑制し、検出感度の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、上述したように、アルカリ金属及び封入ガスのいずれにおいても、例えばカリウムやヘリウムのような原子番号の小さな原子の方が好ましいが、その場合、動作環境温度を上げる必要があったり、封入ガスがガラス基体８から透過しやすくなる。そのため、このようなコーティング層９、１１を設けることで、高温環境下での使用を可能としつつ、ガラス基体８からの封入ガスの透過を抑制できるので、アルカリ金属及び封入ガスのいずれにおいても、原子番号の小さな材料を使用することができ、検出感度の向上も期待できる。
【００３３】
セル２には、ヒータ１４（図２参照）が取り付けられている。ヒータ１４は、セル２内に収容したアルカリ金属を加熱して、アルカリ金属を蒸気化してアルカリ金属蒸気を生成する。また、ヒータ１４は、温度を制御することによりアルカリ金属蒸気密度を制御する。また、セル２は、外側面としてセル側面２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄを備え、ヒータ１４は、外側面のうちのセル側面２ｂに取り付けられている。セル側面２ｂは、例えば、後述するポンプ光１７のための光導波部１９が設けられたセル側面２ａに対向する。同様に、セル側面２ｃはセル側面２ｄに対向する。
【００３４】
〔ポンプ光源〕
図４に示すように、ポンプ光源３は、セル２における２か所の測定領域１６Ａ、１６Ｂに対してポンプ光１７Ａ、１７Ｂをそれぞれ照射する。測定領域１６Ａは、セル２の先端側において磁気入射部１２Ａと対向する領域に設定され、磁場源（測定対象）の磁場を検出するためのものである。測定領域１６Ｂは、セル２の基端側に設定され、外部磁場を検出するためのものである。なお、外部磁場とは、例えば測定対象には起因しない環境的な磁場であって、外部ノイズ成分である。ポンプ光源３は、光源１８（第１光源）と、光導波部１９と、を有する。
【００３５】
光源１８は、光軸の方向にポンプ光１７を出射する。光源１８は、例えばレーザであって、ポンプ光１７の波長は、アルカリ金属蒸気を構成する原子の種類に応じる。例えば、アルカリ金属としてカリウムを採用した場合には、ポンプ光１７の波長は、７７０．１ナノメートルである。
【００３６】
光導波部１９は、導波、反射及び透過によって光源１８からセル２の所定の領域までポンプ光１７を導く。具体的には、光導波部１９は、セル２の２か所の測定領域１６Ａ、１６Ｂにポンプ光１７Ａ、１７Ｂをそれぞれ導光し、照射する。具体的には、光導波部１９は、セル２の先端側に設定された測定領域１６Ａにはポンプ光１７Ａを導光、照射し、セル２の基端側に設定された測定領域１６Ｂにはポンプ光１７Ｂを導光、照射する。光導波部１９は、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂがセル２に入射する際、セル２の延在方向と直交する方向に入射するように導光する。ポンプ光１７Ａ、１７Ｂは、アルカリ金属蒸気を励起するので、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂを照射する領域が、磁気の測定位置となる。
【００３７】
光導波部１９は、導波路２１、２２と、プリズムミラー２３、２４と、を有し、これらは同軸になるように（光軸が一致するように）配置されている。
【００３８】
導波路２１、２２は、ポンプ光１７、１７Ａ、１７Ｂの光路を構成する。導波路２１、２２は、光軸の方向に延びる角柱形状の光学部品である。導波路２１、２２は、光源１８の光軸上において、光軸に沿って並置されている。また、導波路２１、２２は、セル２の軸線方向に沿って延在し、少なくともその一部がセル側面２ａに沿って配置されており、セル側面２ａ上に配置されていてもよい。導波路２１は、セル２の基端側に配置されている。導波路２２は、セル２の先端側に配置されている。つまり、導波路２１は、導波路２２よりも光源１８に近い。
【００３９】
プリズムミラー２３は、導波路２１、２２の間においてそれぞれの導波路２１、２２に対して光学的に接続されている。プリズムミラー２４は、導波路２２の先端部に光学的に接続されている。プリズムミラー２３、２４は、ポンプ光１７、１７Ａ、１７Ｂを透過及び反射する。より詳細には、プリズムミラー２３は、ポンプ光１７の一部の成分をポンプ光１７Ｂとして反射し、残りの成分をポンプ光１７Ａとして透過する。つまり、ポンプ光１７はプリズムミラー２３によってポンプ光１７Ａとポンプ光１７Ｂとに分割される。プリズムミラー２４は、ポンプ光１７Ａのすべてを反射する。
【００４０】
導波路２１は、光入力面２１ａと、光出力面２１ｂと、を有する。
【００４１】
光入力面２１ａは、導波路２１の基端側の端面である。光入力面２１ａは、後述する偏光ビームスプリッタ７に対して光学的に接続されている。つまり、光源１８と導波路２１との間には、偏光ビームスプリッタ７が配置されている。この構成では、光入力面２１ａは、偏光ビームスプリッタ７を透過したポンプ光１７が入射される。
【００４２】
光出力面２１ｂは、導波路２１の先端側の端面である。光出力面２１ｂには、プリズムミラー２３が光学的に接続されている。つまり、光出力面２１ｂは、ポンプ光１７をプリズムミラー２３に出射する。
【００４３】
プリズムミラー２３は、光入力面２３ａと、光出力面２３ｂ、２３ｃと、を有する。基端側の光入力面２３ａは、導波路２１の光出力面２１ｂに対して光学的に接続されている。つまり、光入力面２３ａは、ポンプ光１７が入射される。先端側の光出力面２３ｂは、導波路２２に対して光学的に接続されている。つまり、光出力面２３ｂは、ポンプ光１７Ａを導波路２２に出射する。さらに、セル２に対面する光出力面２３ｃは、セル側面２ａ（第１セル光接続部）に光学的に接続されている。つまり、光出力面２３ｃは、セル側面２ａにポンプ光１７Ｂを出射することで、ポンプ光１７Ｂを測定領域１６Ｂに照射する。
【００４４】
導波路２２は、光入力面２２ａと、光出力面２２ｂと、を有する。
【００４５】
光入力面２２ａは、導波路２２の基端側の端面である。光入力面２２ａは、プリズムミラー２３の光出力面２３ｂに対して光学的に接続されている。つまり、光入力面２２ａは、プリズムミラー２３からポンプ光１７Ａが入射される。
【００４６】
光出力面２２ｂは、導波路２２の先端側の端面である。光出力面２２ｂには、プリズムミラー２４が光学的に接続されている。つまり、光出力面２２ｂは、ポンプ光１７Ａをプリズムミラー２４に出射する。
【００４７】
プリズムミラー２４は、光入力面２４ａと、光出力面２４ｂと、を有する。基端側の光入力面２４ａは、導波路２２の光出力面２２ｂに対して光学的に接続されている。つまり、光入力面２４ａは、ポンプ光１７Ａが入射される。セル２に対面する光出力面２４ｂは、セル側面２ａに光学的に接続されている。つまり、光出力面２４ｂは、セル側面２ａにポンプ光１７Ａを出射することで、ポンプ光１７Ａを測定領域１６Ａに照射する。
【００４８】
〔プローブ光源〕
図５に示すように、プローブ光源４は、セル２における２か所の測定領域１６Ａ、１６Ｂに対してプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１をそれぞれ照射する。プローブ光源４は、光源２７（第２光源）と、光分割部２８と、偏光ビームスプリッタ７と、光導波部２９Ａ、２９Ｂ（光学部材）と、偏光板４１と、を有する。
【００４９】
光源２７から出射されたプローブ光２６（第１プローブ光）は、偏光板４１を透過してプローブ光２６０となり、プローブ光２６０は光分割部２８において、プローブ光２６Ａ、２６Ｂに分割される。プローブ光２６Ａ、２６Ｂは、それぞれ偏光ビームスプリッタ７に入射し、その透過成分が光導波部２９Ａ、２９Ｂに提供される。偏光ビームスプリッタ７は、プローブ光２６Ａ、２６Ｂを、透過成分であるプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１（第２プローブ光）と、反射成分であるプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａ（第３プローブ光）とに分離する。より詳細には、偏光ビームスプリッタ７は、プローブ光２６Ａ、２６Ｂを、偏光ビームスプリッタ７を透過した所定の偏光角度である光成分であるプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１と、偏光ビームスプリッタ７に反射された所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有する光成分であるプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａとに分離する。光導波部２９Ａは、測定領域１６Ａにプローブ光２６Ａ１を導光、照射すると共に、測定領域１６Ａを通過したプローブ光２６Ａ２（信号光）が、後述するミラー３７Ａ(反射部)によって反射されたプローブ光２６Ａ２Ｒ（反射信号光）を偏光ビームスプリッタ７に導く。光導波部２９Ｂは、測定領域１６Ｂにプローブ光２６Ｂ１を導光、照射すると共に、測定領域１６Ｂを通過したプローブ光２６Ｂ２（信号光）が、後述するミラー３７Ｂ(反射部)によって反射されたプローブ光２６Ｂ２Ｒ（反射信号光）を偏光ビームスプリッタ７に導く。偏光ビームスプリッタ７は、光導波部２９Ａ、２９Ｂから提供されたプローブ光２６Ａ２Ｒ、２６Ｂ２Ｒを光検出ユニット６に導く。
【００５０】
光源２７は、光軸の方向にプローブ光２６を出射する。光源２７は、例えばレーザであって、プローブ光２６の波長は、アルカリ金属蒸気を構成する原子の種類に応じる。例えば、アルカリ金属蒸気としてカリウムを採用した場合には、プローブ光２６の波長は、ポンプ光１７の波長である７７０．１ナノメートルから、若干、離調させることで吸収を抑制した波長である。
【００５１】
偏光板４１は、光源２７と偏光ビームスプリッタ７との間に配置されており、より詳細には光源２７と後述するプリズムミラー３１との間に配置されている。偏光板４１は、特定の偏光角度を有する光を透過する。特定の偏光角度以外の偏光角度を有する光成分については、光量の減少という形で扱われる。
【００５２】
光分割部２８は、プリズムミラー３１、３２を有する。プリズムミラー３１は、プローブ光２６０の一部の成分を透過してプローブ光２６Ａを形成し、残りの成分を反射してプローブ光２６Ｂ（分割プローブ光）を形成する。つまり、プローブ光２６０はプリズムミラー３１によってプローブ光２６Ａとプローブ光２６Ｂ（分割プローブ光）とに分割される。プリズムミラー３２は、プローブ光２６Ｂの進行方向を変換する。
【００５３】
プリズムミラー３１は、光源２７の光軸上に配置されている。プリズムミラー３１は、光入力面３１ａと、光出力面３１ｂ、３１ｃと、を有する。光入力面３１ａは、光源２７と対面する。光出力面３１ｂは、偏光ビームスプリッタ７と対面する。つまり、光出力面３１ｂは、プローブ光２６Ａを偏光ビームスプリッタ７に出射する。光出力面３１ｃは、プリズムミラー３２と対面する。光出力面３１ｂは、プローブ光２６Ｂをプリズムミラー３２に出射する。
【００５４】
プリズムミラー３２は、プリズムミラー３１から提供されたプローブ光２６Ｂの光軸上に配置されている。この光軸は、光源２７の光軸に対して直交である。プリズムミラー３２は、光入力面３２ａと、光出力面３２ｂと、を有する。光入力面３２ａは、プリズムミラー３１の光出力面３１ｃと対面する。つまり、光入力面３２ａは、プローブ光２６Ｂが入射される。そして、プリズムミラー３２は、入射されたプローブ光２６Ｂの進行方向を９０度変換する。光入力面３２ａは、偏光ビームスプリッタ７に対して光学的に接続されている。つまり、光入力面３２ａは、偏光ビームスプリッタ７に対してプローブ光２６Ｂを出射する。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ７は、プローブ光２６Ａ、２６Ｂが入射されると、所定の偏光角度を有するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１、及び所定の偏光角度とは異なる偏光角度を有するプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａを出射する。つまり、プローブ光２６Ａは偏光ビームスプリッタ７によってプローブ光２６Ａ１とプローブ光２６Ａａとに分離され、プローブ光２６Ｂは偏光ビームスプリッタ７によってプローブ光２６Ｂ１とプローブ光２６Ｂａとに分離される。また、プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１は、いわゆる横偏光の光である。プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａは、いわゆる縦偏光の光である。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ７は、立方体形状を呈し、光入力面７ａ（第１スプリッタ光接続部）と、光出力面７ｂ（第２スプリッタ光接続部）と、光出力面７ｃ、７ｄと、を有する。なお、偏光ビームスプリッタ７は、立方体形状に限らず、他の形状（例えば平板状）でもよい。
【００５７】
光入力面７ａは、光源２７と対面し、光分割部２８が設けられている。より詳細には、光入力面７ａには、光分割部２８のプリズムミラー３１の光出力面３１ｂが光学的に接続されている。プリズムミラー３１は、光入力面７ａにおいて、一方の辺部側（光出力面７ｃ側）に配置されている。さらに、光入力面７ａには、光分割部２８のプリズムミラー３２の光出力面３２ｂが光学的に接続されている。プリズムミラー３２は、光入力面７ａにおいて、他方の辺部側（光出力面７ｄ側）に配置されている。
【００５８】
光出力面７ｂは、光入力面７ａと対向する、逆側の面である。光出力面７ｂは、横偏光とされたプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１を出射する。光出力面７ｂは、光導波部２９Ａ、２９Ｂに光学的に接続されている。
【００５９】
光出力面７ｃ、７ｄは、光入力面７ａと光出力面７ｂとを連結する一対の面である。光出力面７ｃ、７ｄは互いに対向する。光出力面７ｃは、プローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３を出射する。光出力面７ｄは、縦偏光であるプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａを出射する。
【００６０】
光導波部２９Ａは、偏光ビームスプリッタ７から出射されたプローブ光２６Ａ１を測定領域１６Ａに導光、照射する。光導波部２９Ａは、導波路３４Ａと、プリズムミラー３６Ａと、ミラー３７Ａ(反射部)と、を有する。これらの光学的要素は、プローブ光２６Ａ１、２６Ａ２Ｒのための光路を構成する。
【００６１】
導波路３４Ａは、プローブ光２６Ａ１、２６Ａ２Ｒの光路を構成する。導波路３４Ａは、光軸の方向に延びる角柱形状の部材である。また、導波路３４Ａは、セル２の軸線方向に沿って延在し、少なくともその一部がセル側面２ｃに沿って配置されており、セル側面２ｃ上に配置されていてもよい。導波路３４Ａは、光入力面３４Ａａ（第１端面）と光出力面３４Ａｂ（第２端面）と、を有する。
【００６２】
光入力面３４Ａａは、導波路３４Ａの基端側の端面である。光入力面３４Ａａは、偏光ビームスプリッタ７の光出力面７ｂに対して光学的に接続されている。つまり、光源２７と導波路３４Ａとの間には、プリズムミラー３１と偏光ビームスプリッタ７とが配置されている。この構成では、光入力面３４Ａａは、偏光ビームスプリッタ７を透過したプローブ光２６Ａ１が入射される。
【００６３】
光出力面３４Ａｂは、導波路３４Ａの先端側の端面である。光出力面３４Ａｂには、プリズムミラー３６Ａが光学的に接続されている。つまり、光出力面３４Ａｂは、プローブ光２６Ａ１をプリズムミラー３６Ａに出射する。
【００６４】
プリズムミラー３６Ａは、光入力面３６Ａａと、光出力面３６Ａｂと、を有する。基端側の光入力面３６Ａａは、導波路３４Ａの光出力面３４Ａｂに対して光学的に接続されている。つまり、光入力面３６Ａａは、プローブ光２６Ａ１が入射される。セル２に対面する光出力面３６Ａｂは、セル側面２ｃ（第２セル光接続部）の先端側に光学的に接続されている。つまり、光出力面３６Ａｂは、プローブ光２６Ａ１をセル２に出射する。従って、プリズムミラー３６Ａが配置された位置は、測定領域１６Ａの位置に対応する。
【００６５】
ミラー３７Ａは、プリズムミラー３６Ａが設けられたセル側面２ｃと対向する、逆側のセル側面２ｄに設けられる。ミラー３７Ａは、プリズムミラー３６Ａの光出力面３６Ａｂと対面する。ミラー３７Ａは、測定領域１６Ａを通過したプローブ光２６Ａ２を反射して、戻り光であるプローブ光２６Ａ２Ｒを形成する。
【００６６】
光導波部２９Ｂは、偏光ビームスプリッタ７から出射されたプローブ光２６Ｂ１を測定領域１６Ｂに導光、照射する。光導波部２９Ｂは、導波路３４Ｂと、プリズムミラー３６Ｂと、ミラー３７Ｂ（ミラー部）と、を有する。これらの光学的要素は、プローブ光２６Ｂ１、２６Ｂ２Ｒのための光路を構成する。
【００６７】
導波路３４Ｂは、プローブ光２６Ｂ１、２６Ｂ２Ｒの光路を構成する。導波路３４Ｂは、光軸の方向に延びる角柱形状の光学部品である。また、導波路３４Ｂは、セル２の軸線方向に沿って延在し、少なくともその一部がセル側面２ｄに沿って配置されており、セル側面２ｄ上に配置されていてもよい。導波路３４Ｂは、光入力面３４Ｂａと、光出力面３４Ｂｂと、を有する。
【００６８】
光入力面３４Ｂａは、導波路３４Ｂの基端側の端面である。光入力面３４Ｂａは、偏光ビームスプリッタ７の光出力面７ｂに対して光学的に接続されている。この構成では、光入力面３４Ｂａは、偏光ビームスプリッタ７を透過したプローブ光２６Ｂ１が入射される。
【００６９】
光出力面３４Ｂｂは、導波路３４Ｂの先端側の端面である。光出力面３４Ｂｂには、プリズムミラー３６Ｂが光学的に接続されている。つまり、光出力面３４Ｂｂは、プローブ光２６Ｂ１をプリズムミラー３６Ｂに出射する。
【００７０】
プリズムミラー３６Ｂは、光入力面３６Ｂａと、光出力面３６Ｂｂと、を有する。基端側の光入力面３６Ｂａは、導波路３４Ｂの光出力面３４Ｂｂに対して光学的に接続されている。つまり、光入力面３６Ｂａは、プローブ光２６Ｂ１が入射される。セル２に対面する光出力面３６Ｂｂは、セル側面２ｄの基端側に光学的に接続されている。従って、プリズムミラー３６Ｂが配置された位置は、測定領域１６Ｂの位置に対応する。
【００７１】
ミラー３７Ｂ（反射部）は、プリズムミラー３６Ｂが設けられたセル側面２ｄと対向する、逆側のセル側面２ｃに設けられる。ミラー３７Ｂは、プリズムミラー３６Ｂの光出力面３６Ｂｂと対面する。ミラー３７Ｂは、測定領域１６Ｂを通過したプローブ光２６Ｂ２を反射して、戻り光であるプローブ光２６Ｂ２Ｒを形成する。
【００７２】
ここで、図６を参照しながら、ポンプ光１７Ａとプローブ光２６Ａ１との関係について説明する。図６に示すように、ポンプ光１７Ａは、セル側面２ａに設けられたプリズムミラー２４から出射される。ポンプ光１７Ａは、セル側面２ａの法線方向に進む。そして、ポンプ光１７は、ヒータ１４が設けられた、逆側のセル側面２ｂに至る。ポンプ光１７は、測定領域１６Ａにおけるアルカリ金属蒸気を励起できればよい。従って、セル２は、一つの測定領域に対して、ポンプ光１７を入射する一つの入力面を有していればよい。
【００７３】
プローブ光２６Ａ１は、セル側面２ｃに設けられたプリズムミラー３６Ａから出射される。セル側面２ｃは、セル側面２ａ、２ｂに対して直交する。換言すると、セル側面２ａ、２ｃの間の角度は、直角である。プローブ光２６Ａ１（セル２内に入射した時点でプローブ光２６Ａ２でもある）は、セル側面２ｃの法線方向に進む。そうすると、セル側面２ａ、２ｃは互いに直交しているので、ポンプ光１７Ａの進行方向及びプローブ光２６Ａ１の進行方向も互いに直交する。測定領域１６Ａを通過したプローブ光２６Ａ１（プローブ光２６Ａ２）は、セル側面２ｄに設けられたミラー３７Ａに至り、反射される。つまり、プローブ光２６Ａ１は、測定領域１６Ａにおけるアルカリ金属蒸気を通過してプローブ光２６Ａ２となった後に、ミラー３７Ａで反射され、プローブ光２６Ａ２Ｒとして再びプリズムミラー３６Ａに戻る。従って、セル２は、一つの測定領域１６Ａに対して、プローブ光２６Ａ１を受け入れる入力面と、プローブ光２６Ａ２Ｒを取り出す出力面とを有する。この入力面及び出力面は、本実施形態のように共通でもよい。この場合には、プローブ光２６Ａ２の進行方向を制御する光学部品（つまり、ミラー３７Ａ）が必要である。
【００７４】
〔光検出系〕
再び図５に示すように、光検出ユニット６は、アルカリ金属蒸気を通過したプローブ光２６Ａ２Ｒ、２６Ｂ２Ｒを検出し、その偏光角度（直線偏光面の回転）に応じた信号を出力する。光励起磁気センサ１は、当該信号を利用して測定対象における磁気に関する情報を得る。さらに、光検出ユニット６は、偏光ビームスプリッタ７に反射されたプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａを検出し、その光強度（光量）に応じた信号を出力する。
【００７５】
光検出ユニット６は、４個のフォトダイオード３８Ａ、３９Ａ、３８Ｂ、３９Ｂを有する。フォトダイオード３８Ａ、３９Ａ、３８Ｂ、３９Ｂは、受け入れた光の光強度に応じた信号をそれぞれ出力する。フォトダイオード３８Ａ（第３プローブ光検出部）は、プローブ光２６Ａａを検出する。フォトダイオード３９Ａ（信号光検出部）は、プローブ光２６Ａ３を検出する。フォトダイオード３８Ｂ（第３プローブ光検出部）は、プローブ光２６Ｂａを検出する。フォトダイオード３９Ｂ（分割信号光検出部）は、プローブ光２６Ｂ３を検出する。フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂは、光出力面７ｄに配置されている。フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂは、光出力面７ｃに配置されている。
【００７６】
フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂは、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａを検出して、当該プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａに応じた信号を出力する。プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａは、アルカリ金属蒸気に提供される前のプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の特性に応じる。具体的には、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａは、プローブ光２６Ａ、２６Ｂに含まれていた縦偏光の成分である。つまり、フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂの出力によれば、例えば外乱に起因して、プローブ光２６を構成する偏光成分が変化したことによるプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の強度のゆらぎなどを監視できる。この揺らぎは、フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂの出力に対してフォトダイオード３８Ａ、３８Ｂの出力を減算することにより電気的にキャンセルすることができる。
【００７７】
また、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａの光量の変化は、プローブ光２６の光量の変化にも同期する。つまり、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａの光量を検出することで、光源２７の光量の変化もモニタリングすることができるため、フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂは光源２７に対する出力モニタとして用いることができる。なお、フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂの出力は、光源２７から出射されたプローブ光２６の光強度の変化に対しては比例する。一方、光源２７から出射されたプローブ光２６の偏光角度の変化に対しては、変化の向き（正方向又は負方向）に応じて、極性（正又は負）が変化する。その結果、フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂの出力が変化したとき、光強度の変化に起因する成分と、偏光角度の変化に起因する成分とに分離することが難しい。そこで、偏光板４１を採用する。偏光板４１は、プローブ光２６の偏光角度の変化をプローブ光２６Ａａ、２６Ｂａの光強度の変化に変換する。そうすると、プローブ光２６の光強度の変化と偏光角度の変化とを、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａの光強度の変化として評価することができるため、より容易にプローブ光２６の変化を検出することができ、安定した出力を得ることができる。さらに、信号の差分を利用した評価にも利用できる。
【００７８】
フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂは、プローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３を検出して、当該プローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３に応じた信号を出力する。このプローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３は、アルカリ金属蒸気を通過した後のプローブ光２６Ａ２Ｒ、２６Ｂ２Ｒに含まれた縦偏光の成分である。測定対象における磁場に変化がなければ、プローブ光２６Ａ２Ｒ、２６Ｂ２Ｒは横偏光の成分のみであり、縦偏光の成分は含まれない。従って、フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂの出力によれば、測定対象における磁場の変化を反映したプローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３の光強度を監視できる。具体的には、セル２に提供されるプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１は、横偏光の光である。アルカリ金属蒸気の状態によっては、当該プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の偏光角度が変化する。つまり、アルカリ金属蒸気を通過した後のプローブ光２６Ａ２、２６Ｂ２は、縦偏光の成分を含み得る。その結果、縦偏光の成分を含むプローブ光２６Ａ２、２６Ｂ２が偏光ビームスプリッタ７に戻ると、当該縦偏光の成分が反射されて、プローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３となる。そして、プローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３がフォトダイオード３９Ａ、３９Ｂに検出される。要するに、偏光の状態に変化がない場合には、フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂの出力はゼロである。偏光の状態に変化が生じた場合には、フォトダイオード３９Ａ、３９Ｂは所定の信号を出力する。
【００７９】
〔作用効果〕
以下、比較例の光励起磁気センサ１００の構成とその作用効果について説明した後に、光励起磁気センサ１の作用効果について説明する。
【００８０】
〔比較例〕
図１３は、比較例の光励起磁気センサ１００を示す概略図である。比較例の光励起磁気センサ１００は、光源１０１と、プリズム１０２と、セル１０３と、波長板１０４と、偏光ビームスプリッタ１０６と、フォトダイオード１０７、１０８と、を有する。偏光ビームスプリッタ１０６及びフォトダイオード１０７、１０８は、ポラリメータ型検出器１０９を構成する。波長板１０４は、いわゆるλ／２型である。この構成によれば、偏光角度が４５度である光が偏光ビームスプリッタ１０６に入力されると、当該光の半分は、フォトダイオード１０７に入力され、残りの半分はフォトダイオード１０８に入力される。そして、処理装置１１１は、フォトダイオード１０７、１０８の出力の差分を得る。磁場による磁気光学回転に起因して偏光角度が変化すると、フォトダイオード１０７、１０８の出力に偏りが生じる。この偏りは、フォトダイオード１０７、１０８の出力の差分により得ることができる。
【００８１】
ポラリメータ型検出器１０９に入射される光は、偏光角度が４５度に設定される。この偏光角度を有する光は、波長板１０４によって得られる。波長板１０４は、入射された光の偏光角度をずらすものである。そうすると、入射される光の偏光角度が揺らぐと、出力される光の偏光角度も揺らぐ。
【００８２】
例えば、フェムトテスラ程度の磁場であるとき、検出すべき偏光角度の回転角度は、マイクロラジアン程度である。そして、磁気光学回転角度θの算出には、ｓｉｎ（２θ）≒２θの近似を利用する。しかし、外乱によって光の偏光角度に大きな揺らぎが生じると、上記の近似が成り立たなくなる。換言すると、線形領域から外れる。従って、線形領域からはずれないように、入力される光の偏光角度に対して波長板１０４の回転角度を調整する必要が生じる。そのうえ、ポラリメータ型検出器１０９は、外乱によって偏光の状態が変化したとき、磁気光学回転に起因するものであるか、または、外乱に起因するものであるかを判別できない。
【００８３】
要するに、比較例の光励起磁気センサ１００は、スピン偏極の変化によるファラデー回転により、直線偏光における偏光角度の変化を検出する。そこで、比較例の光励起磁気センサ１００は、直線偏光を生成する波長板１０４と、偏光の変化を検出するためのポラリメータ型検出器１０９と、を有する。しかし、実際の磁気測定環境では、直線偏光の向きが外乱の影響で揺らぐことがある。当該揺らぎに起因して、検出ダイナミックレンジから外れて計測できないといった課題が生じ得る。
【００８４】
実施形態の光励起磁気センサ１では、偏光ビームスプリッタ７に光源２７から出射されたプローブ光２６Ａ、２６Ｂを透過させて、所定の偏光角度を有するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１を得る。そして、当該プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１をセル２に提供する。その結果、セル２内のアルカリ金属原子には、安定した偏光角度を有するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１が照射される。そして、安定した偏光角度を有するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１によれば、セル２に封入されてポンプ光１７Ａ、１７Ｂによって所定の励起状態とされたアルカリ金属蒸気の状態を安定して得ることができる。さらに、プローブ光２６Ａａ、２６Ｂａの光量をフォトダイオード３８Ａ、３８Ｂで検出することで、プローブ光２６（光源２７）の光量の変化も検出することができる。より詳細には、光源２７から提供されるプローブ光２６の光強度の変化と、外乱に起因する偏光変化と、に起因するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の光強度の変化は、フォトダイオード３８Ａ、３８Ｂによってモニタリングできる。従って、光励起磁気センサ１によれば、安定した出力を得ることができる。
【００８５】
さらに、光励起磁気センサ１は、比較例の光励起磁気センサ１００が備えていた波長板１０４が不要である。その結果、波長板１０４の制御も不要である。
【００８６】
上記の光励起磁気センサ１は、プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１を反射させるミラー３７Ａ、３７Ｂを更に備える。この構成によれば、偏光ビームスプリッタ７は、所定の偏光角度を有するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１を生成する入射光学系として機能すると共にプローブ光２６Ａ２Ｒ、２６Ｂ２Ｒの偏光角度の変化に応じた出力を生成する検出光学系としても機能することができる。従って、光励起磁気センサ１の構成を簡易にできる。さらに、プローブ光２６Ａ２、２６Ｂ２がミラー３７Ａ、３７Ｂによって反射される。その結果、プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１は、プローブ光２６Ａ２及び２６Ａ２Ｒ、プローブ光２６Ｂ２及び２６Ｂ２Ｒとしてアルカリ金属蒸気を２度通過している。つまり、磁気の測定に関係する光路長が２倍になる。その結果、磁気測定の感度がさらに向上する。
【００８７】
上記の光励起磁気センサ１は、プローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１のための光路を形成する光導波部２９Ａ、２９Ｂをさらに備える。光導波部２９Ａ、２９Ｂの導波路３４Ａ、３４Ｂは、偏光ビームスプリッタ７の光出力面７ｂに光学的に接続された光入力面３４Ａａ、３４Ｂａを有する。光導波部２９Ａ、２９Ｂのプリズムミラー３６Ａ、３６Ｂは、セル側面２ｂ、２ｃに光学的に接続された光出力面３６Ａｂ、３６Ｂｂを有する。光導波部２９Ａ、２９Ｂによれば、安定した光路が形成されるので、空気に起因するプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の揺らぎや散乱を抑制することができる。さらに、光導波部２９Ａ、２９Ｂによれば、光学部品間での光伝達時のロスを減少することができ、光の空気ゆらぎによる影響を排除することが可能になる。さらに、光励起磁気センサ１の光学的な組立作業を容易にすることができる。
【００８８】
上記の光励起磁気センサ１において、セル２は、ポンプ光１７Ａ、１７Ｂが入射されるセル側面２ａをさらに有する。セル側面２ａから入射されたポンプ光１７Ａ、１７Ｂの進行方向は、セル側面２ｃ、２ｄから入射されたプローブ光２６Ａ１、２６Ｂ１の進行方向に対して交差する。この構成によれば、光励起磁気センサ１を容易に小型化できる。
【００８９】
上記の光励起磁気センサ１は、光源２７と偏光ビームスプリッタ７との間に配置されて、プローブ光２６から分割されたプローブ光２６Ａ、２６Ｂを形成する光分割部２８と、アルカリ金属蒸気を通過して得られた信号光を構成する光成分であるプローブ光２６Ａ３、２６Ｂ３を検出する光検出ユニット６と、をさらに備える。この構成によれば、測定対象からの距離が遠い領域における磁気を測定することで、外部ノイズの検出が可能となり、いわゆるグラジオメータ型のセンサを１個の偏光ビームスプリッタ７により構成することができる。
【００９０】
具体的には、フォトダイオード３９Ａによって測定対象における磁場信号を取得する。フォトダイオード３９Ｂによって、環境起因の磁場信号を取得する。そして、それぞれの出力の差分を得る。この差分を利用することにより、環境磁場ノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００９１】
以上、本発明について説明したが、上記本発明の構成に限定されることなく様々な形態で実施してよい。
【００９２】
〔変形例１〕
図７に示すように、変形例１の光励起磁気センサ１Ａは、実施形態の光励起磁気センサ１よりもさらに単純な構成としてもよい。光励起磁気センサ１は、光源２７Ａと、偏光ビームスプリッタ７Ａと、フォトダイオード３８Ｓと、セル２と、偏光ビームスプリッタ７Ｓと、フォトダイオード３９Ｓと、を有する。なお、ポンプ光のための構成は、図示及び説明を省略する。これらのうち、光源２７Ａ、偏光ビームスプリッタ７Ａ、セル２、偏光ビームスプリッタ７Ｓは、光軸上においてこの順に配置されている。フォトダイオード３８Ｓは、偏光ビームスプリッタ７Ａの光出力面上に配置されている。フォトダイオード３９Ｓは、偏光ビームスプリッタ７Ｓの光出力面上に配置されている。このような構成によっても、偏光ビームスプリッタ７Ａによって、所定の偏光状態とされたプローブ光をセル２に提供することができる。
【００９３】
〔変形例２〕
図８に示すように、変形例２の光励起磁気センサ１Ｂは、変形例１の光励起磁気センサ１Ａについて出力側の偏光ビームスプリッタ７Ｓに変えて、ミラー３７Ｓを備える。つまり、光励起磁気センサ１Ｂは、光源２７Ａと、偏光ビームスプリッタ７Ａと、セル２と、ミラー３７Ｓと、フォトダイオード３８Ｓ、３９Ｓとを備える。光源２７Ａ、偏光ビームスプリッタ７Ａ、セル２及びミラー３７Ｓは、光軸上においてこの順に配置されている。フォトダイオード３８Ｓは、偏光ビームスプリッタ７Ａの一方の光出力面上に配置されている。このフォトダイオード３８Ｓは、セル２に照射される前のプローブ光に関する情報を得る。フォトダイオード３９Ｓは、偏光ビームスプリッタ７Ａの一方の光出力面上に配置されている。このフォトダイオード３９Ｓは、セル２を通過した後のプローブ光に関する情報を得る。また、偏光ビームスプリッタ７Ａとセル２との間には、光学部材３４Ｓが配置され、当該光学部材３４Ｓによって偏光ビームスプリッタ７Ａからセル２へ至る光路が形成されている。
【００９４】
図９は、図８に示す光励起磁気センサ１Ｂの具体的な構成の例示である。図９に示す構成は、実施形態の光励起磁気センサ１から光分割部２８、光導波部２９Ｂ、フォトダイオード３８Ｂ、３９Ｂを省略したものと等価である。
【００９５】
〔変形例３〕
図１０に示すように、変形例３の光励起磁気センサ１Ｄは、光分割部２８を省略し、プローブ光用の光源２７、２７Ｔを備えていてもよい。光源２７は、プローブ光２６Ａを提供する。光源２７Ｔは、プローブ光２６Ｂを提供する。
【００９６】
〔変形例４〕
図１１の（ｂ）部に示すように、アルカリ金属３０を封入した実施形態のセル２は、ガラス基体８の内面に設けられたコーティング層９と、外面に設けられたコーティング層１１と、を有していた。対して、図１１の（ａ）部に示すように、セル２Ａは、ガラス基体８の内面に設けられたコーティング層９のみを有していてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ…光励起磁気センサ、２…セル、２ａ…セル側面（第１セル光接続部）、２ｂ，２ｄ…セル側面、２ｃ…セル側面（第２セル光接続部）、３…ポンプ光源、４…プローブ光源、６…光検出ユニット、７，７Ａ，７Ｓ…偏光ビームスプリッタ、７ａ…光入力面（第１スプリッタ光接続部）、７ｂ…光出力面（第２スプリッタ光接続部）、７ｃ，７ｄ…光出力面、８…ガラス基体（容器部）、９…コーティング層（内側被覆膜）、１１…コーティング層（外側被覆膜）、１２…ガラス本体部、１２Ａ…磁気入射部、１３…封じ切り部、１３Ａ…封着部、１４…ヒータ、１６Ａ，１６Ｂ…測定領域、１７，１７Ａ，１７Ｂ…ポンプ光、１８…光源（第１光源）、１９…光導波部、２１，２２…導波路、２３，２４…プリズムミラー、２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ…光入力面、２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２３ｃ…光出力面、２６…プローブ光（第１プローブ光）、２６Ａ，２６０…プローブ光、２６Ｂ…プローブ光（分割プローブ光）、２６Ａ１，２６Ｂ１…プローブ光（第２プローブ光）、２６Ａａ，２６Ｂａ…プローブ光（第３プローブ光）、２６Ａ２，２６Ａ３，２６Ｂ２，２６Ｂ３…プローブ光（信号光）、２６Ａ２Ｒ，２６Ｂ２Ｒ…プローブ光（反射信号光）、２７…光源（第２光源）、２７Ａ，２７Ｔ…光源、２８…光分割部、２９Ａ，２９Ｂ…光導波部（光学部材）、３０…アルカリ金属、３１，３２，３６Ａ，３６Ｂ…プリズムミラー、３１ａ，３２ａ…光入力面、３１ｂ，３１ｃ…光出力面、３４Ａ，３４Ｂ…導波路、３７Ａ，３７Ｂ…ミラー(ミラー部)、３４Ａａ…光入力面（第１端面）、３４Ａｂ…光出力面（第２端面）、３６Ａａ，３４Ｂａ，３６Ｂａ…光入力面、３６Ａｂ，３４Ｂｂ，３６Ｂｂ…光出力面、３７Ｓ…ミラー、３８Ａ，３８Ｓ，３９Ａ，３８Ｂ，３９Ｓ…フォトダイオード、３９Ｂ…フォトダイオード（分割信号光検出部）、４１…偏光板、１００…光励起磁気センサ、１０１…光源、１０２…プリズム、１０３…セル、１０４…波長板、１０６…偏光ビームスプリッタ、１０７，１０８…フォトダイオード、１０９…ポラリメータ型検出器、１１１…処理装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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