(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記プローブ光照射手段から照射されたプローブ光が通過する２の領域に存在し、円偏光のポンプ光が照射された方向に応じて磁化する磁性媒体であって、前記２の領域の各々に外部から印加される磁場のうち当該プローブ光が通過する方向に対して直交する第１の方向の成分の強度に応じて、当該通過するプローブ光の偏光面をファラデー効果により回転させる磁性媒体と、
前記２の領域の各々における磁性媒体に対して、前記プローブ光をそれぞれ同じ複数回通過させるように当該プローブ光の光路を制御する光路制御手段と、
前記２の領域の各々における磁性媒体が前記第１の方向以外の方向に沿って磁化するように、当該磁性媒体に対して円偏光のポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
前記２の領域の一方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の第１の回転量と、他方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の第２の回転量との差を検出する検出手段と
を具備し、
前記光路制御手段は、前記２の領域を挟むように設けられた反射鏡を有し、前記反射鏡により前記プローブ光を反射させて、当該２の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させ、
前記検出手段は、前記第１の回転量及び前記第２の回転量の少なくともいずれか一方を前記プローブ光の強度の減衰量に基づいて補正し、補正結果から前記差を検出する
ことを特徴とする磁場測定装置。
【請求項２】
前記２の領域の一方と他方との間の前記プローブ光が通過する領域に設けられた半波長板
を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
【請求項３】
前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を出射する出射部を有し、
前記検出手段は、前記２の領域の各々における磁性媒体を前記複数回通過することにより偏向面が回転されたプローブ光を受光する受光部を有し、
前記出射部と前記受光部とは、前記磁性媒体に対して同じ側に設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場測定装置。
【請求項４】
前記検出手段による検出結果から、前記２の領域のそれぞれに印加される磁場の前記第１方向の成分における強度の差を算出する算出手段をさらに具備する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁場測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の強度を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場の強度を測定する技術として、アルカリ金属ガスの電子スピン偏極を利用した原子磁気センサーが提案されている。これは、円偏光のポンプ光をアルカリ金属蒸気が存在するセルに対して照射し、このセルに直線偏光のプローブ光を通過させるとセルに印加されている磁場の強度に応じてプローブ光の偏光面が回転する。そして、このプローブ光の偏光回転角を検出することにより磁場の強度を測定する。
磁場の強度を測定するときには、測定対象となる磁場以外にも、地磁気、電気的ノイズなどを起因とする磁場についても測定されてしまうため、測定対象物から異なる距離に設けられた２つのセルを用いて磁気勾配を測定する技術が開発されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６２５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された技術においては、測定対象物から生じる磁場が微小な強度であっても、精度よく測定できるという利点がある一方、磁場の強度とプローブ光の偏光回転角とが比例関係でないと測定精度が低下する。磁場強度が大きくなるとこの比例関係を保つことができなくなるため、測定環境の磁場全体の強度がある上限の強度を超えないように抑える必要があり、測定対象の磁場として測定できる強度に大きな制限を受けていた。そのため、高価な磁気シールドを用いる必要があった。
また、プローブ光を通過させるセルのアルカリ金属蒸気の影響により、そのプローブ光が吸収されてしまう。セルを通過するときのプローブ光の強度が異なると、同じ磁場の強度でも偏光回転角の変化量が異なってくるため、吸収量が大きくなると、２つのセルにおける磁場に対する偏光回転角の関係が異なるものとなり、正確な磁場勾配を測定できない場合があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、光ポンピング法を用いた磁場勾配の測定の精度を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明は、直線偏光のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記プローブ光照射手段から照射されたプローブ光が通過する２の領域に存在し、円偏光のポンプ光が照射された方向に応じて磁化する磁性媒体であって、前記２の領域の各々に外部から印加される磁場のうち当該プローブ光が通過する方向に対して直交する第１方向の成分の強度に応じて、当該通過するプローブ光の偏光面をファラデー効果により回転させる磁性媒体と、前記２の領域の各々における磁性媒体に対して、前記プローブ光をそれぞれ同じ複数回通過させるように当該プローブ光の光路を制御する光路制御手段と、前記２の領域の各々における磁性媒体が前記第１の方向以外の方向に沿って磁化するように、当該磁性媒体に対して円偏光のポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、前記２の領域の一方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量と、他方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量との差を検出する検出手段とを具備することを特徴とする磁場測定装置を提供する。
この磁場測定装置によれば、各領域における磁場の強度に対する偏光回転角が小さいものであっても、各領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させるため、検出される偏光回転角は大きなものとなり、磁場勾配の測定精度を向上させることができる。また、一度の通過における偏光回転角が小さくてもよいから、磁性媒体の密度を少なくしてプローブ光の吸収を少なくすることができ、磁気勾配の測定精度をさらに向上させることもできる。
【０００６】
別の好ましい態様において、前記光路制御手段は、前記２の領域を挟むように設けられた反射鏡を有し、前記反射鏡により前記プローブ光を反射させて、当該２の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、簡易な構成で２つの領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させることができる。
【０００７】
別の好ましい態様において、前記光路制御手段は、前記２の領域を挟むように設けられたコーナーキューブを有し、前記コーナーキューブにより前記プローブ光を反射させて、当該２の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、簡易な構成で２つの領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させることができる。
【０００８】
別の好ましい態様において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を出射する出射部を有し、前記検出手段は、前記２の領域の各々における磁性媒体を前記複数回通過することにより偏向面が回転されたプローブ光を受光する受光部を有し、前記出射部と前記受光部とは、前記磁性媒体に対して同じ側に設けられていることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、２つの領域のうち出射部と受光部とから離れた領域の近くに測定対象物を位置させることができる。
【０００９】
別の好ましい態様において、前記検出手段による検出結果から、前記２の領域のそれぞれに印加される磁場の前記第１方向の成分における強度の差を算出する算出手段をさらに具備することを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、２つの領域における一方の近くにある測定対象物から生じる磁場の強度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】磁場測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】測定部における構成を示す図である。
【図３】第１ガスセル、第２ガスセルにおける磁性媒体の磁化の変化を説明する図である。
【図４】相対ラーマー周波数とｙ軸方向の磁化との関係を示す図である。
【図５】印加される磁場の強度と偏光回転角との関係を示す図である。
【図６】プローブ光のガスセル通過による偏光面の回転を説明する図である。
【図７】変形例１に係る測定部における構成を示す図である。
【図８】変形例２に係る測定部における構成を示す図である。
【図９】変形例４に係る測定部における構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施形態＞
[全体構成]
図１は、磁場測定装置１の構成を示すブロック図である。磁場測定装置１は、光ポンピング法を用いて、測定対象物から生じる磁場の強度を測定する装置であって、測定部１０、制御部１１、記憶部１２、表示部１３、操作部１４およびインターフェイス１５を有する。測定部１０は、磁場の強度を測定する各構成を有し、制御部１１によって測定の開始、終了などの制御が行われる。測定部１０は、測定中においては、偏光回転角情報を制御部１１に出力する。測定部１０の詳細について、また偏光回転角情報については後述する。
【００１２】
制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理回路、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有し、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭにロードして実行する。これにより、制御部１１は、バスを介して磁場測定装置１の各部の制御を行う。また、制御部１１は、後述するように偏光回転角情報から、測定された磁場の強度を算出する算出処理を行う算出手段としても機能する。
【００１３】
記憶部１２は、不揮発性メモリ、ハードディスクなどの記憶手段であって、各種プログラム、磁場測定結果などを記憶する。
表示部１３は、液晶ディスプレイなどの表示画面を有する表示デバイスであって、制御部１１の制御により表示内容が制御される。表示内容は、例えば、各種設定画面、測定結果の表示などである。
操作部１４は、ボタン、キーボード、タッチパネルなどの操作子を有し、利用者が操作子を操作すると、その操作内容を示すデータが制御部１１に出力される。
インターフェイス１５は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの端子を用いたり、通信網に接続する通信機能を用いたりすることで、外部装置と情報のやり取りをするための接続機能を有する。
次に、測定部１０の構成について説明する。
【００１４】
[測定部１０の構成]
図２は、測定部１０の構成を示す図である。測定部１０は、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２、反射鏡１２１、１２２、ポンプ光照射部１３０、プローブ光照射部１４０およびプローブ光検出部１５０を有する。ここで、図２に示すように、図右方向をｘ軸方向、ｘ軸に直交し図上方向をｙ軸方向、ｘ軸、ｙ軸平面内に対して直交し紙面に対して垂直手前方向をｚ軸方向として説明する。この例においては、測定部１０は、ｚ軸方向の磁場の強度を測定するための構成として説明する。測定対象物１０００から生じる磁場の強度を測定するときには、図２に示すように、第２ガスセル１１２よりも第１ガスセル１１１に近い場所に測定対象物１０００を位置させる。
【００１５】
第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２は、ｙ軸方向に沿って並んで配置されている。第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２（以下、それぞれを区別しないときには、単にガスセルという）は、ガラス、プラスチックなど、後述するポンプ光、プローブ光を透過する材料で構成された中空の部材である。ガスセルの中空部分には、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属原子などの磁性媒体が封入されている。また、バッファーガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの希ガス、窒素（Ｎ）などの非磁性のガスなどを封入してもよい。磁場強度の測定のときには、図示しない加熱手段によってガスセル内部を加熱するなどしてアルカリ金属原子の蒸気をガスセル内部に充満させてガス化させる。加熱しなくてもガス化している状態の原子密度である場合には加熱は不要である。
ガスセル内に封入される磁性媒体としては、アルカリ金属原子を用いているが、後述するように、円偏光のポンプ光が照射されると、照射された方向に応じて磁化するものであれば、アルカリ金属原子に限られない。
【００１６】
このように、第１ガスセル１１１および第２ガスセル１１２は、磁場測定領域となる２の領域において、磁性媒体が存在するように保持するものである。そのため、必ずしも２つのガスセルであるものに限られず、１つのガスセルによりまとめて保持してもよい。ここで、磁場測定領域となる２の領域とは、後述するポンプ光１３１が第１ガスセル１１１内の磁性媒体に照射される領域と、後述するポンプ光１３２が第２ガスセル１１２内の磁性媒体に照射される領域とを示す。この領域は、ポンプ光１３１、１３２が照射される領域だけでなく、ポンプ光により磁化した磁性媒体が磁化の影響を残したまま拡散して広がる領域について含まれるものとしてもよい。
以下の説明においては、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２が磁場測定領域となる２の領域に対応しているものとする。また、第１ガスセル１１１と第２ガスセル１１２とは少なくともｙ軸方向については同じ寸法、すなわち２の領域のそれぞれｙ軸方向については同じ寸法である。さらに、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２における磁性媒体の原子密度なども同じものとなっている。なお、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２については、後述するように磁場Ｂｚの強さとプローブ光１４１の偏光面の偏光回転角θとの関係がそれぞれ同じものとなるように構成されていれば、上記構成に限られない。
【００１７】
反射鏡１２１、１２２は、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２を挟むように設けられ、プローブ光１４１を反射させて光路を制御することにより、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に対して、プローブ光１４１をそれぞれ同じ複数回（この例においては、それぞれ４回）通過させる光路制御手段である。反射鏡１２１は、第１ガスセル１１１側に、反射鏡１２２は、第２ガスセル１１２側に設けられている。また、反射鏡１２２には、反射鏡１２１、１２２間の外側にあるプローブ光照射部１４０の出射部１４０１から出射されるプローブ光１４１を内側に導き、また、反射鏡１２１、１２２により反射した内部のプローブ光１４１を外側のプローブ光検出部１５０の受光部１５０１に導く構成（この例においては導入孔）を有している。
【００１８】
ポンプ光照射部１３０は、光ポンピング法におけるポンピング光であるポンプ光１３１、１３２をそれぞれ第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に照射する照射部１３０１、１３０２を有するポンプ光照射手段である。ポンプ光照射部１３０は、ポンプ光１３１、１３２をそれぞれ同じ方向に照射する（図２に示すｘ軸正方向に照射）。また、ポンプ光照射部１３０によって照射されるポンプ光１３１、１３２はそれぞれ円偏光であり、それぞれ反対回りの円偏光である。この例においては、ポンプ光１３１は、左円偏光（σ＋：光の進行方向（ｘ軸正方向）に対して時計回り（受光側から見て左回り）の円偏光）であり、ポンプ光１３２は、右円偏光（σ−：光の進行方向（ｘ軸正方向）に対して反時計回り（受光側から見て右回り）の円偏光）である。
ポンプ光照射部１３０は、一の光源を有し、この光源から発生する光を、位相差板、ビームスプリッター、ミラーなどの光学系を用いて、ポンプ光１３１、１３２に変換して照射する。なお、２つの光源を有し、それぞれの光源から発生する光を、それぞれポンプ光１３１、１３２として照射してもよい。
【００１９】
プローブ光照射部１４０は、直線偏光のプローブ光１４１を出射する出射部１４０１を有するプローブ光照射手段である。このプローブ光１４１は、上述のように反射鏡１２１、１２２において反射して、第１ガスセル１１１および第２ガスセル１１２をそれぞれ複数回通過し、プローブ光検出部１５０の受光部１５０１に到達する。この例においては、出射部１４０１と受光部１５０１とは、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に対して同じ側に設けられ、この例においては、反射鏡１２２を介して第２ガスセル１１２とは反対側に設けられている。このようにすると、測定対象物１０００を第１ガスセル１１１の近くに位置させることができ、測定対象物１０００からの磁場を効率よく測定することができる。
プローブ光照射部１４０は、光源を有し、出射部１４０１からプローブ光１４１を出射させるまでに、光源から発生した光をレンズなどの光学系を通過させてもよい。
なお、図２の記載においては、プローブ光１４１の光路は、ｙ軸と完全には平行になっていないが概ね平行であるから、以下の説明においては平行であるものとして説明する。
【００２０】
プローブ光検出部１５０は、プローブ光１４１を受光する受光部１５０１を有し、受光したプローブ光１４１の偏光回転角を検出する検出手段である。これは例えば、偏光ビームスプリッター、フォトディテクターを用いたり、ポラリメーターを用いたりすればよい。
プローブ光検出部１５０は、プローブ光照射部１４０から照射されるプローブ光１４１の偏光面の状態が予め設定され、この偏光面を基準として、受光部１５０１において受光したプローブ光１４１の偏光面がどのくらい回転しているかを測定し、その回転量を偏光回転角として検出する。
このように検出される偏光回転角は、後述するように、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２をプローブ光１４１が複数回通過した結果、第１ガスセル１１１によるプローブ光１４１の偏光面の回転量と、第２ガスセル１１２によるプローブ光１４１の偏光面の回転量との差を示している。
プローブ光検出部１５０は、検出した偏光回転角を示す偏光回転角情報を制御部１１に出力する。次に、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に封入されている磁性媒体の磁化の変化について説明する。
【００２１】
図３は、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２における磁性媒体の磁化の変化を説明する図である。ガスセルにおけるアルカリ金属などの磁性媒体は、円偏光の光を照射すると、光の進行方向に応じてアルカリ金属原子の電子スピン偏極が生じて磁化する。照射した光が左円偏光（σ＋）である場合には、光の進行方向に沿って磁化する一方、右円偏光（σ−）である場合には、光の進行方向とは逆の方向に磁化する。このような現象を光ポンピングという。そして、この光の照射を停止すると、スピン偏極が緩和してランダムな方向に向くことになり、時間の経過とともに磁化ベクトルが小さくなる。スピン偏極が発生して磁化が特定の割合（例えば１／ｅ）に減衰するまでの速度を横緩和速度Γｇという。
ここで、図３に示すように、第１ガスセル１１１にはｘ軸正方向に左円偏光（σ＋）のポンプ光１３１が照射されるため、第１ガスセル１１１における磁性媒体はｘ軸正方向に磁化する（磁化ベクトルＭ１）。一方、第２ガスセル１１２にはｘ軸正方向に右円偏光（σ−）のポンプ光１３２が照射されるため、第２ガスセル１１２における磁性媒体はｘ軸負方向に磁化する（磁化ベクトルＭ２）。
【００２２】
また、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２における磁性媒体に磁場が印加されると、電子スピンはラーマー歳差運動を開始し、磁場印加方向と垂直の面内で回転する。ラーマー周波数ωＬは、印加される磁場の大きさに比例し、ωＬ＝γＢ（γ：磁気回転比、Ｂ：印加磁場強度）である。
図３に示すように、第１ガスセル１１１にはｚ軸正方向に磁場Ｂ１が印加され、第２ガスセル１１２にはｚ軸正方向に磁場Ｂ２が印加される。ここで、磁場が印加される方向は、実際にはｚ軸正方向に限定されているわけではなく、磁場の強度のうちｚ軸正方向成分に着目して説明するものである。
ｚ軸正方向に磁場が印加されると、ラーマー歳差運動により磁化ベクトルが回転（ｚ軸正方向からｘｙ平面を見たときにｘｙ平面内で反時計回り）する。そして、時間の経過とともに磁化ベクトルが回転しつつその大きさが小さくなっていく。
次に、この結果、ｙ軸方向に生じる磁化の大きさについて説明する。
【００２３】
図４は、相対ラーマー周波数とｙ軸方向の磁化Ｍｙとの関係を示す図である。相対ラーマー周波数とは、ラーマー周波数ωＬ／横緩和速度Γｇを示すものである。ｙ軸方向の磁化Ｍｙは、Ｍｙ＝−ＣωＬΓｇ／（ωＬ２＋Γｇ２）で表され、ｘ軸負方向に向いた磁化ベクトル（磁化ベクトルＭ２に相当）を基準としてこれが回転することにより生じるｙ軸方向の磁化ベクトルの大きさを示している。Ｃは、プローブ光１４１の強度、ガスセル内の磁性媒体の密度に応じて決まる定数である。また、ωＬは、ｚ軸正方向から見たｘｙ平面内での反時計回りの回転を正の値としている。
【００２４】
ガスセル内の磁性媒体が磁化している状態で、プローブ光１４１が磁性媒体を通過すると、ファラデー効果によりプローブ光の偏光面が回転する。具体的には、プローブ光１４１が進行する方向に沿った磁化の大きさに応じて、進行方向に対して時計回りに偏光面が回転する。すなわち、プローブ光１４１がｙ軸正方向に進行しているときには、通過するガスセル内の磁性媒体のｙ軸方向における磁化の大きさによって、プローブ光１４１の偏光面が回転する。上述したように、ガスセル内の磁性媒体における磁化の大きさは、印加される磁場の強度に応じて図４に示すように変化する。したがって、ガスセル内の磁性媒体に外部から印加される磁場の強度に応じてプローブ光１４１の偏光面が回転することになる。
次に、外部から印加される磁場の強度とプローブ光１４１の偏光面の回転量（偏光回転角）との関係について説明する。
【００２５】
図５は、印加される磁場Ｂｚの強度と偏光回転角θとの関係を示す図である。磁場Ｂｚはｚ軸正方向に印加される磁場の強度を示している。また、偏光回転角θは、プローブ光１４１の進行方向に対して反時計回りを正としている。すなわち、プローブ光１４１の進行方向とｙ軸方向の磁化ベクトルが同一方向である場合には、プローブ光１４１の偏光面は、磁化ベクトルの大きさに応じて、進行方向に対して時計回りに回転し、反対方向である場合には、反時計回りに回転する。
【００２６】
また、実線Ｐ、破線Ｑは、磁性媒体の原子密度が異なる場合を想定したものであり、破線Ｑの方が実線Ｐよりも原子密度が低くなっている。
実線Ｐについて説明すると、図５に示すように、磁場Ｂｚの強度の絶対値が大きくなると偏光回転角θがほぼ比例して大きくなるが、その比例関係を保っているのは、磁場Ｂｚの強度が磁場測定レンジＢｒ０内にあるときである。したがって、この磁場測定レンジＢｒ０の外側における磁場Ｂｚの強度については、正確な測定をすることができない。この磁場測定レンジＢｒ０は、図４に示すラーマー周波数ωＬ／Γｇの絶対値が概ね１未満であるため、Ｂｒ０＝２Γｇ／γの関係として決まる。
一方、破線Ｑについては、磁性媒体の原子密度が低いことからΓｇが大きくなり磁場Ｂｚの強度変化に対する偏光回転角θの変化が少なくなる。すなわち、原子密度を低くすることで磁場Ｂｚに対する感度を低くして磁場測定レンジを磁場測定レンジＢｒ０からＢｒ１に広げることができる。
次に、プローブ光１４１の偏光面の回転について説明する。
【００２７】
[プローブ光１４１の偏光面の回転]
図６は、プローブ光１４１のガスセル通過による偏光面の回転を説明する図である。ここでは、第２ガスセルにはｚ軸正方向に磁場Ｂ０が、第１ガスセル１１１にはｚ軸正方向に磁場Ｂ０＋Ｂｈが印加されている。この磁場の違いは測定対象物１０００からの第１ガスセル１１１および第２ガスセル１１２の距離の違いにより生じるものである。磁場Ｂ０、Ｂ０＋Ｂｈは、上述した磁場測定レンジ内であるものとする。
この磁場Ｂ０、Ｂ０＋Ｂｈにより、第２ガスセル１１２の磁性媒体におけるｙ軸方向の磁化ベクトルＭ２ｙは、ｙ軸負方向を向き、第１ガスセル１１１の磁性媒体におけるｙ軸方向の磁化ベクトルＭ１ｙは、ｙ軸正方向を向いている。また、第１ガスセル１１１に係る磁場の方が第２ガスセル１１２に係る磁場よりも大きいから、磁化ベクトルＭ１ｙの大きさは磁化ベクトルＭ２ｙより大きい。すなわち、第１ガスセル１１１におけるプローブ光１４１の偏光回転角θの絶対値（以下、第１偏光回転角αとする）は、第２ガスセル１１２におけるプローブ光１４１の偏光回転角θの絶対値（以下、第２偏光回転角βとする）よりも大きくなる。
【００２８】
この例においては、プローブ光１４１がｙ軸負方向へ進行（プローブ光１４１−１という）しながら第２ガスセル１１２、第１ガスセル１１１を通過し、その後、反射鏡１２１において反射してｙ軸正方向に進行（プローブ光１４１−２という）しながら第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２を通過する場合を説明する。また、（ａ）から（ｈ）については、プローブ光１４１の進行方向に対して偏光面の向きを示している。図６においては、プローブ光１４１の進行方向に対して時計回りの回転を正とする。
【００２９】
まず、プローブ光１４１−１が第２ガスセル１１２を通過する前においては、（ａ）に示すように、プローブ光１４１−１の偏光面はｚ軸に沿ったものとなっている。プローブ光１４１−１が第２ガスセル１１２を通過すると、プローブ光１４１−１の進行方向と磁化ベクトルＭ２ｙの方向とが同一方向であるから、（ｂ）に示すように偏光面は＋β（プローブ光１４１−１進行方向に対して時計回りにβ）回転する。そして、プローブ光１４１−１がさらに第１ガスセル１１１を通過すると、プローブ光１４１−１の進行方向と磁化ベクトルＭ１ｙの方向とが反対方向であるから、（ｃ）に示すように偏光面は−α（プローブ光１４１−１進行方向に対して反時計回りにα）回転する。
これにより、（ｄ）に示すように、第２ガスセル１１２、第１ガスセル１１１を通過したプローブ光１４１−１は、通過前に比べて偏光面がβ−α回転することになる。この偏光回転角（β−α）は、磁場Ｂｈに対するものに相当する。
【００３０】
次に、プローブ光１４１−１が反射鏡１２１において反射すると、進行方向がｙ軸正方向に反転する（プローブ光１４１−２）。これにより、プローブ光の位相が１８０度回転し、進行方向に対する偏光面は、（ｅ）に示すように元の偏光面（ａ）に対して、偏光回転角（α−β）で回転しているものとなる。
プローブ光１４１−２が第１ガスセル１１１を通過すると、プローブ光１４１−２の進行方向と磁化ベクトルＭ１ｙの方向とが同一方向であるから、（ｆ）に示すように偏光面は＋α（プローブ光１４１−２進行方向に対して時計回りにα）回転する。そして、プローブ光１４１−２がさらに第２ガスセル１１２を通過すると、プローブ光１４１−２の進行方向と磁化ベクトルＭ２ｙの方向とが反対方向であるから、（ｇ）に示すように偏光面は−β（プローブ光１４１−２進行方向に対して反時計回りにβ）回転する。
これにより、（ｈ）に示すように、第２ガスセル１１２、第１ガスセル１１１を通過し、反射鏡１２１において反射して、再び第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２を通過したプローブ光１４１は、通過前に比べて偏光面が２α−２β回転することになる。この偏光回転角２α−２βは、磁場Ｂｈに対する偏光回転角αーβの２倍に相当する。
そして、図２に示すようにプローブ光１４１が照射される場合は、上記説明の偏光面の回転をさらにもう一度行うことになるから、偏光回転角は４α−４βとなり、磁場Ｂｈに対する偏光回転角α−βの４倍に相当する。
【００３１】
磁場Ｂｈに対する偏光回転角α−βは、ガスセルにおける磁性媒体の原子密度を低くして磁場測定レンジを広げるほど、小さな回転角となる。例えば、原子密度を１／１６（＝（１／４）２）にすると、磁場測定レンジは４倍、すなわち同じ磁場強度でも偏光回転角は１／４になる。本実施形態における構成においては、反射鏡１２１、１２２において、プローブ光１４１を反射させることにより、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に通過させる回数を複数回（４回）として、同じ磁場の強度であっても４倍の偏光回転角を得ることができる。
【００３２】
また、プローブ光１４１を第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に通過させる回数を複数回とすることによりプローブ光１４１の強度の減衰も生じることになるが、本実施形態においては、磁場測定レンジを拡大するために第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２における磁性媒体の原子密度を低くしているため、プローブ光１４１の強度の減衰を少なくすることができる。
本実施形態においては、プローブ光１４１は、磁場勾配の測定にかかる第１ガスセル１１１および第２ガスセル１１２を組にして通過してから反射鏡１２１、１２２において反射する構成となっている。そのため、プローブ光１４１が第１ガスセル１１１または第２ガスセル１１２を通過するときのプローブ光１４１の強度と次のガスセルを通過するときのプローブ光１４１の強度には差が少ないため測定への影響は少ない。予め減衰量がわかっていれば、その減衰量に応じて偏光回転角が少なくなるため、その偏光回転角の減少分を補正することもできる。したがって、プローブ光１４１が出射部１４０１から出射されてから受光部１５０１において受光されるまでの間に、プローブ光１４１の強度の減衰量が蓄積されて大きなものとなっても、測定への影響を少なくすることができる。
【００３３】
そして、制御部１１は、このようにして検出された結果、測定部１０から出力される偏光回転角情報を取得し、第１ガスセル１１１における磁性媒体に印加されている磁場Ｂ０＋Ｂｈと、第２ガスセル１１２における磁性媒体に印加されている磁場Ｂ０との差である磁場Ｂｈの強度を算出し、この強度に応じて、測定対象物１０００により生じた磁場の強度が測定されることになる。
具体的には、制御部１１に、図５に相当する磁場Ｂｚと偏光回転角θとの関係を記憶させておき、偏光回転角情報が示す偏光回転角を１／４として、対応する磁場の強度を算出すればよい。上述のように、プローブ光１４１の強度を考慮して補正する場合には、偏光回転角情報が示す偏光回転角を１／４とするのではなく、例えば、補正値ｃを用いて、１／（４−ｃ）とすればよい。
【００３４】
このように、本発明の実施形態に係る磁場測定装置１は、測定部１０において、プローブ光１４１を反射鏡１２１、１２２を用いて反射させ、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２を複数回通過させることで、プローブ光１４１における偏光回転角を大きくすることができる。このとき、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２における磁性媒体の原子密度を少なくしてプローブ光１４１の減衰量を抑えるとともに、磁場測定レンジを拡大することもできる。
【００３５】
＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以下のように、さまざまな態様で実施可能である。
[変形例１]
上述した実施形態においては、出射部１４０１と受光部１５０１とは、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に対して同じ側に位置していたが、それぞれ異なる側に位置してもよい。
【００３６】
図７は、変形例１に係る測定部１０Ａにおける構成を示す図である。測定部１０Ａは、実施形態における測定部１０の反射鏡１２１、１２２に代えて、反射鏡１２１Ａ、１２２Ａを用いたものであり、受光部１５０１の位置を、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２を介して出射部１４０１の位置とは反対側であるものとした構成である。
このような構成にした場合には、受光部１５０１がプローブ光１４１を受光するときのｙ軸方向の正負関係が異なるため、制御部１１において偏光回転角情報を処理する際に、実施形態の場合と正負反転させて処理する。
【００３７】
[変形例２]
上述した実施形態においては、光路制御手段として反射鏡１２１、１２２を用いていたが、反射鏡以外の手段によってプローブ光１４１の光路を制御してもよい。
【００３８】
図８は、変形例２に係る測定部１０Ｂにおける構成を示す図である。測定部１０Ｂは、実施形態における測定部１０の反射鏡１２１、１２２に代えて、直角プリズム１２３、１２４を用いたものである。このような構成であっても、プローブ光１４１を第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に複数回通過させることができる。
ここで、直角プリズム１２３、１２４においてプローブ光１４１の進行方向を１８０度変えるときに、実施形態における反射鏡１２１、１２２のようにプローブ光１４１の位相が１８０度回転するように直角プリズム１２３、１２４を構成すればよい。また直角プリズム１２３、１２４自体の構成とするのではなく、このような構成を実現する光学系を別途、測定部１０Ｂに設けるようにしてもよい。
なお、直角プリズム１２３、１２４は、反射面が２面であるが、直角プリズム１２３、１２４の双方またはいずれか一方が、反射面が３面のコーナーキューブであってもよい。
【００３９】
[変形例３]
上述した実施形態においては、ポンプ光１３１、１３２は、それぞれ同じ方向に照射され、円偏光の向きが異なっていたが、円偏光の向きを同じものとして、照射方向が反対方向になるようにしてもよい。例えば、ポンプ光１３２については、ポンプ光１３１と同様に左円偏光とし、照射方向をｘ軸負方向とすればよい。
また、この態様に限られず、ポンプ光１３１、１３２をそれぞれ第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に照射したときに、それぞれの磁性媒体の磁化する方向が反対の方向になるように構成されていればよい。
このようにして、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２をプローブ光１４１が複数回通過した結果、プローブ光検出手段１５０において検出される偏光回転角が、第１ガスセル１１１によるプローブ光１４１の偏光面の回転量と、第２ガスセル１１２によるプローブ光１４１の偏光面の回転量との差となるように、ポンプ光照射手段１３０を構成すればよい。
【００４０】
[変形例４]
上述した実施形態においては、ポンプ光１３１、１３２をそれぞれ第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２に照射したときに、それぞれの磁性媒体の磁化する方向が反対の方向になるように構成されていたが、ポンプ光１３１、１３２をともに左円偏光にするなどして磁化する方向を同じ方向とし、半波長板を用いる構成としてもよい。
【００４１】
図９は、変形例４に係る測定部１０Ｃにおける構成を示す図である。測定部１０Ｃは、第１ガスセル１１１と第２ガスセル１１２との間のプローブ光１４１が通過する領域に半波長板１６０を用いてもよい。このようにすれば、プローブ光１４１が半波長板１６０を通過するときに位相が１８０度ずれるため、第１ガスセル１１１と第２ガスセル１１２においてプローブ光１４１の偏光面の回転方向を実質的に反対方向とすることができるから、実施形態と同様な効果を奏することができる。
このようにして、第１ガスセル１１１、第２ガスセル１１２をプローブ光１４１が複数回通過した結果、プローブ光検出手段１５０において検出される偏光回転角が、第１ガスセル１１１によるプローブ光１４１の偏光面の回転量と、第２ガスセル１１２によるプローブ光１４１の偏光面の回転量との差となるように、プローブ光１４１の偏光面の回転を制御する構成を設ければよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…磁場測定装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…測定部、１１…制御部、１２…記憶部、１３…表示部、１４…操作部、１５…インターフェイス、１１１…第１ガスセル、１１２…第２ガスセル、１２１，１２２，１２１Ａ，１２２Ａ…反射鏡、１２３，１２４…直角プリズム、１３０…ポンプ光照射部、１３０１，１３０２…照射部、１３１，１３２…ポンプ光、１４０…プローブ光照射部、１４０１…出射部、１４１，１４１−１，１４１−２…プローブ光、１５０…プローブ光検出部、１５０１…受光部、１６０…半波長板、１０００…測定対象物
【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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