(57)【要約】【課題】スピン偏極の変動による影響を抑制し、ノイズを低減することが可能となる光ポンピング磁力計及び光ポンピング磁力測定方法を提供する。【解決手段】直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する検出手段を有する、原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力計であって、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける変調手段を備え、前記変調手段は、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける際のオフセットを、前記検出手段で検出された前記プローブ光の偏光面の角度に応じて制御することが可能に構成されている。【選択図】            図１
2015021812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する検出手段を有する、原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力計であって、
前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける変調手段を備え、
前記変調手段は、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける際のオフセットを、前記検出手段で検出された前記プローブ光の偏光面の角度に応じて制御することが可能に構成されていることを特徴とする光ポンピング磁力計。
【請求項２】
前記検出手段は、偏光分離素子と、該偏光分離素子で分離した成分同士の光強度の差分を検出する差分回路と、を有し、
前記変調手段は、前記差分回路で検出された光強度の差分がバランスされるように前記オフセットを制御することを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項３】
前記オフセットを制御する手段として、ポンプ光の強度あるいは周波数を制御する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項４】
前記変調手段は、前記プローブ光の偏光面の角度に対して正弦波状の変調を掛けるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項５】
前記変調手段は、前記プローブ光の偏光面の角度に対して矩形波状の変調を掛けるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項６】
前記差分回路の出力を前記変調手段に入力する矩形波の周波数と同じ周波数で検出し、被測定磁気信号を取り出す手段を有することを特徴とする請求項２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項７】
前記差分回路の出力を前記変調手段に入力する矩形波の周波数の奇数倍の周波数で検出する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項８】
直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する、原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力測定方法であって、
前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける際のオフセットを、前記検出された前記プローブ光の偏光面の角度に応じて制御することを特徴とする光ポンピング磁力測定方法。
【請求項９】
前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する際に、偏光分離素子で分離した成分同士の光強度の差分を検出し、
前記検出された光強度の差分をバランスさせるように、前記オフセットを制御することを特徴とする請求項８に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【請求項１０】
前記オフセットを制御する際に、ポンプ光の強度あるいは周波数を制御することを特徴とする請求項９に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【請求項１１】
前記オフセットを制御する際に、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して正弦波状の変調を掛けることを特徴とする請求項９に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【請求項１２】
前記オフセットを制御する際に、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に
対して矩形波状の変調を掛けることを特徴とする請求項９に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【請求項１３】
前記差分の出力を前記変調の際に入力する矩形波の周波数と同じ周波数で検出し、被測定磁気信号を取り出すことを特徴とする請求項９に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【請求項１４】
前記差分の出力を前記変調の際に入力する矩形波の周波数の奇数倍の周波数で検出し、プローブ光の偏光面の角度のオフセットに関する情報を得ることを特徴とする請求項９または請求項１２に記載の光ポンピング磁力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ポンピング磁力計及び光ポンピング磁力測定方法に関し、具体的には原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計が知られている。
このような光ポンピング磁力計として、非特許文献１には、アルカリ金属ガスが内包されたセルと、ポンプ光用光源と、プローブ光用光源とを有し、微弱な磁場を検出できるようにした光ポンピング磁力計が開示されている。
この光ポンピング磁力計は、ポンプ光によって偏極させた原子集団のスピンが被測定対象磁場を受けると回転するため、それをプローブ光の偏光面の回転として測定するものである。
さらに、センサの大きさを小さく、単純な構成にするために、ポンプ光とプローブ光を同一方向からセルに入射して磁場を計測する方法が開示されている。
また、非特許文献２では、差分検出にて偏光面の回転を検出する方法及び、位相変調素子を用いて、プローブ光の偏光面の角度に対して正弦波状の変調を掛ける方式が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｃｏｒｔ  Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｐｅｔｅｒ  Ｄ．Ｄ．Ｓｃｈｗｉｎｄｔ，ａｎｄ  Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｗｅｉｓｅｎｄ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９７，２４３７０３（２０１０）
【非特許文献２】Ｓ．Ｊ．Ｓｅｌｔｚｅｒ．¨Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ａｌｋａｌｉ−Ｍｅｔａｌ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｒｙ、¨Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
上記非特許文献１のものでは、ポンプ光とプローブ光が同じ光路にて入射する一光軸型光磁力計が構成されている。
このような一光軸型光磁力計では、ポンプ光の強度変動などによって、スピン偏極の大きさが変動すると、プローブ光の偏光面が回転し、差分検出によってキャンセルされていたはずのノイズがキャンセルできなくなるという課題があった。
また、上記非特許文献２の方法では、ノイズパワーが周波数の逆数で特徴付けられるノイズの影響を低減するために、偏光面の角度に対して正弦波状の変調を掛け、測定信号を高周波域にずらすように構成されている。
しかし、このような方法を、一光軸型光磁力計と単純に組み合わせてもスピン偏極の大きさが変動することによる影響は取り除けない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、スピン偏極の変動による影響を抑制し、ノイズを低減することが可能となる光ポンピング磁力計及び光ポンピング磁力測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光ポンピング磁力計は、
直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する検出手段を有する、原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力計であって、
前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける変調手段を備え、
前記変調手段は、前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける際のオフセットを、前記検出手段で検出された前記プローブ光の偏光面の角度に応じて制御することが可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の光ポンピング磁力測定方法は、
直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度を検出する、原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力測定方法であって、
前記直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度に対して変調を掛ける際のオフセットを、前記検出された前記プローブ光の偏光面の角度に応じて制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スピン偏極の変動による影響を抑制し、ノイズを低減することが可能となる光ポンピング磁力計及び光ポンピング磁力測定方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における光ポンピング磁力計の構成例を説明する模式図。
【図２】本発明の実施例１における光ポンピング磁力計の構成例を説明する模式図。
【図３】本発明の実施例２における光ポンピング磁力計の構成例を説明する模式図。
【図４】本発明の実施例３における光ポンピング磁力計の構成例を説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
つぎに、本発明の実施形態における原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した１光軸型の光ポンピング磁力計及び光ポンピング磁力測定方法の構成例について説明する。
この光ポンピング磁力計は、直線偏光成分を有するプローブ光の偏光面の角度にオフセットを加え、前記偏光面の角度に対して変調を掛ける変調手段を備える。
この変調手段により、例えば正弦波状の変調を掛け、その偏光面の回転を差分検出する。変調周波数の倍波成分から被測定磁気信号を読み出すと共に、測定周波数以下の信号を制御信号として読み出す。この制御信号を偏光面の変調器に入力し、プローブ光の偏光面に関する上記変動に起因するオフセットが、測定周波数以下の低周波域では、常に取り除かれているように制御可能に構成する。これにより、スピン偏極の変動による影響を取り除き、ノイズを低減することが可能となる。
【００１０】
具体的には、図１に示すように、アルカリ金属原子群（原子集団）例えば、カリウム（Ｋ）が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、を備えている。
さらに、偏光面角度変調系１０４と、偏光分離素子１０５と、フォトディテクタ１０６、１０７と差分回路１０８と、ビーム重ね合わせ部１０９と周波数分離部１１０と制御回路１１１を備えている。
ポンプ光用光源１０２から出射されるポンプ光１１２の偏光は円偏光である。
プローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１１３の偏光は直線偏光である。
ポンプ光１１２は、ビーム重ね合わせ部１０９により、プローブ光１１３と同じ光路に重ね合わされる。
このとき、完全に同じ光路でなくても、プローブ光が通るセル中の空間をポンプ光が十分に通っていればよい。
ポンプ光１１２は光ポンピングによりセル１０１内のカリウム原子のスピンの方向を揃えスピン偏極する。この際ポンプ光１１２の波長は、カリウム原子のＤ１遷移波長にあわせ
ておく。
【００１１】
スピン偏極した原子のスピンは、被測定磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。プローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１１３の偏光は直線偏光である。
プローブ光用光源１０３より出射された光は偏光面角度変調系１０４を通過し、その偏光面の角度に変調を受ける。セル１０１を通過したプローブ光１１３の偏光面は、スピンの歳差運動に応じて常磁性ファラデー回転する。
偏光分離素子１０５に入射し、その偏光面の角度に応じた強度にて反射と透過に分割される。
偏光分離素子１０５を透過した光はフォトディテクタ１０６にて、反射された光はフォトディテクタ１０７にて検出され、差分回路１０８にてその偏光分離素子により分離された成分同士の差分を測定する。差分回路１０８からの出力信号を周波数分離部１１０に入力し、磁場応答信号と偏光面角度変調系制御用信号に分離する。
この制御用信号を制御回路（制御ユニット）１１１に入力し、測定周波数以下の低周波帯域で、常にフォトディテクタ１０６，１０７に入る光の強度がバランスされているように偏光面角度変調系のオフセットを制御する。
【００１２】
偏光分離素子１０５が理想的な偏光分離素子の場合、ある偏光面の角度において入射光は全て透過する。その角度をθ０＝０°とする。
このとき、その角度と９０°の角度を持つ偏光は全て偏光分離素子１０５で反射する。また、４５°あるいは−４５°の偏光面の角度を持って入射した偏光は、透過と反射の強度が等しく分割される。
このときフォトディテクタ１０６、１０７の出力は等しいため、差分回路１０８の出力は０になる。
このため、測定磁場が存在しない場合にθ０＝４５°あるいはθ０＝−４５°の角度を持つように初期偏光面の角度を調整しておくと光強度ノイズ等のノイズは、透過側のフォトディテクタ１０６と反射側のフォトディテクタ１０７の出力に対して同じように影響し、差分回路の出力において打ち消しあうのでこれらも低減できる。
まず、バイアス磁場も測定磁場も存在せず、ポンプ光によるスピン偏極のみ存在する場合を考える。このとき、差分回路の出力Ｖ（ｔ）は下記（式１）によって表される。
（式１）
2015021812.tif 000003
【００１３】
ここで、Ｖ０はプローブ光の強度や吸収係数などをまとめた、偏光角からの差分回路の出力への変換係数、θｐはポンプ光によって偏極したスピンにより、ファラデー回転するプローブ光の偏光面の回転量を表している。
このθｐはスピン偏極の大きさに比例するため、ポンプ光の強度が変わると変化する。
次に、この状態に被測定振動磁場を印加する場合を考える。被測定振動磁場をポンプ光と垂直な軸に印加すると、その磁場に応じてスピンが振動する。
（式２）
2015021812.tif 000004
【００１４】
ここでβ（Ｂｍｅａｓｕｒｅｄ）は被測定磁場にて回転した原子のスピンに対する偏光面の回転の振幅、ωｓは被測定振動磁場の角振動周波数、φｓは信号の位相を表している
。このとき、被測定振動磁場の方向にバイアス磁場として静磁場を印加すると、個々の原子のスピンに対して定常的にラーモア回転させる作用を及ぼす。そのため、ポンプ光による偏極させる作用と、バイアス磁場によるラーモア回転させる作用が釣り合う角度に原子集団のスピンは回転する。
その結果、原子集団のスピンのうち、ポンプ光と直交する成分が増加するため、同じ強度の被測定振動磁場に対して、β（Ｂｍｅａｓｕｒｅｄ）が大きくなる。
ただし、あまり大きな磁場をかけると、スピンの緩和が大きくなり、β（Ｂｍｅａｓｕｒｅｄ）は逆に小さくなる。
さらに、偏光面角度変調系１０４により偏光面の角度にオフセットとしてθｏｆｆｓｅｔ、周波数ωｍｏｄで変調を掛け、被測定磁場として角周波数ωｓで振動する振動磁場を測定する場合を考える。このとき差分回路の出力Ｖ（ｔ）は下記（式３）によって表される。
（式３）
2015021812.tif 000005
【００１５】
ここで、ｆ（θｏｆｆｓｅｔ，αｏｆｆｓｅｔ，ωｏｆｆｓｅｔ，φｏｆｆｓｅｔ，ｔ）はプローブ光１１０の偏光面の角度に加える変調の関数を表しており、θｏｆｆｓｅｔは変調関数のオフセットを、αｍｏｄは変調の振幅を、ωｍｏｄは変調周波数を、φｍｏｄはその位相を表している。
変調信号として正弦波を用いた場合を考える。この場合、（式３）は（式４）のようになる。
（式４）
2015021812.tif 000006
【００１６】
微小な測定磁場を計測するとき、β＜＜１として、（式３）は（式５）のように変形される。
（式５）
2015021812.tif 000007
【００１７】
ここで、Ｖｏｆｆｓｅｔ，Ｖｃｏｓ，０，Ｖｃｏｓ，１，Ｖｓｉｎ，０，Ｖｓｉｎ，１は、（式６）のように表される。
（式６）
2015021812.tif 000008
2015021812.tif 000009
【００１８】
Ｊ０，Ｊ１，Ｊ２は０次、１次、２次のベッセル関数を表している。Ｖｏｆｆｓｅｔは、出力のオフセット成分である。Ｖｃｏｓ，０，  Ｖｓｉｎ，０は変調による偏光面の角度の振動を表し、Ｖｃｏｓ，１，  Ｖｓｉｎ，１は被測定磁場に対する応答を表している。θｐ＋θｏｆｆｓｅｔ＝±４５°となるようにθｏｆｆｓｅｔを制御すると、Ｖｏｆｆｓｅｔ  ，Ｖｃｏｓ，０  ，Ｖｃｏｓ，１は０になり、Ｖｓｉｎ，１は最大になる。
これは、偏光面角度変調系１０４で光が分割され、フォトディテクタ１０６および１０７の出力の差分によって信号成分以外が差分されて消えていることを示している。
このため、Ｖｓｉｎ，１を被測定磁場に対する応答として利用し、Ｖｏｆｆｓｅｔを周波数分離部１１０にて、制御信号として取り出し、これがゼロになるように、θｏｆｆｓｅｔを制御すれば、磁気信号に対する応答を最大化しつつ、常に測定周波数より低い周波数帯域では、フォトディテクタ１０６，１０７に入ってくる光の強度をバランスさせることができる。
周波数分離部１１０としては、ローパスフィルター等が利用できる。
Ｖｓｉｎ，１のうち、ｋ＝１の成分、すなわち変調周波数の倍波成分の磁気信号に対する応答が最も大きいため、変調周波数の倍波で復調をかけることが望ましい。
次に、ノイズ低減効果の一例として、プローブ光の光強度ノイズに対する影響を考える。今、プローブ光が光強度ノイズを持ち、そして、ポンプ光の強度が変化することで、偏光面が定数分だけ回転した場合を考える。
このとき、（式５）でＶ０→Ｖ（ｔ）と時間依存性を与えて記述すればよい。Ｖｏｆｆｓｅｔ，Ｖｃｏｓ，０，  Ｖｓｉｎ，０をフーリエ変換をＶｏｆｆｓｅｔ（ω）、Ｖｃｏｓ，０（ω）  、Ｖｓｉｎ，０（ω）とすると、そのノイズパワースペクトル密度はβ＜＜１と考えると、次の（式７）のようになる。
（式７）
2015021812.tif 000010
【００１９】
ここで、Δθｐは、ポンプ光強度が変化したことによる、偏光面の回転の変化量を表している。また周波数の逆数で特徴付けられるノイズのパワースペクトル成分をΦｓｙｓ（ω）とすると、若干の計算によってβの下限βｍｉｎは次のようにあらわされる。
（式８）
2015021812.tif 000011
【００２０】
ここで、Ｖ０（０）はプローブ光の平均強度を表している。次に制御が働いて、Δθｐ
→０となったときを考える。このとき、Ｖｏｆｆｓｅｔ（ω）→０、Ｖｃｏｓ，０（ω）→０となり、βの下限βｍｉｎは次のようになる。
（式９）
2015021812.tif 000012
【００２１】
これは偏光面のオフセットが差分検出においてバランスするように調整されたため、ＤＣ成分が打ち消しあうバランス位置で動作し、光強度に起因するノイズが低減されていることを示している。
また、θｐ＋θｏｆｆｓｅｔ＝±４５°となるようにθｐを制御する方法も利用できる。θｐはポンプ光の強度及び周波数に依存するため、ポンプ光の強度または周波数を制御することでＶｏｆｆｓｅｔ  ，Ｖｃｏｓ，０  ，Ｖｃｏｓ，１を０とし、Ｖｓｉｎ，１を最大にすることができる。
また、変調信号として、矩形波状の信号も利用できる。変調信号として偏光面が４５°と−４５°を交互に取るような矩形波を用いた場合を考える。すなわち、いずれの偏光状態においても磁場による偏光面の回転がゼロのときには偏光分離素子で、透過光と反射光の強度が等しく分割される偏光面の角度である。
この場合、（式１０）のように表すことができる。
（式１０）
2015021812.tif 000013
【００２２】
ここでｓｇｎ（ｓｉｎ（ωｍｏｄｔ＋φｍｏｄ））は角周波数ωｍｏｄで振動する符号関数を表している。微小な測定磁場を計測するとき、β＜＜１として、（式３）は（式１１）のように変形される。
（式１１）
2015021812.tif 000014
【００２３】
ここで、Ｖｓｉｎ，０、Ｖｃｏｓ，１は（式１２）のように表される。
（式１２）
2015021812.tif 000015
【００２４】
Ｖｓｉｎ，０は変調による偏光面の振動を表し、Ｖｃｏｓ，１は被測定磁場に対する応答を表している。
θｐ＋θｏｆｆｓｅｔ＝±４５°となるようにθｏｆｆｓｅｔを制御すると、Ｖｓｉｎ，０は０になり、Ｖｓｉｎ，１は最大になる。
これは、偏光面角度変調系１０４で光が分割され、フォトディテクタ１０６および１０７の出力の差分によって信号成分以外が差分されて消えていることを示している。このため、Ｖｓｉｎ，１を被測定磁場に対する応答として利用し、Ｖｃｏｓ，０を周波数分離部１１０にて、制御信号として取り出し、これがゼロになるように、θｏｆｆｓｅｔを制御すれば、磁気信号に対する応答を最大化しつつ、常にバランスさせることができる。
ただ、正弦波変調の場合と違って、制御信号は周期変動しているため、この振幅を小さくしていき、最終的に制御信号がゼロになるような制御を必要とする。
このため、正弦波の場合と比べて周波数分離部１１０及び偏光面角度変調系制御ユニット１１１が若干複雑になる。
【００２５】
具体的には、例えば、周波数分離部として、ハイパスフィルターを用い、また偏光面角度変調系制御ユニット１１１として、ロックインアンプ及び偏光オフセット制御用回路を利用できる。
Ｖｃｏｓ，１のうち、ｋ＝１の成分、変調周波数と同じ周波数で復調をかけると被測定磁場に対する応答を得ると最大の信号応答を得ることができる。このとき、制御信号の３倍波を制御信号と利用すると、被測定磁場に対する応答との周波数差が大きいため分離が容易になり好ましい。
この場合のノイズ低減効果の一例として、またプローブ光が光強度ノイズに対する影響を考える。今、プローブ光が光強度ノイズを持ち、そして、ポンプ光の強度が変化し偏光面が定数分だけ回転した場合を考える。
このとき、（式９）でＶ０→Ｖ（ｔ）と時間依存性を与えて記述し、Ｖｓｉｎ，０，  Ｖｓｉｎ，１のフーリエ変換をＶｓｉｎ，０（ω）、Ｖｓｉｎ，１（ω）とすると、そのノイズパワースペクトル密度はβ＜＜１と考えると、次の（式１３）のようになる。
（式１３）
2015021812.tif 000016
【００２６】
ここで、Δθｐは、ポンプ光強度が変化したことによる、偏光面の回転角度の変化量を表している。また周波数の逆数で特徴付けられるノイズのパワースペクトル成分Φｓｙｓ（ω）を考えると、βの下限βｍｉｎは次のようにあらわされる。
（式１４）
2015021812.tif 000017
【００２７】
ここで、Ｖ０（０）はプローブ光の平均強度を表している。制御が働いて、Δθｐ→０となったとすると、Ｖｃｏｓ，０（ωｓ）→０となり、βの下限βｍｉｎは次のようになる。
（式１５）
2015021812.tif 000018
これは偏光面のオフセットが差分検出にてバランスするように調整されたため、プローブ光による光強度ノイズが低減されていることを示している。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光ポンピング磁力計の構成例を、図２を用いて説明する。
本実施例の光ポンピング磁力計は、図２に示すように、カリウム（Ｋ）が内包されたセル２０１と、ポンプ光用光源２０２と、プローブ光用光源２０３と、直線偏光子２０４，２０５と、電気光学位相変調素子２０６と４分の１波長板２０７，２０８と、を備える。
また、無偏光ビームスプリッター２０９と、光ターミネータ２１０と、２分の１波長板２１１と、偏光分離素子２１２と、フォトディテクタ２１３、２１４と、差分回路２１５と、ロックインアンプ２１６と、ローパスフィルター２１７と、を備える。
さらに、偏光オフセット制御用回路２１８と、任意波形発生器２１９と、位相変調器電源２２０と、恒温断熱槽２２１と、３軸ヘルムホルツコイル２２２と光学窓２２３，２２４と、を備える。
【００２９】
セル２０１はガラスなどプローブ光やポンプ光に対して透明な材料から構成されている。セル２０１内にはアルカリ金属原子群としてカリウム（Ｋ）を封じており、気密となっている。
また、その他にバッファガス及びクエンチャガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ２）とを封入しておく。バッファガスは偏極アルカリ金属原子の拡散を抑えるので、セル壁との衝突によるスピン緩和を抑制し偏極率を高めるために有効である。また、Ｎ２ガスは励起状態にあるＫからエネルギーを奪い、蛍光を抑えるクエンチャガスであり、光ポンピングの効率を上げるために有効である。Ｋ原子は自原子同士、及びＨｅ原子との衝突によるスピン偏極破壊における散乱断面積がアルカリ金属原子の中で最も小さい。
そのため、緩和時間が長く信号強度の強い磁気センサを作るためのアルカリ金属としては、カリウムが好ましい。
セル２０１の周囲には恒温断熱槽２２１が設置されている。
測定時には、セル２０１内のアルカリ金属ガスの密度を高めるために、セル２０１を最大２００度程度まで加熱する。加熱方式としては、恒温断熱槽２２１に加熱された不活性な気体を外部から流し込み、セル２０１を加熱する。
この熱が外に逃げないようにする役割を恒温断熱槽２２１は担っている。恒温断熱槽２２１には、プローブ光２２５の光路上に光学窓２２３、２２４が設置され、その光路を確保している。
【００３０】
また、恒温断熱槽２２１の周囲には、３軸ヘルムホルツコイル２２２が不図示の磁気シールド内に設置されている。
この磁気シールドは外部環境から侵入する磁場を低減している。３軸ヘルムホルツコイル２２２は、測定周波数とラーモア周波数を一致させることで共鳴が起こるようにセル２０１周囲の磁場環境を操作するために用いられる。
プローブ光２２５と直交する方向（図中ｙあるいはｚ方向）にバイアス磁場を印加し、そのバイアス磁場を印加した方向の磁場を測定する。
また３軸ヘルムホルツコイル２２２は、その他の方向（図中ｘ方向及び、ｙ方向あるいはｚ方向のうちバイアス磁場を印加してない方向）には残留磁場が打ち消され磁場が掛かっ
ていないという環境にするためにも使用する。また磁場の不均一を補正するために更にシムコイルを追加しても良い。
ポンプ光用光源２０２から出射されるポンプ光２２６の波長はＫ原子のＤ１遷移共鳴に合わせる。
このポンプ光２２６の偏光は、直線偏光子２０４により直線偏光に成形された後、４分の１波長板２０７によって円偏光に変換される。
この際、右回り円偏光と左回り円偏光のどちらに変換しても良い。
また、プローブ光用光源２０３から出射されるプローブ光２２５の波長は信号応答が最大になるようカリウム原子のＤ１遷移共鳴から数ＧＨｚ程度離調させる。
信号応答を最大にする離調の値はセル２０１のバッファガス圧及び温度に依存する。プローブ光２２５の偏光は、直線偏光子２０５により直線偏光とする。
ポンプ光２２６は無偏光ビームスプリッター２０９により、プローブ光２２５の光路に重ねあわされる。その光路はプローブ光２２５と完全に一致している必要はなく、セル２０１において、プローブ光２２５が通過する領域を十分偏極できているなら、小さい角度で交差していてもよい。
無偏光ビームスプリッター２０９の２つの出口のうち、セル２０１に向かわない側の光路には光ターミネータ２１０が配置され終端処理を行っている。
【００３１】
位相変調器電源２２０により電気光学位相変調素子２０６に電圧を印加すると、その電圧に比例して、結晶の複屈折性が変化する。
この複屈折性の変化はこの結晶を透過する光に対して、位相差の変化をもたらし、その偏光状態が変化する。直線偏光の偏光状態で入射したプローブ光２２５は電気光学位相変調素子２０６に印加された電圧に応じて位相差が変化し、楕円偏光状態になる。
この位相差の変化は、電気光学位相変調素子２０６及び、その後透過する４分の１波長板２０８をその結晶軸方向を軸として、それぞれ適切な角度回転させることにより、直線偏光面の回転に変換される。
この結果、電気光学位相変調素子２０６に正弦波状の電圧を印加すると、プローブ光２２５の偏光面の角度が正弦波状に変化する。
この振動の振幅は、Ｊ２（２αｍｏｄ）が最大になる値、αｍｏｄ＝８７．５°程度が好ましいが、これより小さくても構わない。
この正弦波の周波数は１ｋＨｚ以上が好ましい。この位相変調器電源２２０のオフセット制御部分に電圧を加えると、その電圧に比例して、プローブ光の偏光面の角度にオフセットが加わる。
この振動の振幅は電気光学位相変調素子２０６に対する印加電圧に比例する。この他にもファラデー効果を用いて磁場により偏光面を変調する方式が考えられる。
この際には、偏光面の変調に用いる変動磁場が磁気計測に及ぼす影響を低減するため、変調器を遠ざける、あるいはシールドするなどの処置が望ましい。
【００３２】
偏光測定系は、２分の１波長板２１１と偏光分離素子２１２と、フォトディテクタ２１３、２１４と差分回路２１５とロックインアンプ２１６により構成される。
偏光分離素子２１２は入射する光の偏光角θに応じてｃｏｓ２θ：ｓｉｎ２θの強度比を持つ２本の光に分割する。
ここでは、入射光がすべて透過する偏光状態をθ＝０°と基準にしている。２本に分割されたそれぞれの光の強度をフォトディテクタ２１３と２１４にて測定し、その出力の差を差分回路２１５で読み出す。
θ＝４５°またはθ＝−４５°の偏光角を持って偏光分離素子２１２に入射すると、等しい強度に分離され、差分回路２１５での出力は０になる。まず、変調をかけていない場合を考える。
そして、さらにポンプ光２２６によるスピンの偏極が存在しないとき、プローブ光２２５の偏光面はθ＝４５°のまま、偏光分離素子２１２に入射し、等しい強度に分離され、差
分回路２１５での出力は０になる。
次に、ポンプ光２２６によるスピン偏極が存在する場合を考える。このとき、ポンプ光２２６によるスピン偏極により、セル２０１を通過したプローブ光２２５の偏光面はスピン偏極の大きさに比例した大きさの回転を受けて、θ＝４５°からずれて偏光分離素子２１２に入射する。
このため、差分回路の出力は０でなくなる。また、ポンプ光の強度やバイアス磁場強度などが変動し、スピン偏極の大きさが変動すると、差分回路の出力も変動する。次に、変調をかけた場合を考える。このとき、プローブ光２２５の偏光面は、正弦波状に振動する。偏光分離素子２１２により分割され、その強度をそれぞれフォトディテクタ２１３、２１４にて測定される。その出力の差を差分回路２１５で読み出しロックインアンプ２１６にてロックイン検出を行う。復調には任意波形発生器２１９にて電気光学位相変調素子２０６に印加している変調信号を利用する。
【００３３】
［実施例２］
実施例２として、本発明を適用した光ポンピング磁力計の構成例を、図３を用いて説明する。
本実施例の光ポンピング磁力計は、図３に示すように、カリウム（Ｋ）が内包されたセル３０１と、ポンプ光用光源３０２と、プローブ光用光源３０３と、直線偏光子３０４，３０５と、電気光学位相変調素子３０６と４分の１波長板３０７，３０８と、を備える。
また、無偏光ビームスプリッター３０９と、光ターミネータ３１０と、２分の１波長板３１１と、偏光分離素子３１２と、フォトディテクタ３１３、３１４と、差分回路３１５と、ロックインアンプ３１６と、ローパスフィルター３１７と、を備える。
さらに、偏光オフセット制御用回路３１８と、任意波形発生器３１９と、位相変調器電源３２０と、恒温断熱槽３２１と、３軸ヘルムホルツコイル３２２と光学窓３２３，３２４と、強度調整器３２７と、を備える。
セル、恒温断熱槽、３軸ヘルムホルツコイル、プローブ光源、ビーム結合部、偏光変調系、偏光測定系については上記実施例１と同様である。
【００３４】
ポンプ光用光源３０２から出射されるポンプ光３２６の波長はＫ原子のＤ１遷移共鳴に合わせる。
強度変調器３２７により制御回路３１８の出力に応じて、ポンプ光の強度を変化させる。強度変調器３２７としては、電気光学位相変調素子及び偏光板の組み合わせ、あるいは音響光学素子を利用できる。
また、強度変調器ではなく、周波数変調器を用いることにより制御回路３１８からの出力によりポンプ光３２６の周波数を制御してもよい。
この周波数変調器としては、音響光学素子等が利用できる。また制御回路３１８からの出力によりポンプ光用光源の、例えば発振電流値を制御することによりポンプ光３２６の強度または周波数を制御することもできる。
このポンプ光３２６の偏光は、直線偏光子３０４により直線偏光に成形された後、４分の１波長板３０７によって円偏光に変換される。この際、右回り円偏光と左回り円偏光のどちらに変換しても良い。
【００３５】
［実施例３］
実施例３として、本発明を適用した光ポンピング磁力計の構成例を、図４を用いて説明する。
本実施例の光ポンピング磁力計は、図４に示すように、カリウム（Ｋ）が内包されたセル４０１と、ポンプ光用光源４０２と、プローブ光用光源４０３と、直線偏光子４０４，４０５と、電気光学位相変調素子４０６と４分の１波長板４０７，４０８と、無偏光ビームスプリッター４０９と、光ターミネータ４１０と、２分の１波長板４１１と、を備える。また、偏光分離素子４１２と、フォトディテクタ４１３、４１４と、差分回路４１５と、
ロックインアンプ４１６，４１７と、偏光オフセット制御用回路４１８と、任意波形発生器４１９，４２０と、位相変調器電源４２１と、３軸ヘルムホルツコイル４２２と光学窓４２３，４２４と、恒温断熱槽４２５と、を備える。
セル、恒温断熱槽、３軸ヘルムホルツコイル、ポンプ光源、プローブ光源、ビーム結合部、偏光測定系については上記実施例１と同様である。
【００３６】
電気光学位相変調素子４０６に矩形波状の電圧を印加すると、プローブ光４２７の偏光面の角度が正弦波状に変化する。
この振動の振幅を、αｍｏｄ＝９０°にすると偏光面の角度のオフセットがゼロのとき差分回路の出力がゼロになるので好ましい。
また、この矩形波の周波数は１ｋＨｚ以上が好ましい。この位相変調器電源４２１のオフセット制御部分に電圧を加えると、その電圧に比例して、プローブ光４２７の偏光面の角度にオフセットが加わる。
差分回路４１５の出力を電気光学位相変調素子４０６に入力する矩形波の周波数と同じ周波数でロックインアンプ４１６にて検波すると、被測定磁気信号を取り出すことができる。
また、ロックインアンプ４１７にて、矩形波の周波数の奇数倍の周波数で検波するとプローブ光４２７の偏光面の角度のオフセットに関する情報を得ることができる。この周波数は奇数倍なら幾つでもよいが、被測定磁場信号と分離しつつ、出来るだけ大きな制御用信号を得ようとすると、３倍波が好ましい。
３倍波で検波したロックインアンプ４１７からの出力がゼロになるように、制御回路４１８にて位相変調器電源４２１のオフセット制御部分に電圧を印加する。
【符号の説明】
【００３７】
１０１：セル
１０２：ポンプ光用光源
１０３：プローブ光用光源
１０４：偏光面角度変調系
１０５：偏光分離素子
１０６：フォトディテクタ
１０７：フォトディテクタ
１０８：差分回路
１０９：ビーム重ね合わせ部
１１０：周波数分離部
１１１：偏光面角度変調系制御ユニット（制御回路）
１１２：ポンプ光
１１３：プローブ光
【図１】
2015021812.tif 000019
【図２】
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【図３】
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【図４】
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