(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子を内包する１または複数のセルと、
円偏光成分を有する複数のポンプ光を前記１または複数のセルの異なる位置に入射するポンプ光光学系と、
前記１または複数のセルに入射した前記複数のポンプ光と前記異なる位置のそれぞれにおいて交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セルに入射するプローブ光光学系と、
前記複数のポンプ光と交差した後の前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した前記信号から、前記異なる位置の各々の磁場強度に関する情報を取得する情報取得手段とを有し、
前記ポンプ光光学系は、前記複数のポンプ光の周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるように前記複数のポンプ光を変調する変調手段を有する
ことを特徴とする光ポンピング磁力計。
【請求項２】
前記変調手段は、前記異なる位置に入射する前記複数のポンプ光の強度、円偏光度及び波長のうちの少なくとも１つを変調する
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】
前記情報取得手段は、前記信号を、前記変調手段において用いた変調周波数と同じ周波数で復調する復調手段を有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光ポンピング磁力計。
【請求項４】
前記アルカリ金属原子は、カリウム、ルビジウム及びセシウムを含む群から選択される少なくとも１種類の原子である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項５】
前記アルカリ金属原子は、カリウム及びルビジウムを含む
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項６】
前記変調手段の変調周波数は、１０Ｈｚ以上である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項７】
前記変調手段の変調周波数は、１ｋＨｚ以上である
ことを特徴とする請求項６に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項８】
前記プローブ光光学系は、前記複数のポンプ光とそれぞれ異なる位置で交差するように、前記セルに複数の前記プローブ光を入射する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項９】
複数の前記セルを有し、
前記ポンプ光光学系は、複数の前記セルのそれぞれに、前記複数のポンプ光のうちの少なくとも１つの前記ポンプ光を入射し、
前記プローブ光は、複数の前記セルのそれぞれにおいて、前記ポンプ光と交差する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１０】
複数の前記セルの間に、前記プローブ光を導波する光導波手段を更に有する
ことを特徴とする請求項９に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１１】
前記セルと、前記検出手段とを含むセンサヘッドと、
前記ポンプ光光学系から出力される変調の掛った前記複数のポンプ光を前記センサヘッドに導く第１の光導波手段と、
前記プローブ光光学系から出力される前記プローブ光を前記センサヘッドに導く第２の光導波手段と
を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１２】
前記異なる位置に入射する前記複数のポンプ光が異なる位相で変調されている
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１３】
アルカリ金属原子を内包するセルの異なる位置に、円偏光成分を有し、周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるポンプ光をそれぞれ入射し、
前記セルに、前記異なる位置のそれぞれにおいて前記ポンプ光と交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を入射し、
前記セルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出し、
検出した前記信号から、前記異なる位置の各々における磁場強度に関する情報を算出する
ことを特徴とする磁気センシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場強度を計測するセンシング方法及び磁力計に係り、特に、原子の電子スピン或いは核スピンを利用した光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１及び特許文献１には、光ポンピング磁力計が記載されている。非特許文献１に記載された光ポンピング磁力計は、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する。この光ポンピング磁力計は、被測定対象磁場を受けて回転した、ポンプ光によって偏極させた原子群のスピンを、プローブ光の偏光面の回転として測定するものである。また、非特許文献１には、プローブ光とポンプ光との交差領域を測定ごとに変えることで、プローブ光の光路上の異なる位置の磁気信号を分離して測定する方法が示されている。また、特許文献１には、複数のセル及びセルごとにプローブ光及びポンプ光をそれぞれ照射する磁気センサアレイの例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２０３１３３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】伊藤陽介、他、「Ｋ−Ｒｂハイブリッドセルを用いた光ポンピング原子磁気センサによる生体磁気計測に向けた磁場分布計測」、信学技報、ｖｏｌ．１１２、ｎｏ．４７９、ＭＢＥ２０１２−９３、ｐ．３１、２０１３年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１の光ポンピング磁力計は、プローブ光とポンプ光との交差領域を変える必要があるため、プローブ光の光路上の異なる位置の磁場強度の測定は同時に行えない。
特許文献１の光ポンピング磁力計は、プローブ光の光路上の異なる位置の磁場強度の測定は行えず、また、セルごとに信号の検出器を必要とする構成であるため装置が大きくなるという課題がある。
すなわち非特許文献１および特許文献１の光ポンピング磁力計は、１つのプローブ光で、プローブ光の光路上の空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することはできなかった。
【０００６】
本発明の目的は、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定しうる光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、アルカリ金属原子を内包する１または複数のセルと、円偏光成分を有する複数のポンプ光を前記１または複数のセルの異なる位置に入射するポンプ光光学系と、前記１または複数のセルに入射した前記複数のポンプ光と前記異なる位置のそれぞれにおいて交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セルに入射するプローブ光光学系と、前記複数のポンプ光と交差した後の前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出した前記信号から、前記異なる位置の各々の磁場強度に関する情報を取得する情報取得手段とを有し、前記ポンプ光光学系は、前記複数のポンプ光の周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるように前記複数のポンプ光を変調する変調手段を有することを特徴とする光ポンピング磁力計が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の観点によれば、アルカリ金属原子を内包するセルと、円偏光成分を有するポンプ光を前記セルの複数箇所に同時に入射するポンプ光光学系と、前記セルに入射した前記ポンプ光と前記複数箇所のそれぞれにおいて交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セルに入射すプローブ光光学系と、前記セルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出する検出器と、前記検出器で検出した前記信号から、前記複数箇所の磁場強度に関する情報を算出する算出手段とを有し、前記複数箇所に入射する前記ポンプ光が、同じ変調周波数、異なる位相で変調されていることを特徴とする光ポンピング磁力計が提供される。
【０００９】
また、本発明の更に他の観点によれば、アルカリ金属原子を内包するセルの異なる位置に、円偏光成分を有し、周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるポンプ光をそれぞれ入射し、前記セルに、前記異なる位置のそれぞれにおいて前記ポンプ光と交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を入射し、前記セルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出し、検出した前記信号から、前記異なる位置の各々における磁場強度に関する情報を算出することを特徴とする磁気センシング方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【図２ａ】本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計を用いた測定結果の一例を示す図である。
【図２ｂ】本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計を用いた測定結果の一例を示す図である。
【図２ｃ】本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計を用いた測定結果の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計におけるポンプ光の変調方法の例を示す概略図である。
【図５】本発明の第３実施形態による光ポンピング磁力計におけるポンプ光変調の一例を示す図である。
【図６】本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の第６実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の第７実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の第８実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子を内包する１または複数のセルと、円偏光成分を有する複数のポンプ光を前記１または複数のセルの異なる位置に入射するポンプ光光学系とを有する。そして、前記１または複数のセルに入射した前記複数のポンプ光と前記異なる位置のそれぞれにおいて交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セルに入射するプローブ光光学系と、前記複数のポンプ光と交差した後の前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出する検出手段とを有する。そして、検出手段により検出した前記信号から、前記異なる位置の各々の磁場強度に関する情報を取得する情報取得手段を有する。そして、前記ポンプ光光学系は、前記複数のポンプ光の周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるように前記複数のポンプ光を変調する変調手段を有することを特徴とする。
プローブ光の光路上の異なる位置に照射される複数のポンプ光の周波数及び位相のうちの少なくとも一方が互いに異なるように変調されていれば、情報取得手段で取得される信号を、該異なる位置のポンプ光の変調周波数や位相に応じて復調することで、該異なる位置の磁場強度に関する情報を弁別して検出できる。
以下、本発明の実施形態に係る光ポンピング磁力計について詳細に説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図１及び図２ａ〜ｃを用いて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。図２ａ〜ｃは、本実施形態による光ポンピング磁力計を用いた測定結果の一例を示す図である。
【００１５】
はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図１を用いて説明する。
本実施形態による光ポンピング磁力計１００は、図１に示すように、セル１０１と、ポンプ光光学系１０２と、光変調器１０４，１０５と、遅相子１０６，１０７と、プローブ光光学系１０８とを有している。また、光ポンピング磁力計１００は、偏光分離素子１１０と、フォトディテクタ１１１，１１２と、差分回路１１３と、復調器１１４，１１５とを有している。なお、本明細書では、光変調器及び遅相子をも含めてポンプ光光学系と呼ぶこともある。
【００１６】
ポンプ光光学系１０２は、アルカリ金属原子、例えばカリウム（Ｋ）が内包されたセル１０１の被測定領域１１６ａに、光変調器１０４及び遅相子１０６を介してポンプ光１０３ａを入射するようになっている。また、ポンプ光光学系１０２は、セル１０１の被測定領域１１６ｂに、光変調器１０５及び遅相子１０７を介してポンプ光１０３ｂを入射するようになっている。光変調器１０４，１０５は、ポンプ光１０３ａ，１０３ｂを変調する変調手段である。
【００１７】
プローブ光光学系１０８は、セル１０１にプローブ光１０９を入射するようになっている。セル１０１の被測定領域１１６ａ，１１６ｂはプローブ光１０９の光路上に位置しており、プローブ光１０９は被測定領域１１６ａ，１１６ｂにおいてポンプ光１０３ａ，１０３ｂと交差する。
【００１８】
セル１０１の被測定領域１１６ａ，１１６ｂを通過したプローブ光１０９は、偏光分離素子１１０を介してフォトディテクタ１１１，１１２に入射するようになっている。フォトディテクタ１１１，１１２には、差分回路１１３を介して、復調器１１４，１１５が接続されている。偏光分離素子１１０及びフォトディテクタ１１１，１１２は、セル１０１を通過したプローブ光１０９の回転角を検出するための検出器或いは検出手段である。また、差分回路１１３及び復調器１１４，１１５は、検出手段により検出した回転角から被測定領域１１６ａ，１１６ｂにおける磁場強度に関する情報を算出する算出手段或いは当該情報を取得する情報取得手段である。復調器１１４，１１５は、変調手段において用いた変調周波数と同じ周波数で復調する復調手段である。
【００１９】
次に、本実施形態による光ポンピング磁力計の基本動作について、図１を用いて説明する。
【００２０】
ポンプ光光学系１０２から出射されるポンプ光１０３ａ，１０３ｂは、光ポンピングによりセル１０１内のアルカリ金属原子のスピンの方向を揃えてスピン偏極するためのものである。この目的のもと、ポンプ光１０３ａ，１０３ｂの波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移に共鳴する波長（以下、「Ｄ１遷移共鳴波長」という）に合わせておく。ポンプ光１０３ａ，１０３ｂには、それぞれ独立の光源から発せられた光を用いてもよいし、単一の光源からの光を分離して用いてもよい。
【００２１】
ポンプ光１０３ａ，１０３ｂは、光変調器１０４，１０５において、互いに異なる周波数で変調される。ここで、変調後のポンプ光１０３ａ，１０３ｂの周波数は、互いに倍波関係のない周波数であることが好ましい。光変調器１０４，１０５によりポンプ光１０３ａ，１０３ｂに与える変調としては、例えば、ポンプ光１０３ａ，１０３ｂの強度変調、円偏光度の変調、ポンプ光波長の変調が挙げられる。
【００２２】
光変調器１０４，１０５によって変調されたポンプ光１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ遅相子１０６，１０７によって円偏光成分を持つ光に調整され、セル１０１の被測定領域１１６ａ，１１６ｂにそれぞれ入射される。
【００２３】
セル１０１に入射したポンプ光１０３ａ，１０３ｂによって、セル１０１内のアルカリ金属原子はスピン偏極する。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。そのスピンの運動は、次のブロッホ方程式（式（１））で記述される。式（１）において、ベクトルＳ（＝（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）Ｔ）は、アルカリ金属原子のスピンを表している。γは、磁気回転比を表している。ｑは、スローダウンファクターを表している。ベクトルＢは、外部磁場を表している。Ｒｏｐ（ｔ）は、光ポンピングレートを表している。ｓは、ポンプ光の円偏光度を表している。Ｔ１は、縦緩和時間を表している。Ｔ２は、横緩和時間を表している。ベクトルｘ，ｙ，ｚは、単位方向ベクトルを表している。なお、ここでは、ｚ方向からポンプ光を入射する状況を考えている。
【数１】
0006391370.tif 000002
【００２４】
また、光ポンピングレートは、次式（式（２））で表される。式（２）において、ｒｅは、古典電子半径を表している。ｃは、光速度を表している。ｆは、遷移強度を表している。Ｉｏｐは、入射光強度を表している。ΔΓは、吸収線線幅を表している。ｈは、プランク定数を表している。νは、ポンプ光の周波数を表している。ν０は、アルカリ金属原子の共鳴周波数を表している。
【数２】
0006391370.tif 000003
【００２５】
式（２）において、円偏光度ｓ、入射光強度Ｉｏｐ及びポンプ光周波数νが時間ｔに対して変化することで、光ポンピングレートＲｏｐ（ｔ）を変動させることができる。その具体例として、遅相子１０６を通過したポンプ光１０３ａの光ポンピングレートＲｏｐ（ｔ）が、次式（式（３））で表されるような周波数ωａの正弦波状で時間的に変化する場合を考える。
【数３】
0006391370.tif 000004
【００２６】
式（３）で表されるような時間的に変動する光ポンピングレートのもと、静磁場がｚ方向の磁場Ｂｚしか存在しない状況において式（１）の解として、ポンプ光１０３ａと平行方向のスピン偏極のｚ成分Ｓｚａを求める。ポンプ光の変調周波数ωａが光ポンピングレートＲｏｐに比べて十分に大きいとき、展開した式の中で、Ｒｏｐ／２ｑωａについての２次以上の項を無視することができる。それにより、次のような近似式（式（４））を得ることができる。なお、実際の測定では時間ｔが十分に大きいため、式（４）では測定に寄与しない減衰項は省き、定常項のみを記載した。
【数４】
0006391370.tif 000005
【００２７】
次に、この状況でｙ方向の角周波数ω、磁束密度Ｂ１の微小磁場を計測する。ここで、Ω１＝γ×Ｂ１／ｑという量を定義する。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。このため、ｘ方向のスピン偏極のｘ成分Ｓｘａ（ｔ）を測定することで、磁場を測定することができる。Ｓｘａ（ｔ）は、Ω１に関して摂動を用いて１次まで求め、そのうち減衰項を除くと、その定常項は、次式（式（５））のように表される。
【数５】
0006391370.tif 000006
【００２８】
ここで、Ω０（＝γ／ｑ×Ｂｚ）は、ラーモア周波数を表している。式（５）の第２項は、スピンの応答が変調周波数ωａにより変調されていることを示している。
【００２９】
同様に、ポンプ光１０３ｂに変調周波数ωｂを印加した場合のスピン偏極のｘ成分Ｓｘｂ（ｔ）の応答は、式（４）のωａをωｂに置き換えた形となる。
【００３０】
プローブ光光学系１０８から出射されるプローブ光１０９の偏光は、直線偏光である。被測定領域１１６ａを通過したプローブ光１０９の偏光面は、被測定領域１１６ａでのスピン偏極のｘ成分Ｓｘａに比例した常磁性ファラデー回転を受ける。次いで、被測定領域１１６ｂを通過したプローブ光１０９の偏光面は、スピン偏極のｘ成分Ｓｘｂ（ｔ）に比例した常磁性ファラデー回転を更に受ける。結果として、セル１０１を通過したプローブ光１０９は、被測定領域１１６ａ，１１６ｂの２ヶ所からのファラデー回転を足し合わせた大きさの偏光面の回転を受けることになる。
【００３１】
その後にプローブ光１０９は、偏光分離素子１１０に入射し、その偏光面の角度に応じた強度によって反射光と透過光とに分割される。偏光分離素子１１０を透過した光はフォトディテクタ１１１で、偏光分離素子１１０により反射された光はフォトディテクタ１１２で、それぞれ検出され、差分回路１１３によってそれらの光強度の差分が測定される。その出力を復調器１１４，１１５によってそれぞれ光変調器１０４，１０５の変調周波数に応じた周波数で復調する。
【００３２】
復調器１１４で角周波数ωａによって復調した場合の復調器１１４からの出力Ｖ（ｔ）は、次式（式（６））のように表される。ここで、Ｖａは、プローブ光の強度や吸収係数などをまとめたスピン偏極の大きさから回路の出力への比例定数を纏めたものである。
【数６】
0006391370.tif 000007
【００３３】
図２ａは、１００Ｈｚの磁気信号を原子磁気センサで測定した変調前の磁場スペクトル（図中の「変調なし」）と、ポンプ光をチョッパーにより変調周波数１０１０Ｈｚの強度変調をかけて測定した磁場スペクトル（図中の「変調あり」）と、ロックインアンプで復調した信号の磁場スペクトル（図中の「ロックイン検出」）とを表している。セルとして、Ｋ及びＲｂを同時に封入したものを用い、電気加熱ヒータにより１８０℃に加熱している。このときのＫおよび Ｒｂの密度はそれぞれ１０１３ｃｍ−３と１０１４ｃｍ−３程度である。ポンプ光はＫのＤ１遷移共鳴波長にし、プローブ光は信号応答が大きくなるように、ＲｂのＤ１遷移共鳴波長より少し離調をとった。センサが１００Ｈｚに共鳴するようにバイアス磁場を調整した。図２ｂは図２ａのうち、変調前の磁場スペクトル（図中の「変調なし」）と復調後の磁場スペクトル（図中の「ロックイン検出」）とを分かりやすいように抜き出したものである。１００Ｈｚの磁気信号をポンプ光の強度変調によって変調し、それをロックインアンプによって復調できていることが見て取れる。１００Ｈｚ付近での磁場感度は、変調していない場合は２０．５ｆＴｒｍｓ／Ｈｚ１／２、変調した場合は５３．０ｆＴｒｍｓ／Ｈｚ１／２、変調してロックイン検出をした場合は３７．１ｆＴｒｍｓ／Ｈｚ１／２であった。
図２ｃは、変調周波数として１９６Ｈｚを、磁気信号として１０Ｈｚを選択した場合の磁場スペクトルである。１０Ｈｚの磁気信号（図面上側２１）をポンプ光の強度変調によって１８６Ｈｚ（図面上側の２２）及び２０６Ｈｚ（図面上側の２３）へ変調することができている。そして図面下側ではロックインアンプによって１０Ｈｚ（図面下側の２４）へと復調できていることが見て取れる。
【００３４】
２つの変調周波数ωａ、ωｂの差が測定磁場の周波数に対して十分に大きいとき、被測定領域１１６ａからの磁気信号と被測定領域１１６ｂからの磁気信号とは、周波数領域では十分に分離される。このため、復調器１１４において光変調器１０４と同じ周波数で復調することで、被測定領域１１６ａからの磁気信号を測定することができる。また、復調器１１５において光変調器１０５と同じ周波数で復調することで、被測定領域１１６ｂからの磁気信号を測定することができる。これによって、プローブ光１０９の光路上の空間的に異なる場所からの磁気信号を分離して測定することができる。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光の光路上で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。
なお、セルは１つだけでなく複数であってもよい。セルが１つの場合、そのセルに複数のポンプ光が入射する構成となる。また、セルが複数の場合、複数のセルのそれぞれにポンプ光が入射する構成となるが、その上でさらに、各セルに複数のポンプ光が入射する構成であっても良い。
また、本実施形態は、複数のポンプ光は各々異なる周波数で変調されている場合だけでなく、各々異なる位相で変調されている場合も含む。複数のポンプ光が各々異なる位相で変調されている場合、周波数は略同一であることが好ましいが、異なる位置における磁場情報を弁別できるのであれば、異なっていても良い。
以下、第２実施形態から第８実施形態、および変形実施形態については、第１実施形態と異なる事項について述べるが、共通する事項は記載を省略する。
【００３６】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図３及び図４を用いて説明する。図１及び図２ａ〜ｃに示す第１実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【００３７】
図３は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。図４は、ポンプ光の変調方法の例を示す概略図である。
【００３８】
はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図３を用いて説明する。
【００３９】
本実施形態による光ポンピング磁力計２００は、図３に示すように、セル２０１と、恒温断熱槽２２７と、バイアス磁場調整用コイル２２８とを有している。また、光ポンピング磁力計２００は、プローブ光光源２０２と、直線偏光子２０３と、２分の１波長板２０４とを有している。また、光ポンピング磁力計２００は、ポンプ光光源２０６と、直線偏光子２０７と、ビームスプリッタ２０８と、ミラー２０９と、光変調器２１１，２１２と、４分の１波長板２１３，２１４と、光ターミネータ２１５，２１６とを有している。また、光ポンピング磁力計２００は、偏光分離素子２１７と、フォトディテクタ２１８，２１９と、差分回路２２０と、復調器２２１，２２２とを有している。
【００４０】
アルカリ金属原子、例えばカリウム（Ｋ）が内包されたセル２０１は、恒温断熱槽２２７内に配置されている。恒温断熱槽２２７の壁面には、恒温断熱槽２２７内にプローブ光２０５及びポンプ光２１０ｂ，２１０ｃを導入するための光学窓２２３，２２４，２２５，２２６が設けられている。恒温断熱槽２２７の周囲には、バイアス磁場調整用コイル２２８が配置されている。
【００４１】
プローブ光光源２０２は、直線偏光子２０３、２分の１波長板２０４及び光学窓２２３を介して、セル２０１に直線偏光成分を有するプローブ光２０５を入射するようになっている。セル２０１を通過したプローブ光２０５は、光学窓２２４を介して偏光分離素子２１７に入射するようになっている。これらプローブ光光学系は、プローブ光２０５が、図３に示す座標系においてｘ方向に沿ってセル２０１内を伝搬するように、配置されている。
【００４２】
ポンプ光光源２０６は、直線偏光子２０７、ビームスプリッタ２０８、ミラー２０９、光変調器２１１，２１２、４分の１波長板２１３，２１４及び光学窓２２５を介して、セル２０１にポンプ光２１０ｂ，２１０ｃを入射するようになっている。ポンプ光光源２０６から出射されて直線偏光子２０７を通過したポンプ光２１０ａは、ビームスプリッタ２０８により、反射光であるポンプ光２１０ｂと、透過光であるポンプ光２１０ｃとに分割される。ポンプ光２１０ｂは、ミラー２０９、光変調器２１１、４分の１波長板２１３及び光学窓２２５を介して恒温断熱槽２２７内に導入され、セル２０１に入射するようになっている。また、ポンプ光２１０ｃは、光変調器２１２、４分の１波長板２１４及び光学窓２２５を介して恒温断熱槽２２７内に導入され、セル２０１に入射するようになっている。
【００４３】
これにより、セル２０１の互いに異なる位置に、円偏光成分を有するポンプ光２１０ｂ，２１０ｃが入射する。セル２０１に入射したポンプ光２１０ｂ，２１０ｃは、セル２０１内の互いに異なる位置においてプローブ光２０５と交差する。
【００４４】
セル２０１を通過したポンプ光２１０ｂ、２１０ｃは、光学窓２２６を介して光ターミネータ２１５，２１６にそれぞれ入射するようになっている。これらポンプ光光学系は、ポンプ光２１０ｂ，２１０ｃが、図３に示す座標系において、−ｚ方向に沿ってセル２０１内を伝搬するように、配置されている。
【００４５】
偏光分離素子２１７に入射したプローブ光２０５は、偏光分離素子２１７により、その偏光面の角度に応じた強度によって反射光と透過光とに分割される。そして、偏光分離素子２１７の透過光はフォトディテクタ２１８に入射し、偏光分離素子２１７の反射光はフォトディテクタ２１９に入射するようになっている。フォトディテクタ２１８，２１９には、差分回路２２０を介して、復調器２２１，２２２が接続されている。
【００４６】
次に、本実施形態による光ポンピング磁力計２００の各構成部分のそれぞれについて、より具体的に説明する。
【００４７】
〔１〕セル２０１
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により構成された気密構造体である。セル２０１内には、アルカリ金属原子としてカリウム（Ｋ）が封入されている。セル２０１に利用可能なアルカリ金属原子としては、カリウムのほか、ルビジウム（Ｒｂ）やセシウム（Ｃｓ）が挙げられる。セル２０１内に封入するアルカリ金属原子は、必ずしも１種類である必要はなく、カリウム、ルビジウム及びセシウムを含む群から選択される少なくとも１種類の原子を含むことができる。
【００４８】
また、セル２０１内には、バッファガスと、クエンチャガスとが更に封入されている。バッファガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが挙げられる。ヘリウムガスは、偏極アルカリ金属原子の拡散を抑える効果を有しており、セル壁との衝突によるスピン緩和を抑制して偏極率を高めるために有効である。また、クエンチャガスとしては、窒素（Ｎ２）ガスが挙げられる。窒素ガスは、励起状態にあるカリウム原子からエネルギーを奪い蛍光を抑えるための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。
【００４９】
カリウム原子は、自原子同士及びヘリウム原子との衝突によるスピン偏極破壊に対する散乱断面積が、アルカリ金属原子の中で最も小さい。なお、スピン偏極破壊に対する散乱断面積は、カリウム原子に次いでルビジウム原子が小さい。そのため、緩和時間が長く磁場信号応答の大きい磁気センサを構築するためのアルカリ金属原子としては、カリウムが好ましい。
【００５０】
一方、ルビジウムやセシウムはカリウムに比べて同一温度下での蒸気圧が高いため、カリウムに比べてより低い温度で同じ原子数密度を得ることができるという利点がある。このため、より低温で動作するセンサを構築する等の観点からは、ルビジウム原子やセシウム原子を用いることも有効である。
【００５１】
またセル２０１中のうちポンプ光２１０ｂ、２１０ｃとプローブ光２０５がセル中で交差する測定領域間に、スピン偏極された原子が拡散およびスピン交換衝突を通じてそのスピン偏極が混合しないように、互いを物理的に分離する板のようなものを設けてもよい。この板はプローブ光が透過できるようにガラスのように透明なものが好ましく、プローブ光が通る個所以外はバッファガスが通れるような穴が空いていてもよい。
【００５２】
〔２〕恒温断熱槽２２７
セル２０１は、恒温断熱槽２２７内に設置されている。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℃程度の温度まで加熱する。この熱が外に逃げないようにする役割を、恒温断熱槽２２７は担っている。恒温断熱槽２２７の、プローブ光２０５の光路上には光学窓２２３，２２４が設置され、ポンプ光２１０ｂ、２１０ｃの光路上には光学窓２２６，２２５が設置されており、それら光が恒温断熱槽２２７内を通過できるようになっている。
【００５３】
セル２０１の加熱方式としては、例えば、加熱された不活性な気体を外部から恒温断熱槽２２７内に流し込みセル２０１を加熱する方式が挙げられる。或いは、恒温断熱槽２２７内に配置したヒータに電流を流して加熱する方式でもよい。この場合には、ヒータ電流に起因する磁場が計測信号に影響することを回避するために、ポンプ光の変調周波数よりも倍以上高い周波数の電流でヒータを駆動することが有効である。また、恒温断熱槽２２７の外部から導入した光をセル２０１或いはセル２０１の周囲に配置した吸光部材で吸収させることにより加熱する光加熱方式であってもよい。
【００５４】
〔３〕バイアス磁場調整用コイル２２８
バイアス磁場調整用コイル２２８は、図３に示すように、恒温断熱槽２２７の周囲に配置される。バイアス磁場調整用コイル２２８は、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するためのものである。
【００５５】
バイアス磁場調整用コイル２２８は、セル２０１周囲の磁場環境を操作するために用いられるものである。バイアス磁場調整用コイル２２８の具体的例としては、例えば、３軸ヘルムホルツコイルが挙げられる。具体的には、バイアス磁場調整用コイル２２８により、測定周波数とラーモア周波数とが一致し共鳴するようにポンプ光２１０と平行方向（図中ｚ方向）にバイアス磁場を印加する。そして、プローブ光２０５及びポンプ光２１０に対して直交する方向（図中ｙ方向）の磁場を測定する。
【００５６】
また、その他の方向に磁場を印加するためのバイアス磁場調整用コイル２２８（図中ｘ方向及びｙ方向）は、残留磁場を打ち消し磁場が印加されていない環境にするために使用される。更に、磁場の不均一を補正するために、シムコイルを追加してもよい。
【００５７】
〔４〕プローブ光光学系
プローブ光光学系は、図３に示すように、プローブ光光源２０２と、直線偏光子２０３と、２分の１波長板２０４とを含んで構成される。
【００５８】
プローブ光光源２０２から出射されるプローブ光２０５の波長は、信号応答が最大になるようカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長から数ＧＨｚないし数十ＧＨｚ程度の離調をとる。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。この波長を安定的に保つために、プローブ光光源２０２は外部共振器等の安定化手段を有していてもよい。プローブ光２０５は、直線偏光子２０３により直線偏光とされる。また、波長の選定基準として、ＳＮＲを最大化するという条件で離調を選定してもよい。いずれの基準を用いた場合も、最適な離調量はセル内のポンプ光強度に依存するので、計測中に定期的にキャリブレーションを行って、離調量の補正を行うことも効果的である。
【００５９】
〔５〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、図３に示すように、ポンプ光光源２０６と、直線偏光子２０７と、ビームスプリッタ２０８と、ミラー２０９と、光変調器２１１，２１２と、４分の１波長板２１３，２１４と、光ターミネータ２１５，２１６とを含んで構成される。
【００６０】
ポンプ光光源２０６から出射されるポンプ光２１０ａの波長は、カリウム原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせる。ポンプ光光源２０６は、ポンプ光２１０ａの波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長に固定するための周波数安定化手段を有している。このポンプ光２１０ａは、直線偏光子２０７により直線偏光に成形された後、ビームスプリッタ２０８によって、ポンプ光２１０ｂとポンプ光２１０ｃとに分割される。
【００６１】
ポンプ光２１０ｂ、２１０ｃは、それぞれ光変調器２１１，２１２にて変調を受けた後、４分の１波長板２１３，２１４によって円偏光に変換される。この際、ポンプ光２１０ｂ及びポンプ光２１０ｃは、それぞれ右回り円偏光と左回り円偏光のどちらに変換してもよいが、互いに逆の円偏光成分に変換しておくと、異なる円偏光でスピン偏極された原子が衝突するとスピン緩和が働くため、測定領域間のスピン偏極が混合することを妨げることができる。
【００６２】
円偏光となったポンプ光２１０ｂ及びポンプ光２１０ｃは、光学窓２２５を透過してセル２０１に入射し、セル２０１中のポンプ光２１０ｂ，２１０ｃの光路上のカリウム原子群をそれぞれ偏極する。ポンプ光２１０ｂ，２１０ｃは、セルの異なる箇所に同時に入射することができる。セル２０１を透過したポンプ光２１０は、光学窓２２６を透過し、光ターミネータ２１５，２１６により終端処理が行われる。
【００６３】
なお、ポンプ光光学系は、ポンプ光２１０ａを３つ以上の複数のポンプ光に分割してもよい。その場合、複数のポンプ光をセルの複数箇所に同時に入射することができる。また、それぞれのポンプ光の間に緩和光として、波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長近辺に合わせた光を入れてもよい。ポンプ光の間に緩和光を照射することにより、この照射領域にあるカリウムのスピン緩和を促進し、カリウムの拡散およびスピン交換衝突を通じて測定領域間のスピン偏極が混合するのを妨げることができる。この緩和光の偏光は円偏光でも楕円偏光でも無偏光でも構わないが、一定強度の緩和光で効率よくスピン緩和を促進するためには直線偏光が好ましい。
【００６４】
〔６〕光変調系（光変調器２１１，２１２）
ポンプ光２１０ｂ及びポンプ光２１０ｃは、光変調器２１１，２１２によってそのポンピングレートに変調を受ける。縦緩和、横緩和によってスピン偏極が壊れてしまう前に光ポンピングによって再度スピン偏極する必要があるため、このときの変調周波数は、ある程度周波数が高い必要がある。スピン偏極の縦緩和時間Ｔ１はおおよそＴ１〜１０ｍｓであるため、変調周波数としては、１０Ｈｚ以上の周波数が好ましく、１００Ｈｚ以上の周波数が好ましく、１ｋＨｚ以上の周波数が更に好ましい。
【００６５】
また、式（５）の第２項の係数、
【数７】
0006391370.tif 000008
が示す通り、変調後の磁気信号に対する応答は、変調周波数ωａに反比例する。このことは、あまりに高い周波数で変調するとスピン偏極が追随せず、信号応答が弱くなってしまうことを示している。
【００６６】
原子磁気センサの原理的なノイズとして、スピンプロジェクションノイズとフォトンショットノイズとが存在し、これらのノイズレベルは変調を掛けても変わらない。典型的な実験条件下（温度１８０℃、プローブ光波長７７０．１ｎｍ、プローブ光パワー０．１ｍＷ、プローブ光路長５ｃｍ、ポンプ光強度０．２ｍＷ／ｃｍ２）では、フォトンショットノイズが支配的なノイズになる。プローブ光パワーよりフォトンショットノイズを計算すると、磁場ノイズに換算して１０ｆＴｒｍｓ／Ｈｚ１／２となる変調周波数は、およそ５ｋＨｚとなる。このため、変調周波数は、５ｋＨｚ以下であることが好ましい。
【００６７】
光変調器２１１，２１２における変調方式としては、例えば、ポンプ光強度変調、円偏光度変調、波長変調が挙げられる。光変調器２１１，２１２の具体的な構成について、図４を用いて以下に説明する。
【００６８】
〔６．１〕ポンプ光強度変調
ポンプ光強度変調の一例としては、光チョッパーを利用した方法が挙げられる。光チョッパーは、周期的に光を遮蔽するものであり、光チョッパーを通過した光の光強度は、矩形波で変調されることになる。すなわち、図４（ａ）に示すように、ポンプ光３０１ａを光チョッパー３０２に入射することで、光強度に矩形波状の変調のかかったポンプ光３０１ｂを得ることができる。光チョッパー３０２よる変調周波数は、光チョッパー３０２を制御するための信号発生器３０３により制御することができる。
【００６９】
ポンプ光強度変調の他の例としては、電気光学素子を利用した方法が挙げられる。電気光学素子は、電気光学効果によって結晶の複屈折率が変化することを利用して、光の位相・偏光状態を変化させるものである。図４（ｂ）に示すように、ポンプ光３０４ａを２分の１波長板３０５に入射し、ポンプ光３０４ａの偏光を電気光学素子３０６の電場の印加方向に対して４５°傾けておく。そして、２分の１波長板３０５を通したポンプ光３０４ａを電気光学素子３０６に通し、その偏光の位相差に変調を掛ける。これは、光の円偏光度を周期的に変化させることと同じである。円偏光度に変調がかかった光を直線偏光子３０８に通すと、直線偏光子３０８の透過軸方向と異なる方向の偏光成分は透過しないため、その円偏光度の変調を強度変調に変換することができる。すなわち、光強度に変調のかかったポンプ光３０４ｂを得ることができる。電気光学素子３０６による変調周波数は、電気光学素子３０６に印加する電界を制御するための信号発生器３０７により制御することができる。
【００７０】
ポンプ光強度変調は、これらの方法の他、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザなどのレーザ光源の駆動電流そのものに変調を加える直接強度変調という方法でもよい。また、電界吸収型光変調器などの電気的光変調器を用いることもできる。
【００７１】
〔６．２〕円偏光度変調
円偏光度変調の一例としては、電気光学素子を利用した方法が挙げられる。図４（ｃ）に示すように、ポンプ光３０９ａを２分の１波長板３１０に入射し、その偏光を電気光学素子３１１の電場の印加方向に対して４５°傾けておく。そして、２分の１波長板３１０を通したポンプ光３０９ａを電気光学素子３１１に通し、その偏光の円偏光度に変調を掛ける。これにより、電気光学素子３１１を透過したポンプ光３０９ｂは、直線偏光から円偏光に、そしてまた直線偏光へと、周期的に偏光が変化する。このとき、円偏光が逆転するまでの大きな振幅の変調をかけてもよい。電気光学素子３１１による変調周波数は、電気光学素子３１１に印加する電界を制御するための信号発生器３１２により制御することができる。
【００７２】
〔６．３〕ポンプ光波長変調
ポンプ光の波長を変化させる手段の一例としては、音響光学素子を利用した方法が挙げられる。図４（ｄ）に示すように、音響光学素子３１５にポンプ光３１３ａを入射させる際には、最適な偏光角が存在するため、２分の１波長板３１４によってその偏光角を調整しておくことが望ましい。ＲＦ発振器３１６により音響光学素子３１５に電気信号を印加すると、ポンプ光３１３ａはいくつかのオーダーに回折され、その周波数が変化する。音響光学素子３１５の入射前のポンプ光３１３ａの周波数をω０とし、ＲＦ発振器３１６が印加する電気信号の周波数をωＲＦとすると、音響光学素子３１５はポンプ光３１３ａをω０＋ＮωＲＦの周波数を持つＮ次の回折光に空間的に分離する。ここでＮは任意の整数を表している。これにより、波長変調したポンプ光３１３ｂを得ることができる。一次回折光の周波数変化量は、一般的に数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度である。変調信号の強度を大きくするためには、周波数変化量が、その吸収線幅の半値半幅程度には大きい方がよく、ヘリウムバッファガスを１［ａｍｇ］程度入れたガラスセルの場合は、周波数変化量が数ＧＨｚ程度であるのが好ましい。このために高次の回折光を選ぶ必要がある。ここでいう［ａｍｇ］とは、０℃で測った気圧の大きさを表している。
【００７３】
ポンプ光波長変調は、この方法の他、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザなどのレーザ光源の電気的波長チューニングによって行うこともできる。
【００７４】
〔７〕偏光測定系
偏光測定系は、図３に示すように、偏光分離素子２１７と、フォトディテクタ２１８，２１９と、差分回路２２０と、復調器２２１，２２２とを含んで構成される。
【００７５】
偏光分離素子２１７に入射するプローブ光２０５は、偏光角θに応じて、透過光と反射光とに分割される。光パワーで比を取れば、透過光と反射光との強度比は、ｃｏｓ２θ：ｓｉｎ２θとなる。ここでは、偏光分離素子２１７への入射光がすべて透過してフォトディテクタ２１８に入射する偏光状態、すなわちθ＝０°の場合、を基準にしている。このとき、θ＝９０°の光は全て反射され、フォトディテクタ２１９に入射する。
【００７６】
２つに分割された光のパワー強度をフォトディテクタ２１８，２１９によりそれぞれ測定し、その差を差分回路２２０から出力する。被測定磁場が存在しないときのプローブ光２０５の偏光をθ＝４５°に合わせておくと、被測定磁場が存在しないときにはフォトディテクタ２１８，２１９に同じ光パワーの光が入射することになり、差分回路２２０からの出力は０になる。
【００７７】
一方、被測定磁場が存在するときには、その大きさに応じた偏光面の回転が生じ、フォトディテクタ２１８，２１９には異なる光パワーの光が入射することになり、差分回路２２０からは０ではないこれらの差分が出力される。すなわち、このときの差分回路２２０からの出力は、プローブ光の偏光面の回転角に比例した信号であり、被測定磁場の大きさを反映したものである。
【００７８】
差分回路２２０の出力信号は、復調器２２１，２２２に入力され、復調器２２１，２２２において復調される。復調器２２１，２２２としては、例えば、ロックインアンプが挙げられる。このとき、復調器２２１において、光変調器２１１と同じ周波数で復調することにより、プローブ光２０５とポンプ光２１０ｂとの交差領域の磁気信号を取り出すことができる。また、復調器２２２においては、光変調器２１２と同じ周波数で復調することにより、プローブ光２０５とポンプ光２１０ｃとの交差領域の磁気信号を取り出すことができる。
【００７９】
なお、ここでは２つの復調器２２１，２２２を用いて異なる領域の磁気信号を取得する例を示したが、異なる領域の磁気信号を取得する方法は、これに限定されるものではない。例えば、復調器を複数台用意する代わりに、差分回路２２０の出力をＡ／Ｄコンバータにデジタル信号として取り込み、その後、デジタル信号処理を行うようにしてもよい。取り込んだデジタル信号について、周波数領域でそれぞれの変調周波数に合わせた所定の周波数幅のデータをフィルタリングすることで、それぞれの交差領域における磁気信号を分離することができる。
【００８０】
また、交差領域間の磁気信号の分離精度を高めるために、センサと信号源の間にアルミニウム等導電体の薄板を配置することが可能である。例えば、ポンプ光２１０ｂ，２１０ｃそれぞれの変調周波数がｆｂ［Ｈｚ]，ｆｃ［Ｈｚ]であり、測定周波数がｆｘ［Ｈｚ]とすると、差分回路２２０からの出力の周波数スペクトルはｆｂ―ｆｘ［Ｈｚ]，ｆｂ＋ｆｘ［Ｈｚ]，ｆc―ｆｘ［Ｈｚ]，ｆc＋ｆｘ［Ｈｚ]の４つのピークをもつスペクトルとなる。ここで測定周波数ｆｘが変調周波数差の半分、（ｆｂ―ｆｃ）／２［Ｈｚ]以上だと、ｆｂ＋ｆｘ＞ｆc―ｆｘとなり、復調器２２１からはｆc―ｆｂ―ｆｘ［Ｈｚ]という周波数の信号も出力されてしまう。これはポンプ光２１０ｃが作る交差領域からの信号がノイズとして復調器２２１からの出力に入ってしまうことを意味している。この混入を防ぐために、アルミニウム等導電体の薄板を恒温断熱槽２２７の周囲に配置し周波数が（ｆｂ―ｆｃ）／２［Ｈｚ]以上のものを遮蔽すれば高周波の磁気信号が遮蔽され、交差領域間の磁気信号の分離精度が高まる。時間変化する磁場に対する導電体による遮蔽効果は、高周波ほど高く、ローパスフィルター特性である。導電体板の厚さの目安としては、カットオフ周波数での交流磁場に対する表皮深さ程度とすることができる。変調周波数の周波数差が１ｋＨｚの場合、５００Ｈｚ以上の磁気信号を１／ｅ（０．３７）に低減するためにはＲＦ遮蔽効果を考えると，３ｍｍ厚のアルミニウム板を配置することで、５００Ｈｚ以上の信号を減衰させつつ、１００Ｈｚ以下の生体磁気信号に対してはほとんど減衰を及ぼさない構成とできる。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光の変調周波数を変えるので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。
【００８２】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図３及び図５を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１及び第２実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【００８３】
はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図３を用いて説明する。
【００８４】
本実施形態による光ポンピング磁力計は、復調器２２１，２２２を使用しない他は、図３に示す第２実施形態による光ポンピング磁力計と同様である。それ以外の構成部分は、第２実施形態による光ポンピング磁力計と同じもので構成することができる。セル２０１、恒温断熱槽２２７、バイアス磁場調整用コイル２２８、プローブ光光学系、光変調器２１１，２１２を除くポンプ光光学系については、第２実施形態と同じように動作するものである。
【００８５】
次に、本実施形態による光ポンピング磁力計の動作について、図３及び図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による光ポンピング磁力計におけるポンプ光変調の一例を示す図である。
【００８６】
本実施形態による光ポンピング磁力計では、それぞれのポンプ光２１０ｂ，２１０ｃに加える変調の周波数は同じであり、変調の位相が互いに異なっている。第２実施形態と同じように実施できる部分についての説明は省略して、この実施形態に固有の部分を中心に以下に説明する。
【００８７】
本実施形態では、光変調器２１１，２１２によってポンプ光２１０ｂ，２１０ｃに与える変調の周波数ｆｍｏｄは同じであり、変調の位相が異なっている。変調周波数ｆｍｏｄは、変調周波数ｆｍｏｄとスピン偏極の緩和時間Ｔ２との関係が、Ｔ２≦１／（２πｆｍｏｄ）となるように選択される。一例としては、変調周波数ｆｍｏｄが９０ Ｈｚのとき、緩和時間Ｔ２が１．５ｍｓとなるアルカリ金属セルが挙げられる。第２実施形態に記載したように、典型的にはスピン偏極の縦緩和時間Ｔ１は、１０ｍｓ程度である。このセルにおいて、緩和時間Ｔ２を１．５ｍｓとするために、衝突断面積が大きいクエンチャガスの窒素の封入量を多くして、スピン偏極の緩和時間を短縮している。
【００８８】
位相の異なる強度変調の様子を、図５（ａ）に示す。ポンプ光２１０ｂは、位相φが０からπの間の光強度が大きく、位相φがπから２πの間は、光強度が０となっている。また、ポンプ光２１０ｃは、位相φが０からπの間の光強度が０であり、位相φがπから２πの間は、光強度が大きくなっている。光強度の変調は、図５（ｂ）に示すように、光ポンピングレートの変調でもある。
【００８９】
このように、同じ周波数で異なる位相で変調されたポンプ光２１０ｂ，２１０ｃが、プローブ光２０５の光路上の異なる領域に照射される。この結果、それぞれのポンプ光２１０ｂ、２１０ｃとプローブ光２０５との交差する領域でのポンプ光方向のスピン偏極のｚ成分Ｓｚは、図５（ｃ）に示すようになる。すなわち、ポンプ光２１０ｂが照射される領域とポンプ光２１０ｃが照射される領域とでは、互いに相補的な周期的な変調を受ける。ただし、緩和時間の影響で、それぞれのスピン偏極のｚ成分Ｓｚの大きさの時間波形は、ポンプ光２１０ｂ，２１０ｃの矩形波に対して有限の立ち上がり、立下り時間で制限されたなまった波形となる。
【００９０】
このスピン偏極のｚ成分Ｓｚが、さらに測定対象としての磁場に応じて回転し、プローブ光方向のスピン偏極のｘ成分Ｓｘを生じるので、プローブ光２０５で読み出される信号も、変調を受けた信号を重ね合わせたものとなっている。プローブ光２０５から、偏光分離素子２１７、フォトディテクタ２１８，２１９及び差分回路２２０を経て得られる出力がプローブ光２０５の偏光面の回転角に比例した信号であることは、第２実施形態の場合と同じである。
【００９１】
差分回路２２０からの出力に対しては、以下のような信号処理を行うことにより、各測定領域での磁場信号を分離することができる。
【００９２】
まず、差分回路２２０からの出力は、時系列の信号としてＡ／Ｄコンバータでデジタル化する。基準とする変調周波数における位相を参照して、このデジタルデータを２つの時系列データに振り分ける。それぞれの時系列データについて、データの欠落点は、前後のデータからの補間を行う。サンプリング定理を考慮すると、信号帯域が変調周波数の１／２よりも低周波域に制限されていれば、このような補間によって、この信号を再現できることが保証されている。実際には、位相条件を考慮した、連続した複数点のサンプリングデータがあるので、よりスムーズな補間が可能である。
【００９３】
第２実施形態では、１つのプローブ光２０５の光路上の異なる場所からの信号という空間情報を信号の変調周波数に保持させていたが、本実施形態では、信号が変調される位相に保持させている。このような変調の方法としては、第２実施形態の説明に記載した、円偏光度の変調やポンプ光波長の変調も有効である。特に、円偏光度の変調を矩形波状に用いた場合には、ポンプしていない位相の範囲内では直線偏光のポンプ光によってスピン偏極を積極的に破壊させる作用も生じ、ひいては緩和時間の短縮に寄与するため、急峻な波形で信号を分離できるようになる。また、ポンプしていない位相の範囲内で、別途に直線偏光の光を緩和光として照射してもよい。スピン緩和時間を短縮することで、カリウムの拡散およびスピン交換衝突を通じて２つの測定領域間のスピン偏極が混合するのを妨げることができる。信号分離について、位相を参照して振り分ける他にも、緩和特性を考慮したデコンボリューションや、独立成分解析などのデジタル信号処理を適用することで、さらなるノイズ低減が可能となる。
【００９４】
なお、本実施形態では、１つのプローブ光に対して、２つのポンプ光を用いる例を説明したが、ポンプ光の数を３つ、４つと増やすことも可能である。ポンプ光を３つ用いて３か所の測定の多重化を行う場合には、位相について、０から２π／３、２π／３から４π／３、４π／３から２πの３つの範囲に分割すればよい。また、ポンプ光を４つ用いて４か所の測定の多重化を行う場合には、位相をπ／２ごとに分割すればよい。
【００９５】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光を、同じ変調周波数、異なる位相で変調するので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気信号を分離して同時に測定することができる。
【００９６】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図６及び図７を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１乃至第３実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【００９７】
図６は、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成を示す斜視図である。図７は、本実施形態による光ポンピング磁力計の断面図である。なお、図７は、図６の座標系におけるｘ−ｚ平面に平行な面に沿った概略断面図である。
【００９８】
はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図６及び図７を用いて説明する。
【００９９】
本実施形態による光ポンピング磁力計４００は、図６に示すように、セルを内包した恒温断熱槽４１１，４１２と、ポンプ光光源４０１，４０２と、光変調器４０５，４０６と、ミラー４０７，４０８とを有している。また、光ポンピング磁力計４００は、図６及び図７に示すように、プローブ光光源５０１と、ミラー５０７と、偏光測定系５０８とを有している。図中、恒温断熱槽４１１，４１２に隣接して描かれた球体は、測定対象物４１３を想定したものである。
【０１００】
本実施形態による光ポンピング磁力計４００の光学系は、プローブ光光源５０１から発せられたプローブ光５０２及びポンプ光光源４０１，４０２から発せられたポンプ光４０３，４０４が、それぞれ以下に示す光路を伝搬するように、配置されている。
【０１０１】
すなわち、プローブ光光源５０１から発せられたプローブ光５０２は、光学窓５０３を介して恒温断熱槽４１１内に入射し、恒温断熱槽４１１内をｘ方向に沿って伝搬した後、光学窓５０４から出射される。恒温断熱槽４１１から出射したプローブ光５０２は、ミラー５０７によって９０度屈曲され、光学窓５０５を介して恒温断熱槽４１２内に入射し、恒温断熱槽４１２内を−ｚ方向に沿って伝搬した後、光学窓５０６から出射される。恒温断熱槽４１２から出射したプローブ光５０２は、偏光測定系５０８に入射する。
【０１０２】
また、ポンプ光光源４０１から発せられたポンプ光４０３は、光変調器４０５及びミラー４０７を介して、光学窓４０９から恒温断熱槽４１１内に入射し、恒温断熱槽４１１内をｙ方向に沿って伝搬する。そして、恒温断熱槽４１１内に配置された図示しないセル内において、プローブ光５０２とポンプ光４０３とが交差する。ポンプ光光源４０２から発せられたポンプ光４０４は、光変調器４０６及びミラー４０８を介して、光学窓４１０から恒温断熱槽４１２内に入射し、恒温断熱槽４１２内をｙ方向に沿って伝搬する。そして、恒温断熱槽４１２内に配置された図示しないセル内において、プローブ光５０２とポンプ光４０４とが交差する。
【０１０３】
このように、本実施形態による光ポンピング磁力計では、プローブ光５０２が、恒温断熱槽４１１をｘ方向に伝搬し、更に、恒温断熱槽４１２を−ｚ方向に伝搬するように構成されている。恒温断熱槽４１１と恒温断熱槽４１２との間には、プローブ光５０２を導波する光導波手段（ミラー５０７を含む）が設けられている。
【０１０４】
次に、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成部分について、これまでに説明した実施形態とは異なる点を中心に、より具体的に説明する。以下において特に説明しない部分については、これまでに説明した実施形態の場合と同様である。
【０１０５】
〔１〕恒温断熱槽４１１，４１２
恒温断熱槽４１１，４１２には、カリウムが封入されたセル（図示せず）がそれぞれ内包されている。恒温断熱槽４１１，４１２は、加熱手段を有しており、１８０℃程度の温度でセルを加熱できるようになっている。また、恒温断熱槽４１１，４１２の周りには、それぞれ、第２実施形態において説明したような、不図示のバイアス磁場調整用コイル及び勾配補正コイルが配置される。
【０１０６】
恒温断熱槽４１１，４１２は、これらが内包するセルの信号応答特性を揃えるために、２つのセル内のバッファガス圧をできるだけ同じ圧力、好ましくはこれらの圧力差を０．１［ａｍｇ］以内とする。また、恒温断熱槽４１１，４１２内の温度も、できるだけ同じ温度、好ましくはこれらの温度差を０．１℃以内とする。
【０１０７】
図６及び図７には、セルを内包した２つの恒温断熱槽４１１，４１２を有する場合を示しているが、セルを内包した恒温断熱槽の数は２つに限定されるものではなく、必要に応じて更に増やすこともできる。また、個々のセルは、必ずしも別々の恒温断熱槽内に配置する必要はなく、複数のセルを共通の大きな恒温断熱槽内に配置するようにしてもよい。
【０１０８】
また、複数の恒温断熱槽４１１，４１２の配置は、測定対象物４１３の形状等に応じて適宜変更することができる。例えば、図６及び図７の例では、恒温断熱槽４１１内を通過するプローブ光５０２の光路と、恒温断熱槽４１２内を通過するプローブ光５０２の光路とが直交するように恒温断熱槽４１１，４１２を配置しているが、これら光路は必ずしも直交する必要はない。
【０１０９】
〔２〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、ポンプ光光源４０１，４０２のほか、光変調器４０５，４０６と、ミラー４０７，４０８とを含んで構成される。
【０１１０】
ポンプ光光源４０１，４０２は、その出射光の波長をカリウムのＤ１遷移共鳴波長に固定するための周波数安定化手段及びその出射光の偏光を直線偏光にするための直線偏光子を含む。
【０１１１】
ポンプ光光源４０１から出射されるポンプ光４０３及びポンプ光光源４０２から出射されるポンプ光４０４は、光変調器４０５及び光変調器４０６において、それぞれ互いに異なる周波数にて変調される。変調方法には、例えば第２実施形態において説明した方法を適用することができる。或いは、ポンプ光４０３，４０４は、光変調器４０５及び光変調器４０６において、第３実施形態において説明した方法により、同じ変調周波数、異なる位相で変調される。
【０１１２】
光変調器４０５，４０６を通過したポンプ光４０３，４０４は、それぞれ不図示の４分の１波長板により、円偏光の光となる。ポンプ光４０３は、ミラー４０７によりその光路を調整され、光学窓４０９を通って恒温断熱槽４１１へ入射し、その円偏光成分によってセルのカリウム原子群を偏極する。ポンプ光４０４は、ミラー４０８によりその光路を調整され、光学窓４１０を通って恒温断熱槽４１２へ入射し、その円偏光成分によってセルのカリウム原子群を偏極する。
【０１１３】
〔３〕プローブ光光学系
プローブ光光学系は、プローブ光光源５０１と、ミラー５０７と、偏光測定系５０８とを含んで構成される。
【０１１４】
プローブ光光源５０１から出射されるプローブ光５０２の偏光は、直線偏光である。プローブ光５０２は、光学窓５０３を透過して恒温断熱槽４１１内に入り、その内部のセルに入射する。セルに入射したプローブ光５０２は、セル中のカリウム原子群により、被測定磁場に比例したファラデー回転を受ける。
【０１１５】
光学窓５０４を通して恒温断熱槽４１１から出射したプローブ光５０２は、ミラー５０７により、光学窓５０５を透過して恒温断熱槽４１２内へ入り、その内部のセルに入射するように誘導される。セルに入射したプローブ光５０２は、セル中のカリウム原子群より、被測定磁場に比例したファラデー回転を更に受ける。
【０１１６】
なお、恒温断熱槽４１１と恒温断熱槽４１２との間の光導波手段は、プローブ光５０２の偏光を保ちつつ光学窓５０５から恒温断熱槽４１２内へプローブ光５０２を入射するように誘導できるものであればよく、必ずしもミラー５０７である必要はない。例えば、ミラー５０７を用いる代わりに、プリズム等による屈折を用いて誘導し、或いは、偏波面保存光ファイバーなどの光導波路を用いて誘導するようにしてもよい。
【０１１７】
恒温断熱槽４１２内のセルを透過したプローブ光５０２は、光学窓５０６を通って偏光測定系５０８に入射する。偏光測定系５０８は、例えば、第２又は第３実施形態で説明した偏光測定系と同様の構成とすることができる。これにより、プローブ光５０２とポンプ光４０３との交差領域の磁気信号と、プローブ光５０２とポンプ光４０４との交差領域の磁気信号とを取り出すことができる。
【０１１８】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。また、複数のセルを用いて異なる位置の磁気情報を測定するので、測定位置の設定の自由度を向上することができる。
【０１１９】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について図８を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１乃至第４実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【０１２０】
図８は、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成を示す図である。図８（ａ）は、プローブ光の光路に平行な平面における断面図である。図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、ポンプ光の光路に平行な平面における断面図であり、それぞれ図８（ａ）のＡ−Ａ′線断面図及びＢ−Ｂ′線断面図に相当する。図８（ｄ）及び図８（ｅ）は、複合プリズムミラーの概略構成及びその変形例を示す図である。
【０１２１】
はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図８を用いて説明する。
【０１２２】
本実施形態による光ポンピング磁力計９００は、図８（ａ）に示すように、プローブ光光学系９０３と、恒温断熱槽９１４と、プリズムミラー９０７，９０９と、複合プリズムミラー９０８と、セル９０５，９０６と、偏光計９０４とを有している。また、光ポンピング磁力計９００は、図８（ｂ）に示すように、ポンプ光光学系９０１と、プリズムミラー９１０と、光ターミネータ９１２とを有している。また、光ポンピング磁力計９００は、図８（ｃ）に示すように、ポンプ光光学系９０２と、プリズムミラー９１１と、光ターミネータ９１３とを有している。プリズムミラー９０７，９０９，９１０，９１１、複合プリズムミラー９０８、カリウム金属セル９０５，９０６は、恒温断熱槽９１４内に配置されている。
【０１２３】
本実施形態による光ポンピング磁力計の光学系は、プローブ光光学系９０３から発せられたプローブ光９１５及びポンプ光光学系９０１，９０２から発せられたポンプ光９１６，９１７が、それぞれ以下に示す光路を伝搬するように、配置されている。
【０１２４】
本実施形態において、ポンプ光光学系９０１，９０２は、光変調器を含む光源である。ポンプ光光学系９０１，９０２からは、第４実施形態の場合と同様に、強度変調された円偏光のポンプ光９１６，９１７が、セルサイズの１／２程度までビーム径を拡大したコリメート光として出射される。ポンプ光９１６は、図８（ｂ）に示すように、光学窓９２０を介して恒温断熱槽９１４内に入射され、プリズムミラー９１０によって進行方向を９０度曲げられて、セル９０５に照射される。セル９０５を透過したポンプ光９１６は、光ターミネータ９１２で吸収される。同様に、ポンプ光９１７は、図８（ｃ）に示すように、光学窓９２１を介して恒温断熱槽９１４内に入射され、プリズムミラー９１１によって進行方向を９０度曲げられて、セル９０６に照射される。セル９０６を透過したポンプ光９１７は、光ターミネータ９１３で吸収される。
【０１２５】
プローブ光９１５は、セルサイズの１／２程度までビーム径を拡大したコリメート光としてプローブ光光学系９０３から出射される。プローブ光光学系９０３から発せられたプローブ光９１５は、光学窓９１８を介して恒温断熱槽９１４内に入射され、プリズムミラー９０７によって進行方向を９０度曲げられて、セル９０５に入射する。プローブ光９１５は、セル９０５内でポンプ光９１６と交差し、ここでの磁場に応じた偏光面の回転を受ける。
【０１２６】
セル９０５を通過したプローブ光９１５は、複合プリズムミラー９０８によって進行方向をわずかに曲げられた後、セル９０６に入射する。プローブ光９１５は、セル９０６内でポンプ光９１７と交差し、ここでの磁場に応じた偏光面の回転を受ける。
【０１２７】
セル９０６を通過したプローブ光９１５は、プリズムミラー９０９によって進行方向を９０度曲げられて、光学窓９１９を介して恒温断熱槽９１４から出射された後、偏光面の回転角を計測する偏光計９０４に入射する。
【０１２８】
このように、本実施形態の光ポンピング磁力計９００は、複数のセル９０５，９０６を共通の恒温断熱槽９１４に配置する例である。また、複合プリズムミラー９０８を用いることで、プローブ光９１５の進行方向を少しずつ曲げて行く光学系の実施例でもある。
【０１２９】
複合プリズムミラー９０８は、図８（ｄ）に示すように、二つの直角プリズム９２２，９２３を組み合わせた素子である。直角プリズム９２２，９２３同士は、互いに、直角をはさむ面のうちの一方で接している。この接触面の法線を回転軸として、角度θだけ回転した配置となっている。ここで、角度θは、二つの直角プリズム９２２，９２３の直角二等辺三角形の断面が、互いに並行で、実際的には同一平面上にある状態のときを０度としたときの直角プリズム９２２，９２３間の回転角である。また、複合プリズムミラー９０８は、図８（ｅ）に示すように、これを複数並べることで、プローブ光を何本も通すときに、光路を小さな角度で折り曲げる際のコンパクトな光学系として有用である。
【０１３０】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。また、複数のセルを１つの恒温断熱層内に配置するので、複数のセル間の温度を容易に近似させることができ、測定精度を向上することができる。
【０１３１】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図９を用いて説明する。図１乃至図８に示す第１乃至第５実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【０１３２】
図９は、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成を示す図である。
【０１３３】
本実施形態による光ポンピング磁力計６００は、図９に示すように、セル６０１と、恒温断熱槽６３８と、バイアス磁場調整用コイル６３９とを有している。また、光ポンピング磁力計６００は、プローブ光光源６０２，６０３と、直線偏光子６０６，６０７と、２分の１波長板６１０，６１１とを有している。また、光ポンピング磁力計６００は、ポンプ光光源６１２，６１３と、直線偏光素子６０８，６０９と、光変調器６１６，６１７と、４分の１波長板６１８，６１９と、光ターミネータ６２０，６２１とを有している。また、光ポンピング磁力計６００は、偏光分離素子６２２，６２３と、フォトディテクタ６２４，６２５，６２６，６２７と、差分回路６２８，６２９と、復調器６３０，６３１，６３２，６３３とを有している。
【０１３４】
カリウム及びルビジウムが内包されたセル６０１は、恒温断熱槽６３８内に配置されている。恒温断熱槽６３８の壁面には、恒温断熱槽６３８内にプローブ光６０４，６０５及びポンプ光６１４，６１５を導入するための光学窓６３４，６３５，６３６，６３７が設けられている。恒温断熱槽６３８の周囲には、バイアス磁場調整用コイル６３９が配置されている。
【０１３５】
プローブ光光源６０２は、直線偏光子６０６、２分の１波長板６１０及び光学窓６３４を介して、セル６０１にプローブ光６０４を入射するようになっている。セル６０１を通過したプローブ光６０４は、光学窓６３６を介して偏光分離素子６２２に入射するようになっている。これらプローブ光光学系は、プローブ光６０４が、図９に示す座標系においてｘ方向に沿ってセル６０１内を伝搬するように配置されている。
【０１３６】
プローブ光光源６０３は、直線偏光子６０７、２分の１波長板６１１及び光学窓６３４を介して、セル６０１にプローブ光６０５を入射するようになっている。セル６０１を通過したプローブ光６０５は、光学窓６３６を介して偏光分離素子６２３に入射するようになっている。これらプローブ光光学系は、プローブ光６０５が、図９に示す座標系においてｘ方向に沿ってセル６０１内を伝搬するように配置されている。
【０１３７】
ポンプ光光源６１２は、直線偏光素子６０８、光変調器６１６、４分の１波長板６１８及び光学窓６３５を介して、セル６０１にポンプ光６１４を入射するようになっている。セル６０１を通過したポンプ光６１４は、光学窓６３７を介して光ターミネータ６２０に入射するようになっている。これらポンプ光光学系は、ポンプ光６１４が、図９に示す座標系において、−ｚ方向に沿ってセル６０１内を伝搬するように配置されている。これにより、ポンプ光６１４は、セル６０１内の互いに異なる位置でプローブ光６０４，６０５と交差する。
【０１３８】
ポンプ光光源６１３は、直線偏光子６０９、光変調器６１７、４分の１波長板６１９及び光学窓６３５を介して、セル６０１にポンプ光６１５を入射するようになっている。セル６０１を通過したポンプ光６１５は、光学窓６３７を介して光ターミネータ６２１に入射するようになっている。これらポンプ光光学系は、ポンプ光６１５が、図９に示す座標系において、−ｚ方向に沿ってセル６０１内を伝搬するように配置されている。これにより、ポンプ光６１５は、セル６０１内の互いに異なる位置でプローブ光６０４，６０５と交差する。
【０１３９】
偏光分離素子６２２に入射したプローブ光６０４は、偏光分離素子６２２により、その偏光面の角度に応じた強度によって反射光と透過光とに分割される。そして、偏光分離素子６２２の透過光はフォトディテクタ６２４に入射し、偏光分離素子６２２の反射光はフォトディテクタ６２５に入射するようになっている。フォトディテクタ６２４，６２５には、差分回路６２８を介して、復調器６３０，６３１が接続されている。
【０１４０】
偏光分離素子６２３に入射したプローブ光６０５は、偏光分離素子６２３により、その偏光面の角度に応じた強度によって反射光と透過光とに分割される。そして、偏光分離素子６２３の透過光はフォトディテクタ６２６に入射し、偏光分離素子６２３の反射光はフォトディテクタ６２７に入射するようになっている。フォトディテクタ６２６，６２７には、差分回路６２９を介して、復調器６３２，６３３が接続されている。
【０１４１】
次に、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成部分について、これまでに説明した実施形態とは異なる点を中心に、より具体的に説明する。以下において特に説明しない部分については、これまでに説明した実施形態の場合と同様である。
【０１４２】
〔１〕セル６０１
セル６０１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により構成された気密構造体である。セル６０１内には、ポンプ光の進行方向のスピン偏極を空間的に均一にするために、アルカリ金属原子として、カリウムとルビジウムとが封入されている。その他の利用可能なアルカリ金属原子の組み合わせとしては、カリウムとセシウムとの組みあわせ、ルビジウムとセシウムとの組み合わせが考えられる。ただし、磁気回転比の大きさが同じになる、すなわち核スピンＩが同じ同位体の組み合わせはＩ＝３／２である、３９Ｋと８７Ｒｂの組み合わせだけである。また、自原子同士及びヘリウム原子との衝突によるスピン偏極破壊に対する散乱断面積は、アルカリ金属原子の中でカリウム原子が最も小さく、ルビジウム原子がその次に小さい。このため、アルカリ金属原子の組み合わせとしては、カリウムとルビジウムとの組み合わせが最も好ましい。
【０１４３】
また、ルビジウムはカリウムと比べて、同じ温度での蒸気圧が高いため、セル６０１へのルビジウムの封入量を減らしておく。その他にセル６０１内には、バッファガス及びクエンチャガスとして、ヘリウムガス及び窒素ガスを封入しておく。
【０１４４】
〔２〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、図９に示すように、ポンプ光光源６１２，６１３と、直線偏光素子６０８，６０９と、光変調器６１６，６１７と、４分の１波長板６１８，６１９と、光ターミネータ６２０，６２１とを含んで構成される。
【０１４５】
ポンプ光光源６１２は、ポンプ光６１４の波長をルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９４．７ｎｍ）に固定するための周波数安定化手段を有している。また、ポンプ光光源６１３は、ポンプ光６１５の波長をルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９４．７ｎｍ）に固定するための周波数安定化手段を有している。これらポンプ光６１４，６１５は、同じ光源からの光を２つに分割して利用してもよい。これらポンプ光６１４，６１５の偏光は、直線偏光素子６０８，６０９によりそれぞれ直線偏光の光にされた後、光変調器６１６，６１７にて変調を受け、４分の１波長板６１８，６１９によって円偏光に変換される。円偏光になったポンプ光６１４，６１５は、光学窓６３５を通してセル６０１に入射され、セル６０１中のルビジウム原子をスピン偏極する。
【０１４６】
スピン偏極したルビジウム原子がカリウム原子に衝突すると、スピン交換相互作用が働き、カリウム原子にそのスピン偏極が受け渡される。このため、ルビジウム原子を偏極することによってカリウム原子も偏極することができる。ルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長と、カリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ）及びＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ）との波長差は、バッファガス存在下の吸収線幅（〜１０ＧＨｚ）に比べても十分に大きい。したがって、ポンプ光６１４，６１５は、カリウム原子によってほとんど吸収されない。
【０１４７】
また、ルビジウム原子は偏極すると円偏光であるポンプ光６１４，６１５を吸収しないため、ルビジウム原子群の偏極率が高くなるとポンプ光６１４，６１５の吸収率が小さくなる。この結果、ポンプ光６１４，６１５の強度が十分に大きければ、プローブ光６０４との交差領域のルビジウム原子をスピン偏極しても減衰はせず、プローブ光６０５との交差領域のルビジウム原子を十分にスピン偏極することができる。
【０１４８】
そして、ルビジウム原子の原子数密度をカリウム原子の原子数密度より小さくすることで、カリウム原子群のスピン偏極率をルビジウム原子群のスピン偏極率よりも小さくできる。すなわち、ルビジウム原子から受けるスピン交換衝突によるカリウム原子のスピン偏極率は、仮にルビジウム原子群が完全にスピン偏極していたとしても、ルビジウム原子群のスピン偏極率よりも小さくなる。このため、カリウム原子のスピン偏極率を、磁場感度が最大になる偏極率付近（〜０．５）に下げることができる。
【０１４９】
セル６０１を透過したポンプ光６１４，６１５は、光学窓６３７を介して恒温断熱槽６３８内から出射され、光ターミネータ６２０，６２１よりそれぞれ終端処理が行わる。
【０１５０】
〔３〕プローブ光光学系
プローブ光光学系は、プローブ光光源６０２，６０３と、直線偏光子６０６，６０７と、２分の１波長板６１０，６１１とを含み構成される。
【０１５１】
プローブ光光源６０２から出射されるプローブ光６０４の波長及びプローブ光光源６０３から出射されるプローブ光６０５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程度の離調をとる。信号応答を最大にする離調の値は、セル６０１のバッファガス圧及び温度に依存する。この波長を安定的に保つために、プローブ光光源６０２，６０３は、外部共振器等の安定化手段を有していてもよい。プローブ光６０４，６０５は、直線偏光子６０６，６０７によりそれぞれ直線偏光にされる。
【０１５２】
プローブ光６０４，６０５は、光学窓６３４を通り、セル６０１に入射する。カリウム原子のＤ１遷移共鳴波長から数ＧＨｚ程度の離調をとったプローブ光６０４，６０５の波長は、ルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長及びＤ２遷移共鳴波長とは十分離れている。そのため、プローブ光６０４，６０５は、ルビジウム原子によって吸収されたりファラデー相互作用を受けたりせず、被測定磁場によって回転したカリウム原子のスピン偏極のうちｘ成分の大きさに比例して、その偏光面がファラデー回転する。セル６０１を透過したプローブ光６０４，６０５は光学窓６３６を通り抜け、それぞれ偏光分離素子６２２，６２３に入射し偏光測定される。
【０１５３】
なお、ポンプ光６１４，６１５の波長とプローブ光６０４，６０５との波長の組み合わせは、上述のものに限定されるものではない。例えば、ポンプ光６１４，６１５の波長をカリウムのＤ１遷移共鳴波長に合わせ、プローブ光６０４、６０５の波長をルビジウムのＤ１遷移共鳴波長から信号応答が最大になるよう数ＧＨｚ程度の離調をとった波長とする組み合わせでもよい。
【０１５４】
〔４〕バイアス磁場調整用コイル６３９
バイアス磁場調整用コイル６３９は、図９に示すように、恒温断熱槽６３８の周囲に配置される。バイアス磁場調整用コイル６３９は、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するためのものである。
【０１５５】
バイアス磁場調整用コイル６３９は、プローブ光６０４，６０５とポンプ光６１４，６１５との交差領域、計４カ所の磁場環境を操作するために用いられる。これら４カ所の測定領域において、互いの磁場環境ができるだけ同じ磁場環境であることが好ましいため、磁場不均一を補正するために更にシムコイルを追加してもよい。
【０１５６】
また、セル６０１、恒温断熱槽６３８及びバイアス磁場調整用コイル６３９は、単一のものである必要はなく、各交差領域に１つずつ配置してもよい。
【０１５７】
〔５〕偏光測定系
偏光測定系は、図９に示すように、偏光分離素子６２２，６２３と、フォトディテクタ６２４，６２５，６２６，６２７と、差分回路６２８，６２９と、復調器６３０，６３１，６３２，６３３とを含んで構成される。このうち、プローブ光６０４の偏光を測定する偏光測定系は、偏光分離素子６２２と、フォトディテクタ６２４，６２５と、差分回路６２８と、復調器６３０，６３１とにより構成される。また、プローブ光６０５の偏光を測定する偏光測定系は、偏光分離素子６２３と、フォトディテクタ６２６，６２７と、差分回路６２９と、復調器６３２，６３３とにより構成される。
【０１５８】
復調器６３０により、光変調器６１６における変調周波数と同じ周波数で復調することで、プローブ光６０４とポンプ光６１４との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。また、復調器６３１により、光変調器６１７における変調周波数と同じ周波数で復調することで、プローブ光６０４とポンプ光６１５との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。また、復調器６３２により、光変調器６１６における変調周波数と同じ周波数で復調することで、プローブ光６０５とポンプ光６１４との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。また、復調器６３３により、光変調器６１７における変調周波数と同じ周波数で復調することで、プローブ光６０５とポンプ光６１５との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。したがって、本実施形態による光ポンピング磁力計６００では、図９に示す座標系において、被測定磁場のｙ方向成分Ｂｙのｘ−ｚ平面おける４点の磁場分布を測定することができる。
【０１５９】
本実施形態では、ポンプ光の波長として、ルビジウムのＤ１遷移共鳴波長を用い、プローブ光の波長として、カリウムのＤ１線機共鳴波長を用いる例で説明してきたが、このようなハイブリッドセルでは、ポンプ光の波長としてカリウムのＤ１遷移共鳴波長を用い、プローブ光の波長としてルビジウムのＤ１遷移共鳴波長を用いることも可能である。セルに関する説明の中で記載したように、この場合には、使用温度でカリウムの密度がルビジウムの密度よりも高くなるような封入量のセルを用いると、高い感度のセンサを構成する上で効果的である。
【０１６０】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。また、複数のプローブ光と複数のポンプ光とを用いることで、これらプローブ光及びポンプ光の各交差部において、磁気情報を分離して同時に測定することができる。
【０１６１】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について図１０を用いて説明する。図１乃至図９に示す第１乃至第６実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【０１６２】
図１０は、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成を示す図である。
【０１６３】
本実施形態による光ポンピング磁力計１０００は、図１０に示すように、セル１００１と、ポンプ光光学系１００２，１００３，１００４，１００５，１００６と、プローブ光光学系１００８と、プリズムミラー１００７，１００９，１０１０とを有している。また、光ポンピング磁力計１０００は、偏光ビームスプリッタ１０１１と、フォトディテクタアレイ１０１２，１０１３とを有している。
【０１６４】
本実施形態による光ポンピング磁力計１０００は、第６実施形態による光ポンピング磁力計において、１本のプローブ光あたり５か所の磁場を読みとる構成としたものである。本実施形態ではポンプ光の数を５本とした例を示すが、ポンプ光の数はこれに限定されるものではない。
【０１６５】
ポンプ光光学系１００２，１００３，１００４，１００５，１００６から出射されたポンプ光は、プリズムミラー１００７によって光路を９０度曲げられて、セル１００１に入射するようになっている。ポンプ光光学系１００２，１００３，１００４，１００５，１００６では、不図示の光ファイバーから導入された光をスポットサイズ拡大した上でコリメート光とし、また、プリズムミラー１００７で屈曲された光が円偏光となるような偏光状態の調整が行われる。それぞれのポンプ光光学系１００２，１００３，１００４，１００５，１００６に導入される光は、各チャンネルそれぞれで不図示の変調器で強度変調を加えた後に、光ファイバーを介して導入される。このため、ポンプ光光学系１００２，１００３，１００４，１００５，１００６の各光学系から出射される光は、それぞれのチャンネルごとの周波数で強度変調された光となっている。
【０１６６】
プローブ光光学系１００８から出射されたプローブ光は、プリズムミラー１００９によって光路を９０度曲げられて、セル１００１に入射するようになっている。プローブ光光学系１００８では、不図示の光ファイバーから導入された光を扁平にスポットサイズ拡大した上でコリメート光とし、プリズムミラー１００９により屈曲した光が直線偏光となるような偏光状態の調整が行われる。プローブ光は、セル１００１内でそれぞれのポンプ光と交差した後、セル１００１から出射される。セル１００１から出射されたプローブ光は、プリズムミラー１０１０によって光路を９０度曲げられて、偏光ビームスプリッタ１０１１に入射する。偏光ビームスプリッタ１０１１に入射したプローブ光は、偏光ビームスプリッタ１０１１において偏波分離され、フォトディテクタアレイ１０１２，１０１３により受光される。同じプローブ光に対応する位置にあるフォトディテクタアレイ１０１２，１０１３からの信号出力の差を求めることで、各プローブ光ごとのバランス型偏光計を構成している。
【０１６７】
プローブ光は、扁平幅広で空間的に連続なビームであっても、フォトディテクタアレイ１０１２，１０１３の受光素子の受光部に到達する部分だけが切り出されるため、実質的には個別のビームとなっている。プローブ光光学系１００８内で、あらかじめ、光学絞りを配置して、個別のビームを形成してから複数のビームとして出射してもよい。なお、図１０には、このようにして５本のプローブ光を出射した場合を例示している。
【０１６８】
偏光ビームスプリッタ１０１１とフォトディテクタアレイ１０１２，１０１３とで構成されるバランス型偏光計のバランス位置調整のためには、直線偏光のプローブ光の偏光面を調整することが効果的である。このための位相板（典型的には１／２波長板）は、プローブ光光学系１００８の中に配置してもよいし、偏光ビームスプリッタ１０１１の直前に配してもよい。
【０１６９】
ルビジウム及びカリウムの両方を封入したセルの利用は、セル全体で、均一な磁場応答を生じさせるために望ましい。ポンプ光の波長として、ルビジウムのＤ１遷移共鳴波長を用い、プローブ光の波長として、カリウムのＤ１遷移共鳴波長を用いることで、セル内全体にわたって、ルビジウムの高いスピン偏極とカリウムの適切な（スピン偏極率〜０．５の近傍が磁場応答の極大に対応する）スピン偏極を生成できるためである。
【０１７０】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。また、実質的に複数のプローブ光を含む扁平幅広で空間的に連続なプローブ光と複数のポンプ光とを用いることで、これらプローブ光及びポンプ光の各交差部において、磁気情報を分離して同時に測定することができる。
【０１７１】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による光ポンピング磁力計について、図１１を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１乃至第７実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。
【０１７２】
図１１は、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成を示す図である。
【０１７３】
本実施形態による光ポンピング磁力計７００は、図１１（ａ）に示すように、セルを加熱するオーブン７０１と、光学ガラスセルの内部を真空排気して封止したオーブン７０１の断熱蓋７１２と、光学系保持部７０２とを含むセンサヘッド７３８を有している。
【０１７４】
光学系保持部７０２には、ポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６が配置されている。それぞれのポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６は、一端に偏波面保存光ファイバーのコネクタ（不図示）を有する。ポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６は、この光ファイバー端から放出されるレーザ光をレンズでコリメートし、２分の１波長板、直線偏光子、４分の１波長板を介して、円偏光のコリメーションビームを出射する。
【０１７５】
また、光学系保持部７０２には、プローブ光光学系７０７が配置されている。プローブ光光学系７０７は、一端に偏波面保存光ファイバーのコネクタ（不図示）を有する。プローブ光光学系７０７は、この光ファイバー端から放出されるレーザ光をレンズでコリメートし、２分の１波長板、直線偏光子、２分の１波長板を介して、直線偏光のコリメーションビームを出射する。
【０１７６】
さらに、光学系保持部７０２には、２分の１波長板及びレンズからなるレンズユニット７０８と、偏光ビームスプリッタ７０９と、ミラー７１０と、フォトディテクタ７１１とを含んで構成されるバランス型の偏光計が配置されている。
【０１７７】
オーブン７０１の内部には、図１１（ｃ）に示すような測定光学系がオーブン基板７２２上に配置されている。測定光学系は、アルカリ金属が封入されたセル７３０と、ポンプ光を折り曲げるためのプリズムミラー７２８と、プローブ光を折り曲げるためのプリズムミラー７２９とを含む。また、図示は省略するが、オーブン７０１内には、オーブン７０１を加熱するためのヒータ、オーブン７０１内の温度を制御するための温度モニターも配置されている。
【０１７８】
ポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６から出射されたポンプ光７２３，７２４，７２５，７２６は、図１１（ｂ）に示すように、プリズムミラー７２８によって光路が屈曲され、それぞれセル７３０に入射する。また、プローブ光光学系７０７から出射されたプローブ光７２７は、プリズムミラー７２９によって光路が順次屈曲され、その過程で２つのセル７３０を通過する。これにより、２つのセル７３０を通過するプローブ光７２７は、セル７３０内でポンプ光７２３，７２４，７２５，７２６と順次交差する。その後にプローブ光７２７は、レンズユニット７０８、偏光ビームスプリッタ７０９及びミラー７１０を介して、フォトディテクタ７１１に入射する。
【０１７９】
このように構成されるセンサヘッド７３８は、図１１（ｄ）に示すように、磁気シールド７３９とバイアス磁場調整用コイル（不図示）の中に配置され、磁場測定に用いられる。
【０１８０】
ポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６には、図１１（ｄ）に示すように、ポンプ光光源７３３からの光を、電気光学変調器７３４，７３５，７３６，７３７を介して導入する。すなわち、ポンプ光光源７３３からの光は、偏波面保存光ファイバーを通して光カップラーで４分割され、電気光学変調器７３４，７３５，７３６，７３７にそれぞれ入射する。そして、電気光学変調器７３４，７３５，７３６，７３７から出射される光は、偏波面保存光ファイバーを通して、ポンプ光光学系７０３，７０４，７０５，７０６にそれぞれ導入される。また、プローブ光光学系７０７には、プローブ光光源７３２からの光が、偏波面保存光ファイバーを通して導入される。センサヘッド７３８からの出力信号は、バランス型偏光計の二つのフォトディテクタからの電流信号を、トランスインピーダンスアンプと差動増幅器からなる検出回路７３１で読み出す。
【０１８１】
それぞれの変調周波数を用いた復調、或いはデジタルデータとしてそれぞれの変調周波数周辺の所定の帯域幅の信号を抽出するなどの復調の方法は、これまでに説明した実施形態と同じように行うことができる。
【０１８２】
このように、本実施形態によれば、セルの異なる位置に入射するポンプ光に対して異なる変調を行うので、これら異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光に乗せることができる。これにより、１つのプローブ光で空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定することができる。また、光源、変調器及び電気信号処理部をセンサヘッドから分離するので、センサヘッドを小型化することができる。
【０１８３】
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。
【符号の説明】
【０１８４】
１０１  セル
１０２  ポンプ光光学系
１０３ａ，１０３ｂ  ポンプ光
１０４，１０５  光変調器
１０６，１０７  遅相子
１０８  プローブ光光学系
１０９  プローブ光
１１０  偏光分離素子
１１１，１１２  フォトディテクタ
１１３  差分回路
１１４，１１５  復調器
【図１】
0006391370.tif 000009
【図２ａ】
0006391370.tif 000010
【図２ｂ】
0006391370.tif 000011
【図２ｃ】
0006391370.tif 000012
【図３】
0006391370.tif 000013
【図４】
0006391370.tif 000014
【図５】
0006391370.tif 000015
【図６】
0006391370.tif 000016
【図７】
0006391370.tif 000017
【図８】
0006391370.tif 000018
【図９】
0006391370.tif 000019
【図１０】
0006391370.tif 000020
【図１１】
0006391370.tif 000021