(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子群が内包されたセルと、
前記セルを通過するように直線偏光成分を有するプローブ光を出射するプローブ光用光源と、
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検出する検出器と、
前記原子群を成す複数の原子をスピン偏極させるためのポンプ光を、前記セル内で前記プローブ光の光路と交差するように出射するポンプ光用光源と、
前記セルを通過した前記ポンプ光が前記セル内で再び前記プローブ光の光路と交差するように、前記ポンプ光を反射する第１のミラーと、を有することを特徴とする原子磁力計。
【請求項２】
前記第１のミラーが前記プローブ光の光路と平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の原子磁力計。
【請求項３】
前記第１のミラーで反射された後に前記セルを通過した前記ポンプ光が、前記セル内で再び前記プローブ光の光路と交差するように、前記ポンプ光を反射する第２のミラーを有し、
前記第２のミラーは前記第１のミラーと平行に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の原子磁力計。
【請求項４】
前記ポンプ光が前記セルを偶数回通過するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の原子磁力計。
【請求項５】
前記プローブ光の光路は、前記ポンプ光が前記第１のミラーに入射する方向と前記第１のミラーの表面に立てた垂線とを含む入射面内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の原子磁力計。
【請求項６】
前記プローブ光の光路は、前記ポンプ光が前記第１のミラーに入射する方向と前記第１のミラーの表面に立てた垂線とを含む入射面に垂直であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の原子磁力計。
【請求項７】
前記ポンプ光用光源は、前記セル内で前記プローブ光の光路と直交するように前記ポンプ光を出射することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の原子磁力計。
【請求項８】
前記プローブ光用光源と前記検出器とを複数有し、
複数の前記プローブ光用光源から出射されるプローブ光の光路は、それぞれ前記セル内の異なる領域で、前記ポンプ光の光路と交差することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の原子磁力計。
【請求項９】
前記ミラーは誘電体多層膜ミラーであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の原子磁力計。
【請求項１０】
原子群が内包されたセルと、
前記セルを通過するように直線偏光成分を有するプローブ光を出射するプローブ光用光源と、
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検出する検出器と、
前記原子群を成す複数の原子をスピン偏極させるためのポンプ光を、前記セル内で前記プローブ光の光路と交差するように出射するポンプ光用光源と、
前記セルを通過した前記ポンプ光が、前記セル内の別の領域で前記プローブ光の光路と交差するように、前記ポンプ光を反射する第１のミラーと、
前記第１のミラーで反射した後に前記セルを通過した前記ポンプ光が垂直入射するように設置された第２のミラーと、
前記セルを通過した前記プローブ光が再び前記セルを通過するように、前記プローブ光を反射する第３のミラーと、を有することを特徴とする原子磁力計。
【請求項１１】
前記第３のミラーで反射した後に前記セルを通過した前記プローブ光が垂直入射するように設置された第４のミラーを有することを特徴とする請求項１０に記載の原子磁力計。
【請求項１２】
前記ポンプ光の光路が前記プローブ光の光路と直交することを特徴とする請求項１０または１１に記載の原子磁力計。
【請求項１３】
原子群が内包されたセルと、
前記原子群を成す複数の原子をスピン偏極させるためのポンプ光を出射するポンプ光用光源と、
直線偏光成分を有するプローブ光を出射するプローブ光用光源と、
前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出器と、
前記ポンプ光の光路中に置かれた少なくとも１つのミラーと、
を含む原子磁力計を用意し、
前記ポンプ光を前記ミラーで反射させて前記セル内を複数回通過させ、
前記プローブ光を、前記セル内で前記ポンプ光と交差させた後、前記検出器へ入射させることを特徴とする磁力計測方法。
【請求項１４】
セルが有する空洞に内包されている原子群に対してポンプ光を照射することによって、前記原子群を成す原子のスピンの向きを揃え、該原子のスピンの向きが揃えられた前記原子群にプローブ光としての直線偏光光を照射して、該プローブ光の偏光面の回転角を測定する磁力計測方法であって、
前記セルを通過した前記ポンプ光を反射させて、少なくとも２回以上、前記セルを通過させることによって、前記セル内で前記プローブ光を前記ポンプ光と少なくとも２回以上交差させ、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検出することを特徴とする磁力計測方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の磁力計測方法を行うために、
前記プローブ光を出力するためのプローブ光用光源と、
前記ポンプ光を出力するためのポンプ光用光源と、
前記プローブ光の光路を折り返すためのミラーと、
前記偏光面の回転角を検出するための検出器と、を有することを特徴とする原子磁力計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁場強度または磁場勾配を計測する磁力計に関し、具体的には、常磁性ファラデー効果を利用した原子磁力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子スピンを利用して、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）よりも微小な磁場を測定することができる高感度な磁力計が提案されている（特許文献１及び非特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１及び非特許文献１に記載された原子磁力計は、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している。
【０００４】
これらの原子磁力計は、以下のように動作する。まず円偏光したポンプ光により、セル内のアルカリ金属ガスをスピン偏極させる。このスピン偏極したアルカリ金属ガス中に直線偏光したプローブ光を入射すると、直線偏光の偏光面が回転する。
【０００５】
具体的には、プローブ光はポンプ光の光路と垂直な方向に入射させる。このときプローブ光の偏光面は、プローブ光の光路とポンプ光の光路とに垂直な方向の磁場の大きさに比例した角度だけ回転する。
【０００６】
このような偏光面の回転は、常磁性ファラデー回転と呼ばれる磁気光学効果によって引き起こされる。この常磁性ファラデー回転の回転角を検出することで、間接的磁場を測定している。
【０００７】
また非特許文献２では、上述の原子磁力計において、セルの両側からポンプ光を入射することが記載されている。これにより、原子のスピン偏極率分布を均一にすることができ、高周波（ＲＦ）信号が測定されたことが報告されている。
【特許文献１】米国特許第７０３８４５０号明細書
【非特許文献１】J. C. Allred, et. al., "High-Sensitivity Atomic Magnetometer Unaffected by Spin-Exchange Relaxation", Physical Review Letters, Vol.89, No.13, p.130801, September 2002
【非特許文献２】S. -K. Lee, et. al., "subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for detection of nuclear quadrupole resonance", Applied Physics Letters, Vol. 89, No. 21, p.214106, November 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１及び非特許文献１，２に記載された原子磁力計は、原子スピンの緩和時間が長いほどノイズレベルが低減し、磁場の検出感度が向上する。
【０００９】
緩和時間は原子のスピン偏極率が高いほど長く、さらに測定領域の磁場がゼロ磁場に近いほど長い。したがって、原子のスピン偏極率を高めること、及び測定領域内の磁気ノイズ（例えば、地磁気。）を除去することが好ましい。
【００１０】
上記従来例の原子磁力計では、ポンプ光の光路とプローブ光の光路が直交していない場合、その影響は信号として出力され、磁場検出における出力信号と混在する。つまり、ポンプ光とプローブ光の非直交性から生じる信号の直流（ＤＣ）成分と、測定領域内の磁場から生じる信号のＤＣ成分とを区別できない。
【００１１】
そのため、出力信号から、磁気ノイズの存在を見分けることが難しく、磁気ノイズを除去することは非常に困難である。このため、磁場検出の感度が低下するという課題があった。
【００１２】
ポンプ光の光路とプローブ光の光路とを正確に直交させれば、この課題を解決することができるが、お互いの光路を正確に直交させることは非常に困難である。
【００１３】
本発明の目的は上記背景技術の課題に鑑み、高感度な磁場の検出が可能な原子磁力計を提供することである。また、本発明の別の目的は、当該原子磁力計を用いた磁力計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため本発明は、原子群が内包されたセルと、前記セルを通過するように直線偏光成分を有するプローブ光を出射するプローブ光用光源と、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検出する検出器と、前記原子群を成す複数の原子をスピン偏極させるためのポンプ光を、前記セル内で前記プローブ光の光路と交差するように出射するポンプ光用光源と、前記セルを通過した前記ポンプ光が前記セル内で再び前記プローブ光の光路と交差するように、前記ポンプ光を反射する第１のミラーと、を有する。
【００１５】
また本発明の磁力計測方法は、原子群が内包されたセルと、前記原子群を成す複数の原子をスピン偏極させるためのポンプ光を出射するポンプ光用光源と、直線偏光成分を有するプローブ光を出射するプローブ光用光源と、前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出器と、前記ポンプ光の光路中に置かれた少なくとも１つのミラーと、を含む原子磁力計を用意し、前記ポンプ光を前記ミラーで反射させて前記セル内を複数回通過させ、前記プローブ光を、前記セル内で前記ポンプ光と交差させた後、前記検出器へ入射させる。
【００１６】
また、別の本発明に係る磁力計測方法は、セルが有する空洞に内包されている原子群に対してポンプ光を照射することによって、前記原子群を成す原子のスピンの向きを揃え、該原子のスピンの向きが揃えられた前記原子群にプローブ光としての直線偏光光を照射して、該プローブ光の偏光面の回転角を測定する磁力計測方法であって、前記セルを通過した前記ポンプ光を反射させて、少なくとも２回以上、前記セルを通過させることによって、前記セル内で前記プローブ光を前記ポンプ光と少なくとも２回以上交差させ、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検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、磁場を高感度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係わる原子磁力計の概念図である。
【００１９】
原子磁力計は、原子群（原子集団）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、第１のミラー１０４ａと、検出器１０５とを有する。
【００２０】
セル１０１はポンプ光用光源１０２と第１のミラー１０４ａとの間、及びプローブ光用光源１０３と検出器１０５との間に配置されている。第１のミラー１０４ａはセル１０１の光路中に置かれている。
【００２１】
ポンプ光用光源１０２から出射されるポンプ光１０６は、円偏光光である。ポンプ光１０６は、セル１０１内を通過し、第１のミラー１０４ａによって反射した後、再びセル１０１内を通過する。図１では、第１のミラー１０４ａに対するポンプ光１０６の入射角が大きく描かれているが、実際には入射角は小さく、入射光の光路と反射光の光路は、ほぼ重なるように構成することができる。
【００２２】
図１における角度θとしては、セル１０１内でプローブ光と複数回交差するものであれば、特に限定されるものではないが、例えば０．０１度以上１０度以下である。
【００２３】
円偏光したポンプ光１０６は、セル１０１内の原子群を成す複数の原子スピンの方向を揃え、スピン偏極させることができる。ポンプ光１０６の波長は、セル１０１内の原子をスピン偏極することができるように、原子の共鳴線と一致させる。
【００２４】
プローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１０７は直線偏光光である。プローブ光１０７の波長は、原子群の原子が不必要に励起されないように、原子の共鳴線から離調されている。
【００２５】
プローブ光１０７の光路は、ポンプ光１０６の入射面に平行、かつ第１のミラー１０４ａの鏡面に平行な方向（図中のｘ方向。）である。プローブ光１０７の光路は、セル１０１内でポンプ光１０６の光路と交差する。セル１０１を通過したプローブ光１０７は、検出器１０５へ入射する。
【００２６】
このように、ポンプ光１０６の伝播方向とプローブ光１０７の伝播方向とは交差している。この交差している領域に、ポンプ光１０６の伝播方向とプローブ光１０７の伝播方向とに直交する方向（図１中のｙ方向。）の磁場Ｂが印加されている場合、常磁性ファラデー回転と呼ばれる磁気光学効果によって、プローブ光１０７の偏光面が回転する。
【００２７】
この偏光面の回転角（以下、ファラデー回転角と呼ぶことがある。）は、磁場Ｂの大きさに依存する。したがって、ファラデー回転角の大きさを検出器１０５で検出することで、磁場Ｂの強度に関する情報が得られる。
【００２８】
具体的には、セル１０１内の原子は、円偏光したポンプ光１０６によって、ポンプ光１０６の伝播方向（もしくは伝播方向と反平行方向。）にスピン偏極する。
【００２９】
スピン偏極した原子のスピンは、磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。この歳差運動は、後述のブロッホ方程式によって記述される。原子スピンは、歳差運動によってポンプ光１０６の伝播方向から傾斜する。
【００３０】
例えば、ポンプ光１０６の入射面に垂直な方向（図中のｙ方向。）の磁場Ｂが印加された場合、プローブ光１０７の伝播方向（図１中のｘ方向）の原子スピンの成分が増加する。この増加量は、磁場Ｂの大きさで決まる。
【００３１】
プローブ光１０７が、その伝播方向と平行方向にスピン偏極した媒質中を通過する場合、磁気光学効果によって、プローブ光１０７の偏光面が回転する。この偏光面の回転角（ファラデー回転角）は、プローブ光１０７の伝播方向と平行な方向のスピン偏極の大きさで決まる。したがってファラデー回転角は、磁場Ｂの強度を反映した大きさとなる。
【００３２】
次に、原子磁力計の各構成要素について詳細に説明する。
【００３３】
セル１０１は、例えばガラスやプラスチックなどのように、ポンプ光１０６及びプローブ光１０７を透過する材料から構成される。セル１０１に内包された原子群は、例えばカリウム（Ｋ）やルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属のガスを利用することが出来る。
【００３４】
原子群は、磁場測定のときにガス状態となれば、測定を実施していないときには、必ずしもガス状態である必要はない。例えば、ガラスからなるセル１０１にカリウム金属原子を内包させておき、測定の際に、セル１０１内を１８０度程度に加熱すれば良い。これにより、セル１０１内をカリウム金属のガスで充満させることができる。
【００３５】
また、セル１０１に内包される原子群は、アルカリ金属原子に限定されない。原子群は、本発明の磁力計を構成することができれば、どのような原子から構成されていても良い。原子群として、ＫやＲｂの他、これらの原子とスピン交換し得る原子（例えば、キセノン（Ｘｅ）原子。）を混入させることもできる。
【００３６】
更に、上記の原子群の他に、窒素（Ｎ2）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスなどのバッファーガスを、セル１０１内に封入しても良い。バッファーガスは、スピン偏極したアルカリ金属原子の拡散を抑制する。そのため、アルカリ金属原子とセル１０１の内壁との衝突で引き起こされるスピン緩和が低減され、アルカリ金属原子のスピン偏極率が向上する。
【００３７】
ポンプ光は円偏光光であることが好ましい。ｚ方向に伝播する円偏光光は、ｘ−ｙ面内において電場が振動しており、電場ベクトルのｘ成分（Ｅｘ）とｙ成分（Ｅｙ）は下記数１によって表される。
【００３８】
【数１】
0005264242.tif 000002
【００３９】
ここで、ωは周波数、ｋは波数、φは位相、Ａは振幅、ｔは時刻を表している。数１に示す電場ベクトルは、ｘ−ｙ面内で、時刻とともに回転している。
【００４０】
数１に示す電場ベクトルのｙ成分（Ｅｙ）の複合が正号の場合を右回り円偏光と呼び、当該複合が負号の場合を左回り円偏光と呼ぶ。
【００４１】
図２（ａ）は、ある時刻において、右回り円偏光光の電場ベクトルの空間分布を示している。また図２（ｂ）では、右回り円偏光光の電場ベクトルが、ｘ−ｙ面内において、時間と伴に回転する様子が示されている。
【００４２】
右回り円偏光光の電場ベクトルは、伝播方向とは反対側から見たときに、ｘ−ｙ面内において、時間と伴に時計回りに回転している。
【００４３】
図３（ａ）は、ある時刻において、左回り円偏光光の電場ベクトルの空間分布を示している。また図２（ｂ）では、左回り円偏光光の電場ベクトルが、ｘ−ｙ面内において、時間と伴に回転する様子が示されている。
【００４４】
左回り円偏光光の電場ベクトルは、伝播方向とは反対側から見たときに、ｘ−ｙ面内において、時間と伴に反時計回りに回転している。
【００４５】
次に、右回り円偏光光をミラーで反射した場合について説明する。上述のように、ｚ方向に伝播する右回り円偏光光の電場ベクトルは、下記数２によって表される。
【００４６】
【数２】
0005264242.tif 000003
【００４７】
この右回り円偏光光をミラーで反射すると、反射光の伝播方向が反転する。つまり、反射光の電場ベクトルは、下記数３によって表される。
【００４８】
【数３】
0005264242.tif 000004
【００４９】
反射光の位相φ’は、一般的には入射光の位相φとは異なるが、本明細書の目的において位相の変化は問題にはならない。
【００５０】
図４（ａ）は、ある時刻において、数３で表わされる電場ベクトルの空間分布を示している。また図４（ｂ）では、数３で表わされる電場ベクトルが、ｘ−ｙ面内において、時間と伴に回転する様子が示されている。
【００５１】
数３で表わされる電場ベクトルは、伝播方向とは反対側から見たときに、ｘ−ｙ面内で、時間と伴に反時計回りに回転する。つまり、右回り円偏光光がミラーで反射された場合、反射光は左回り円偏光光となる。同様に、左回り円偏光光がミラーで反射された場合、反射光は右回り円偏光光となる。
【００５２】
これは、静止座標系から見た場合、反射前と反射後において電場ベクトルの回転方向は変化しないが、光の伝播方向が反転するために生じる。
【００５３】
ポンプ光１０６による原子群のスピン偏極は、円偏光ポンピング（単にポンピングと呼ぶこともある。）と呼ばれる現象が用いられている。右回り円偏光光は、ランダムな方向に向いた原子群のスピンを、光の伝播方向に揃える。また、左回り円偏光は、光の伝播方向とは逆向きに、原子群のスピンを揃える。
【００５４】
したがって、第１のミラー１０４ａに対して垂直な方向から入射した円偏光光と、その反射光とは、原子群のスピンを同じ方向に揃える。したがって、本実施形態に係る原子磁力計は、スピン偏極率の向上を図ることができる。
【００５５】
原子群をスピン偏極することができるのは角運動量の保存による。円偏光光は角運動量（スピン）を持つため、原子が円偏光光を吸収して励起するときに、原子のスピン量子数が変化する。
【００５６】
右回り円偏光光のスピン量子数は１であり、左回り円偏光光のスピン量子数は−１である。したがって、右回り円偏光光を吸収した場合、原子はスピン量子数が１だけ大きい状態に励起される。また左回り円偏光の場合には、原子はスピン量子数が１だけ小さい状態に励起される。
【００５７】
一旦励起された原子は、自然放出によりランダムな偏光状態の光を放出するか、あるいはバッファーガスとの衝突によってエネルギーを損失して、基底状態に緩和する。
【００５８】
このように、円偏光したポンプ光１０６によって原子群をスピン偏極させることができる。
【００５９】
ポンプ光１０６の波長は、セル１０１内の原子をスピン偏極させることが出来るように、原子の共鳴線と一致させている。例えば原子がアルカリ金属の場合、ポンプ光１０６の波長はアルカリ金属のＤ１共鳴線に一致させれば良い。アルカリ金属がカリウムの場合、この波長は約７７０ｎｍに相当する。
【００６０】
ポンプ光１０６の波長は、原子を偏極させることができれば、Ｄ１共鳴線に限らず、他の共鳴線に一致させても良い。
【００６１】
また、プローブ光１０７の波長は、セル１０１内の原子が不要に励起されないように、原子の共鳴線から離調されていることが望ましい。プローブ光１０７は直線偏光光であることが望ましいが、本発明においては、直線偏光成分を有していれば他の偏光成分を含んでいても良い。
【００６２】
スピン偏極した原子群に、直線偏光光を入射させると、直線偏光の偏光面が回転することを先に述べた。これは、スピン偏極した原子群中では、右回り円偏光光に対する屈折率と左回り円偏光光に対する屈折率とが異なることによる。具体的には、光の伝播方向と平行な方向のスピン成分が、右回り円偏光光と左回り円偏光光に対する屈折率の違いを生じさせる。
【００６３】
直線偏光は、右回り円偏光と左回り円偏光との重ねあわせ状態である。そのため直線偏光光をスピン偏極した原子群へ入射させると、右回り円偏光の位相と左回り円偏光の位相との差（位相差）が変化する。この位相差の変化は、偏光面の角度の変化に相当する。
【００６４】
したがって直線偏光したプローブ光１０７は、スピン偏極した原子群を通過することで、偏光面が回転する。この偏光面の回転角（ファラデー回転角）は、プローブ光１０７の伝播方向と平行なスピン成分の大きさに比例する。
【００６５】
当該スピン成分は、ポンプ光１０６の入射面に垂直な磁場の大きさ依存するため、ファラデー回転角を検出器１０５で検出することで、間接的に磁場を測定することができる。検出器１０５は、ファラデー回転角を測定することができれば、どのようなものでも良い。
【００６６】
ポンプ光用光源１０２及びプローブ光用光源１０３は、別の光源であっても良いし、共通の光源であっても良い。共通の光源である場合、共通の光源から出射された光を、例えば音響光学素子を利用して、離調させた２つの光線に分割する。そして、一方の光線を円偏光したポンプ光１０６とし、他方の光線を直線偏光したプローブ光１０７とすれば良い。
【００６７】
なお、ポンプ光１０６とプローブ光１０７を出射するための光源としては、レーザー光源を用いることができる。例えば、セル１０１内の原子群としてカリウムを使用する場合には、７７０．１ｎｍの波長のレーザー光が、ポンプ光１０６として利用可能である。また、約７６９．９ｎｍのレーザー光が、プローブ光１０７として利用可能である。
【００６８】
以下、本実施形態に係わる原子磁力計の作動原理について詳細に説明する。まず、右回り円偏光したポンプ光１０６を、セル１０１内の原子群に照射して、原子群をポンプ光１０６の伝播方向（図１中のＡ１方向。）にスピン偏極させる。
【００６９】
セル１０１を通過したポンプ光１０６は、第１のミラー１０４ａによって反射し、再びセル１０１内を通過する。この際、反射したポンプ光は、左回り円偏光光となる。
【００７０】
この左回り円偏光光により、セル１０１内の原子群はポンプ光１０６の伝播方向とは逆方向（図１中のＡ２方向。）にスピン偏極される。
【００７１】
図１では、見易くするために、ポンプ光１０６の入射角が大きく描かれている。実際にはポンプ光１０６の入射角は小さく、反射前後のポンプ光１０６の光路はほとんど重なっている。反射後のポンプ光１０６によって、プローブ光１０７と直交する方向（図中のｚ方向）のスピン成分は増加し、プローブ光１０７と平行な方向（図中のｘ方向）のスピン成分は打ち消しあう。
【００７２】
つまり、セル１０１内に磁場が無い場合、原子群はプローブ光１０７と垂直な方向にスピン偏極される。
【００７３】
次に、ポンプ光１０６の入射面に垂直な方向の磁場が印加されている場合において、原子群の原子スピンの挙動について詳細に述べる。以下の説明において、座標系は図１に示す座標系と一致させている。つまり、プローブ光１０７の伝播方向はｘ方向であり、磁場Ｂはｙ方向に印加されている。また、ポンプ光１０６の伝播方向は、プローブ光１０７の伝播方向（ｘ方向）と角度θを成している。
【００７４】
まず、偏極した原子のスピンベクトルＳを、下記数４によって表す。
【００７５】
【数４】
0005264242.tif 000005
【００７６】
すると、そのスピンベクトルの挙動は、磁場Ｂとの相互作用、及びポンプ光１０６との相互作用によって決定される。スピンの挙動は下記数５で示されるブロッホ方程式に従う。
【００７７】
【数５】
0005264242.tif 000006
【００７８】
ここで、γeは磁気回転比であり、Ｑはスピン偏極率に依存するスローダウンファクターであり、Γeffはスピン緩和率であり、Ｂは磁場ベクトルを表している。
【００７９】
また、Ｐtはポンピングベクトルであり、原子スピンとポンプ光１０６との相互作用、つまりポンプ光１０６によるスピン偏極を表している。ポンピングベクトルは、ポンプ光１０６の伝播方向に比例するベクトルである。
【００８０】
第１のミラー１０４ａによる反射前のポンプ光１０６によるポンピングベクトルＰは、下記数６によって与えられる。
【００８１】
【数６】
0005264242.tif 000007
【００８２】
ここで、σはポンプ光１０６の円偏光度であり、Ｒはポンピングの割合を表すポンピングレートである。
【００８３】
円偏光度σは、右回り円偏光の場合に＋１、左回り円偏光の場合に−１の値となる。完全な円偏光では無い場合、円偏光度σの絶対値は、１より小さい値となる。
【００８４】
次に、第１のミラー１０４ａで反射したポンプ光１０６におけるポンピングベクトルについて説明する。反射後のポンプ光１０６におけるポンピングベクトルＰrは、下記数７によって表わされる。
【００８５】
【数７】
0005264242.tif 000008
【００８６】
ただし数７では、反射光の強度の減衰及び円偏光の乱れは小さいため、無視されている。
【００８７】
数６及び数７により、反射前後のポンプ光１０６におけるトータルのポンピングベクトルＰtは、下記数８によって表わされる。
【００８８】
【数８】
0005264242.tif 000009
【００８９】
トータルのポンピングベクトルＰtのｘ成分はゼロとなっており、ｚ成分は増大している。
【００９０】
次に、ブロッホ方程式（数５参照。）の定常解について説明する。まず、ｙ方向の磁場ベクトルＢを、下記数９によって表わす。
【００９１】
【数９】
0005264242.tif 000010
【００９２】
ここで、Ｂsigは、測定対象物が発する磁場（以下、測定磁場と呼ぶ。）を表している。またＢoffは、測定対象物以外からの磁場（以下、残留磁場と呼ぶ。）を表している。
【００９３】
以下の説明おいて、γe×Ｂoff／Ｑ＝Ωoff、及びγe×Ｂsig／Ｑ＝Ωsigと定義する。
【００９４】
まず、比較例として、ポンプ光１０６を反射させない従来の原子磁力計について説明する。比較例の原子磁力計では、ポンピングベクトルは、上記の数６で表わされる。
【００９５】
この場合、ブロッホ方程式（数５参照。）の定常解は、下記数１０によって与えられる。
【００９６】
【数１０】
0005264242.tif 000011
【００９７】
ここでΩは、Ωsig＋Ωoffによって定義されている。また原子スピンのｙ成分及びｚ成分は原子磁力計の作動に関与しないため、その説明を省略する。
【００９８】
原子スピンのｘ成分は、Ωsig成分に、Γeff成分とΩoff成分とが混在している。Γeff成分はポンピングベクトルのｘ成分に由来する。つまり、ポンプ光１０６の光路とプローブ光１０７の光路とが非直交であること（以下、非直交性と呼ぶことがある。）に由来する。
【００９９】
したがって、出力信号にも、非直交性からの信号、測定磁場からの信号、及び残留磁場からの信号が混在する。測定磁場が無い場合においても、非直交性からの信号と残留磁場からの信号が混在する。
【０１００】
そのため、出力信号を見ても、例えばヘルムホルツコイルにより残留磁場をキャンセルすることができない。
【０１０１】
ポンプ光１０６の光路とプローブ光１０７の光路とが正確に直交している場合、このような混在は生じないため、残留磁場をキャンセルすることができる。しかし、一般的にはポンプ光１０６の光路とプローブ光１０７の光路とを正確に直交させることは非常に困難である。
【０１０２】
次に、ポンプ光１０６を第１のミラー１０４ａで反射させた場合、つまり本実施形態に係る原子磁力計の場合について説明する。この場合、トータルのポンピングベクトルは、上記の数８によって与えられる。
【０１０３】
したがって、ブロッホ方程式（数５参照。）の定常解は、下記数１１によって与えられる。
【０１０４】
【数１１】
0005264242.tif 000012
【０１０５】
本実施形態においては、ポンプ光１０６の光路とプローブ光１０７の光路とが正確に直交していない場合においても、Γeff成分がキャンセルされている。これは、ポンプ光１０６とプローブ光１０７の非直交性による影響が、除去されていることを示している。
【０１０６】
したがって、測定磁場が無い状態における出力信号は、残留磁場からの信号のみとなる。このため、ヘルムホルツコイルなどにより、残留磁場を容易にキャンセルすることができる。
【０１０７】
さらに、ポンピングベクトルのｚ成分の増大に伴い、スピン偏極が大きくなっている。つまり、原子群のスピン偏極率が高められている。したがって、ファラデー回転角は増加し、検出感度が向上する。
【０１０８】
次に、このような原子磁力計において、測定磁場の測定精度の理論限界について説明する。測定精度の理論限界は、原子群がどれだけ正確にスピン偏極しているかによって定まり、下記数１２によって表わされる。
【０１０９】
【数１２】
0005264242.tif 000013
【０１１０】
ここで、Ｎはスピン偏極した原子の数、Ｔ2は横緩和時間、ｔは測定時間である。
【０１１１】
このように測定精度の理論限界は、横緩和時間Ｔ2が長い程小さくなる。つまり横緩和時間Ｔ2が長い程、測定精度を向上させることができる。
【０１１２】
横緩和時間Ｔ2は、測定領域がゼロ磁場に近いほど、また原子群のスピン偏極率が高いほど長くなる。
【０１１３】
上述のように本実施形態では、測定領域の残留磁場を容易にキャンセルすることができ、スピン偏極率を高めることもできるため、横緩和時間Ｔ2が長くなる。したがって、測定精度を向上させることができる。
【０１１４】
以上の説明において、測定磁場は静磁場であるとした。しかし、静磁場と見なせる程度の低周波数の振動磁場であっても、同様な効果を得ることが出来る。
【０１１５】
また、本発明に係る磁力計測方法は、セルが有する空洞に内包されている原子群に対して、ポンプ光を照射することによって、前記原子群を構成する原子のスピンの向きを揃える。そして、前記原子のスピンの向きが揃えられた前記原子群に、プローブ光としての直線偏光光を照射して、該プローブ光の偏光面の回転角を検出する磁力計測方法であり、以下の特徴を有する。
【０１１６】
具体的には、セルを通過したポンプ光を反射させて、少なくとも２回以上、前記セルを通過させる。そして、前記セル内で、プローブ光を前記ポンプ光と少なくとも２回以上交差させて、セルを通過させる。このようにして通過したプローブ光の偏光面の回転角を測定する。
【０１１７】
このような磁力計測方法を行うためは、後述するように、前記プローブ光を出射するためのプローブ光用光源と、前記ポンプ光を出射するためのポンプ光用光源と、前記ポンプ光を折り返すためのミラーと、検出器とが必要である。検出器は前記偏光面の回転角を検出する。
【０１１８】
なお、本発明に適用されるミラーとしては、特に限定されるものではなく、例えば金属ミラーや半導体多層膜ミラーや誘電体多層膜ミラーを適用することが可能である。
【０１１９】
以下、具体的に本発明に係る原子磁力計に関して、実施例を用いて説明する。
【０１２０】
［第１の実施例］
次に、光ポンピング磁力計の詳細な実施例について説明する。図５は、第１の実施例に係わる光ポンピング磁力計の模式的断面図である。
【０１２１】
本実施例に係わる原子磁力計は、原子群が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、第１のミラー１０４ａと、検出器１０５とを有する。
【０１２２】
セル１０１はポンプ光用光源１０２と第１のミラー１０４ａとの間、及びプローブ光用光源１０３と検出器１０５との間に配置されている。プローブ光１０７の光路は、セル１０１内でポンプ光１０６の光路と交差する。
【０１２３】
ポンプ光用光源１０２から出射されるポンプ光１０６は、円偏光光である。ポンプ光１０６は、セル１０１内を通過し、第１のミラー１０４ａによって反射した後、再びセル１０１内を通過する。
【０１２４】
プローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１０７は直線偏光光である。プローブ光１０７は、ポンプ光１０６の入射面に平行、かつ第１のミラー１０４ａの面に平行な方向（図５中のｘ方向。）に伝播しており、セル１０１内でポンプ光１０６と交差する。セル１０１を通過したプローブ光１０７は、検出器１０５へ入射する。
【０１２５】
原子群が内包されたセル１０１はガラスセルであり、気密となっている。セル１０１内には原子群であるカリウム（Ｋ）の他に、バッファーガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ２）とを含んでいる。
【０１２６】
セル１０１の周囲にはオーブン３０１が設置されており、オーブン３０１を取り囲むように断熱層３０２が設置されている。
【０１２７】
オーブン３０１には、ポンプ光１０６とプローブ光１０７の光路に相当する部分に、それぞれ開口部が形成されている。同様に、断熱層３０２には、ポンプ光１０６とプローブ光１０７の光路に相当する部分に、それぞれ開口部が形成されている。
【０１２８】
オーブン３０１は、加熱した窒素ガスまたは空気が外部から流し込まれ、セル１０１内のアルカリ金属を加熱する。
【０１２９】
また断熱層３０２は、断熱層３０２の外側の領域を、室温程度に維持するために用いられる。必要に応じて、断熱層３０２は排熱機構を有していてもよい。これは、断熱層３０２内に、冷却水を循環させるチューブを設けることによって実現可能である。
【０１３０】
また、セル１０１の上下、左右、及び前後には、ヘルムホルツコイルが設置されている。セル１０１、オーブン３０１、断熱層３０２、及びヘルムホルツコイルは、磁気シールドボックス３０３内に置かれている。
【０１３１】
磁気シールドボックス３０３のポンプ光１０６とプローブ光１０７の光路に相当する部分には、それぞれ開口部が形成されている。ポンプ光１０６及びプローブ光１０７は、それぞれの開口部を通って、セル１０１に入射する。
【０１３２】
磁気シールドボックス３０３は、地磁気などの磁気ノイズを、遮断するために設けられる。磁気シールドボックス３０３は、一例として、３層のミューメタル（１６Ｆｅ−７７Ｎｉ−２Ｃｒ−５Ｃｕ）を用いることができる。
【０１３３】
ヘルムホルツコイルは、磁気シールドボックス３０３によって遮蔽されず、セル１０１の内部に残留した磁気ノイズ（以下、残留磁場と呼ぶ。）を打ち消すために用いられる。
【０１３４】
セルのｘ方向（図３参照。）両側に設けられたヘルムホルツコイル３１０，３１１は、ｘ方向の残留磁場を打ち消すために用いられる。
【０１３５】
同様に、セルのｚ方向（図３参照。）両側に設けられたヘルムホルツコイル３１２，３１３は、ｚ方向の残留磁場を打ち消すために用いられる。
【０１３６】
また図示されていないが、ｙ方向の残留磁場を打ち消すために、ｙ方向両側にヘルムホルツコイルが設けられている。
【０１３７】
ポンプ光用光源１０２は、レーザー光源３２０、グラントムソンプリズム３２１、及び四分の一波長板３２２を有している。レーザー光源３２０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３２１と、四分の一波長板３２２とを順番に通過する。
【０１３８】
レーザー光は、グラントムソンプリズム３２１により直線偏光光にされた後、四分の一波長板３２２によって円偏光光に変換される。この際、右回り円偏光光と左回り円偏光光のどちらに変換しても良い。
【０１３９】
ポンプ光１０６は、磁気シールドボックス３０３、断熱層３０２、及びオーブン３０１の開口部を通って、セル１０１内のアルカリ金属ガスに照射する。セル１０１を通過したポンプ光１０６は、第１のミラー１０４ａによって反射され、再びセル１０１内を通過する。
【０１４０】
第１のミラー１０４ａは、誘電体多層膜ミラーを用いることが望ましい。誘電体多層膜ミラーは、ジョンソンノイズなどに起因すると言われる磁気ノイズを低減することができる。そのため、反射したポンプ光１０６の強度の低下、及び円偏光の乱れを低減することができる。
【０１４１】
プローブ光用光源１０３は、レーザー光源３３０とグラントムソンプリズム３３１とを有している。レーザー光源３３０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３３１を通過する。レーザー光は、グラントムソンプリズム３３１により直線偏光光となる。このようにして、直線偏光したプローブ光１０７をセル１０１内に照射することができる。
【０１４２】
プローブ光１０７は、磁気シールドボックス３０３、断熱層３０２、及びオーブン３０１の開口部を通って、セル１０１内のアルカリ金属ガスに照射する。セル１０１を通過したプローブ光１０７は、検出器１０５に入射する。
【０１４３】
検出器１０５は、プローブ光１０７におけるファラデー回転角を測定する。このような検出器として、バランス型ポラリメータやクロスニコル型ポラリメータなどを利用することができる。
【０１４４】
図６は、バランス型ポラリメータの模式図である。バランス型ポラリメータは、二分の一波長板４００、偏光ビームスプリッタ４０１、２つのフォトダイオード４０２，４０３、及び差動増幅回路４０４を有している。
【０１４５】
二分の一波長板４００はプローブ光１０７の偏光面を回転させる。また偏光ビームスプリッタ４０１は、プローブ光１０７を、ある方向の直線偏光の成分と、それとは直交する方向の直線偏光の成分とに分割する。
【０１４６】
偏光ビームスプリッタ４０１は、プローブ光１０７のファラデー回転角がゼロだった場合に、プローブ光１０７を同一の強度の光に分割するように設置されている。そうするために、二分の一波長板４００によってプローブ光１０７の偏光面を一定角度回転させれば良い。
【０１４７】
偏光ビームスプリッタ４０１によって２つに分割された光は、それぞれフォトダイオード４０２，４０３に入射する。フォトダイオード４０２，４０３は、受光した光の強度に応じた電流を発生する。
【０１４８】
２つのフォトダイオード４０２，４０３は、１つの差動増幅回路４０４と接続されている。差動増幅回路４０４は、２つのフォトダイオードの電流の差分値を増幅させた信号を出力する。
【０１４９】
差動増幅回路４０４は、アンプによって電流の差分値を増幅し、電圧に変換して出力することができる。
【０１５０】
プローブ光１０７のファラデー回転角がゼロだった場合、２つのフォトダイオードには、同じ強度の光が入射する。したがって、差動増幅回路４０４の出力信号はゼロとなる。
【０１５１】
これに対して、ファラデー回転角がゼロでなかった場合、偏光ビームスプリッタ４０１によって分割された光の強度は変化する。つまり、差動増幅回路４０４の出力信号によって、ファラデー回転角を測定することができる。
【０１５２】
ファラデー回転角は、ポンプ光１０６とプローブ光１０７とがなす平面に垂直な方向の測定磁場の大きさに依存する。このようにして、本実施例に係る原子磁力計は、測定磁場の大きさを計測することができる。
【０１５３】
本実施例の原子磁力計では、第１のミラー１０４ａによってポンプ光１０６を往復させることで、原子群を２回ポンピングすることができる。これにより、原子群のスピン偏極率を高めることができる。
【０１５４】
また、第１の実施形態で述べたように、セル１０１内の残留磁場を容易にキャンセルすることができるため、高感度な磁気センサを提供できる。
【０１５５】
また、ポンプ光１０６の光路を折り返すため、スピン偏極した原子群の領域が広がり、偏極した原子も増える。したがって測定磁場に対する出力信号が大きくなるという効果もある。
【０１５６】
ポンプ光１０６の光路とプローブ光１０７の光路が正確に直交している場合でも、２度のポンピングにより、スピン偏極率が向上し、セル内の偏極率分布の不均一性を低減することができる。
【０１５７】
従来の原子磁力計では、ポンプ光の光路の終端に光吸収体が設けられている。この場合、ポンプ光の散乱光が、セル内や、検出器に照射され、検出精度が低下することがある。本実施例では、ポンプ光１０６の光路の一端が第１のミラー１０４ａで折り返されるため、このような検出精度の低下を抑制することができる。
【０１５８】
コヒーレントな光を反射して、入射光と反射光の光路を重ねた場合、第１のミラー１０４ａを固定端とした定在波がたちうる。この定在波は、波長程度の周期の強度分布を有するため、原子群のスピン偏極にも分布が生じる可能性がある。しかし、測定領域は数ｃｍオーダーであり、この領域で原子群は十分に拡散して同じ場所には留まらないため、この定在波の影響は無視できると考えられる。
【０１５９】
次に、本実施例に基づいて実施した実験結果の一例を示す。実験では、測定磁場として、周波数が４０Ｈｚ、振幅が８０ｐＴの振動磁場をｙ方向に印加した。
【０１６０】
また比較例として、第１のミラー１０４ａを設置せず、ポンプ光１０６をセル１０１内に一回だけ通過する構成の原子磁力計を用いて、同様の実験を実施した。
【０１６１】
図７（ａ）は比較例の原子磁力計における出力電圧の時間依存性を示すグラフであり、図７（ｂ）は第１の実施例の原子磁力計における出力電圧の時間依存性を示すグラフである。
【０１６２】
図中のＧ線は、ポンプ光１０６を照射しない場合の出力電圧を表しており、この出力電圧が接地（ＧＮＤ）レベルになるように調整されている。
【０１６３】
比較例における実験結果では、出力信号の平均レベルがＧＮＤレベルから大きくずれている。これは、ポンプ光１０６とプローブ光１０７の非直交性の影響を反映しているためである。
【０１６４】
実施例における実験結果では、出力信号の平均レベルがＧＮＤレベルとほぼ一致する。これはポンプ光１０６とプローブ光１０７の非直交性の影響がキャンセルされていることを示している。
【０１６５】
図８（ａ）は比較例の原子磁力計における出力電圧の振幅スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は第１の実施例の原子磁力計における出力電圧の振幅スペクトルを示すグラフである。
【０１６６】
振幅スペクトルは、出力電圧の時間依存性を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することで求められる。図中の横軸は周波数である。また縦軸は周波数における出力電圧の振幅であり、対数軸で表わされている。
【０１６７】
４０Ｈｚの周波数における出力電圧の振幅は、振動磁場に対する応答と考えられる。グラフを参照すると、４０Ｈｚの周波数において、実施例における出力電圧の振幅は、比較例よりも大きくなっている。
【０１６８】
比較例では、４０Ｈｚにおける振幅は５．２７Ｖ（２．４０ｄＢＶ）である。一方、実施例では、４０Ｈｚにおける振幅は７．９５Ｖ（５．９７ｄＢＶ）であり、比較例のおよそ１．５倍であった。
【０１６９】
このように、本実施例に係わる原子磁力計では、スピン偏極率の増大、あるいはスピン偏極した原子の増大により、出力信号が増大する。したがって、高感度な原子磁力計となる。
【０１７０】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例に係わる原子磁力計について説明する。図９は、第２の実施例に係わる原子磁力計の模式的断面図である。
【０１７１】
原子磁力計は、原子群が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、検出器１０５とを有する。また原子磁力計は、第１及び第２のミラー１０４ａ，１０４ｂをさらに有する。
【０１７２】
セル１０１は第１のミラー１０４ａとポンプ光用光源１０２との間、及びプローブ光用光源１０３と検出器１０５との間に配置されている。
【０１７３】
さらに、第２のミラー１０４ｂは、セル１０１とポンプ光用光源１０２との間に配置されている。具体的には、第２のミラー１０４ｂはポンプ光用光源１０２の光軸と重ならないように、若干側方に配置されている。
【０１７４】
第１のミラー１０４ａと第２のミラー１０４ｂは平行に設置されている。セル１０１は、第１のミラー１０４ａと第２のミラー１０４ｂとの間に設置されている。第１及び第２のミラー１０４ａ，１０４ｂは、磁気ノイズを低減するために誘電体多層膜ミラーを用いることが望ましい。
【０１７５】
ポンプ光用光源１０２は、レーザー光源３２０、グラントムソンプリズム３２１、及び四分の一波長板３２２を有している。レーザー光源３２０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３２１と、四分の一波長板３２２とを順番に通過して、円偏光光に変換される。
【０１７６】
プローブ光用光源１０３は、レーザー光源３３０とグラントムソンプリズム３３１とを有している。レーザー光源３３０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３３１を通過して直線偏光光に変換される。
【０１７７】
セル１０１内を通過したポンプ光１０６は、第１のミラー１０４ａで反射され、再びセル１０１内を通過する。その後、ポンプ光１０６は第２のミラー１０４ｂで再び反射されてセル１０１内を通過し、さらに第１のミラー１０４ａで反射されてセル１０１内を通過する。
【０１７８】
このように、第２の実施例では、ポンプ光１０６が４回セル内を通過する。これにより、セル１０１内の原子群のスピン偏極率は向上し、より高感度な原子磁力計を提供することができる。
【０１７９】
また、実施例１と同様に、磁気シールドボックス３０３、残留磁場を補償するヘルムホルツコイル、セル１０１内を加熱するオーブン３０１、及び断熱層３０２などを設置することで、原子磁力計として機能させることができる。
【０１８０】
検出器１０５は、第１の実施例と同様にバランス型ポラリメータやクロスニコル型ポラリメータなどを利用することができる。
【０１８１】
第２の実施例における原子磁力計は、ポンプ光１０６がセル１０１内を４回通過するように構成されている。しかし原子磁力計は、ポンプ光１０６がセル１０１内を３回以上通過するように構成されていれば良い。そうすることで、第１の実施例の原子磁力計よりも、原子群のスピンの偏極率を高めることができる。また、ポンプ光１０６を複数回通過させることで、スピン偏極した原子の領域が広がり、偏極した原子が増えるため、測定磁場に対する出力信号が増大する。したがって、原子磁力計の感度を向上させることができる。
【０１８２】
また、セル１０１内にポンプ光１０６を偶数回通過させることが好ましい。これは、第１の実施形態で述べたように、ポンプ光１０６とプローブ光１０７の非直交性の影響をキャンセルするためである。
【０１８３】
［第３実施例］
次に、第３の実施例に係わる原子磁力計について説明する。図１０は、第３の実施例に係わる原子磁力計の模式図である。
【０１８４】
原子磁力計は、原子群が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、第１のミラー１０４ａと、検出器１０５とを有する。
【０１８５】
セル１０１は第１のミラー１０４ａとポンプ光用光源１０２との間、及びプローブ光用光源１０３と検出器１０５との間に配置されている。プローブ光１０７の光路は、セル１０１内でポンプ光１０６の光路と交差する。
【０１８６】
ポンプ光用光源１０２は、レーザー光源３２０、グラントムソンプリズム３２１、及び四分の一波長板３２２を有している。レーザー光源３２０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３２１と、四分の一波長板３２２とを順番に通過して、円偏光光に変換される。
【０１８７】
プローブ光用光源１０３は、レーザー光源３３０とグラントムソンプリズム３３１とを有している。レーザー光源３３０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３３１を通過して直線偏光光に変換される。
【０１８８】
検出器１０５は、第１の実施例と同様にバランス型ポラリメータやクロスニコル型ポラリメータなどを利用することができる。
【０１８９】
本実施例の原子磁力計は、ポンプ光用光源１０２とセル１０１との間に、光学部品をさらに有している。本実施例では、光学部品として凹レンズ７００が用いられる。凹レンズ７００は、ポンプ光１０６を発散光線束にするために設けられている。
【０１９０】
ポンプ光１０６を発散光線束にすることができれば、凹レンズ７００の代わりに、種々の光学部品を用いることができる。
【０１９１】
従来の原子磁力計では、通常、ポンプ光１０６は平行光線に調整される。平行光線に調整するための光学部品として、２枚の凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとの組み合わせ等が用いられる。
【０１９２】
本実施例では、ポンプ光１０６が発散光線束であって良いため、光学部品は凹レンズ７００のみで良い。そのため、光学部品点数を減らすことができ、セル１０１周辺の領域におけるレイアウトの自由度を高めることが出来る。
【０１９３】
本実施例のようにポンプ光１０６が広がりを持っている場合、必要以上の広がりを抑えるために、第１のミラー１０４ａをセル１０１に近接させた方が良い。
【０１９４】
第１のミラー１０４ａは、その鏡面がポンプ光用光源１０２の光軸と直交するように配置されている。プローブ光１０７の光路は、第１のミラー１０４ａの鏡面と平行である。
【０１９５】
セル１０１内を通過したポンプ光１０６は、第１のミラー１０４ａで反射され、再びセル１０１内を通過する。本実施例の原子磁力計では、先の実施例と同様、ポンプ光１０６の光路を往復させることで、原子群のスピンの偏極率を高めることができる。
【０１９６】
ポンプ光１０６が発散光線束であるため、プローブ光と非直交な光線が存在する。このような非直交性の影響は、第１の実施形態で述べたように、第１のミラー１０４ａで反射されることによって、打ち消される。したがって、セル１０１内の残留磁場を容易にキャンセルすることができる。
【０１９７】
また、スピン偏極した原子群の領域が広がるため、原子磁力計の検出感度が向上する。
【０１９８】
また、モードが良くないレーザーによる不均一な広がりによるポンプ光のプローブ非直交性によるシグナルへの影響も自動的に打ち消すことが出来、測定領域の磁場をゼロ磁場にすることが容易になる効果もある。
【０１９９】
本実施例においても、実施例１と同様に、磁気シールドボックス、残留磁場を補償するヘルムホルツコイル、セル内を加熱するオーブン、及び断熱層などを設置することで、原子磁力計として機能させることができる。
【０２００】
［第４の実施例］
次に、第４の実施例に係わる原子磁力計について説明する。図１１は、第４の実施例に係わる原子磁力計の模式的断面図である。
【０２０１】
原子磁力計は、原子群が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、第１のミラー１０４ａと、検出器１０５とを有する。
【０２０２】
図１１ではプローブ光用光源１０３と検出器１０５が３台ずつ記載されているが、本実施例の原子磁力計は、プローブ光用光源１０３と検出器１０５を複数有していれば良い。
【０２０３】
セル１０１は第１のミラー１０４ａとポンプ光用光源１０２との間、及びプローブ光用光源１０３と検出器１０５との間に配置されている。
【０２０４】
複数のプローブ光用光源１０３の光軸は、それぞれ第１のミラーの１０４ａの鏡面に平行に配置されている。第１のミラー１０４ａは、磁気ノイズを低減するために誘電体多層膜ミラーを用いることが望ましい。
【０２０５】
ポンプ光用光源１０２は、レーザー光源３２０、グラントムソンプリズム３２１、及び四分の一波長板３２２を有している。レーザー光源３２０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３２１と、四分の一波長板３２２とを順番に通過して、円偏光光に変換される。
【０２０６】
それぞれのプローブ光用光源１０３は、レーザー光源３３０とグラントムソンプリズム３３１とを有している。レーザー光源３３０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３３１を通過して直線偏光光に変換される。
【０２０７】
セル１０１内を通過したポンプ光１０６は、第１のミラー１０４ａで反射され、再びセル１０１内を通過する。
【０２０８】
複数のプローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１０７の光路は、セル１０１内の別の領域で、ポンプ光１０６の光路と交差する。そして、セル１０１を通過したプローブ光１０７は、それぞれの検出器１０５へ入射する。これにより、様々な領域における磁場を計測することができる。
【０２０９】
検出器１０５は、第１の実施例と同様にバランス型ポラリメータやクロスニコル型ポラリメータなどを利用することができる。
【０２１０】
また、実施例１と同様に、磁気シールドボックス３０３、残留磁場を補償するヘルムホルツコイル、セル１０１内を加熱するオーブン３０１、及び断熱層３０２などを設置することで、原子磁力計として機能させることができる。
【０２１１】
本実施形態における原子磁力計は、セル１０１内に印加された複数の領域における磁場、すなわち磁場分布を計測することができる。
【０２１２】
また、第１の実施例と同様に、原子群のスピンの偏極率を高めることができ、さらにポンプ光１０６とプローブ光１０７の非直交性の影響をキャンセルすることができる。したがって、磁場の検出感度が向上する。
【０２１３】
本実施例に係る原子磁力計においても、第２の実施例と同様に、セル１０１内にポンプ光１０６を偶数回通過させても良い。さらに、第３の実施例と同様に、ポンプ光１０６を発散光線束としても良い。
【０２１４】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係わる原子磁力計について説明する。図１２は、第２の実施形態に係わる原子磁力計の概略図である。
【０２１５】
本実施形態に係る原子磁力計は、原子群が内包されたセル１０１と、ポンプ光用光源１０２と、プローブ光用光源１０３と、検出器１０５とを有する。また原子磁力計は、第１から第４のミラー１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄをさらに有する。
【０２１６】
ポンプ光用光源１０２は、レーザー光源３２０、グラントムソンプリズム３２１、及び四分の一波長板３２２を有している。レーザー光源３２０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３２１と、四分の一波長板３２２とを順番に通過して、円偏光光に変換される。
【０２１７】
プローブ光用光源１０３は、レーザー光源３３０とグラントムソンプリズム３３１とを有している。レーザー光源３３０から出射されたレーザー光は、グラントムソンプリズム３３１を通過して直線偏光光に変換される。
【０２１８】
セル１０１の形状は六角柱であり、ポンプ光１０６とプローブ光１０７との光路によって構成される面内において、六角形形状である。この六角形を形成する６つの面のうちの１面から、ポンプ光１０６がセル１０１内に入射する。
【０２１９】
また別の１面から、プローブ光１０７がセル１０１内に入射する。ポンプ光１０６の入射する面とプローブ光１０７の入射する面とは、隣り合う面である。
【０２２０】
さらに、残りの４面の外壁には、ミラーが設置されている。そして、ポンプ光１０６の入射する面から時計回りに、プローブ光１０７の入射する面、第１のミラー１１０４ａ、第４のミラー１１０４ｄ、第２のミラー１１０４ｂ、及び第３のミラー１１０４ｃが、この順番に配置されている。
【０２２１】
これらのミラー１１０４ａ，１１０４ｂ，１１０４ｃ，１１０４ｄは、誘電体多層膜ミラーであることが望ましい。誘電体多層膜ミラーは、セル１０１の外壁に直接成膜することができる。
【０２２２】
第１のミラー１１０４ａは第３のミラー１１０４ｃと平行に配置されている。検出器１０５は、プローブ光用光源１０３に近接して配置されている。
【０２２３】
ポンプ光１０６はセル１０１内の領域Ｒ１（図１２参照。）を通過して、４５度の入射角で第１のミラー１１０４ａに入射する。第１のミラー１１０４ａで反射したポンプ光１０６は、セル１０１内の別の領域Ｒ２（図１２参照。）を通り、第２のミラー１１０４ｂに垂直入射する。
【０２２４】
第２のミラー１１０４ｂで反射したポンプ光１０６は、再び領域Ｒ２を通り、第１のミラー１１０４ａに入射する。そしてポンプ光１０６は、再び領域Ｒ１を通過する。
【０２２５】
ポンプ光１０６が右回り円偏光光の場合、領域Ｒ１における原子群は図１２中の矢印Ａ３の方向にスピン偏極する。また領域Ｒ２における原子群は図１２中の矢印Ａ４の方向にスピン偏極する。
【０２２６】
第２のミラー１１０４ｂによる反射前と反射後におけるポンプ光１０６は、ほぼ同じ光路を互いに逆方向に伝播する。したがって、反射前と反射後におけるポンプ光１０６は、原子群を同じ方向にスピン偏極させる。これは、第１の実施形態と同様に考えることができる。
【０２２７】
セル１０１内に入射したプローブ光１０７は、セル１０１内の領域Ｒ１を通り、４５度の入射角で第３のミラー１１０４ｃに入射する。第３のミラー１１０４ｃで反射したプローブ光１０７は、セル１０１内の別の領域Ｒ２を通り、第４のミラー１１０４ｄに垂直入射する。
【０２２８】
第４のミラー１１０４ｄで反射したプローブ光１０７は、再び領域Ｒ２を通り、第３のミラー１１０４ｃに入射する。そしてプローブ光１０７は、再び領域Ｒ１を通った後、検出器１０５へ入射する。
【０２２９】
領域Ｒ１と領域Ｒ２において、プローブ光１０７の光路はポンプ光１０６の光路と直交する。領域Ｒ１におけるスピン偏極の方向は、プローブ光１０７の伝播方向から反時計回りに９０度の角度を成している。同様に、領域Ｒ２におけるスピン偏極の方向は、プローブ光１０７の伝播方向から反時計回りに９０度の角度を成している。
【０２３０】
プローブ光１０７は、領域Ｒ１において、測定磁場の大きさに応じて偏光面が回転する。そして、第３のミラー１１０４ｃで反射したプローブ光１０７は、偏光面の回転角が逆転する。
【０２３１】
例えば、プローブ光１０７が入射面に垂直な方向（図中のｙ方向。）の直線偏光を有しており、領域Ｒ１において偏光面が反時計回りに角度＋θ１だけ回転したとする。この場合、ミラーで反射されたプローブ光１０７は、偏光面がｙ方向から−θ１だけ回転した直線偏光光となる。
【０２３２】
プローブ光１０７がミラーで反射した場合、静止している観測者から見ると、電場の振動方向は変化していない。しかし、プローブ光１０７の伝播方向が変化するため、反射後のプローブ光１０７の偏光面は角度−θ１だけ傾く。
【０２３３】
領域Ｒ１と領域Ｒ２における原子群は、プローブ光１０７の伝播方向を基準にすると、同じ方向にスピン偏極している。したがって領域Ｒ１と領域Ｒ２における測定磁場の方向が同一の方向であれば、プローブ光１０７の偏光面は、領域Ｒ２において、反時計回りに回転する。このときの回転角を＋θ２と表記すると、第４のミラー１１０４ｄに入射する直前のプローブ光１０７の偏光面の回転角は−θ１＋θ２である。
【０２３４】
つまり、２つの領域Ｒ１，Ｒ２において同じ方向の測定磁場が印加されている場合、プローブ光１０７の偏光面は逆向きに回転する。
【０２３５】
そして、第４のミラー１１０４ｄで反射したプローブ光１０７の偏光面の回転角は逆転し、＋θ１−θ２となる。その後、プローブ光が再び領域Ｒ２を通過する際、偏光面は反時計回りに−θ２だけ回転する。これは、第４のミラー１１０４ｄで反射したプローブ光１０７の伝播方向を基準とすると、領域Ｒ２における原子群のスピン偏極の方向が反転しているからである。
【０２３６】
その後、再び第３のミラー１１０４ｃによって、プローブ光１０７の偏光面の回転角は反転し、−θ１＋２×θ２となる。最後に、プローブ光１０７が領域Ｒ１を通過する際に、その偏光面は−θ１だけ回転する。
【０２３７】
つまり、検出器１０５に入射する直前のプローブ光１０７のファラデー回転角は、トータルで、２×（θ２−θ１）となる。
【０２３８】
このように、トータルのファラデー回転角は、領域Ｒ１における測定磁場と領域Ｒ２における測定磁場の差を反映している。つまり、第１の実施例で説明した検出器１０５でこのファラデー回転角を検出することによって、領域Ｒ１と領域Ｒ２との磁場の差を測定することができる。
【０２３９】
このように、本実施形態に係る原子磁力計は、磁場勾配計として機能する。
【０２４０】
本実施形態において、第４のミラー１１０４ｄを設置する必要はない。この場合にも、原子磁力計は磁場勾配計として機能する。
【０２４１】
第４のミラー１１０４ｄを設置した場合、第４のミラー１１０４ｄが無い場合と比較して、ファラデー回転角は２倍になる。したがって、磁場勾配計としての感度を向上させることができる。
【０２４２】
本実施形態では、第１のミラー１１０４ａへのポンプ光１０６の入射角を４５度としたが、入射角はゼロ度でなければ良い。このとき、領域Ｒ１において、プローブ光１０７の光路を、ポンプ光１０６の光路と直交させることが好ましい。
【０２４３】
以上で述べた実施形態及び実施例の原子磁力計を用いることで、本発明の磁力計測方法を実施することができる。すなわち磁力計測方法は、上述の実施形態及び実施例の原子磁力計を用意し、ポンプ光をミラーで反射させてセル内を複数回通過させる。そしてプローブ光を、セル内でポンプ光と交差させた後、検出器へ入射させれば良い。
【０２４４】
以上で説明した本発明の原子磁力計は、脳内の磁場などの微小な磁場の測定や、ＭＲＩ装置における磁場検出用の磁力計などに適用可能である。
【０２４５】
以上、本発明の望ましい実施形態及び実施例について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
【０２４６】
例えば、ポンプ光１０６は完全な円偏光光である必要はなく、原子群を偏極させることができるように、円偏光成分を有していれば良い。また、プローブ光１０７は完全な直線偏光光ではなく、偏光面の回転が測定できるように、直線偏光成分を有していれば良い。
【０２４７】
また、上述の実施形態及び実施例では、プローブ光１０７の光路は、ポンプ光１０６の入射面内にあった。しかし、ポンプ光１０６の入射面に垂直な方向にプローブ光１０７を入射させることもできる。この場合、セル内を通過したプローブ光１０７の光路上に、検出器１０５を配置すれば良い。
【０２４８】
このとき、ポンプ光の光路とプローブ光の光路とに垂直な方向の測定磁場が検出される。
【０２４９】
以上説明した、本発明に係る原子磁力計は、光ポンピング磁力計と表現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０２５０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる原子磁力計の概略図。
【図２】（ａ）はｚ方向に伝播する右回り円偏光光の電場ベクトルの空間分布を示す図であり、（ｂ）は当該電場ベクトルの、ｘ−ｙ面内における時間依存性を示す図である。
【図３】（ａ）はｚ方向に伝播する左回り円偏光光の電場ベクトルの空間分布を示す図であり、（ｂ）は当該電場ベクトルの、ｘ−ｙ面内における時間依存性を示す図である。
【図４】（ａ）はｚ方向に伝播する右回り円偏光光をミラーで反射したときの反射光の電場ベクトルの空間分布を示す図であり、（ｂ）は当該電場ベクトルの、ｘ−ｙ面内における時間依存性を示す図である。
【図５】第１の実施例に係わる原子磁力計の概略図。
【図６】原子磁力計に用いられる検出器の概略図。
【図７】（ａ）は比較例の原子磁力計における出力電圧の時間依存性を示すグラフであり、（ｂ）は第１の実施例の原子磁力計における出力電圧の時間依存性を示すグラフである。
【図８】（ａ）は比較例の原子磁力計における出力電圧の振幅スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は第１の実施例の原子磁力計における出力電圧の振幅スペクトルを示すグラフである。
【図９】第２の実施例に係わる原子磁力計の概略図。
【図１０】第３の実施例に係わる原子磁力計の概略図。
【図１１】第４の実施例に係わる原子磁力計の概略図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係わる原子磁力計の概略図。
【符号の説明】
【０２５１】
１０１    セル
１０２    ポンプ光用光源
１０３    プローブ光用光源
１０４ａ  第１のミラー
１０４ｂ  第２のミラー
１０５    検出器
１０６    ポンプ光
１０７    プローブ光
１１０４ａ    第１のミラー
１１０４ｂ    第２のミラー
１１０４ｃ    第３のミラー
１１０４ｄ    第４のミラー
【図１】
0005264242.tif 000014
【図２】
0005264242.tif 000015
【図３】
0005264242.tif 000016
【図４】
0005264242.tif 000017
【図５】
0005264242.tif 000018
【図６】
0005264242.tif 000019
【図７】
0005264242.tif 000020
【図８】
0005264242.tif 000021
【図９】
0005264242.tif 000022
【図１０】
0005264242.tif 000023
【図１１】
0005264242.tif 000024
【図１２】
0005264242.tif 000025