(57)【要約】【課題】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取得しうる光ポンピング磁力計および磁気センシング方法を提供する。【解決手段】アルカリ金属原子を内包する少なくとも１つのセルと、ポンプ光を該セルに入射させるポンプ光光学系と、プローブ光を、該セル内において該ポンプ光と交差するように入射させるプローブ光光学系と、該アルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させる複数の緩和光を、該ポンプ光と該プローブ光とが交差する領域内の互いに異なる位置に入射させる緩和光光学系と、該ポンプ光および該複数の緩和光と交差した該プローブ光を検出して検出信号を出力する手段と、該検出信号から、該互いに異なる位置の各々の磁場強度に関する情報を取得する手段と、を有し、該複数の緩和光の強度または波長の時間変化の周期と、該複数の位相の少なくとも一方が互いに異なる磁気センシング方法のための光ポンピング磁力計。【選択図】図１
2017026405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子を内包する少なくとも１つのセルと、
円偏光成分を有するポンプ光を前記セルに入射させるポンプ光光学系と、
直線偏光成分を有するプローブ光を、前記セル内において前記ポンプ光と交差するように前記セルに入射させるプローブ光光学系と、
前記アルカリ金属原子の電子のスピン偏極を緩和させる複数の緩和光を、前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差する領域内の互いに異なる位置に入射させる緩和光光学系と、
前記ポンプ光および前記複数の緩和光と交差した前記プローブ光を検出して検出信号を出力する検出手段と、
前記検出信号から、前記互いに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、
前記複数の緩和光の強度または波長の時間変化の周期と、前記複数の緩和光の位相の少なくとも一方が互いに異なる、光ポンピング磁力計。
【請求項２】
前記光ポンピング磁力計は、前記複数の緩和光の強度または波長の時間変化の周期と、前記複数の緩和光の位相の少なくともいずれか一方が互いに異なるように変調する変調手段を有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】
前記変調手段は、前記複数の緩和光の、それぞれの緩和光の強度または波長のいずれか１つを変調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】
前記互いに異なる位置に入射する前記複数の緩和光それぞれが、異なる変調周波数を印加することで変調されることを特徴とする請求項２または３に光ポンピング磁力計。
【請求項５】
前記変調手段の変調周波数は、１００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項４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、１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項５に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項７】
前記情報取得手段は、前記検出信号を、前記変調手段において印加し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２乃至６のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項８】
前記互いに異なる位置に入射する前記複数の緩和光それぞれが、異なる位相で変調され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９】
前記互いに異なる位置に入射する前記複数の緩和光それぞれが、異なるパルス幅で変調され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１０】
前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差する領域内に入射する前記複数の緩和光それぞれが、前記アルカリ金属原子のＤ１遷移に共鳴する波長または前記アルカリ金属原子のＤ２遷移に共鳴する波長をもつことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１１】
前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差する領域内に入射する前記複数の緩和光それぞれが、前記アルカリ金属原子のＤ１遷移に共鳴する波長をもつことを特徴とする請求項１０に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１２】
前記アルカリ金属原子は、カリウム原子、ルビジウム原子、およびセシウム原子を含む群から選択される少なくとも１種類であ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】
前記アルカリ金属原子は、カリウム原子およびルビジウム原子であることを特徴とする請求項１２に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１４】
前記セルに内包されるルビジウム原子の原子数密度が、該セルに内包されるカリウム原子の原子数密度よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１５】
前記プローブ光光学系は、前記複数の緩和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１４のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１６】
前記ポンプ光光学系は、前記セルに前記プローブ光と同一の方向から前記ポンプ光を入射することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１７】
前記緩和光光学系は、前記セルに前記ポンプ光と同一の方向から前記複数の緩和光を入射することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１８】
複数の前記セルを有し、前記緩和光光学系は、複数の前記セルのそれぞれに、前記複数の緩和光の少なくとも１つの前記緩和光を入射し、前記プローブ光は、複数の前記セルのそれぞれにおいて、前記少なくとも１つの緩和光と交差することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
【請求項１９】
円偏光成分を有するポンプ光を、アルカリ金属原子を内包する少なくとも１つのセルに入射し、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セル内において前記ポンプ光と交差するように入射し、前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差する領域内の互いに異なる位置に、強度または波長の時間変化の周期と、位相の少なくとも一方が互いに異なる複数の緩和光をそれぞれ入射し、
前記セルを通過した前記プローブ光を検出して検出信号を出力し、
前記検出信号から、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。
【請求項２０】
前記プローブ光と交差する前記複数の緩和光それぞれが、前記アルカリ金属原子のＤ１遷移に共鳴する波長または前記アルカリ金属原子のＤ２遷移に共鳴する波長をもつことを特徴とする請求項１９に記載の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および磁力計に係り、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およ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および特許文献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、複数のセルおよびセルごとにプローブ光およ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」、電子情報通信学会技術研究報告、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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およ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】
【０００８】
本発明の一観点によれば、アルカリ金属原子を内包する少なくとも１つのセルと、円偏光成分を有するポンプ光を前記セルに入射させるポンプ光光学系と、直線偏光成分を有するプローブ光を、前記セル内において前記ポンプ光と交差するように前記セルに入射させるプローブ光光学系と、前記アルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させる複数の緩和光を、前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差する領域内の互いに異なる位置に入射させる緩和光光学系と、前記ポンプ光および前記複数の緩和光と交差した前記プローブ光を検出して検出信号を出力する検出手段と、前記検出信号から、前記互いに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、前記複数の緩和光は、それぞれの緩和光の強度または波長の時間変化の周期と、前記複数の緩和光の位相の少なくとも一方が互いに異なる光ポンピング磁力計が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
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】
【００１０】
【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２】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斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計における偏光測定の例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緩和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偏光測定の例を示す概略図である。
【図６】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緩和光変調の一例を示す図である。
【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斜視図である。
【図８】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側面図である。
【図９】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斜視図である。
【図１０】本発明の第５実施形態による光ポンピング磁力計における偏光測定の例を示す概略図である。
【図１１】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１２】本発明の第６実施形態による光ポンピング磁力計における光重畳部の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［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および磁気センシング方法について、図１を用いて説明する。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、遅相子１０４と、緩和光光学系１０５と、光変調器１０７および１０８と、プローブ光光学系１０９と、偏光分離素子１１１と、フォトディテクタ１１２および１１３と、差分回路１１４と、復調器１１５および１１６とを有している。なお、本明細書では、光変調器１０７および１０８をも含めて緩和光光学系と呼ぶこともある。
【００１５】
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）原子が内包されたセル１０１の測定領域１１７ａおよび１１７ｂを含む領域に、遅相子１０４を介してポンプ光１０３を入射するようになっている。
【００１６】
緩和光光学系１０５は、セル１０１の測定領域１１７ａに、光変調器１０７を介して緩和光１０６ａを入射するようになっている。また、緩和光光学系１０５は、セル１０１の測定領域１１７ｂに、光変調器１０８を介して緩和光１０６ｂを入射するようになっている。光変調器１０７および１０８は、それぞれ緩和光１０６ａおよび１０６ｂを変調する変調手段である。
【００１７】
プローブ光光学系１０９は、セル１０１にプローブ光１１０を入射するようになっている。セル１０１の測定領域１１７ａおよび１１７ｂはプローブ光１１０の光路上に位置しており、プローブ光１１０は測定領域１１７ａおよび１１７ｂにおいてポンプ光１０３並びに緩和光１０６ａおよび１０６ｂと交差する。
【００１８】
セル１０１の測定領域１１７ａおよび１１７ｂを通過したプローブ光１１０は、偏光分離素子１１１を介してフォトディテクタ１１２および１１３に入射するようになっている。フォトディテクタ１１２および１１３には、差分回路１１４を介して、それぞれ復調器１１５および１１６が接続される。偏光分離素子１１１並びにフォトディテクタ１１２および１１３は、セル１０１を通過したプローブ光１１０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１１４並びに復調器１１５および１１６は、検出手段により検出した回転角から測定領域１１７ａおよび１１７ｂ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。また、復調器１１５および１１６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もある。
【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１０３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１０３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、その偏光は遅相子１０４によって円偏光に変換する。Ｄ１遷移共鳴波長の光の偏光が円偏光の場合、アルカリ金属原子による前記円偏光の吸収率はスピン偏極の向きに依存し、そのことにより光ポンピングが生じる。ポンプ光１０３は、単一の光源からの光を測定領域１１７ａおよび１１７ｂを含む領域内の原子集団をスピン偏極するようにレンズ等によって拡大してもよい。また、ポンプ光１０３は、測定領域１１７ａおよび１１７ｂの原子集団それぞれをスピン偏極するように、独立の光源から発せられた光をポンプ光として用いてもよい。
【００２１】
緩和光光学系１０５から出射される緩和光１０６ａおよび１０６ｂは、Ｄ１遷移共鳴波長又はアルカリ金属原子のＤ２遷移に共鳴する波長（以下、「Ｄ２遷移共鳴波長」という）を持ち、実際にはこれらの遷移共鳴波長から１ｎｍから１０ｎｍ程度の範囲を含むことができる。そのため、緩和光１０６ａおよび１０６ｂは、セル１０１内のスピン偏極したアルカリ金属原子を光吸収により励起することでスピン偏極を緩和（Ｔ１緩和）させる作用、または位相緩和（Ｔ２緩和）させる作用を有する。緩和光として機能しない光には２種類ある。１つはポンプ光と同じ向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光の光、もう１つはポンプ光と逆向きに伝搬する逆回転の円偏光の光である。
【００２２】
これ以外の光は、緩和光としての機能を有する。具体的には、Ａ）非偏光の光、Ｂ）直線偏光の光（偏光面は問わない）、Ｃ）ポンプ光と同じ向きに伝搬する逆回転の円偏光の光、Ｄ）ポンプ光と逆向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光、Ｅ）ポンプ光と異なる向きに伝搬する任意の向きの円偏光の光である。これらの光はいずれも両方のスピン状態の電子を励起するので、ポンプ光によって作られたスピン偏極を緩和する働きを有する。上記Ａ）からＤ）の光は新たなスピン偏極を生成せずスピン偏極を緩和させるため、本発明で緩和光として用いる場合に適する。一方、Ｅ）の光は新たなスピン偏極を生成してしまい、直接あるいは磁場下でのスピン偏極の回転の結果として、プローブ光の偏光面の回転が生じるので、緩和光として用いるには適していない。
【００２３】
このうち、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの偏光としては、Ｂ）の直線偏光を用いる場合が最も効率的にスピン偏極を緩和させることが出来るため望ましい。直線偏光の場合、スピン偏極の向きによらず光の吸収率は一定であり、そして励起したアルカリ金属原子は、自発脱励起、あるいはクエンチャガスとの衝突脱励起等によって２つの基底準位へほぼ均等に遷移するため、スピン偏極は緩和される。同様にスピン偏極を緩和するためには、Ａ）の非偏光な光を用いる場合、出来る限り電場の振動方向が時間的にランダムで平均的に円偏光度が０である光を用意する必要がある。また、Ｃ）のポンプ光と同じ向きに伝搬する逆回転の円偏光の光、あるいはＤ）のポンプ光と逆向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光を用いる場合、新たなスピン偏極を生成しないように、緩和光の強度を適切に調整する必要がある。前記いずれの場合においても、緩和光１０６ａおよび１０６ｂ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。また、十分な光強度を得られるなら、ポンプ光光学系１０２の光の一部を分離して用いても良い。
【００２４】
緩和光１０６ａおよび１０６ｂは、光変調器１０７および１０８において、互いに異なる変調周波数で変調される。ここで、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの変調周波数は、互いに倍波関係のない周波数であることが好ましい。また、光変調器１０７および１０８により緩和光１０６ａおよび１０６ｂに与える変調としては、例えば、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの光強度の変調、波長の変調が挙げられる。また、緩和光の１０６aと１０６ｂとの位相が異なるように変調をかけてもよい。すなわち、本実施形態において、複数の緩和光の強度の時間変化の周期または波長の時間変化の周期と、複数の緩和光の位相の少なくとも一方が互いに異なれば良い。
なお、緩和光光学系１０５は、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長あるいはＤ２遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段を有していてもよい。
本実施形態の一例としては、緩和光光学系１０５は、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ±１０ｎｍの範囲）あるいは、カリウム原子のＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ±１０ｎｍの範囲）に固定するための光周波数安定化手段を有している。あるいは、セル内のアルカリ金属原子がルビジウムである場合は、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの波長はルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９５．０ｎｍ±１０ｎｍの範囲）、あるいは、ルビジウム原子のＤ２遷移共鳴波長（７８０．２ｎｍ±１０ｎｍの範囲）に固定され、セル内のアルカリ金属原子がセシウムである場合は、緩和光１０６ａおよび１０６ｂの波長はセシウム原子のＤ１遷移共鳴波長あるいは、セシウム原子のＤ２遷移共鳴波長に固定される。さらに、緩和光強度が十分にある場合は、遷移共鳴波長から多少離調をとっても良い。
【００２５】
セル１０１に入射したポンプ光１０３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、電子の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は、ポンプ光による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。Ｒｒｅｌ（ｔ）は、緩和光による緩和レートを表している。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
【数１】
2017026405.tif 000003
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２】
2017026405.tif 000004
【００２６】
また、緩和レートは、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。Ｉｒｅｌは、緩和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、緩和光の光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３】
2017026405.tif 000005
【００２７】
式（２）において、緩和光強度Ｉｒｅｌまたは緩和光周波数νが時間ｔに対して変化することで、緩和レートＲｒｅｌ（ｔ）を変動させることができる。その具体例として、光変調器１０７を通過した緩和光１０６ａの緩和レートＲｒｅｌ（ｔ）が、次式（式（３））で表される周波数ωａの正弦波状で時間的に変化する場合を考える。
【数４】
2017026405.tif 000006
【００２８】
式（３）で表される時間的に変動する緩和レートのもと、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、緩和光１０６ａと平行方向のスピンＳｚａを求める。緩和光の変調周波数ωａが緩和レートＲｒｅｌに比べて十分に大きいとき、展開した式の中で、Ｒｒｅｌ／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５】
2017026405.tif 000007
【００２９】
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））で表される。
【数６】
2017026405.tif 000008
【００３０】
ここで、Ω０（＝γ×Ｂｚ／ｑ）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により変調されることを示している。
【００３１】
同様に、緩和光１０６ｂに変調周波数ωｂを印加した場合のスピンＳｘｂ（ｔ）の応答は、式（５）のωａをωｂに置き換えた形となる。
【００３２】
プローブ光光学系１０９から出射されるプローブ光１１０の偏光は、直線偏光である。測定領域１１７ａを通過したプローブ光１１０の偏光面は、測定領域１１７ａでのスピン偏極Ｓｘａに比例した常磁性ファラデー回転を受ける。次いで、測定領域１１７ｂを通過したプローブ光１１０の偏光面は、スピン偏極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１１０は、測定領域１１７ａおよび１１７ｂ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。
【００３３】
その後にプローブ光１１０は、偏光分離素子１１１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１１１を透過した光はフォトディテクタ１１２で、偏光分離素子１１１により反射された光はフォトディテクタ１１３で、それぞれ検出され、検出信号として差分回路１１４に出力される。前記検出信号は差分回路１１４によってそれらの光強度の差分が測定され、測定領域１１７ａおよび１１７ｂにおける磁場強度を反映した磁気信号を出力する。前記出力は、復調器１１５および１１６によってそれぞれ光変調器１０７および１０８の変調周波数に応じた周波数で復調される。
【００３４】
復調器１１５で角周波数ωａによって復調した場合の復調器１１５からの出力Ｖ（ｔ）は、次式（式（６））で表される。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７】
2017026405.tif 000009
【００３５】
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、測定領域１１７ａからの磁気信号と測定領域１１７ｂ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１１５において光変調器１０７の変調周波数と同じ周波数で復調することで、測定領域１１７ａからの磁気信号を測定することができる。また、復調器１１６において光変調器１０８の変調周波数と同じ周波数で復調することで、測定領域１１７ｂ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１１０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。
【００３６】
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緩和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で伝達することができる。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。
【００３７】
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、そのセルに複数の緩和光を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および緩和光が入射する構成となる。また、本実施形態は、複数の緩和光は各々異なる変調周波数で変調される場合だけでなく、各々異なる位相で変調される場合も含む。複数の緩和光が各々異なる位相で変調される場合、変調周波数は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。
【００３８】
以下、第２実施形態から第６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。
【００３９】
［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および磁気センシング方法について、図２および図３を用いて説明する。図１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。
【００４０】
図２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構成を示す斜視図である。
【００４１】
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２を用いて説明する。
【００４２】
本実施形態による光ポンピング磁力計２００は、図２に示すように、恒温断熱槽２０１と、プローブ光光源２０２と、直線偏光素子２０３と２分の１波長板２０４と、ポンプ光光源２０５と、直線偏光素子２０６と、４分の１波長板２０７と、緩和光光源２０８および２０９と、直線偏光素子２１０および２１１と、光変調器２１２および２１３と、偏光測定系３００とを有している。
【００４３】
恒温断熱槽２０１内には、アルカリ金属原子、例えばカリウム（Ｋ）原子が内包されたセルが配置される。恒温断熱槽２０１の壁面には、恒温断熱槽２０１内にプローブ光２２０、ポンプ光２３０および緩和光２４０および２４１を導入するための光学窓２１４、２１５、２１６、および２１７が設けられる。恒温断熱槽２０１の周囲には、バイアス磁場調整用コイル２１８が配置される。
【００４４】
プローブ光光源２０２は、直線偏光素子２０３、２分の１波長板２０４および光学窓２１４を介して、恒温断熱槽２０１中のセルに直線偏光成分を有するプローブ光２２０を入射するようになっている。セルを通過したプローブ光２２０は、光学窓２１５を介して偏光測定系３００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２２０が、図２に示す座標系においてｘ方向に沿って恒温断熱槽２０１中のセル内を伝搬するように、配置される。
【００４５】
ポンプ光光源２０５は、直線偏光素子２０６、４分の１波長板２０７および光学窓２１６を介して、恒温断熱槽２０１中のセルにポンプ光２３０を入射するようになっている。セルに入射した円偏光成分を有するポンプ光２３０は、プローブ光２２０並びに緩和光２４０および２４１と交差する。これらポンプ光光学系は、ポンプ光２３０が、図２に示す座標系において、−ｙ方向に沿って恒温断熱槽２０１中のセル内を伝搬するように、配置される。セルを透過したポンプ光２３０は、恒温断熱槽２０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽から出射させた後、光ターミネータ等で終端処理しても良い。
【００４６】
緩和光光源２０８は、直線偏光素子２１０、光変調器２１２および光学窓２１７を介して、恒温断熱槽２０１中のセルに緩和光２４０を入射するようになっている。緩和光光源２０９は、直線偏光素子２１１、光変調器２１３および光学窓２１７を介して、恒温断熱槽２０１中のセルに緩和光２４１を入射するようになっている。
【００４７】
これにより、恒温断熱槽２０１中のセルの互いに異なる位置に、直線偏光成分を有する緩和光２４０および２４１が入射する。恒温断熱槽２０１中のセルに入射した緩和光２４０および２４１は、セル内の互いに異なる位置においてプローブ光２２０およびポンプ光２３０と交差する。これら緩和光光学系は、緩和光２４０および２４１が、図２に示す座標系において、−ｚ方向に沿ってセル内を伝搬するように、配置される。
【００４８】
セルを通過した緩和光２４０および２４１は、恒温断熱槽２０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽から出射させた後、光ターミネータ等で終端処理しても良い。
【００４９】
偏光測定系３００に入射したプローブ光２２０は、その偏光が測定される。図３は偏光測定系３００の詳細図である。偏光分離素子３０１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３０１の透過光はフォトディテクタ３０２に入射し、偏光分離素子３０１の反射光はフォトディテクタ３０３に入射するようになっている。フォトディテクタ３０２および３０３には、差分回路３０４を介して、復調器３０５および３０６が接続される。
【００５０】
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。
【００５１】
〔１〕恒温断熱槽
恒温断熱槽２０１内には、ガラスセルが設置される。このセルは、ガラスなど、プローブ光やポンプ光を透過する透明な材料により構成された気密構造体である。セル内には、アルカリ金属原子が封入される。本明細書においてセルに利用可能なアルカリ金属原子としては、カリウム（Ｋ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子やセシウム（Ｃｓ）原子が挙げられる。セル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、カリウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子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。
【００５２】
また、セル内には、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に働き、光ポンピングの効率を上げるために有効である。
【００５３】
カリウム原子は、自原子同士およ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、カリウム原子が好ましい。
【００５４】
一方、ルビジウム原子やセシウム原子はカリウム原子に比べて同一温度下での蒸気圧が高いため、カリウム原子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。
【００５５】
またセル中の緩和光２４０および２４１とプローブ光２２０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ことができる構造、例えば板等を設けてもよい。この構造はプローブ光が透過できる透明な構造、例えばガラス板等が好ましく、プローブ光が通る箇所以外はバッファガスが通るための穴が空いていてもよい。
【００５６】
測定時には、セル内のガス状態のアルカリ金属原子の密度を高めるために、セルを最大２００℃程度の温度まで加熱する。この熱を外に逃がさないための役割を、恒温断熱槽２０１は担っている。恒温断熱槽２０１の、プローブ光２２０の光路上には光学窓２１４および２１５が設置され、ポンプ光２３０の光路上には光学窓２１６が設置され、緩和光２４０および２４１の光路上には光学窓２１７が設置され、それら光が恒温断熱槽２０１内を通過できる構造になっている。
【００５７】
恒温断熱槽２０１中のセル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２０１内に流し込みセルを加熱する方式が挙げられる。或いは、恒温断熱槽２０１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２０１の外部から導入した光をセル或いはセル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。
【００５８】
〔２〕バイアス磁場調整用コイル
バイアス磁場調整用コイル２１８は、図２に示すように、恒温断熱槽２０１の周囲に配置される。バイアス磁場調整用コイル２１８は、不図示の外部環境から侵入する磁場を低減するための磁気シールド内に設置される。
【００５９】
バイアス磁場調整用コイル２１８は、恒温断熱槽２０１中のセル周囲の磁場環境を操作するために用いられる。バイアス磁場調整用コイル２１８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２１８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２３０と平行方向（図中ｙ方向）にバイアス磁場を印加する。そして、プローブ光２２０およびポンプ光２３０に対して直交する方向（図中ｚ方向）の磁場を測定する。
【００６０】
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２１８（図中ｘ方向およびｚ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、不均一な磁場を補正するために、勾配補正コイル（シムコイル）を追加して設置してもよい。
【００６１】
〔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２０２と、直線偏光素子２０３と、２分の１波長板２０４とを含んで構成される。
【００６２】
プローブ光光源２０２から出射されるプローブ光２２０の波長は、信号応答が最大になるようアルカリ金属原子の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、恒温断熱槽２０１中のセルのバッファガス圧および温度に依存する。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２２０は、直線偏光素子２０３により直線偏光とされる。また、波長の選定基準として、シグナル−ノイズ比（ＳＮ比）を最大化する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ため、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。
【００６３】
〔４〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、図２に示すように、ポンプ光光源２０５と、直線偏光素子２０６と、４分の１波長板２０７とを含んで構成される。
【００６４】
ポンプ光光源２０５から出射されるポンプ光２３０の波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせる。ポンプ光光源２０５は、ポンプ光２３０の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段を有している。このポンプ光２３０は、直線偏光素子２０６により直線偏光に成形され、４分の１波長板２０７によって円偏光に変換される。この際、ポンプ光２３０は、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。
【００６５】
円偏光となったポンプ光２３０は、恒温断熱槽２０１中のセルに入射し、セル中のポンプ光２３０の光路上のアルカリ金属原子群を偏極する。
【００６６】
またポンプ光光学系として、プローブ光２２０と緩和光２４０の交差領域およびプローブ光２２０と緩和光２４１の交差領域をそれぞれ別のポンプ光光源からのポンプ光で照射してスピン偏極する構成も利用可能である。
【００６７】
〔５〕緩和光光学系
緩和光光学系は、図２に示すように、緩和光光源２０８および２０９と、直線偏光素子２１０および２１１と、光変調器２１２および２１３とを含んで構成される。
【００６８】
緩和光光源２０８から出射される緩和光２４０および緩和光光源２０９から出射される緩和光２４１の波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせる必要がある。そのため、緩和光光源２０８および２０９は、緩和光２４０および２４１の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長、例えばカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長であれば、７７０．１ｎｍに固定するための光周波数安定化手段を有している。緩和光としては、１つの光源からの光をビームスプリッタ等で分割して用いても良い。また、緩和光２４０および２４１の波長はアルカリ金属原子のＤ２遷移共鳴波長、例えばカリウム原子のＤ２遷移共鳴波長７６６．７ｎｍに固定してもよい。さらに、緩和光強度が十分にある場合は、遷移共鳴波長から多少離調をとっても良い。
【００６９】
緩和光２４０および２４１は、それぞれ直線偏光素子２１０および２１１において直線偏光へ成形された後、光変調器２１２および２１３において変調を受ける。この緩和光２４０および２４１の偏光は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直線偏光が好ましい。
【００７０】
緩和光２４０および２４１は、光学窓２１７を透過して恒温断熱槽２０１中のセルに入射し、恒温断熱槽２０１中のセル中の緩和光２４０および２４１の光路上のアルカリ金属原子群のスピン偏極を緩和させる。緩和光２４０および２４１は、セルの異なる箇所に同時に入射することができる。緩和光２４０および２４１とポンプ光２３０の位置関係は必ずしも直交している必要はなく、緩和光２４０および２４１がプローブ光２２０とポンプ光２３０の交差領域を透過すればよく、ポンプ光２３０に対して任意の角度で交差領域へ入射させることができる。また、４分の１波長板２０７を透過し円偏光となったポンプ光２３０をハーフミラー等によって重ね合わせて、緩和光２４０および２４１と同じｚ方向から入射させても良い。
【００７１】
恒温断熱槽２０１中のセルを透過した緩和光２４０および２４１は、恒温断熱槽２０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽から出射させた後、終端処理しても良い。
【００７２】
なお、緩和光光源を３つ以上用いて３本以上の緩和光をセルの複数箇所に同時に入射しても良い。この場合、３か所以上の異なる場所の磁気情報を同時に測定することができる。
【００７３】
緩和光２４０および緩和光２４１は、光変調器２１２および２１３によってそのスピン緩和レートに変調を受ける。緩和光存在下のスピン偏極の縦緩和時間Ｔ１´はおおよそＴ１´〜１ｍｓである。緩和光存在下のスピン偏極の縦緩和時間Ｔ１´より長い時間、緩和光を照射しても、スピン偏極の変化は小さくなり非効率である。このため、変調周波数としては、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。
【００７４】
また、式（５）の第２項の係数、
【数８】
2017026405.tif 000010
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。
【００７５】
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。
【００７６】
光変調器２１２および２１３における変調方式としては、例えば、緩和光強度変調、緩和光波長変調、位相変調、パルス幅（デューティー比）の変調が挙げられる。光変調器２１２および２１３の具体的な構成について、図４を用いて以下に説明する。
【００７７】
〔５．１〕緩和光強度変調
緩和光強度変調の一例としては、光チョッパーを用い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、緩和光４０１ａを光チョッパー４０２に入射することで、光強度に矩形波状の変調のかかった緩和光４０１ｂを得ることができる。光チョッパー４０２の変調周波数は、光チョッパー４０２を制御するための信号発生器４０３により制御することができる。
【００７８】
緩和光強度変調の他の例としては、電気光学素子を用い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用いて、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、緩和光４０４ａを２分の１波長板４０５に入射し、緩和光４０４ａの偏光を電気光学素子４０６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４０５を通した緩和光４０４ａを電気光学素子４０６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素子４０８に通すと、直線偏光素子４０８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緩和光４０４ｂを得ることができる。電気光学素子４０６による変調周波数は、電気光学素子４０６に印加する電界を制御するための信号発生器４０７により制御することができる。
【００７９】
緩和光強度変調は、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。
【００８０】
〔５．２〕緩和光波長変調
緩和光の波長を変化させる手段の一例としては、音響光学素子を用いた方法が挙げられる。図４（ｃ）に示すように、音響光学素子４１１に緩和光４０９ａ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４１０によってその偏光角を調整しておくことが望ましい。ＲＦ発生器４１２により音響光学素子４１１に電気信号を印加すると、緩和光４０９ａはいくつかのオーダーに回折され、その光周波数が変化する。音響光学素子４１１の入射前の緩和光４０９ａの光周波数をω０とし、ＲＦ発生器４１２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４１１は緩和光４０９ａをω０＋ＮωＲＦの光周波数を持つ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、波長変調した緩和光４０９ｂを得ることができる。一次回折光の光周波数変化量は、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、光周波数変化量が、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、光周波数変化量が数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。
【００８１】
緩和光波長変調は、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。
【００８２】
〔６〕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３０１と、フォトディテクタ３０２および３０３と、差分回路３０４と、復調器３０５および３０６とを含んで構成される。
【００８３】
偏光分離素子３０１に入射するプローブ光２２０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３０１への入射光がすべて透過してフォトディテクタ３０２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３０３に入射する。
【００８４】
２つに分割された光のパワー強度をフォトディテクタ３０２および３０３によりそれぞれ測定し、その差を差分回路３０４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２２０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３０２および３０３に同じ光パワーの光が入射することになり、差分回路３０４からの出力は０になる。
【００８５】
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３０２および３０３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３０４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３０４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、それぞれの測定における磁場強度を反映したものである。
【００８６】
差分回路３０４の出力信号は、復調器３０５および３０６に入力され復調される。復調器としては、例えば、ロックインアンプが挙げられる。このとき、復調器３０５において、光変調器２１２の変調周波数と同じ周波数で復調することにより、プローブ光２２０と緩和光２４０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３０６においては、光変調器２１３の変調周波数と同じ周波数で復調することにより、プローブ光２２０と緩和光２４１との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。
【００８７】
なお、ここでは２つの復調器３０５および３０６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３０４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。
【００８８】
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、緩和光２４０および２４１それぞれの変調周波数がｆｂ［Ｈｚ]，ｆｃ［Ｈｚ]（ｆｂ＜ｆｃ）とすると、各測定領域で測定可能な周波数帯域を変調周波数差の半分（ｆc−ｆb）／２［Ｈｚ]以下に制限しておく必要がある。例えば、緩和光２４０で測定したい信号の周波数、被測定信号周波数がｆｘ［Ｈｚ]、緩和光２４１で測定したい信号の周波数、被測定信号周波数がｆｙ［Ｈｚ]とする。その場合、差分回路３０４からの出力の周波数スペクトルはｆｂ―ｆｘ［Ｈｚ]，ｆｂ＋ｆｘ［Ｈｚ]，ｆc―ｆｙ［Ｈｚ]，ｆc＋ｆｙ［Ｈｚ]の４つのピークをもつスペクトルとなる。この差分回路３０４からの出力を（ｆｂ＋ｆｃ）／２［Ｈｚ]の周波数で分離して復調することで、被測定周波数ｆｘ［Ｈｚ]、ｆｙ［Ｈｚ]の信号を分離して取り出すことができる。しかし、ここで被測定信号周波数ｆｙが変調周波数差の半分、（ｆｃ―ｆｂ）／２［Ｈｚ]より大きいとすると、（ｆｂ＋ｆｃ）／２＞ｆc―ｆｙとなる。そのため、この差分回路３０４からの出力を復調器３０５および３０６で復調した場合、周波数ｆｘ［Ｈｚ]の信号に加えて、ｆc―ｆｂ―ｆｙ［Ｈｚ]という周波数の信号が出力されてしまう。これは緩和光２４１との交差領域からの信号がノイズとして復調器３０５および３０６からの出力に入ってしまい、緩和光２４０との交差領域からの被測定信号と混同され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２０１の周囲に配置し周波数が（ｆｃ―ｆｂ）／２［Ｈｚ]以上の磁気信号を遮蔽することで、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ることができる。この場合、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。
【００８９】
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緩和光の変調周波数を変えることができるので、異なる位置におけるそれぞれの磁気情報をプローブ光で伝達することができる。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。
【００９０】
［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および磁気センシング方法について説明する。本実施形態による光ポンピング磁力計の構成と作用は、恒温断熱層、バイアス磁場コイル、プローブ光学系およびポンプ光学系において、図２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。また、緩和光光学系の構成は、第２実施形態と同様であるが、光変調器２１２、２１３で与える変調の与え方が異なっている。偏光測定系５００の詳細な構成は、図５のように、偏光分離素子５０１、フォトディテクタ５０２および５０３、並びに差分回路５０４から成り立っている。
【００９１】
本実施形態による光ポンピング磁力計では、それぞれの緩和光２４０および２４１に加える変調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実施形態と同様の実施箇所についての説明は省略或いは簡潔にし、この実施形態に固有の部分を中心に以下に説明する。
【００９２】
本実施形態では、光変調器２１２および２１３によって緩和光２４０および２４１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とアルカリ金属原子のスピン偏極の緩和時間Ｔ２との関係が、Ｔ２≦１／（２πｆｍｏｄ）＝Ｔｍｏｄとなるように選択される。一例としては、変調周波数ｆｍｏｄが１６０Ｈｚのとき、緩和時間Ｔ２が１ｍｓとなるアルカリ金属原子が内包されたセルが挙げられる。第２実施形態に記載したように、典型的には緩和光存在下のスピン偏極の縦緩和時間Ｔ１´は、１ｍｓ程度であり、この縦緩和が支配的である。この縦緩和時間Ｔ１´は緩和光強度を変化させることによって有る程度調整可能である。
【００９３】
位相の異なる強度変調の様子を、図６（ａ）に示す。測定時間ｔ＝０のとき、位相φ＝０と定義する。緩和光２４０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、緩和光２４１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。
【００９４】
このように、同じ変調周波数で異なる位相で変調された緩和光２４０および２４１が、プローブ光２２０の光路上の異なる領域に照射される。この結果、それぞれの緩和光２４０および２４１とプローブ光２２０との交差する領域でのポンプ光方向のスピンの成分Ｓｚは、図６（ｂ）に示される時間波形で表される。すなわち、緩和光２４０が照射される領域と緩和光２４１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Ｓｚの大きさの時間波形は、緩和光２４０および２４１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。
【００９５】
このスピン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の成分Ｓｘを生じるので、プローブ光２２０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２２０から、偏光分離素子５０１、フォトディテクタ５０２および５０３並びに差分回路５０４を経て得られる出力がプローブ光２２０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。
【００９６】
差分回路５０４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。
【００９７】
まず、差分回路５０４からの出力は、時系列の信号として不図示の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、前記補間により、この信号を再現できることが保証される。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を用いることができるため、よりスムーズな補間による正確な信号の再現が可能である。
【００９８】
第２実施形態では、１つのプローブ光２２０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、緩和光波長の変調も有効である。
【００９９】
なお、本実施形態では、１つのプローブ光に対して、２つの緩和光を用いる例を説明したが、緩和光の数を３つ、４つと増やすことも可能である。緩和光を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つの範囲に分割することで測定の多重化を行うことができる。また、緩和光を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ごとに分割することで測定の多重化を行うことができる。
【０１００】
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緩和光を、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で伝達することができる。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。
【０１０１】
［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および磁気センシング方法について、図７および図８を用いて説明する。
【０１０２】
図７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８は、図７の座標系におけるｘ−ｚ平面に平行な面に沿った概略射影図である。
【０１０３】
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７および図８を用いて説明する。
【０１０４】
本実施形態による光ポンピング磁力計７００は、図７に示すように、セルを内包した恒温断熱槽７０１および７０２と、ポンプ光光源７０３および７０４と、ミラー７０７および７０８と、緩和光光源７１１および７１２と、光変調器７１５および７１６と、ミラー７０９および７１０とを有している。また、光ポンピング磁力計７００は、図７および図８に示すように、プローブ光光学系８０１と、ミラー８０３と、および偏光測定系８０４とを有している。図中、恒温断熱槽７０１および７０２に隣接して描かれた球体は、測定対象物７２０を想定したものである。
【０１０５】
本実施形態による光ポンピング磁力計７００の光学系は、プローブ光学系８０１の光源から発せられたプローブ光８０２およびポンプ光光源７０３および７０４から発せられたポンプ光７０５および７０６および緩和光光源７１１および７１２からから発せられた緩和光７１３、７１４が、それぞれ以下に示す光路を伝搬するように、配置される。
【０１０６】
図８に示すように、プローブ光学系８０１の光源から発せられたプローブ光８０２は、恒温断熱槽７０１内に入射し、恒温断熱槽７０１内に配置された不図示の第１のアルカリ金属原子が封入された第１のセルをｘ方向に沿って伝搬した後、恒温断熱槽７０１から出射される。恒温断熱槽７０１から出射したプローブ光８０２は、ミラー８０３によって９０度屈曲され、恒温断熱槽７０２内に入射し恒温断熱槽７０２内に配置された不図示の第２のアルカリ金属原子が封入された第２のセルを−ｚ方向に沿って伝搬した後、恒温断熱槽７０２から出射する。恒温断熱槽７０２から出射したプローブ光８０２は、偏光測定系８０４に入射する。
【０１０７】
図７に示すように、ポンプ光光源７０３から発せられたポンプ光７０５は、ミラー７０７を介して、恒温断熱槽７０１内に入射し、前記第１のセルをｙ方向に沿って伝搬する。ポンプ光光源７０４から発せられたポンプ光７０６は、ミラー７０８を介して、恒温断熱槽７０２内に入射し、前記第２のセルをｙ方向に沿って伝搬する。ポンプ光７０５、７０６はその円偏光成分によってセルのアルカリ金属原子群を偏極する。また、緩和光光源７１１から発せられた緩和光７１３は、光変調器７１５およびミラー７０９を介して、恒温断熱槽７０１内に入射し、前記第１のセル内を−ｙ方向に沿って伝搬する。そして、前記第１のセル内において、プローブ光８０２、ポンプ光７０５と緩和光７１３とが交差する。緩和光光源７１２から発せられた緩和光７１４は、光変調器７１６およびミラー７１０を介して、恒温断熱槽７０２内に入射し、前記第２のセル内を−ｙ方向に沿って伝搬する。そして、前記第２のセル内において、プローブ光８０２、ポンプ光７０６と緩和光７１４とが交差する。
【０１０８】
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。
【０１０９】
〔１〕恒温断熱槽
恒温断熱槽７０１および７０２には、アルカリ金属原子が封入されたセル（図示せず）がそれぞれ内包される。恒温断熱槽７０１および７０２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７０１および７０２は光学窓等の、光を内部のセルへ伝搬し、また光をセルから取り出せる手段を有している。さらに、恒温断熱槽７０１および７０２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および勾配補正コイルが配置される。
【０１１０】
恒温断熱槽７０１および７０２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７０１および７０２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。
【０１１１】
図７および図８には、セルを内包した２つの恒温断熱槽７０１および７０２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。
【０１１２】
また、複数の恒温断熱槽７０１および７０２の配置は、測定対象物７２０の形状等に応じて適宜変更することができる。例えば、図７および図８の例では、恒温断熱槽７０１内を通過するプローブ光８０２の光路と、恒温断熱槽７０２内を通過するプローブ光８０２の光路とが直交するように恒温断熱槽７０１および７０２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。
【０１１３】
〔２〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、ポンプ光光源７０３および７０４と、ミラー７０７および７０８とを含んで構成される。
【０１１４】
ポンプ光光源７０３および７０４は、その出射光の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段およびその出射光の偏光を円偏光にするための円偏光子を含む。ポンプ光７０５および７０６は、その円偏光成分によってセルのアルカリ金属原子群を偏極する。
【０１１５】
〔３〕緩和光光学系
緩和光光学系は、緩和光光源７１１および７１２のほか、光学変調器７１５および７１６と、ミラー７０９および７１０とを含んで構成される。
【０１１６】
緩和光光源７１１および７１２は、その出射光の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長あるいはＤ２遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段およびその出射光の偏光を直線偏光にするための直線偏光素子を含む。
【０１１７】
緩和光光源７１１から出射される緩和光７１３および緩和光光源７１２から出射される緩和光７１４は、光変調器７１５および光変調器７１６において、それぞれ互いに異なる変調周波数において変調される。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、緩和光７１３および７１４は、光変調器７１５および光変調器７１６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。
【０１１８】
また、ポンプ光７０５と緩和光７１３およびポンプ光７０６と緩和光７１４はそれぞれ互いに平行にセル中へ入射する必要はない。緩和光７１３はプローブ光８０２およびポンプ光７０５の交差領域へ照射されれば良く、緩和光７１４はプローブ光８０２およびポンプ光７０６の交差領域へ照射されれば良い。
【０１１９】
〔４〕プローブ光光学系
プローブ光光学系は、プローブ光光学系８０１と、ミラー８０３とを含んで構成される。
【０１２０】
プローブ光光学系８０１から出射されるプローブ光８０２の偏光は、直線偏光である。プローブ光８０２は、恒温断熱槽７０１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８０２は、セル中のアルカリ金属原子群により、被測定磁場に比例したファラデー回転を受ける。
恒温断熱槽７０１から出射したプローブ光８０２は、ミラー８０３により、光学窓を透過して恒温断熱槽７０２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８０２は、セル中のアルカリ金属原子群より、被測定磁場に比例したファラデー回転を更に受ける。
【０１２１】
なお、恒温断熱槽７０１と恒温断熱槽７０２との間の光導波手段は、プローブ光８０２の偏光を保ちつつ光学窓から恒温断熱槽７０２内へプローブ光８０２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８０３である必要はない。例えば、ミラー８０３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。
【０１２２】
〔５〕偏光測定系
恒温断熱槽７０２内のセルを透過したプローブ光８０２は、偏光測定系８０４に入射する。偏光測定系８０４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８０２とポンプ光７０５と緩和光７１３との交差領域の磁気信号と、プローブ光８０２とポンプ光７０６と緩和光７１４との交差領域の磁気信号とを取り出すことができる。
【０１２３】
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で伝達することができる。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。
【０１２４】
［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および磁気センシング方法について、図９および図１０を用いて説明する。本実施形態では、複数種のアルカリ金属原子の組み合わせを用いる実施形態が示されるが、例示的にカリウム原子およびルビジウム原子を用いる実施形態を示す。また、前記複数種のアルカリ金属原子の組み合わせは、カリウム原子とセシウム原子との組みあわせ、ルビジウム原子とセシウム原子との組み合わせであっても良い。
【０１２５】
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。
【０１２６】
本実施形態による光ポンピング磁力計９００は、図９に示すように、恒温断熱槽９０１と、ポンプ光光源９０２と、プローブ光光源９１１および９１２と、偏光測定系９１７および９１８と、緩和光光学系９２１および９２２と、光変調器９２５および９２６と、緩和光拡大系９２７および９２８とを有している。
【０１２７】
恒温断熱槽９０１内には、カリウム原子およびルビジウム原子が内包されたセルが配置さる。また、恒温断熱槽９０１の周囲には、不図示のバイアス磁場調整用コイルが配置される。
【０１２８】
プローブ光光源９１１は、恒温断熱槽９０１中のセルに直線偏光成分を有するプローブ光９１３を入射するようになっている。セルを通過したプローブ光９１３は偏光測定系９１８に入射し、その変更が測定されるようになっている。
【０１２９】
プローブ光光源９１２は、恒温断熱槽９０１中のセルに直線偏光成分を有するプローブ光９１４を入射するようになっている。セルを通過したプローブ光９１４は、偏光測定系９１７に入射し、その変更が測定される。
【０１３０】
これらプローブ光光学系は、プローブ光９１３および９１４が、図９に示す座標系においてｘ方向に沿って恒温断熱槽９０１中のセル内を伝搬するように、配置される。
【０１３１】
ポンプ光光源９０２は、恒温断熱槽９０１中のセルに円偏光成分を有するポンプ光９０３を図９に示す座標系において、ｙ方向に沿って恒温断熱槽９０１中のセル内を伝搬するように配置される。
【０１３２】
緩和光光源９２１は、光変調器９２５および緩和光拡大系９２７を介して、恒温断熱槽９０１中のセルに直線偏光成分を持つ緩和光９２３を入射するようになっている。セルに入射した緩和光９２３は、プローブ光９１３および９１４並びにポンプ光９０３と交差する。
【０１３３】
緩和光光源９２２は、光変調器９２６および緩和光拡大系９２８を介して、恒温断熱槽９０１中のセルに緩和光９２４を入射するようになっている。セルに入射した緩和光９２４は、プローブ光９１３および９１４並びにポンプ光９０３と交差する。
【０１３４】
これら緩和光光学系は、緩和光９２３および９２４が、図９に示す座標系において、−ｚ方向に沿ってセル内を伝搬するように、配置される。
【０１３５】
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。
【０１３６】
〔１〕恒温断熱槽９０１
恒温断熱槽９０１内には、ガラスセルが設置される。このガラスセル内には、ポンプ光の進行方向のアルカリ金属原子のスピン偏極を空間的に均一にするために、カリウム原子とルビジウム原子とが封入される。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、カリウム原子とセシウム原子との組みあわせ、ルビジウム原子とセシウム原子との組み合わせが挙げられる。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、自原子同士およ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、カリウム原子とルビジウム原子との組み合わせが最も好ましい。
【０１３７】
また、ルビジウム原子はカリウム原子と比べて、同じ温度での蒸気圧が高いため、セルのルビジウム原子の封入量をカリウム原子よりも少なくすることが好ましい。また、セル内には、カリウム原子とルビジウム原子の他に、バッファガスおよびクエンチャガスとして、それぞれヘリウムガスおよび窒素ガスが封入される。
【０１３８】
〔２〕ポンプ光光学系
ポンプ光光源９０２は、ポンプ光９０３の波長をルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９５．０ｎｍ）に固定するための光周波数安定化手段を有している。このポンプ光９０３は、円偏光成分を含むように１／４波長板等で変換しておく。円偏光のポンプ光９０３は、光学窓を通して恒温断熱槽９０１中のセルに入射され、セル中のルビジウム原子をスピン偏極する。
【０１３９】
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）および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９０２は、カリウム原子によってほとんど吸収されない。
【０１４０】
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９０３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９０３の吸収率が小さくなる。この結果、ポンプ光９０３の強度が十分に大きければ、プローブ光９１３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９１４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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
セルを透過したポンプ光９０３は、恒温断熱槽９０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽から出射させた後、終端処理されても良い。
【０１４３】
〔３〕緩和光光学系
緩和光光源９２１は、緩和光９２３の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ）あるいはＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ）に固定するための光周波数安定化手段を有している。緩和光光源９２２は、緩和光９２４の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ）あるいはＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ）に固定するための光周波数安定化手段を有している。これら緩和光９２３および９２４は、同じ光源からの光を２つに分割して用いてもよい。さらに、緩和光強度が十分にある場合は、遷移共鳴波長から多少離調をとっても良い。
【０１４４】
これら緩和光９２３および９２４は、光変調器９２５および９２６において変調を受けた後、緩和光拡大系９２７および９２８によってプローブ光９１３および９１４に同時に当たるようにビーム成形される。この緩和光拡大系９２７は、プローブ光９１３および９１４とポンプ光９０３の交差領域に緩和光９２３を照射できればよく、ビームスプリッタ等で２つに分割してプローブ光９１３および９１４に照射する構成であってもよい。また、緩和光拡大系９２８も、ビームスプリッタ等で２つに分割してプローブ光９１３および９１４に照射する構成であってもよい。
【０１４５】
この緩和光９２３および９２４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、一定の光強度の緩和光で効率よくカリウム原子のスピン緩和を促進するためには直線偏光が好ましい。また、緩和光９２２および９２３の波長はルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９５．０ｎｍ）あるいはＤ２遷移共鳴波長（７８０．２ｎｍ）に固定してもよい。しかしこの場合、緩和光９２２および９２３によるルビジウム原子のスピン偏極の緩和は、スピン交換相互作用を介してカリウム原子のスピン偏極を緩和させるため効率が良くない。そのため、一定の光強度の緩和光で効率よくカリウム原子のスピン緩和を促進するためにはカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長あるいはＤ２遷移共鳴波長に合わせるのが好ましい。
【０１４６】
恒温断熱槽９０１中のセルを透過した緩和光９２３および９２４は、恒温断熱槽９０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽９０１から出射させた後、終端処理しても良い。なお、緩和光光学系は、２つに限定されるものではなく３つ以上用いても良い。
【０１４７】
〔４〕プローブ光光学系
プローブ光光源９１１から出射されるプローブ光９１３の波長およびプローブ光光源９１２から出射されるプローブ光９１４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、恒温断熱槽９０１中のセルのバッファガス圧および温度に依存する。この波長を安定的に保つために、プローブ光光源９１１および９１２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９１３および９１４は、直線偏光素子等によってそれぞれ直線偏光に変換しておく。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９１３および９１４の波長は、ルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長およびＤ２遷移共鳴波長とも十分離れている。そのため、プローブ光９１３および９１４は、ルビジウム原子による吸収やファラデー相互作用を受けたりせずに、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。
【０１４８】
なお、ポンプ光９０３の波長とプローブ光９１３および９１４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９０３の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせ、プローブ光９１３および９１４の波長をルビジウム原子の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。この場合、緩和光９２３および９２４の波長はルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長あるいはルビジウム原子のＤ２遷移共鳴波長に合わせ、スピン交換相互作用を介さず直接ルビジウム原子のスピン偏極を緩和するのが効率的で好ましい。
【０１４９】
〔５〕偏光測定系
プローブ光９１３の偏光を測定する偏光測定系９１８は、図１０に示すように、偏光分離素子１００１と、フォトディテクタ１００３および１００４と、差分回路１００７と、復調器１００９および１０１０とにより構成される。また、プローブ光９１４の偏光を測定する偏光測定系９１７は、偏光分離素子１００２と、フォトディテクタ１００５および１００６と、差分回路１００８と、復調器１０１１および１０１２とにより構成される。
【０１５０】
復調器１００９により、光変調器９２５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９１３と緩和光９２３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１０１０により、光変調器９２６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９１３と緩和光９２４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１０１１により、光変調器９２５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９１４と緩和光９２３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１０１２により、光変調器９２６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９１４と緩和光９２４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９００では、図９に示す座標系において、ｚ方向成分の被測定磁場Ｂｚのｘ−ｙ平面おける４点の磁場分布を測定することができる。
【０１５１】
本実施形態では、ポンプ光の波長としてルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長用い、プローブ光の波長としてカリウム原子のＤ１線機共鳴波長を用いるハイブリッドセルの例を説明した。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原子の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原子の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原子の密度がルビジウム原子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。
【０１５２】
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緩和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で伝達することができる。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。さらに、複数のプローブ光と複数の緩和光とを用いることで、これらプローブ光とポンプ光と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。
【０１５３】
［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および磁気センシング方法について、図１１および図１２を用いて説明する。本実施形態でも、前記第５実施形態と同様に、複数種のアルカリ金属原子の組み合わせを用いる実施形態が示され、例示的にカリウム原子およびルビジウム原子を用いる実施形態を示す。
【０１５４】
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。図１２は光重畳部の概略構成を示す図である。
【０１５５】
本実施形態による光ポンピング磁力計１１００は、図１１に示すように、恒温断熱槽１１０１と、ポンプ光光学系１１０２と、プローブ光光学系１１０４と、緩和光光学系１１０６と、光変調器１１０８および１１０９と、偏光測定系１１１１と、バイアス磁場調整用コイル１１１２と、光重畳部１２００と光分離部１２０１を有している。恒温断熱槽１１０１内には、カリウム原子およびルビジウム原子が内包されたセルが配置される。また、恒温断熱槽１１０１の周囲には、バイアス磁場調整用コイル１１１２が配置される。
【０１５６】
ポンプ光光学系１１０２は、ポンプ光１１０３の波長をルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９５．０ｎｍ）に固定するための光周波数安定化手段を有している。ポンプ光光学系１１０２から射出されたポンプ光１１０３は、円偏光成分を有しており、光重畳部１２００において、ポンプ光１１０３がプローブ光１１０５と重畳するように配置される。プローブ光１１０５と重なり合ったポンプ光１１０３は、図１１に示す座標系において、ｘ方向に沿って恒温断熱槽１１０１中のセル内を伝搬する。
【０１５７】
プローブ光光学系１１０４から出射されるプローブ光１１０５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（７７０．１ｎｍ）から数ＧＨｚ程度の離調をとる。光重畳部１２００においてプローブ光１１０５は直線偏光成分を有しており、ポンプ光１１０３と重畳するように配置される。ポンプ光１１０３と重なり合ったプローブ光１１０５は、図１１に示す座標系において、ｘ方向に沿って恒温断熱槽１１０１中のセル内を伝搬する。
【０１５８】
緩和光光学系１１０６から射出された直線偏光成分を持つ緩和光１１０７ａは光変調器１１０８を介して、また緩和光光学系１１０６から射出された直線偏光成分を持つ緩和光１１０７ｂは光変調器１１０９を介して、それぞれ恒温断熱槽１１０１中のセルに入射する。セルに入射した緩和光１１０７ａは測定領域１１１０ａにおいてプローブ光１１０５およびポンプ光１１０３と交差し、緩和光１１０７ｂは測定領域１１１０ｂにおいてプローブ光１１０５およびポンプ光１１０３と交差する。緩和光光学系１１０６は、緩和光１１０７ａおよび１１０７ｂが、図９に示す座標系において、ｚ方向に沿ってセル内を伝搬するように、配置される。
【０１５９】
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。
【０１６０】
〔１〕光重畳部および光分離部
光重畳部１２００は、図１２（ａ）に示すように、４分の１波長板１２０２と、ダイクロイックミラー（波長弁別手段）１２０３とを含んで構成することができる。
【０１６１】
ダイクロイックミラー１２０３はポンプ光１１０３の波長の光を反射し、プローブ光１１０５の波長を透過するよう設計されたものを用いることができる。ダイクロイックミラー等の波長弁別手段は、２つの光の波長差が大きいほど精度よくそれらの光を弁別できる。ポンプ光とプローブ光の波長差２５ｎｍは２つの光を弁別するのに十分な波長差である。
【０１６２】
光重畳部１２００に入射するポンプ光１１０３の偏光は直線偏光である。ポンプ光１１０３は４分の１波長板１２０２により円偏光成分を持つように変換されダイクロイックミラー１２０３において反射される。
【０１６３】
光重畳部１２００に入射するプローブ光１１０５の偏光は直線偏光である。プローブ光１１０５はダイクロイックミラー１２０３を透過し、ポンプ光１１０３と重なり合って光重畳部１２００から出射されるように調整される。
【０１６４】
また光重畳部１２００として、図１２（ｂ）に示すように偏光ビームスプリッタ１２０６と位相子１２０７を用いた構成とすることもできる。ここで、位相子１２０７はポンプ光１１０３の波長では４分の１波長板として機能し、プローブ光１１０５の波長では２分の１波長板として機能するように設計されたものを用いることができる。
【０１６５】
ポンプ光１１０３は偏光ビームスプリッタ１２０６で反射されるように、２分の１波長板１２０４によってその偏光が調整される。また、プローブ光１１０５は偏光ビームスプリッタ１２０６を透過するように、２分の１波長板１２０５によってその偏光が調整される。偏光ビームスプリッタ１２０６によって反射されたポンプ光１１０３は円偏光成分を有するように、また、偏光ビームスプリッタ１２０６を透過したプローブ光１１０５は直線偏光のままであるように、それぞれ位相子１２０７によってその偏光が調整される。
【０１６６】
光分離部１２０１においても、ポンプ光１１０３の波長の光を反射しプローブ光１１０５の波長の光を透過するように設計されたダイクロイックミラーを用いることができる。円偏光のポンプ光１１０３が偏光測定系１１１１に入射すると、磁場に対する応答信号は増加しないが光のショットノイズは増加し、そのＳＮ比は低下する。ＳＮ比の低下を避けるために、光分離部１２０１によりポンプ光１１０３とプローブ光１１０５とを分離する。
【０１６７】
光分離部１２０１としてダイクロイックミラーを用いる場合、ポンプ光１１０３を反射し、プローブ光１１０５のみ透過して偏光測定系１１１１へ導くように、ダイクロイックミラーを配置する。反射されたポンプ光１１０３は光ターミネータ１１１３により吸収される。あるいは、ダイクロイックミラーにおいてポンプ光１１０３を１８０度反射し再度セルに入射することで偏極率を稼ぐ構成であってもよい。ポンプ光１１０３を１８０度反射する配置では、ポンプ光１１０３の強度が強い場合は、ポンプ光学系１１０２へポンプ光１１０３が戻らないようにアイソレータなどを用いる必要がある。また、特定の波長帯の光のみ透過させるシャープカットフィルターを用いることもできる。その場合、シャープカットフィルターは、ポンプ光１１０３を吸収し、プローブ光１１０５のみ透過するような波長特性を保つ範囲で任意の角度で配置することができ、ポンプ光１１０３の終端処理は必要ない。
【０１６８】
アルカリ金属原子としてカリウム原子のみあるいはルビジウム原子のみを封入したセルを用いる場合、ポンプ光の波長はＤ１遷移共鳴、プローブ光の波長はＤ１遷移共鳴から数ＧＨｚ離調をとった程度の波長という波長差の小さい組み合わせになる。そのため、ダイクロイックミラー等波長弁別手段において２つの光を分離することは難しい。また、プローブ光の波長として，Ｄ２遷移共鳴から数ＧＨｚ離調をとった程度の波長をとる構成も考えられるが、Ｄ２遷移共鳴はＤ１遷移共鳴に比べて光吸収が強いため、磁場に対する応答が弱くなる欠点がある。また、カリウム原子のＤ１遷移共鳴とＤ２遷移共鳴の波長差は約３ｎｍ、ルビジウム原子のＤ１遷移共鳴とＤ２遷移共鳴の波長差は約１５ｎｍと本実施形態に比べて波長差が小さく，ダイクロイックミラー等波長弁別手段において２つの光を分離することが比較的難しくなる。また光重畳部としては，ハーフミラーを用いた構成でも代替できるが、ポンプ光１１０３とプローブ光１１０５を重畳させる際にそれぞれの光の光強度が半減してしまう。
【０１６９】
このため、プローブ光とポンプ光を重畳して用いる本実施形態においては、カリウム原子およびルビジウム原子が内包されたセルを用い、光重畳部にダイクロイックミラー等の特定の波長の光を弁別することのできる手段を用いる構成が望ましい。
【０１７０】
〔２〕バイアス磁場調整用コイル
バイアス磁場調整用コイル１１１２は、不図示の外部環境から侵入する磁場を低減するための磁気シールド内に設置される。
【０１７１】
バイアス磁場調整用コイル１１１２は、恒温断熱槽１１０１中のセル周囲の磁場環境を操作するために用いられる。バイアス磁場調整用コイル１１１２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。バイアス磁場調整用コイル１１１２を用いて、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１１０３と平行方向（図中ｘ方向）にバイアス磁場を印加する。そして、プローブ光１１０５およびポンプ光１１０３に対して直交する方向（図中ｙ方向およびｚ方向）の磁場を測定することができる。
【０１７２】
本実施形態では、ポンプ光の波長として、ルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長用い、プローブ光の波長として、カリウム原子のＤ１線機共鳴波長を用いる例で説明してきた。このようなハイブリッドセルでは、ポンプ光の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長を用い、プローブ光の波長をルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長を用いることも可能である。
【０１７３】
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緩和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で伝達することができる。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緩和光とを用いることで、これらプローブ光とポンプ光と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。
【０１７４】
［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。
【０１７５】
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】
【０１７６】
１００  光ポンピング磁力計
１０１  セル
１０２  ポンプ光光学系
１０３  ポンプ光
１０４  遅相子
１０５  緩和光光学系
１０６ａ，１０６ｂ  緩和光
１０７，１０８  光変調器
１０９  プローブ光光学系
１１０  プローブ光
１１１  偏光分離素子
１１２，１１３  フォトディテクタ
１１４  差分回路
１１５，１１６  復調器
１１７ａ，１１７ｂ  測定領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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