(57)【要約】【課題】検出信号強度を増大させることによって、より高感度な磁場検出を可能にする光ポンピング磁力計を提供する。【解決手段】ガス状態をとり得る原子群が封入されているセル１１０と、原子群をスピン偏極させるためのポンプ光を発生するポンプ光源１３０と、セル１１０にプローブ光を照射するプローブ光源１４０と、プローブ光の偏光面の回転を検出するための検出器１６０と、を備えた光ポンピング磁力計１であって、プローブ光を反射させるための少なくとも１つの反射ミラー１２０を備え、反射ミラー１２０が、セル１１０内を横断した後のプローブ光を反射させる位置に設けられており、プローブ光が、セル１１０内を少なくとも２回以上横断した後で検出器１６０に終端するように構成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状態をとり得る原子群が封入されているセルと、
前記原子群をスピン偏極させるためのポンプ光を発生するポンプ光源と、
前記セルにプローブ光を照射するプローブ光源と、
前記プローブ光の偏光面の回転を検出するための検出器と、
を備えた光ポンピング磁力計において、
前記プローブ光を反射させるための少なくとも１つの反射ミラーを備え、
前記反射ミラーが、前記セル内を横断した後の前記プローブ光を反射させる位置に設けられており、前記プローブ光が、前記セル内を少なくとも２回以上横断した後で前記検出器に終端するように構成されていることを特徴とする光ポンピング磁力計。
【請求項２】
前記プローブ光が、前記反射ミラーの反射面に対して垂直に入射するようにされてい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】
偏光ビームスプリッタをさらに備え、該偏光ビームスプリッタが前記プローブ光源と前記セルとの間に配置されてい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】
前記プローブ光が、前記反射ミラーの反射面に対して傾斜して入射するようにされており、前記ポンプ光が、前記プローブ光の前記反射ミラーに対する入射光路と反射光路とを含む平面に対して垂直に入射するようにされてい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５】
前記反射ミラーが、金属層を含まない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】
前記セル内における磁場の空間分布を測定可能な１次元のフォトディテクタアレイをさらに備えることを特徴とする、請求項１から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】
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該原子群を構成する原子のスピンの向きを揃え、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回転角を測定する磁気センシング方法であって、
前記セル内の前記原子群にプローブ光としての直線偏光光を照射した後、該セルを通過してきた前記プローブ光を折り返して、再度、前記セルを通過させることによって、該セルを少なくとも２回以上横断してきた前記プローブ光の偏向回転角を測定することを特徴とする磁気センシング方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気センシング方法を行うために、前記プローブ光を出力するためのプローブ光源と、前記ポンプ光を出力するためのポンプ光源と、前記プローブ光を折り返すための反射ミラーと、前記偏向回転角を測定するための検出器とを有することを特徴とする光ポンピング磁力計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ポンピング磁力計、及び磁気センシング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ金属ガスや希ガスのスピンを利用した高感度の光ポンピング磁力計が提案されている。特許文献１では、ポンプ光源とプローブ用光源とを備えた、高感度な光ポンピング磁力計が提案されている。
【特許文献１】米国特許第７０３８４５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の光ポンピング磁力計は、原理的には微小な磁場の検出が可能であるが、応用面からは、さらなる高感度化が求められていた。
【０００４】
そこで本発明は、検出信号強度を増大させることによって、より高感度な磁場検出を可能にす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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的を達成するために、本発明に係る光ポンピング磁力計は、以下の特徴を有する。
【０００６】
具体的には、原子群がガス状態で封入されたセルと、原子群をスピン偏極させるためのポンプ光を発生するポンプ光源と、セルにプローブ光を照射するプローブ光源と、プローブ光の偏光面の回転を検出するための検出器と、を備えた光ポンピング磁力計である。更に、プローブ光を反射させるための少なくとも１つの反射ミラーを備え、該反射ミラーが、セル内を横断した後のプローブ光を反射させる位置に設けられ、プローブ光が、セル内を少なくとも２回以上横断した後で検出器に終端するように構成されている。
【０００７】
また、本発明に係る磁気センシング方法は、以下の特徴を有する。
【０００８】
具体的には、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該原子群を構成する原子のスピンの向きを揃え、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回転角を測定する磁気センシング方法であって、
前記セル内の前記原子群にプローブ光としての直線偏光光を照射した後、該セルを通過してきた前記プローブ光を折り返して、再度、前記セルを通過させることによって、該セルを少なくとも２回以上横断してきた前記プローブ光の偏向回転角を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上、本発明によれば、検出信号強度を増大させることによって、より高感度な磁場検出を可能にする光ポンピング磁力計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず、本発明に係る光ポンピング磁力計における磁気検出方法の動作原理について説明する。
【００１１】
本発明の光ポンピング磁力計は、ガス状態をとり得る原子群が封入されているセルと、原子群を構成する複数の原子のスピンの向きを揃えるためのポンプ光を発生するポンプ光源と、プローブ光をセルに照射するためのプローブ光源と、を備えている。ここでいう、原子群を構成する複数の原子のスピンの向きを揃えるとは、スピン偏極させることを意味する。
【００１２】
ここで、セル内の原子群に対するポンプ光は原子群の吸収線に同調した円偏光ビームであり、プローブ光は原子群の吸収線から離調された直線偏光ビームである。ポンプ光とプローブ光とは、セル内で交差するように構成され、この交差している位置が磁場の測定される領域である。磁場の測定は、プローブ光の偏光状態の変化に関する情報を検出器で検出することによって行われる。なお、セル内に導入されている原子群には、室温で気体である物質は勿論、室温で固体である物質も含まれる。後述する実施形態のように、室温で固体である物質の場合には、当該磁力計を動作させる際には、加熱により気化させて使用することになる。
【００１３】
ポンプ光を照射することによって原子群（原子集団）にスピン偏極が形成される。スピン偏極した原子集団は、測定領域の磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。この様子は、後で述べるブロッホ方程式によって記述されることが知られている。この歳差運動によって、原子集団のスピンの向きにはプローブ光方向の成分が生じる。プローブ光方向のスピンの大きさは、常磁性ファラデー効果によって、プローブ光の偏光面を回転させるので、この回転角を測定することにより測定磁場強度に関する情報が得られる。
【００１４】
このファラデー効果は、スピン偏極に空間分布の不均一がなければ、偏極した原子集団を通過した光路長に比例する量である。そのため、プローブ光が偏極ガス中を複数回通過したのちに検出器で終端するような計測を行うことで、プローブ光に大きな偏光回転角を生じさせることができ、磁場測定の感度を大幅に上げることが可能となる。このように、前記プローブ光が前記セル内を２回以上横断した後で検出器により測定することが、本発明に係る光ポンピング磁力計の大きな特徴である。勿論、２回以上であれば、３回、４回と横断してもよく、また、偶数回あるいは奇数回の横断でもよい。
【００１５】
なお、本発明に適用される反射ミラーとしては、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が用いられる。特に、金属を含まない誘電体多層膜ミラーが好ましい。
【００１６】
次に、本発明の各実施形態における光ポンピング磁力計に共通の構成要素について詳述する。
【００１７】
（Ａ）セル
セルはガラスなどプローブ光やポンプ光に対して透明な材料から構成される。当該セル内には、原子群あるいは原子集団として、アルカリ金属（ＫやＲｂなど）がガス状態で包含され、気密に封止されている。例えば、ガラスセルにカリウム金属を入れておき、１８０℃程度に加熱することで、同ガラスセル内に、所望の濃度でカリウム金属の蒸気を充満させることができる。
【００１８】
また、セル内に包含される原子群としては、アルカリ金属原子に限らず、上述した検出方法を行うことができれば特に材料も限定されない。原子群として、Ｋ、Ｒｂのほか、これらの原子とスピン交換をし得るＸｅなども混入させることができる。更に、セル内には、前記原子群の他に、例えばＮ2やＨｅなどバッファーとなるガスを封入しておくこともできる。バッファーガスは偏極アルカリ金属原子の拡散を抑えるのでセル壁との衝突によるスピン緩和を抑制し、偏極率を高めるために有効である。
【００１９】
（Ｂ）ポンプ光
ポンプ光の偏光状態は、実質的に円偏光の成分だけからなることが望ましいが、本発明の実施形態においては、当該円偏光成分を有していれば他の偏光成分を含有していることを除外するものではない。ポンプ光の波長はセル内の原子集団を励起できる波長、具体的にはアルカリ金属の吸収線に同調させてある。
【００２０】
このポンプ光は、原子群を構成する各原子のスピンの向きを揃えるために用いられる。特にアルカリ金属の場合には、電子スピンの偏極ということになる。具体的には、円偏光ポンピングと呼ばれる現象を用いて、原子のスピンの向きを揃えることができることが知られている。
【００２１】
このようにスピンの向きを揃えることができるのは、角運動量の保存による。円偏光の光は角運動量を持つため、原子が光を吸収して励起するときに、右回り円偏光の場合に原子の角運動量を量子数１だけ増やすような基底準位と励起準位のペアだけが励起されるのである。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して、あるいはまたバッファーガス原子との衝突によって、基底状態に戻る。このとき、再び角運動量の量子数を１だけ減ずるような状態に戻る原子と、角運動量を維持したままで基底状態に戻る原子とがランダムに混じっている。このような過程を繰り返すことで、しだいにこの円偏光によって励起されない基底状態の原子の割合が増加していくので、原子群を構成する原子のスピンの向きが円偏光の進行方向を量子化の軸として、この方向に揃うのである。
【００２２】
（Ｃ）プローブ光
プローブ光は、不必要なポンピングを避けるために、原子の共鳴周波数から離調してあることが望ましい。また、プローブ光の偏光状態は、直線偏光だけからなることが望ましいが、本発明の実施形態においては、当該直線偏光成分を有していれば他の偏光成分を含有していることを除外するものではない。
【００２３】
そして、このプローブ光と前記ポンプ光とがセル内の原子群の一部あるいは全部において交差するように磁力計は構成される。プローブ光とポンプ光との照射方向は交差すれば特に制限されるものではないが、一般的には、両方の照射方向が直交するように構成される。
【００２４】
光軸方向に偏極している原子群に、共鳴近傍の波長の直線偏光の光を入射させると、常磁性ファラデー回転として知られる磁気光学効果によって、偏光面が回転することが知られている。直線偏光のプローブ光は左右両方の円偏光の重ね合わせとして記述できる。ポンプ光の説明で述べたように、左右それぞれの円偏光が励起する基底状態の原子密度が異なっている場合には、原子群の偏極に応じて、左右それぞれの円偏光の吸収にわずかな差が生じる。複素屈折率の虚部を意味する吸収係数の差は、クラマース・クローニッヒの関係によって左右それぞれの円偏光が感じる屈折率の実部の差にも反映される。原子群を通過した後では、左右それぞれの円偏光の光路長に差が生じるので、これらを重ね合わせた直線偏光の偏光面が回転するものである。この回転角が原子群の位置における磁場の大きさに依存することを利用した磁力計が知られている。
【００２５】
本発明の光ポンピング磁力計においても、前述のポンプ光によって、偏極原子群を形成し、前記セル内の当該原子群に直線偏光のプローブ光を入射させ、セルを通過する前後で、前記プローブ光の偏光面の回転角に関する情報を取得する。例えば、前記プローブ光の偏光面の回転角を測定する。
【００２６】
ここで、このプローブ光の偏光面の回転と磁気検出の関係について、本発明のようにプローブ光の光路がセルの端部で折り返された場合の挙動を、図１を参照しながら、数式を用いて記述しておく。
【００２７】
簡単のため、図１に示したような座標系でのアルカリ金属セルの光学応答を記述する。
【００２８】
すなわち、直線偏光光であるプローブ光の伝搬方向はｘ軸上であり（図中の矢印Ｒ１参照）、距離Ｌだけアルカリ金属集団中を伝搬することとする。また、ポンプ光の伝搬方向をｚの正の方向、ｙ方向を測定対象となる磁場Ｂyの向きとする。
【００２９】
アルカリ金属集団が示すマクロな磁化ベクトルｍ＝（ｍx、ｍy、ｍz）は、以下の光ブロッホ方程式によって記述される。
ｄｍ／ｄｔ＝Ω×ｍ−γeffｍ＋Ｐ      （１）
ここで、右辺第１項は磁場Ｂyによる磁化ベクトルｍの回転を表し、Ω＝（０、ΩL、０）＝（０、ｇμB（Ｑｈ）-1Ｂy、０）と表される。右辺第２項は磁化の緩和であり、緩和レートγeffで記述される。第３項は、ポンプ光によるｚ方向の磁化のポンピングで光ポンピングレートＲPを用いてＰ＝（０、０、ＲP）と表される。ここで用いたパラメータは、プランク定数ｈ、ｇ因子、ボーア磁子μB、ＳＥＲＦ（Ｓｐｉｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  Ｆｒｅｅ）領域でのスローフダウンファクターＱである。静磁場Ｂyに対して、（１）式の定常解をｄｍ／ｄｔ＝０から求めると、そのｘ成分について、次式のような解が得られる。
ｍx＝ＲpΩL／（ΩL2＋γeff2）
〜ＲpΩLγeff-2
＝ＲpｇμB（Ｑｈ）-1γeff-2Ｂy      （２）
ここで、磁場が弱くΩL2＜＜γeff2であるという近似を用いた。結果として、ｘ方向の磁化ｍxが静磁場Ｂyに比例することがわかる。
【００３０】
次に、この磁化によって生じるファラデー回転について説明する。真空中での波長λの直線偏光のプローブ光がｘの正の方向に進むとき、右回り円偏光と左回り円偏光との重ね合わせとして記述することができる。偏極したアルカリ金属中で、右回り円偏光と左回り円偏光とに対する屈折率をｎ+、ｎ-とする。偏光面の回転角φは、距離Ｌを伝搬した後の左右両円偏光の間の位相差に等しく、
φ＝πＬ（ｎ+−ｎ-）λ-1＝２πＬｍx（ｎ0−１）λ-1      （３）
となる。ここで、光学感受率について最低次の項のみをとり、ｎ+−ｎ-＝２ｍx（ｎ0―１）とする近似を行っている。このとき、偏光面の回転角φは、ｍxすなわちＢyに比例する量である。
【００３１】
さて、ここではまず、ｘの正の方向に進むｍxとｎ+−ｎ-の関係を示した。次に、同じ偏極アルカリ金属中を波長λの直線偏光のプローブ光がｘの負の方向に進む状況を、添え字Ｒを付けて記述する。ｘの負の方向に進む右回り円偏光の角運動量は−１であり、正の方向に進む右回り円偏光の角運動量＋１とは符号が異なっている。そこで、φR＝πＬ（ｎR+−ｎR-）λ-1と書くときに、ｎR+＝ｎ-、ｎR-＝ｎ+となる。ｘの負の方向に進む光の偏光回転角は、
φR＝−２πＬｍx（ｎ0−１）λ-1＝−φ      （４）
と表される。式（３）および式（４）で表される偏光回転の様子は、それぞれ図１（ａ）および図１（ｂ）に対応している。図１（ａ）は、ｘの正の方向に伝搬するプローブ光が、偏光面をφだけ回転させたところを示し、図１（ｂ）は、ｘの負の方向に伝搬するプローブ光が、偏光面をφR＝−φだけ回転させたところを示している。
【００３２】
（Ｄ）光源
光源に関しては、ポンプ光用およびプローブ光用として、それぞれ個別の光源を用いてもよいし、光源は共通させて、偏光板等を利用することで、円偏光のポンプ光と直線偏光のプローブ光とを作り出すこともできる。なお、ポンプ光とプローブ光を出力するための光源としては、レーザ光源を用いることができる。例えば、セル内の原子群あるいは原子集団としてカリウムを使用する場合には、０．０２ｎｍから１ｎｍの範囲で互いに離調された、波長が約７７０ｎｍのレーザ光源を利用できる。
【００３３】
なお、以上、光ポンピング磁力計について説明したが、本発明は、以下に示す磁気センシング方法も包含する。
【００３４】
具体的には、まず、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該原子群を構成する原子のスピンの向きを揃える。そして、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回転角を測定する磁気センシング方法である。ここで、前記セル内の前記原子群にプローブ光としての直線偏光光を照射した後、該セルを通過してきた前記プローブ光を折り返して、再度、前記セルを通過させる。このようにすることによって、該セルを少なくとも２回以上横断してきた前記プローブ光の偏向回転角を測定することを特徴とする。
【００３５】
当該磁気センシング方法においても、既述の（Ａ）から（Ｄ）の技術的事項が適用される。
【００３６】
なお、前記磁気センシング方法を行うための光ポンピング磁力計としては、前記プローブ光を出力するためのプローブ光源と、前記ポンプ光を出力するためのポンプ光源を用いる。更に、前記プローブ光を折り返すための反射ミラーと、前記偏向回転角を測定するための検出器を利用することになる。
【００３７】
以下では、本発明に係る光ポンピング磁力計について、より具体的に説明する。
【００３８】
［第１の実施形態］
以下に、図面を参照しながら、本発明の光ポンピング磁力計の実施形態の詳細について説明する。
【００３９】
図２は、本発明の第１の実施形態における光ポンピング磁力計を模式的に示す断面図である。
【００４０】
アルカリ金属セル１１０は、カリウム（Ｋ）の他に、バッファーガス（Ｈｅ）、クエンチャー（Ｎ2）を含んだガラスセルであり、気密に封止されている。プローブ光源１４０から見てアルカリ金属セル１１０の反対側には、プローブ光を反射させるための反射ミラー１２０が設けられている。反射ミラー１２０としては、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、金属層を含まない誘電体多層膜ミラーが特に望ましい。オーブン１１８に外部から加熱した空気を流し込むことで、その内部に配置されたアルカリ金属セル１１０が加熱される。断熱層１１９がオーブンを取り囲んでおり、断熱層外部の温度を室温程度に維持するようにされている。断熱層１１９は、必要に応じて冷却水の循環チューブなどによる排熱機構を有していてもよい。断熱層１１９、オーブン１１８共に、ポンプ光、プローブ光の光路にあたる部分には、窓が設けられている。
【００４１】
上記の構成部材は、地磁気などの外部磁気ノイズを低減する為に、３層のミューメタルからなる磁気シールド１１３の内部に設置されている。さらに、磁気シールド１１３内部の残留磁場を打ち消すために、ヘルムホルツコイル１１４−１１７が設けられている。１１４、１１５で示されたヘルムホルツコイルは、ｘ方向の残留磁場の補償用として用いられ、１１６、１１７で示されたヘルムホルツコイルは、ｚ方向の残留磁場の補償用として用いられている。同様に、ｙ方向の残留磁場を補償するヘルムホルツコイルも設けられているが、ここでは図示されていない。
【００４２】
ポンプ光源１３０で発生したポンプ光は、コリメートレンズ１３２で平行光に変換され、１／４波長板１３３によって、円偏光に変換される。そして、磁気シールド１１３、断熱層１１９、オーブン１１８のそれぞれの窓・開口部を通って、アルカリ金属セル１１０に照射される。
【００４３】
プローブ光源１４０で発生したプローブ光は、コリメートレンズ１４２で平行光に変換される。偏光方向は、偏光ビームスプリッタ１５０を透過するように定めておく。ポンプ光同様に磁気シールド１１３、断熱層１１９、オーブン１１８のそれぞれの窓・開口部を通って、アルカリ金属セル１１０に照射される。プローブ光は、反射ミラー１２０の反射面に対して垂直に入射するようにされており、アルカリ金属セル１１０内を横断した後で、反射ミラー１２０でその光路が１８０度折り返される。そして、再びアルカリ金属セル１１０を通過して、偏光ビームスプリッタ１５０に戻ることになる。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ１５０に戻ってきたプローブ光は、往路と直交する偏光成分が反射されて、その光路が９０度折り曲げられ、検出器であるフォトディテクタ１６０に終端される。フォトディテクタ１６０で受光するプローブ光の光強度は、前述のように、偏光面の回転角度に比例することから、ポンプ光とプローブ光とが交差する領域での磁場強度に対応した信号が得られることとなる。このようにして、例えば磁気シールド１１３内に配した検体１０１から発生する微弱な磁場を高感度に得ることが可能となる。
【００４５】
ここで、図３および図４を参照しながら、本実施形態の光ポンピング磁力計におけるプローブ光の光路上の各点での偏光角について、順を追って説明する。
【００４６】
図３は、本実施形態の光ポンピング磁力計におけるプローブ光の光路を模式的に示した図である。図４は、図３に示したプローブ光の光路１４１上の各点におけるプローブ光の偏光面の回転の様子を示しており、座標中の矢印はプローブ光のｙｚ平面内での電界の方向を示している。座標軸は前述と同様、ポンプ光の伝搬方向がｚ方向（図３の矢印Ｒ２参照）、プローブ光の伝搬方向がｘ方向であり、ｙ方向を測定対象となる磁場Ｂyの向きとする。
【００４７】
プローブ光は、偏光ビームスプリッタ１５０通過後の点Ａでは、図４（ａ）に示すように、電界がｙ方向を向いた直線偏光となっている。アルカリ金属セル１１０通過後の点Ｂでは、図１（ａ）に示す偏光回転に対応して、偏光角は角度φだけ回転する（図４（ｂ）参照）。反射ミラー１２０で伝搬方向が反転した点Ｃにおいても、図４（ｃ）に示すように、電界の方向は変わらず、ｙｚ面内で見ると角度φだけ回転した直線偏光となっている。偏光角は１８０度の回転ごとにもとの状態に戻るため、垂直入射の場合には、反射による位相ずれは偏光角に影響しないことになる。再びアルカリ金属セル１１０をｘの負の方向に向かって横断した後には、偏光角は、図１（ｂ）に対応した角度−φの回転を行うことになる。したがって、図４（ｄ）に示した点Ｄにおける偏光角としては２φとなる。偏光ビームスプリッタ１５０では、直線偏光のうち電界がｚ方向を向いた成分だけが、光路を９０度折り曲げられて点Ｅに到達するので、偏光のｚ成分だけが取り出されることになる（図４（ｅ）参照）。
【００４８】
ファラデー回転角を計測するための計測系としては、バランス型ポラリメータ、クロスニコル型ポラリメータなどの構成を用いることができる。
【００４９】
例えば、図５に示すように、プローブ光の反射ミラー１２０の対する入射光路と反射光路がずれて構成されていてもよい。
【００５０】
図５に示す構成例では、偏光ビームスプリッタ１５１に対して、２つのフォトディテクタ１６１ａ、１６１ｂが設けられている。偏光ビームスプリッタ１５１をバランス型ポラリメータとして構成する場合には、磁場がゼロのときに、２つのフォトディテクタ１６１ａ、１６１ｂの出力信号の大きさが一致するように、１／２波長板１４３の方向を回転させ、入射光の偏光面を制御すればよい。
【００５１】
また、図６に示すように、ファラデーモジュレータによる計測系を用いることもできる。
【００５２】
そこでは、プローブ光の反射ミラー１２０に対する入射光路上には、ファラデーモジュレータ１４４、偏光子１４５が配置されている。また、ファラデーモジュレータ１４４には、ファラデーモジュレータ１４４のための駆動回路１４６が接続されている。ファラデーモジュレータ１４４のＤＣバイアス電流に周波数ｆ0の交流の変調信号を加え、フォトディテクタ１６２の出力周波数ｆ0で振動する成分の信号強度がゼロになるようにフィードバック制御を行う。こうして、ファラデー回転角に対応するＤＣバイアス電流値を得ることが可能となる。
【００５３】
以上のように、本実施形態の光ポンピング磁力計によれば、反射ミラーによってプローブ光がセル内を往復して横断した後で検出器に終端することで、同様の構成で単一光路の磁力計と比べて２倍のファラデー回転角を得ることが可能となる。それにより、微弱信号に対する信号強度を高めることができ、高感度の磁場検出が可能な光ポンピング磁力計が実現することができる。
【００５４】
また、本実施形態の光ポンピング磁力計は、光源や光学部品、検出系がプローブ光の光軸上でセルに対して同じ側に配置されており、しかもプローブ光の光路が反射ミラー、すなわちセルの端部で折り返されている。そのため、本実施形態の光ポンピング磁力計は、セル周囲の配置の自由度を高めることができる点も有利となる。例えば、検体を配置する場所に関する光路を横切らないという要請による制約を緩めることが可能となる。
【００５５】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態における光ポンピング磁力計について説明する。
【００５６】
図７（ａ）は、本実施形態の光ポンピング磁力計において特徴的な構成を模式的に示す断面図であり、図７（ｂ）は、アルカリ金属セル内でのプローブ光の光路を示す模式図である。また、図８は、本実施形態の光ポンピング磁力計の一部を模式的に示す斜視図であり、検出側の光学系のみ図示している。
【００５７】
以下に記述する構成以外の形態、例えば磁気シールド、ヘルムホルツコイル、オーブン、断熱層などのすべて、または一部を第１の実施形態と同様に構成することで、光ポンピング磁力計として作用させることが可能である。
【００５８】
本実施形態においては、プローブ光を反射させるための反射ミラーとして、金属層を含まない誘電体多層膜ミラー２２０ａ、２２０ｂが用いられている。誘電体多層膜ミラー２２０ａ、２２０ｂは、アルカリ金属セル２１０の外側のガラス面上に直接成膜されている。図７（ａ）で上側にあたる誘電体多層膜ミラー２２０ｂは、ガラス面のうち、中央部のみにストライプ状に形成されている。
【００５９】
また、図８の斜視図に示すように、各構成要素は、ｚ軸に沿って細長いアルカリ金属セル２１０、細長い偏光ビームスプリッタ２５０、１次元フォトディテクタアレイ２６０ａ、２６０ｂなどを用いたアレイデバイスとなっている。円偏光のポンプ光は、長軸方向（ｚ軸方向）にそってアルカリ金属セル２１０に入射される。ポンプ光が、アルカリ金属セル２１０内の原子群に偏極を生成することは、先の実施形態と同様である。
【００６０】
プローブ光源２４０からのプローブ光は、レンズ光学系２４２で所望の細長いビーム形状に整形され、かつコリメートされた平行光として、１／２波長板２４３で偏波の向きを整えて、ビーム絞り２４４を介してアルカリ金属セル２１０に入射される。アルカリ金属セル２１０に入射されたプローブ光は、図７（ａ）で見て下側の誘電体多層膜ミラー２２０ａで反射され、上側の誘電体多層膜ミラー２２０ｂで再び反射される。さらに、下側の誘電体多層膜ミラー２２０ａで反射された後で、すなわちアルカリ金属セル２１０内を４回横断した後で、プローブ光はプローブ光源２４０が設置された側からアルカリ金属セル２１０の外側に取り出される。偏光ビームスプリッタ２５０での光の分岐比を、２つのフォトディテクタアレイ２６０ａ、２６０ｂで読み取って演算することで、アルカリ金属セル２１０を透過したときの偏光面の回転角を測定し、ｚ軸に沿った各位置での磁場の強度を同時計測することができる。
【００６１】
このように、プローブ光の光路が複数回の折り返しを含む場合には、プローブ光が反射ミラーの反射面に対して傾斜して入射するようにされている必要が生じることがある。その場合でも、ポンプ光の光路が、プローブ光の反射ミラーに対する入射光路と反射光路とを含む平面に対して垂直な状態を実現していることが望ましい。本実施形態では、プローブ光の入射角をｘｙ面内でｘ軸から傾け、一方ポンプ光をｚ軸に沿って入射させることにより、ポンプ光とプローブ光とが互いに直交した状態を維持することが可能となる。
【００６２】
また、本実施形態のレイアウトでは、図７（ｂ）に示すように、プローブ光は、下向きの光路Ｐ１、Ｐ３では、磁化ベクトルｍ１、ｍ３によるファラデー回転を受け、上向きの光路Ｐ２、Ｐ４では磁化ベクトルｍ２、ｍ４によるファラデー回転を受けることになる。ここで、磁化ベクトルｍ１−ｍ４は、それぞれの場所でのアルカリ金属集団の磁化の大きさを表し、そのｘ成分は、それぞれの場所での磁場Ｂyによって定まり、互いに同じ符号となる。また、磁化ベクトルのｙ成分は、それぞれの場所での磁場Ｂxによって定まり、ｍ１とｍ３は同じ符号となり、ｍ２とｍ４は、ｍ１に対して正負反対の符号での寄与となる。すなわち、プローブ光の光軸に沿って回転角が加算されるときに、Ｂyによる成分は同符号のため加算され、Ｂxによる成分はお互いに打ち消しあうことになる。したがって、このようにプローブ光の光路が折り返しのためにｘ軸から傾いていても、実質的に磁場のＢy成分を検出する光ポンピング磁力計とすることができる。また、同一のアルカリ金属セルサイズの単一光路の磁力計と比べて４倍の光路長での偏光回転を得られるので、信号強度を大幅に高めることが可能となる。
【００６３】
ここで、誘電体多層膜ミラー２２０ａ、２２０ｂは、アルカリ金属セル２１０の内側に形成したものであってもよい。
【００６４】
［第３の実施形態］
本発明の光ポンピング磁力計は、上述した実施形態のように、必ずしもプローブ光をセルに対して光源と同じ側に配置した検出系に終端させるようにされている必要はない。プローブ光の光路の終端となるポラリメータ部分は、プローブ光源から見てセルの反対側に配置されていてもよい。以下に、図９を参照して、本発明における光ポンピング磁力計の第３の実施形態について説明する。
【００６５】
図９（ａ）は、第３の実施形態における光ポンピング磁力計の特徴的な構成を模式的に示す断面図である。また、図９（ｂ）は、図９（ａ）のｙ方向からの、本実施形態のポンプ光源系およびセル部分のみを示した模式図である。
【００６６】
本実施形態では、反射ミラーとして金属層を含まない誘電体多層膜ミラー３２０ａ、３２０ｂがアルカリ金属セル３１０の外側のガラス面上に直接成膜されている。この多層膜は、入射光およびアルカリ金属セル３１０からの透過光が取り出される部分には形成されていない。プローブ光源２４０、レーザービームを成型するレンズ光学系２４２、プローブ光の偏光面を制御する１／２波長板２４３、ビーム絞り２４４などの構成および作用は第２の実施形態と同様である。また、それ以外の構成および作用については、第１の実施形態と同様である。また、偏光ビームスプリッタ２５０であって、フォトディテクタアレイ２６０ａ、２６０ｂによって構成されるバランス型ポラリメータ部分についても、第２の実施形態と同様の構成となっている。ポンプ光の円偏光ビームは、第２の実施形態と同様、図９（ａ）において紙面垂直方向、すなわちｚ方向から入射される。
【００６７】
ポンプ光源１３０からのポンプ光は、コリメートレンズ１３２で平行光に変換され、１／４波長板１３３によって、円偏光に変換される。ここで、ポンプ光においても、図９（ｂ）に示すように、ポンプ光源側から見てアルカリ金属セル３１０の反対側の光路上に折り返しミラー３７０を配して、透過光を再びアルカリ金属セル３１０に戻す構成としてもよい。折り返しミラー３７０で垂直方向に反射される円偏光は、右回り円偏光が左回り円偏光に、あるいは左回り円偏光が右回り円偏光になってアルカリ金属セル３１０内に戻ることになるため、ポンプ光は、往路も復路も、同じ向きのスピン偏極を生じさせることとなる。この構成によって、ポンプの効率を高め、偏極の均一性を高めることが可能となる。
【００６８】
アルカリ金属セル３１０に入射されたプローブ光は、図９（ａ）で見て下側の誘電体多層膜ミラー３２０ａで反射され、上側の誘電体多層膜ミラー３２０ｂで再び反射される。そして、プローブ光は、アルカリ金属セル３１０内を３回横断した後で、プローブ光源２４０から見てアルカリ金属セル３１０の反対側へと取り出される。この間に受けたファラデー回転による偏光面の回転角は、偏光ビームスプリッタ２５０での光の分岐比を、２つのフォトディテクタアレイ２６０ａ、２６０ｂで読み取って演算することで測定される。このようにして、ｚ軸に沿った各位置での磁場の強度を同時計測することができる。
【００６９】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態である、本発明の光ポンピング磁力計の原理に基づいて動作する磁場勾配計について説明する。
【００７０】
図１０は、その磁場勾配計におけるアルカリ金属セル部分についてのみ示す模式図である。なお、アルカリ金属セル以外の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００７１】
本実施形態において、プローブ光を反射させるための、金属層を含まない誘電体多層膜ミラー４２０は、カリウムが封入されたアルカリ金属セル４１０の内側のガラス面上に直接成膜されている。また、ポンプ光を折り返すための２つの折り返しミラー４７０ａ、４７０ｂが、ポンプ光源側から見てアルカリ金属セル４１０の反対側に設けられている。矢印４４１、４３１はそれぞれ、ポンプ光およびプローブ光の光路を表す。
【００７２】
本実施形態は、第１の実施形態と同様に、プローブ光を折り返す光路を構成するものであるが、アルカリ金属セル４１０内には、ある方向にスピン偏極を有する領域と、その方向とは反対方向にスピン偏極を有する領域とを形成する。そのために、ポンプ光を折り返しミラー４７０ａ、４７０ｂの２枚で折り返して、アルカリ金属セル４１０内を逆向きに透過させる。折り返しミラー４７０ａ、４７０ｂで２回反射されたポンプ光は、同じ円偏光を有するが、進行方向が逆向きなので、反対向きのスピン偏極を形成することになる。図１０に示すように、第１の実施形態と同様の座標系を用い、同じ直線偏光をプローブ光に使用する場合について説明する。紙面垂直方向、すなわちｙ方向の磁場Ｂyがあるときに、図中の領域Ｓ１では、プローブ光の偏光面の回転角がマイナスの値となり、一方で、図中の領域Ｓ２では偏光面の回転角がプラスの値となる。また、反射ミラー４２０で折り返されたプローブ光にさらに偏光面の回転が加わるのは、第１の実施形態と同様のことである。
【００７３】
全体として、この磁力計は、ポンプ光の光路４３１とプローブ光の光路４４１とが交差する２つの領域Ｓ１、Ｓ２で、同じ磁場に対して逆向きの偏光面の回転を生じるので、領域Ｓ１と領域Ｓ２との磁場の差を検出する勾配計として動作することがわかる。このようにして、アルカリ金属ガス中に２つの測定位置を有し、２つの測定位置における磁場強度の差を偏光回転角の差として直接測定可能な磁気センサが構成される。
【００７４】
また、折り返されたポンプ光がさらに適切な円偏光を維持するように、光路上に偏光子と１／４波長板を挿入してもよい。
【００７５】
領域Ｓ１と領域Ｓ２とで反対向きのスピン偏極を形成するための光学系としては、ここで説明したもの以外の構成であってもよい。例えば、ポンプ光を２つのビームに分けて、これを右回り円偏光と左回り円偏光のペアとしたのちに、アルカリ金属セルの一方から２本のビームを入射するようにすることも可能である。
【００７６】
さらに、図５に示した第１の実施形態における光ポンピング磁力計の変形例のように、プローブ光の反射ミラーに対する入射光路と反射光路とが重ならないようにして、同様の磁場勾配計を構成することも可能である。その構成例を図１１に示す。
【００７７】
ここでは、誘電体多層膜ミラー４２１は、カリウムが封入されたアルカリ金属セル４１１の外側に配置されており、ポンプ光を折り返すための折り返しミラー４７０ａ、４７０ｂ、およびポンプ光の光路４３１は前述と同様の構成である。また、入射光路と反射光路とが重ならないように入射されるプローブ光の光路を４４２で表している。
【００７８】
以上説明した、本発明に係る光ポンピング磁力計は、原子磁力計と表現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】常磁性ファラデー回転による偏光面の回転を説明するための斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における光ポンピング磁力計を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における光ポンピング磁力計のプローブ光の光路を示す模式図である。
【図４】プローブ光の偏光面の回転の様子を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における光ポンピング磁力計の変形例の一部を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における光ポンピング磁力計の変形例の一部を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光ポンピング磁力計の一部を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における光ポンピング磁力計の一部を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における光ポンピング磁力計の一部を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態における磁場勾配計の一部を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における磁場勾配計の変形例の一部を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  光ポンピング磁力計
１１０  アルカリ金属セル
１２０  反射ミラー
１３０  ポンプ光源
１４０  プローブ光源
１６０  フォトディテクタ
【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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