【手続補正書】
【提出日】平成29年8月28日(2017.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
2016050837.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
2016050837.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
2016050837.tif 000003
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。