CN113805120A - 光激发磁传感器 - Google Patents

Abstract

光激发磁传感器(1)具有：单元(2)，其沿测量对象配置并且封入有碱金属蒸气；泵浦激光器，其出射泵浦光；一个或多个泵浦光用镜，其关于使沿测量对象的第一方向引导的泵浦光入射至单元(2)；探测激光器(8)，其出射探测光；分割部(12)，其将探测光分割为多个；一个或多个探测光用镜，其关于使在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的第二方向引导的各探测光入射至单元(2)；检测部，其在单元(2)的外部检测在单元(2)的内部与泵浦光正交的各探测光；以及导出部，其基于检测部的检测结果，导出对应于各探测光的自旋极化产生的磁旋光角的变化，并且导出关于对应于正交的区域的测量部位的磁场。

Description

光激发磁传感器

技术领域

本发明的一个方式涉及一种光激发磁传感器。

背景技术

过去，为测量微小的脑磁场，而使用超导量子干涉仪(superconducting quantuminterference device,SQUID)作为脑磁计。近年来，研究了使用光激发磁传感器代替SQUID的脑磁计。光激发磁传感器通过使用由光泵浦激发的碱金属原子的自旋极化，来测量微小的磁性。例如，专利文献1公开了利用光泵磁强计的脑磁计。

专利文献1：日本专利第5823195号公报

发明内容

使用光激发磁传感器的脑磁计，例如，沿头皮配置100个以上的光激发磁传感器。然而，由于现有的光激发磁传感器的占有面积是约20×20mm²的尺寸，从而当多个光激发磁传感器并排时，不可以缩小测量部位的间隔(间距)。

因此，本发明的一个方式的目的在于提供一种可以缩小测量部位的间隔的光激发磁传感器。

根据本发明的一个方式所涉及的光激发磁传感器，具有：单元，其沿测量对象配置并且封入有碱金属蒸气；泵浦激光器，其出射用于激发碱金属原子的泵浦光；一个或多个泵浦光用镜，其反射从泵浦激光器出射的泵浦光，并且关于使沿测量对象的第一方向引导的泵浦光入射至单元；探测激光器，其出射用于检测由碱金属原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光；分割部，其将探测光分割为多个；一个或多个探测光用镜，其反射通过分割部分割的各探测光，并且关于使在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的第二方向引导的各探测光入射至单元；检测部，其在单元的外部检测在单元的内部与泵浦光正交的各探测光；以及导出部，其基于检测部的检测结果，导出对应于各探测光的磁旋光角的变化，并且从对应于各探测光的磁旋光角的变化，导出关于对应于各探测光与泵浦光正交的区域的测量部位的磁场。

本发明的一个方式所涉及的光激发磁传感器中，在封入有碱金属蒸气的单元，沿测量对象的第一方向引导的泵浦光入射，并且被分割部分割为多个的、在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的第二方向引导的各探测光入射。并且，通过导出由对应于通过单元的各探测光的自旋极化产生的磁旋光角的变化，来导出在单元内部对应于于泵浦光和各探测光正交的区域的磁场。如上所述，在本发明的一个方式所涉及的光激发磁传感器中，由于探测光被分割为多个，不需要对每一个泵浦光与各探测光正交的区域准备探测激光器，从而探测激光器的结构变得简单。另外，在这样的光激发磁传感器中，由于探测光被分割为多个，并且在单一的框体的内部测量多个通道，从而与不分割探测光的场合相比，可以缩小测量部位的间隔。如上所述，根据本发明的一个方式，可以提供可以缩小测量部位的间隔的光激发磁传感器。

也可以是：探测激光器出射高度比宽度小的探测光。如上所述，通过出射宽度大的探测光，泵浦光与探测光正交的区域变大，并且可以提高光激发磁传感器的测量精度。

也可以是：碱金属是钾和铷，泵浦激光器出射用于激发铷原子并且将铷原子的自旋极化移至钾原子的泵浦光，探测激光器，出射用于检测由钾原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光。根据这种的结构，当使泵浦光激发铷原子时，铷原子的自旋极化移至钾原子，并且使钾原子激发。通过使用这样的钾和铷的自旋交换相互作用，与仅使钾原子激发的情况相比，可以均一地激发钾原子。另外，通过使用即使在碱金属中磁场的灵敏度也高的钾，可以提高光激发磁传感器的测量精度。

也可以是：泵浦光与各探测光，在单元的内部的、磁场入射的面的附近正交。根据这种结构，由于泵浦光与各探测光在更强地接收磁场的位置处正交，从而可以提高光激发磁传感器的测量精度。

也可以是：泵浦光用镜中的至少一个和探测光用镜中的至少一个通过粘接剂粘接于单元。根据这种结构，泵浦光用镜和探测光用镜固定于单元，并且在与单元之间不产生空间。由此，可以稳定且紧凑地配置各镜。

也可以是：分割部，隔着单元配置于测量对象的相反侧，探测激光器，以使沿第一方向的反方向引导的探测光入射至分割部的方式，出射探测光，分割部，在作为与第一方向正交的、沿测量对象的方向上，输出分割的各探测光，两个探测光用镜中的一方，将通过分割部分割的各探测光向朝向测量对象的方向反射，另一方进一步将通过一方反射的各探测光向第二方向反射，并且使各探测光入射至单元。根据这样的结构，可以以沿单元的面的方式，设定探测光的光路。通过探测光的光路沿单元的面设定，并且谋求空间化，可以使光激发磁传感器小型化。

也可以是：还具有：参照用第一构件，封入有碱金属蒸气并且隔着单元配置于测量对象的相反侧，用于检测入射激发碱金属原子的、沿第一方向引导的参照用第一光，入射由碱金属原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的、沿第二方向引导的多个参照用第二光；参照用第二构件，其在参照用第一构件的外部检测在参照用第一构件的内部与参照用第一光正交的多个参照用第二光；在单元各探测光与泵浦光正交的各区域，与在任意的参照用第一构件与参照用第二光和参照用第一光正交的区域，在垂直于测量对象的方向重叠，导出部作为一阶微分轴型梯度计构成，其在导出通过检测部检测的、对应于各探测光的磁旋光角的变化时，进行考虑了各探测光的检测部的检测结果、和在垂直于测量对象的方向与各探测光区域重叠的参照用第二光的参照用第二构件的检测结果的噪声去除处理。根据这样的结构，由于共模噪声的影响在各探测光的检测部的检测结果和参照用第二光的参照用第二构件的检测结果的各个中示出，从而可以通过获得两者的输出结果的差分来去除共模噪声。由此，可以提高光激发磁传感器的测量精度。

也可以是：泵浦激光器，沿与探测激光器的探测光的出射方向相同的方向出射泵浦光。根据这种结构，一部位或接近的部位配置有泵浦光导入口和探测光导入口，可以使光激发磁传感器的结构简化。

也可以是：泵浦激光器，沿与探测激光器的探测光的出射方向正交的方向出射泵浦光。在泵浦光与探测光在单元的内部正交的地方，通过泵浦激光器和探测激光器的出射方向彼此正交，可以使包括泵浦光镜和探测光镜的镜的结构简化。

根据本发明的一个方式，可以提供可以缩小测量部位的间隔的光激发磁传感器。

附图说明

图1是示出光激发磁传感器的结构的图。

图2是示出单元的形状的概略图。

图3是示出泵浦光和探测光的光路的概略图。

图4是示出4ch的一阶微分轴型梯度计的泵浦光和探测光的光路的概略图。

图5是示出4×4ch的一阶微分轴型梯度计的概略图。

图6是示出使用光激发磁传感器的脑磁计的概略图。

图7是示出泵浦光的另一光路的概略图。

图8是示出探测光的另一光路的概略图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细地说明用于实施本发明的方式。在附图的说明中，对相同的要素赋予相同的符号，并且省略重复的说明。

图1是示出光激发磁传感器1的结构的图。光激发磁传感器1是利用光泵来测量磁场的装置。在本说明书中，虽然将光激发磁传感器1作为用于脑磁测量进行说明，但是用途不限于此。图1的x轴和y轴与头皮(测量对象)平行，并且z轴与头皮垂直。图1的(a)和图1的(b)示出从分别不同的角度观察光激发磁传感器1时的结构。即，图1的(a)是从侧面观察光激发磁传感器1的图，图1的(b)是从正面观察光激发磁传感器1的图。

光激发磁传感器1具有：单元2、加热器3、热电偶5、壳体6、泵浦激光器7、探测激光器8、光纤连接器9、镜10、镜11、分割部12、镜13、镜14、镜15、偏振光束分束器16、镜17、第一光电二极管18、第二光电二极管19、帽檐框(peak frame)20、印刷基板21、帽檐(peak)支柱22、以及散热器23。

如图1的(a)所示，单元2沿头皮配置，并且封入有碱金属蒸气。单元2可以例如由石英、蓝宝、硅、科瓦玻璃(Kovar glass)、硼硅酸玻璃等材料构成。单元2对后述的泵浦光和探测光具有光透过性。在此，参照图2说明单元2的详细情况。

图2是示出单元2的形状的概略图。单元2具有大致长方体并且有底筒状的形状。与x轴方向垂直的方向的单元2的截面例如是正方形。作为单元2的一端的泵浦光入射面2a是沿x轴的正方向被引导的泵浦光入射的平面。作为单元2的侧面的探测光入射面2b是沿y轴的正方向被引导的多个探测光入射的平面。作为单元2的侧面的探测出射面2c是沿y轴的正方向被引导的多个探测光通过单元2的内部后出射的平面。单元2的上表面2d是安装有后述的加热器3等的平面。作为单元2的下表面的磁场入射面2e是从脑产生的、z轴的正方向的磁场入射的平面。单元2的另一端也可以是平面，并且也可以形成沿x轴的正方向直径逐渐缩小的密封部2f。

单元2容纳碱金属蒸气和封入气体。容纳于单元2的碱金属可以设为例如锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、以及铯(Cs)中的至少一种以上。容纳于单元2的碱金属也可以是钾和铷，也可以仅是钾。钾的自旋破坏碰撞(spin-destruction collision)弛豫率即使是在光激发磁传感器所使用的碱金属中，也比较小。钾的自旋破坏碰撞弛豫率例如比铯和铷小。因此，在采用单一的碱金属的情况下，仅使用钾的光激发磁传感器相比于仅使用铯或铷的光激发磁传感器，灵敏度更高。

封入气体抑制碱金属蒸气的自旋极化的弛豫。另外，封入气体保护碱金属蒸气并且抑制噪声的发光。封入气体也可以是例如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮(N₂)等惰性气体。封入气体也可以设为例如氦气和氮气。

返回至图1的(a)，在单元2，安装有加热器3、以及热电偶5。加热器3根据从加热器电源(未示出)供给的电流发热。热电偶5测量单元2的内部温度。加热器3通过控制单元2的内部温度来控制碱金属蒸气密度。加热器3，例如在单元2容纳作为碱金属的钾和铷的情况下，以单元2的内部温度变为180℃的方式，进行加热。加热器3例如安装在单元2的上表面2d。热电偶5安装于例如作为单元2的探测光入射面2b或探测光出射面2c且在不遮挡探测光的光路的位置。

泵浦激光器7出射用于激发碱金属原子的泵浦光。泵浦激光器7也可以将泵浦光成型为任意尺寸。容纳于单元2的碱金属原子由泵浦光激发，并且自旋的方向对齐(自旋极化)。泵浦光的波长根据构成碱金属蒸气的原子的种类(更详细地，为吸收线的波长)来设定。

泵浦激光器7也可以出射用于激发铷原子并且将铷原子的自旋极化移至钾原子的泵浦光。在该情况下，通过泵浦光铷原子成为激发状态。并且，通过钾和铷的自旋交换相互作用，铷原子的自旋极化移至钾原子，并且钾原子成为激发状态。

探测激光器8出射探测光，该探测光用于检测由碱金属原子的激发状态下的自旋极化而产生的磁旋光角的变化。探测激光器8也可以将探测光成型为任意尺寸。探测激光器8也可以出射高度比宽度小的探测光。探测光，在通过碱金属蒸气时，受到碱金属原子的自旋极化的状态的影响，磁旋光角变化。通过检测该磁旋光角的变化，可以导出自旋极化的状态。探测光的波长根据构成碱金属蒸气的原子的种类(更详细地，为吸收线的波长)来设定。探测光的波长，例如在单元2仅容纳钾作为碱金属的情况下，探测光的波长从泵浦光的波长(例如，770.1nm)失谐，设为例如约770nm。通过使探测光的波长从泵浦光的波长失谐，来抑制探测光被钾吸收。

探测激光器8，在单元2容纳钾和铷作为碱金属的情况下，也可以出射探测光，该探测光用于检测通过钾原子的激发状态下的自旋极化而产生的磁旋光角的变化。如上所述，在使用2种碱金属的情况下，优选用于激发的铷的密度比用于探测的钾低。当铷的密度低时，泵浦光从泵浦光入射端到达深处，即使单元沿x轴方向是细长的，也可以均一地激发铷。由此，可以获得均一的灵敏度。

光纤连接器9是具有将从泵浦激光器7出射的泵浦光和从探测激光器8出射的探测光导入光激发磁传感器1的框体内部的泵浦光导入口和探测光导入口的连接器。另外，光纤连接器9也可以将泵浦光和探测光成型为任意尺寸。光纤连接器9也可以例如通过准直透镜，将泵浦光和探测光的各个调整至平行状态。

泵浦激光器7也可以沿由探测激光器8的探测光的出射方向相同的方向出射泵浦光。例如，泵浦激光器7和探测激光器8沿x轴的负方向分别出射泵浦光和探测光。通过泵浦激光器7出射的泵浦光和通过探测激光器8出射的探测光被引导至光纤连接器9。在该情况下，光纤连接器9，以泵浦光导入口位于相对于探测光导入口z轴的正方向的方式，进行配置。光纤连接器9的泵浦光和探测光的出射方向不限于此。

镜10是反射从泵浦激光器7出射的泵浦光的泵浦光用镜。镜10相对于光纤连接器9的泵浦光导入口，配置于x轴的负方向。在镜10，经由光纤连接器9入射有泵浦光。镜10，将从泵浦激光器7沿x轴的负方向出射的泵浦光向z轴的负的方向(朝向头皮的方向)反射。镜10也可以通过光学粘接剂粘接于帽檐框20。

镜11，通过将由镜10向z轴的负方向反射的泵浦光向沿头皮的第一方向(x轴的正的方向)反射，使沿第一方向(x轴的正方向)引导的泵浦光入射至单元2的泵浦光用镜。镜11相对于镜10配置于z轴的负方向。镜11也可以通过耐热光学粘接剂粘接于单元2的泵浦光入射面2a。

分割部12将探测光分割为多个。分割部12例如由光束分束器12BS和镜12M构成。光束分束器12BS反射入射的光分量的一部分并且使剩余的光分量透过。镜12M反射入射的光。在光束分束器12BS，经由光纤连接器9入射有探测光。在镜12M，入射有透过光束分束器12BS的探测光。

分割部12也可以隔着单元2配置于头皮的相反侧。探测激光器8也可以，以使沿第一方向的反方向(x轴的负的方向)引导的探测光入射至分割部12的方式出射探测光。分割部12也可以在作为与第一方向正交的方向的、沿头皮方向(y轴的负的方向)，输出分割的各探测光。例如，光束分束器12BS和镜12M相对于光纤连接器9的探测光导入口，配置于x轴的负方向。在该情况下，光纤连接器9沿x轴的负方向引导探测光。镜12M相对于光束分束器12BS位于x轴的负方向。光束分束器12BS在作为与第一方向正交的方向的、沿头皮(y轴的负方向)的方向输出入射的探测光的一部分，并且使探测光的剩余在x轴的负方向透过。镜12M将入射的探测光向y轴的负方向反射。光束分束器12BS和镜12M也可以通过光学粘接剂粘接于帽檐框20。

分割的各探测光的数量对应于光激发磁传感器1可测量磁场的通道(ch)的数量。另外，根据通道数，探测光的光路上的各结构的数量可以不同。例如，在探测光被分割成四个探测光(4通道)的情况下，分割部12由光束分束器12BSa、12BSb、12BSc和镜12M构成。分割部12，以4个探测光具有分别同程度的光分量，即，分割前(在被分割部12引导之前)的探测光的25％的光分量的方式，来分割探测光。例如，在光束分束器12BSa、12BSb以及12BSc在x轴的负方向串联配置并且使探测光以该顺序透过并且分割的情况下，光束分束器12BSa、12BSb和12BSc的透过率是分别不同的。例如，光束分束器12BSa、12BSb以及12BSc的透过率也可以分别设为75％、66.6％和50％。在该情况下，光束分束器12BSa沿y轴的负方向输出入射的光分量中的25％，并且沿x轴的负方向输出剩余的75％。光束分束器12BSb沿y轴的负方向输出从光束分束器12BSa透过的光分量中的33.3％，并且沿x轴的负方向输出剩余的66.6％。光束分束器12BSc沿y轴的负方向输出从光束分束器12BSb透过的光分量中的50％，并且沿x轴的负方向输出剩余的50％。镜12M使透过光束分束器12BSc的光分量向y轴的负方向反射。通过如上所述进行分割，4个探测光的各个具有分割前(引导至分割部12之前)的探测光的25％的光分量。

在图1的(b)中，省略了镜10和镜11。如图1的(b)所示，镜13是反射通过分割部12分割的各探测光的探测光用镜。镜13将由分割部12分割的各探测光向朝向头皮的方向反射。镜13相对于分割部12配置于y轴的负方向。镜13将由分割部12沿y轴的负方向输出的各探测光向z轴的负方向反射。

镜14是使在作为与第一方向正交的方向的、沿头皮的第二方向引导的各探测光入射至单元2的探测光用镜。第二方向是指例如y轴的正方向。镜14还将通过镜13反射的各探测光向第二方向反射，并且使各探测光入射至单元2。镜14相对于镜13配置于z轴的负方向。在镜14，入射有在镜13反射的各探测光。镜14将由分割部13沿z轴的负方向引导的各探测光向y轴的正方向(第二方向)反射。在镜14反射的各探测光分别与单元2的探测光入射面2b垂直入射。镜14也可以通过耐热光学粘接剂粘接于单元2的探测光入射面2b。

镜15反射入射的探测光。镜15相对于单元2配置于y轴的正方向。在镜15，入射有通过单元2的内部并且从单元2的探测光出射面2c出射的各探测光。镜15将经过单元2的探测光出射面2c而入射的各探测光向z轴的正方向(远离头皮的方向)反射。镜15也可以通过耐热光学粘接剂粘接于单元2的探测光出射面2c。

镜13、镜14以及镜15可以分别作为一个镜构成，也可也作为多个镜构成。例如，在通道数是四个的情况下，镜13也可以由四个镜13a、13b、13c和13d(参照图3的(b))构成。同样地，镜14也可以由四个镜构成。同样地，镜15也可以由四个镜15a、15b、15c和15d构成。各镜对应于四个探测光的各个的光路配置。

偏振光束分束器16透过包含于入射的光的、具有第一磁旋光角度的第一光分量，并且通过与透过面不同的面来分离具有其他的磁旋光角度的第二光分量。例如，第一磁旋光角是相对于从探测激光器8出射的探测光所具有的磁旋光角度倾斜45度的角度。第二光分量是相对于第一磁旋光角度倾斜90度的角度。由此，在单元2未给与磁场的情况下，具有第一、第二磁旋光角度的探测光的光量相等。另外，在给与磁场的情况下，碱金属原子的自旋极化变化，并且在探测光通过单元2的内部时因为其偏波面变化，从而根据磁场强度光量的平衡发生变化。偏振光束分束器16相对于镜15配置于z轴的正方向。在偏振光束分束器16，入射有镜15反射的各探测光。偏振光束分束器16使包含于入射的各探测光的第一光分量沿z轴的正方向透过。另外，偏振光束分束器16将包含于入射的各探测光的第二光分量沿y轴的负方向输出。

镜17反射入射的光。镜17相对于偏振光束分束器16配置于y轴的负方向。在镜17，入射有从偏振光束分束器16输出的第二光分量。镜17将入射的第二光分量向z轴的正方向反射。

第一光电二极管18和第二光电二极管19是在单元2的外部检测在单元2内部与泵浦光正交的各探测光的检测部。第一光电二极管18由与通道数(由分割部12的探测光的分割数)相同的数量的光电二极管构成。第一光电二极管18相对于偏振光束分束器16配置于z轴的正方向。在第一光电二极管18，入射有透过偏振光束分束器16的第一光分量。第一光电二极管18产生并输出对应于第一光分量的强度的信号。第二光电二极管19由与通道数相同的数量的光电二极管构成。第二光电二极管19相对于镜17配置于z轴的正方向。第二光电二极管19入射在镜17反射的第二光分量。第二光电二极管19产生并输出对应于第二光分量的强度的信号。

第一光电二极管18和第二光电二极管19(检测部)与导出部(未示出)电连接。导出部的功能也可以由例如图6所示的控制装置26拥有。导出部，基于第一光电二极管18和第二光电二极管19的检测结果，导出对应于各探测光的磁旋光角的变化，并且从对应于各探测光的磁旋光角的变化，导出与正交于各探测光和泵浦光的区域相对应的脑的位置(测量部位)的磁场。

另外，例如，在通道数量是四个的情况下，偏振光束分束器16也可以由四个偏振光束分束器16a、16b、16c和16d构成。同样地，镜17也可以由四个镜构成。另外，第一光电二极管18也可以由四个第一光电二极管18a、18b、18c和18d构成。此外，第二光电二极管19也可以由四个第二光电二极管构成。在该情况下，第一光电二极管18a、18b、18c和18d成为与四个第二光电二极管中分别成对。

帽檐框20是在z轴的负方向粘接固定壳体6的板状的台座。帽檐框20也可以设置有用于泵浦光和探测光的光路的窗。

帽檐支柱22是用于保持帽檐框20和印刷基板21之间的空间恒定的柱。

散热器23是相对于印刷基板21沿z轴的正方向安装的散热用的部件。散热器23，以将光激发磁传感器1的框体的内部温度(除去单元2)散热，并且接近外部温度(室温)的方式调整。

图3是示出泵浦光和探测光的光路的概略图。在图3中，简略化示出光激发磁传感器1的结构。另外，在图3中，示出光激发磁传感器1为4通道的情况。图3的(a)是从侧面观察光激发磁传感器1的图，图3的(b)是从上方观察光激发磁传感器1的图，图3的(c)是从正面观察光激发磁传感器1的图。

首先，参照图3的(a)对泵浦光的光路进行说明。如图3的(a)所示，泵浦激光器7沿x轴的负方向出射泵浦光LP。镜10将经由光纤连接器9入射的泵浦光LP向z轴的负方向反射。随后，镜11将在镜10反射泵浦光LP向x轴的正方向(第一方向)反射。通过这样的方法，泵浦光LP从泵浦光入射面2a入射单元2并且沿第一方向通过单元2的内部。

接下来，对探测光的光路进行说明。如图3的(a)所示，从探测激光器8出射的探测光LB，经由光纤连接器9沿x轴的负方向进行引导。

图3的(b)省略泵浦光LP的图示。如图3的(b)所示，分割部12相对于单元2配置于z轴的正方向(上方)。在分割部12，入射有由探测激光器8沿x轴的负方向出射的探测光LB。光束分束器12BSa沿y轴的负方向输出探测光LB的25％的光分量作为探测光LBa，沿x轴的负方向透过剩余的75％的光分量。光束分束器12BSb沿y轴的负方向输出从光束分束器12BSa透过的探测光中的33.3％的光分量作为探测光LBb，并且沿x轴的负方向输出剩余的66.6％。随后，光束分束器12BSc沿y轴的负方向输出从光束分束器12BSb透过的探测光中的50％的光分量作为探测光LBc，并且沿x轴的负方向输出剩余的50％。最后，镜12M将由光束分束器12BSc透过的探测光作为LBd向y轴的负方向反射。通过这样的方法，探测光LB被分割为多个探测光LBa，LBb，LBc和LBd。各探测光的光分量成为分割前的探测光LB中的25％的光分量。各探测光入射至配置于y轴的负方向的镜13(镜13a、13b、13c和13d)。

如图3的(c)所示，镜13(镜13a、13b、13c和13d)将从分割部12输出的各探测光向z轴的负方向反射。镜14(四个镜)将在镜13反射的各探测光向y轴的正方向(第二方向)反射。各探测光，从单元2的探测光入射面2b入射，沿第二方向通过单元2的内部。

各探测光，在通过单元2的内部时，从单元2的探测光出射面2c出射至单元2的外侧。镜15(镜15a，15b，15c和15d(参照图1))，将经由单元2入射的各探测光向z轴的正方向反射。各探测光，从镜15观看，入射至配置于z轴的正方向的偏振光束分束器16。

偏振光束分束器16沿z轴的正方向透过包含于入射的各探测光的第一光分量，并且沿y轴的负方向输出第二光分量。包含于各探测光的第一光分量分别入射至第一光电二极管18(第一光电二极管18a、18b、18c和18d(参照图1的(a))。包含于各探测光的第二光分量分别在镜17(4个中的各镜)向z轴的正方向反射。并且，包含于各探测光的第二光分量分别入射至第二光电二极管19(4个中的各第二光电二极管)。

如图3的(a)所示，区域AR表示泵浦光LP与探测光在单元2内部正交的四通道份的区域。具体地，泵浦光LP沿x轴的正方向(第一方向)进入单元2的内部。各探测光在单元2的内部沿y轴的正方向(第二方向)前进。第一方向的泵浦光LP和第二方向的各探测光分别在单元2的内部正交。由光激发磁传感器1的磁测量区域成为在单元2的内部泵浦光与探测光正交的区域AR。

另外，泵浦光LP和各探测光也可以在单元2的内部的、磁场入射的面的附近正交。具体地，泵浦光LP与各探测光的正交区域，也可以以接近单元2的磁场入射面2e(参照图2)的方式，调整镜11和镜14的各个的位置。

图4是示出4ch的一阶微分轴型梯度计的泵浦光和探测光的光路的概略图。在图4的(a)和(b)中，光激发磁传感器1还具有：参照用单元2r、参照用镜10r、参照用镜11r、参照用镜13r、参照用镜14r、参照用镜15r、参照用偏振光束分束器16r、参照用镜17r、参照用第一光电二极管18r、以及参照用第二光电二极管19r。这些各结构，分别对应于测量区域的单元2、镜10、镜11、镜13、镜14、镜15、偏振光束分束器16、镜17、第一光电二极管18、以及第二光电二极管19(功能一致)。光激发磁传感器1即使对未示出的其他的结构也可以具有成对的结构。

光激发磁传感器1也可以作为还具有参照用单元2r(参照用第一构件)、参照用第一光电二极管18r以及参照用第二光电二极管19r(参照用第二构件)的一阶微分轴型梯度计来构成。参照用第一构件，封入有碱金属蒸气并且隔着单元2配置于头皮的相反侧，用于检测入射激发碱金属原子的、沿第一方向引导的参照用第一光，入射由碱金属原子的激发状态下的自旋极化而产生的磁旋光角的变化的、被沿第二方向引导的、多个参照用第二光。

参照用第二构件也可以在参照用第一构件的外部检测在参照用第一构件内部与第一参照用光正交的多个参照用第二光。在单元2各探测光与泵浦光正交的各区域，也可以在垂直于头皮的方向，与在参照用第一构件正交于任意的参照用第二光和参照用第一光的区域重叠。导出部(例如，控制装置26)，在导出与通过第一光电二极管18和第二光电二极管19检测的各探测光相对应的磁旋光角的变化时，也可以进行噪声去除处理，该噪声去除处理考虑了各探测光的在第一光电二极管18和第二光电二极管19的检测结果、以及在垂直于头皮方向与各探测光区域重叠的参照用第二光的在参照用第一光电二极管18r和参照用第二光电二极管19r的检测结果。另外，即使不使用参照单元2r，也可以作为平面梯度计结构，其去除作为共模噪声的、在来自单元2的相邻通道的信号所共同的部分。

图5是示出4×4ch的一阶微分轴型梯度计的概略图。4×4ch一阶微分轴型梯度计是在一个框体对四个4ch的一阶微分轴型梯度计模块化，可以获得16个通道的测量结果。

光激发磁传感器1也可以具有偏置磁场形成用线圈24，其根据从线圈电源(未示出)供给的电流，在配置有单元2的区域产生偏置磁场B。偏置磁场形成用线圈24可以例如作为绕光激发磁传感器1旋转的线圈系统。偏置磁场B的方向例如是与通过单元2的内部的泵浦光的光路相同的方向(x轴的正方向)。通过调整偏置磁场B的强度，可以调整光激发磁传感器1的磁场的灵敏度的峰值频率。峰值频率可以根据光激发磁传感器1测量的对象来变更。例如，在光激发磁传感器1用于脑磁测量的情况下，期望使磁场的灵敏度的峰值频率与作为脑磁场的频带的数～数百Hz配合。在此，例如，当绕于一阶微分轴型梯度计的周围的线圈形成7nT的偏置磁场B时，可以将光激发磁传感器1的峰值频率调整为50Hz。

图6是示出使用光激发磁传感器1的脑磁计的概略图。光激发磁传感器1也可以设为例如4×4ch的一阶微分轴型梯度计。脑磁计具有光激发磁传感器1、非磁性框架25、控制装置26、泵浦激光器7、探测激光器8、放大器27、以及加热器控制器28。多个光激发磁传感器1例如沿头皮以规定的间隔配置。脑磁计在例如12个4×4ch一阶微分轴型梯度计沿头皮以规定的间隔配置的情况下，可以取得192通道份的测量区域。

非磁性框架25，是覆盖作为脑磁场的测量对象的受试者的头皮的整个区域的框架，并且由石墨等非磁性材料构成。非磁性框架25可以是例如包围受试者的头皮的整个区域、并且作为戴在受试者的头部的头盔型框架。在非磁性框架25，以接近受试者的头皮的方式固定有多个光激发磁传感器1。

控制装置26利用从放大器27输出的信号，来获得与光激发磁传感器1检测的磁场相关的信息。控制装置26也可以作为导出部构成。此外，控制装置26也可以控制泵浦激光器7和探测激光器8的出射时刻、出射时间等操作。

控制装置26物理地构成为具有RAM、ROM等的存储器，CPU等的处理器(运算电路)、通信接口、硬盘等的存储部。作为相关的控制装置26可以举例例如个人计算机、云服务器、智能手机、平板电脑终端等。控制装置26通过由计算机系统的CPU执行存储于存储器中的程序来发挥功能。

从泵浦激光器7出射的泵浦光通过光纤分支，也可以入射至多个光激发磁传感器1的各个。另外，从探测激光器8出射的探测光通过光纤分支，也可以入射至多个光激发磁传感器1的各个。

放大器27是放大来自光激发磁传感器1的输出结果信号并输出至控制装置26的设备或电路。

加热器控制器28是与用于加热光激发磁传感器1的单元加热器3以及测量单元2的温度的热电偶5(未图示)连接的调温装置。加热器控制器28从热电偶5接收单元2的温度信息，并且基于该温度信息通过调整加热器3的加热，来调整单元2的温度。

图7是示出泵浦光的另一光路的概略图。泵浦激光器7也可以沿与探测激光器8的探测光的出射方向(参照图3的(a))正交的方向出射泵浦光。例如，泵浦激光器7也可以沿z轴的负方向出射泵浦光。在镜11，经由光纤连接器9，入射有从泵浦激光器7出射的泵浦光。镜11将入射的泵浦光向x轴的正方向(第一方向)反射。泵浦光，垂直于单元2的泵浦光入射面2a入射。通过这样的方法，泵浦光，仅通过镜11被引导至单元2的泵浦光入射面2a。通过这样的结构，镜10变得不必要。

图8是示出探测光的另一光路的图。探测激光器8也可以沿朝向头皮的方向出射探测光。在图8中，探测光也可以通过光纤分支等分割。在该情况下，光纤连接器9也可以具有通道数份的探测光导入口。在镜14，入射有从光纤连接器9出射的多个探测光的各个。镜14将入射的多个探测光的各个向y轴的正方向(第一方向)反射。多个探测光中的各个垂直于单元2的探测光入射面2b入射。通过这样的方法，探测光，仅通过镜14被引导至单元2的泵浦光入射面2b。根据这种结构，虽然需要光纤连接器9的探测光导入口为多个，但是不需要分割部12和镜13。

实施例

示出在光激发磁传感器1确保4通道份的测量区域时的尺寸的示例。单元2的形状也可以设为：x轴的方向的长度为50mm，垂直于x轴的方向的截面的外形为6×6mm²，垂直于x轴的方向的截面的内侧为4×4mm²，玻璃厚为1毫米。例如，泵浦激光器7或光纤连接器9，也可以例如以泵浦光的高度为3.5mm、宽度为3.5mm的方式成型。另外，探测激光器8或光纤连接器9，也可以例如以探测光的高度为2mm、宽度为8mm的方式成型。并且，在x轴的方向，相邻通道的间隔也可以设为2mm。由于探测光的宽度为8mm并且相邻通道的间隔为2mm，从而如果单元2的x轴方向的长度为约50mm，则可以确保4通道份的宽度。在这样的四通道光激发磁传感器1中，可以获得四个3.5×2×8mm³的测量区域。如上所述，在一个框体中沿第一方向排列有多个具有多个通道的光激发磁传感器1的情况下，可以缩小相邻光激发磁传感器1的测量部位的间隔。上述的泵浦光和探测光可以成型为任何尺寸。

另外，例如，镜13、镜14和镜15也可以将反射探测光的高度方向的宽度分别设为与探测光的高度大致相同的宽度(例如，2mm)。通过使用具有这样的宽度的镜13、镜14和镜15，对第二方向，可以使光激发磁传感器1的结构小型化。例如，镜14(宽度为2mm)、单元2(垂直于x轴的方向的截面的外形为6×6mm²)、以及镜15的(宽度2mm)的宽度合计为10mm。

作用效果

接下来，对上述实施方式所涉及的光激发磁传感器1的作用效果进行说明。

本实施方式所涉及的光激发磁传感器1具有：单元2，其沿测量对象配置并且封入有碱金属蒸气；泵浦激光器7，其出射用于激发碱金属原子的泵浦光；一个或多个泵浦光用镜，其反射从泵浦激光器7出射的泵浦光，并且关于使沿测量对象的第一方向引导的泵浦光入射至单元2；探测激光器8，其出射用于检测通过碱金属原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光；分割部12，其将探测光分割为多个；一个或多个探测光用镜，其反射通过分割部12分割的各探测光，并且关于使在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的第二方向上引导的各探测光入射至单元2；检测部，其在单元2的外部检测在单元2的内部与泵浦光正交的各探测光；以及导出部，其基于检测部的检测结果，导出对应于各探测光的磁旋光角的变化，并且从对应于各探测光的磁旋光角的变化，导出与测量部位相关的磁场，测量部位对应于各探测光与泵浦光正交的区域。

在本实施方式所涉及的光激发磁传感器1中，在封入有碱金属蒸气的单元2，沿测量对象的第一方向引导的泵浦光入射，并且被分割部12分割为多个的、在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的第二方向上引导的各探测光入射。并且，通过导出由对应于通过单元2的各探测光的自旋极化产生的磁旋光角的变化，来导出对应于在单元2内部泵浦光与各探测光正交的区域的磁场。如上所述，在本实施方式所涉及的光激发磁传感器1中，由于探测光被分割为多个，不需要对每一个泵浦光与各探测光正交的区域准备探测激光器8，从而探测激光器8的结构变得简单。另外，在这样的光激发磁传感器1中，由于探测光被分割为多个，并且在单一的框体的内部测量多个通道，从而与不分割探测光的场合相比，可以缩小测量部位的间隔。如上所述，根据本实施方式，可以提供可以缩小测量部位的间隔的光激发磁传感器1。

也可以是：探测激光器8出射高度比宽度小的探测光。如上所述，通过出射宽度大的探测光，泵浦光与探测光正交的区域变大，并且可以提高光激发磁传感器1的测量精度。

也可以是：碱金属是钾和铷，泵浦激光器7出射用于激发铷原子并且将铷原子的自旋极化移至钾原子的泵浦光，探测激光器8出射用于检测通过钾原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光。根据这种的结构，当使泵浦光激发铷原子时，铷原子的自旋极化移至钾原子，并且使钾原子激发。通过使用这样的钾和铷的自旋交换相互作用，与仅使钾原子激发的情况相比，可以均一地激发钾原子。该效果可以通过使铷的密度比钾的密度低来增强。另外，通过使用即使在碱金属中磁场的灵敏度也高的钾，可以提高光激发磁传感器1的测量精度。

也可以是：泵浦光与各探测光，在单元2的内部的、磁场入射的面的附近正交。根据这种结构，由于泵浦光与各探测光在更强地接收磁场的位置处正交，从而可以提高光激发磁传感器1的测量精度。

也可以是：泵浦光用镜中的至少一个和探测光用镜中的至少一个通过粘接剂粘接于单元2。根据这种结构，泵浦光用镜和探测光用镜固定于单元2，并且在与单元2之间不产生空间。由此，可以稳定且紧凑地配置各镜。

也可以是：分割部12，隔着单元2配置于测量对象的相反侧，探测激光器8，以使沿第一方向的反方向引导的探测光入射至分割部12的方式，出射探测光，分割部12，在作为与第一方向正交的方向的、沿测量对象的方向上，输出分割的各探测光，并且两个探测光用镜中的一个，将通过分割部12分割的各探测光向朝向测量对象的方向反射，另一个进一步将通过一个反射的各探测光向第二方向反射，并且使各探测光入射至单元2。根据这样的结构，可以以沿单元2的面的方式，设定探测光的光路。通过探测光的光路沿单元2的面设定，并且谋求空间化，可以使光激发磁传感器1小型化。

也可以是：还具有：参照用第一构件，封入有碱金属蒸气并且隔着单元2配置于测量对象的相反侧，用于检测入射激发碱金属原子的、沿第一方向引导的参照用第一光，入射通过碱金属原子的激发状态下的自旋极化而产生的磁旋光角的变化的、沿第二方向引导的多个参照用第二光；参照用第二构件，其在参照用第一构件的外部检测在参照用第一构件的内部与参照用第一光正交的多个参照用第二光，并且在单元2各探测光与泵浦光正交的各区域，与在任意的参照用第一构件与参照用第二光和参照用第一光正交的区域，在垂直于测量对象的方向重叠，并且导出部作为一阶微分轴型梯度计构成，其在导出通过检测部检测的、对应于各探测光的磁旋光角的变化时，进行考虑了各探测光的检测部的检测结果、和在垂直于测量对象的方向与各探测光的区域重叠的参照用第二光的参照用第二构件的检测结果的噪声去除处理。根据这样的结构，由于共模噪声的影响在各探测光的检测部的检测结果和参照用第二光的参照用第二构件的检测结果的各个中示出，从而可以通过获得两者的输出结果的差分来去除共模噪声。由此，可以提高光激发磁传感器1的测量精度。

也可以是：泵浦激光器7沿与探测激光器8的探测光的出射方向相同的方向出射泵浦光。根据这种结构，一部位或接近的部位配置有泵浦光导入口和探测光导入口，可以使光激发磁传感器1的结构简化。

也可以是：泵浦激光器7沿与探测激光器8的探测光的出射方向正交的方向出射泵浦光。在泵浦光与探测光在单元2的内部正交的地方，通过泵浦激光器7和探测激光器8的出射方向彼此正交，可以使包括泵浦光镜和探测光镜的镜的结构简化。

Claims (9)

1.一种光激发磁传感器，其特征在于，

具备：

单元，其沿测量对象配置并且封入有碱金属蒸气；

泵浦激光器，其出射用于激发所述碱金属原子的泵浦光；

一个或多个泵浦光用镜，其与反射从所述泵浦激光器出射的所述泵浦光，并且使在沿所述测量对象的第一方向上引导的所述泵浦光入射至所述单元相关；

探测激光器，其出射用于检测由所述碱金属原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光；

分割部，其将所述探测光分割为多个；

一个或多个探测光用镜，其与反射通过所述分割部分割的各探测光，并且使在作为与所述第一方向正交的方向的、沿所述测量对象的第二方向上引导的所述各探测光入射至所述单元相关；

检测部，其在所述单元的外部检测在所述单元的内部与所述泵浦光正交的所述各探测光；以及

导出部，其基于所述检测部的检测结果，导出对应于所述各探测光的所述磁旋光角的变化，并且从对应于所述各探测光的所述磁旋光角的变化，导出与对应于所述各探测光与所述泵浦光正交的区域的测量部位相关的磁场。

2.根据权利要求1所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述探测激光器出射高度比宽度小的探测光。

3.根据权利要求1或2所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述碱金属是钾和铷，

所述泵浦激光器出射用于激发所述铷原子，并且将所述铷原子的自旋极化移至所述钾原子的泵浦光，

所述探测激光器出射用于检测由所述钾原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的探测光。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述泵浦光与所述各探测光，在所述单元的内部的、磁场入射的面的附近正交。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述泵浦光用镜中的至少一个和所述探测光用镜中的至少一个通过粘接剂粘接于所述单元。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述分割部隔着所述单元配置于所述测量对象的相反侧，

所述探测激光器以使在所述第一方向的相反的方向上引导的所述探测光入射至所述分割部的方式，出射所述探测光，

所述分割部在作为与所述第一方向正交的方向的、沿所述测量对象的方向上，输出分割后的所述各探测光，

两个所述探测光用镜中的一方，将通过所述分割部分割的所述各探测光向朝向所述测量对象的方向反射，另一方进一步将通过所述一方反射的所述各探测光向所述第二方向反射，并且使所述各探测光入射至所述单元。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

作为一阶微分轴型梯度计而构成，

还具备：

参照用第一构件，封入有所述碱金属蒸气并且隔着所述单元配置于所述测量对象的相反侧，用于检测入射激发所述碱金属原子的、沿所述第一方向引导的参照用第一光，并且入射由所述碱金属原子的激发状态下的自旋极化产生的磁旋光角的变化的、沿所述第二方向引导的多个参照用第二光；以及

参照用第二构件，在所述参照用第一构件的外部检测在所述参照用第一构件的内部与所述参照用第一光正交的所述多个参照用第二光，

在所述单元中，所述各探测光与所述泵浦光正交的各区域，与在所述参照用第一构件与任意的所述参照用第二光和所述参照用第一光正交的区域，在垂直于所述测量对象的方向上重叠，

所述导出部在导出对应于通过所述检测部检测到的所述各探测光的所述磁旋光角的变化时，进行考虑了所述各探测光的所述检测部中的检测结果、和在垂直于所述测量对象的方向上区域与所述各探测光重叠的所述参照用第二光的所述参照用第二构件中的检测结果的噪声去除处理。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述泵浦激光器沿与所述探测激光器的所述探测光的出射方向相同的方向出射所述泵浦光。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的光激发磁传感器，其特征在于，

所述泵浦激光器沿与所述探测激光器的所述探测光的出射方向正交的方向出射所述泵浦光。

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