JP2009128235A - 光ポンピング磁力計 - Google Patents

Abstract

【課題】光ポンピング磁力計のＳ／Ｎ比を向上させることにより、磁場検出感度を向上させることを目的とする。
【解決手段】エネルギ遷移が異なる２種類のレーザであるＤ１レーザ１３０と、Ｄ２レーザ１３１との混合レーザであるＤ１＋Ｄ２レーザ１３２をガスセル１１８内のアルカリ金属に照射し、Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２から、Ｄ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１のうち、どちらか一方のレーザを磁気測定のための信号として、光検出器１２２で検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ポンピング磁力計の技術に関する。

従来の光ポンピング磁力計の光源には、ガスセル内に封入されたアルカリ金属の吸収線であるＤ１線もしくはＤ２線のいずれか一つを波長に含むレーザもしくはランプが利用される。
セシウムガスセルを内蔵した吸収ガスセルにセシウムランプを照射することで、ガスセル内のセシウム原子を励起させる技術が提示されている（例えば、特許文献１、特許文献２および非特許文献１参照）。

さらに、セシウムガスセルに半導体レーザの波長をＤ１線における基底準位（Ｆ４）から励起準位（Ｆ３’）のエネルギ遷移に固定してガスセル内のセシウム原子を励起させる技術が提示されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−２９６３３４号公報 特開２００６−１２６１１０号公報 APPLIED PHYSICS B 80, 645 (2005)

ランプを光源に使用した場合、ガスセルに照射される光は、ガスセル内のアルカリ金属の各エネルギ遷移を生じさせる吸収線がすべて含まれた光である。例えば、セシウムのＤ１線のランプでは基底準位（Ｆ３）から励起準位（Ｆ’３）のエネルギ遷移、基底準位（Ｆ３）から励起準位（Ｆ’４）のエネルギ遷移、基底準位（Ｆ４）から励起準位（Ｆ’３）のエネルギ遷移、基底準位（Ｆ４）から励起準位（Ｆ’４）のエネルギ遷移の４本のエネルギ遷移を生じさせる吸収線がすべて含まれている。光ポンピング磁力計では、ガスセル内のアルカリ金属原子を、同じエネルギ状態に揃えることが望ましい。ランプでは、ガスセル内のアルカリ金属原子が各エネルギ遷移で励起されるため、光ポンピングによる同じエネルギ状態のアルカリ金属原子を集める効率が悪い。すなわち、ガスセル内には、さまざまなエネルギ準位のアルカリ金属原子が存在することになり、磁力計の検出感度向上の妨げとなる。

半導体レーザを光源に使用した場合、ランプを光源に使用した場合とは異なり、ガスセル内のアルカリ金属の吸収線における特定のエネルギ遷移を使用することができる。すなわち、特定の波長を有しているレーザを用いることができるため、ガスセル内のアルカリ金属原子を同じエネルギ遷移に励起することができる。従って、ランプに比べて光ポンピングによる同じエネルギ状態のアルカリ金属原子を集める効率がよい。ここで、あるエネルギ準位に励起したアルカリ金属原子は、熱などを放出しながら基底準位へ遷移する。このとき、アルカリ金属原子に複数の基底準位が存在する場合、励起状態にあるアルカリ金属原子が、それぞれの基底準位に遷移する確率は、ほぼ等確率となる。例えば、セシウム原子の場合、基底準位は、Ｆ４またはＦ３の２つが存在するが、励起準位にあるセシウム原子が基底状態のＦ４およびＦ３に遷移する確率は、それぞれ５０％である。

一般的に、半導体レーザによる励起は、特定の基底準位から特定の励起準位への励起である。例えば、セシウム原子のＤ１線（波長：８９４ｎｍ）の半導体レーザは、セシウム原子を、基底準位Ｆ４から、励起準位Ｆ’３へ励起させる。従って、セシウム原子のＤ１線の半導体レーザを光源とした場合、基底状態Ｆ３の状態に遷移してしまったセシウム原子を再び励起状態にすることは不可能である。すなわち、半導体レーザで使用しないエネルギ遷移に存在するアルカリ金属原子は使用されない。そのため、光ポンピングによる同じエネルギ状態のアルカリ金属原子はガスセル内のすべてのアルカリ金属原子の一部のみである。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、光ポンピング磁力計の磁場検出感度を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、エネルギ遷移が異なる２種類のレーザをガスセル内のアルカリ金属に照射し、前記２種類のレーザのうち、どちらかのレーザを磁気測定のための信号として検出することを特徴とする。

本発明によれば、光ポンピング磁力計の磁場検出感度を向上させることが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光ポンピング磁力計の構成例を示す図である。
図１に示す光ポンピング磁力計１ａ（１）は、位相安定タイプである。
光ポンピング磁力計１ａのガスセル１１８は、耐熱ガラス製または石英ガラス製であり、かつ高真空引きされており、中にアルカリ金属ガスが封入されて封じきられている。アルカリ金属ガスにはＤ１線とＤ２線と呼ばれる２本の特定の波長の吸収線が存在する。図１に示す例では、光源の波長として、Ｄ１線とＤ２線の両方を利用する。図１に示すように、光ポンピング磁力計１ａは、ガスセル１１８の光源としてＤ１線およびＤ２線のそれぞれ波長を持つレーザ（Ｄ１レーザ１３０（第１レーザ）およびＤ２レーザ１３１（第２レーザ））を発振する第１レーザ発振器１１１と第２レーザ発振器１１７の２台を有する。ここで、Ｄ１レーザ１３０の発光スペクトルとＤ２レーザ１３１の発光スペクトルが重なることがないよう、どちらのレーザとも線幅の狭いシングルモードのレーザとして第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７を設定しておく。また、Ｄ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１は、波長の調整が容易な外部共振器型半導体レーザやＤＦＢレーザなどの波長可変レーザであることが好ましい。

第１レーザ発振器１１１と第２レーザ発振器１１７から発振されたＤ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１は、各レーザの波長に合った偏光子１１２ａ，１１２ｂとλ／４波長板１１３ａ，１１３ｂとによって直線偏光から円偏光に変換される。円偏光の向きは、左回りおよび右回りのどちらでもよい。Ｄ１レーザ１３０（円偏光）と、Ｄ２レーザ１３１（円偏光）は、それぞれＮＤ（neutral Density）フィルタ１１４ａ，１１４ｂによって、パワーが微調整されて、混合部であるハーフミラー１１６に入る。このとき、Ｄ１レーザ１３０は、ハーフミラー１１６に入射されるようミラー１１５で反射されてもよい。ハーフミラー１１６は、円偏光に変換されたＤ１レーザ１３０と、Ｄ２レーザ１３１とが同一方向に重なるよう、角度が微調整される。すなわち、ハーフミラー１１６で、Ｄ１レーザ１３０（円偏光）と、Ｄ２レーザ１３１（円偏光）は、混合される（Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２）。ガスセル１１８には静磁場印加用コイル１１９によって静磁場Ｂ_０が予め印加されており、ハーフミラー１１６から出たＤ１＋Ｄ２レーザ１３２がガスセル１１８に入射される。

その際に、ガスセル１１８の中心において、静磁場Ｂ_０印加方向とＤ１＋Ｄ２レーザ１３２との成す角度が４５度になるよう、静磁場Ｂ_０印加方向は調整される。図１に示す静磁場印加用コイル１１９は、１軸ヘルムホルツコイル以外に、Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２との成す角度を微調整するために３軸ヘルムホルツコイルを使用してもよい。その他、静磁場印加用コイル１１９として、静磁場Ｂ_０をより均一に印加できるソレノイドコイルも使用してもよい。その際は、後記するＲＦ（Radio Frequency）コイル１２０をソレノイドコイル内部に配置することが好ましい。
ガスセル１１８は、印加されている静磁場Ｂ_０と直交する方向に、振動磁場Ｂ_ＲＦをＲＦコイル１２０によって印加される。振動磁場Ｂ_ＲＦ強度は、静磁場Ｂ_０強度よりも十分弱く、振動磁場Ｂ_ＲＦの周波数は静磁場Ｂ_０強度に比例するように設定する。ガスセル１１８を通過したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２は、抽出部である回折格子１２１によって、Ｄ１レーザ１３０（円偏光）と、Ｄ２レーザ１３１（円偏光）とに分離される。

回折格子１２１より分離されたＤ１レーザ１３０（円偏光）もしくはＤ２レーザ１３１（円偏光）のいずれかのレーザパワー（レーザ強度）の変化（例えば、レーザパワーの値）が、光検出器１２２（光検出部）で検出される。光検出器１２２で検出されたレーザパワーの変化は、ロックインアンプ１２３（ロックインアンプ部）に入力信号として入力される。ロックインアンプ１２３は、入力されたレーザパワーの変化に比例した値を有する電圧値を算出し、この電圧値を電圧制御発振回路１２４（電圧制御発振部）に入力する。電圧制御発振回路１２４は、ロックインアンプ１２３から入力された電圧値を対応する振動磁場Ｂ_ＲＦの周波数へ変換し、ＲＦコイル１２０へ出力する。さらに、電圧制御発振回路１２４は、入力された電圧値を参照信号としてロックインアンプ１２３へフィードバック出力する。ロックインアンプ１２３では内部に備わった位相比較演算回路が、光検出器１２２から入力される電圧値と電圧制御発振回路１２４からの電圧値（参照信号）との位相を比較して、電圧値の位相差を算出する。ロックインアンプ１２３は、算出された位相差を電圧値として電圧制御発振回路１２４へ出力する。

測定対象１２８から、測定磁場Ｂが、静磁場Ｂ_０と同じ方向となるよう、ガスセル１１８に印加されると、ガスセル１１８に入射されているＤ１＋Ｄ２レーザ１３２の周波数が変化する。そして、回折格子１２１により分離されたＤ１レーザ１３０の周波数の変化は、光検出器１２２、ロックインアンプ１２３を介して、電圧制御発振回路１２４へと電圧値として送られ、計測データとして出力される。なお、測定磁場Ｂの計測方法は、周知の技術であるため、詳細は省略する。

なお、光ポンピング磁力計１ａ（１）は、回折格子１２１から分離したレーザを光検出器１２２へ集光する集光レンズや、光検出器１２２とロックインアンプ１２３との間に光検出器１２２からの出力のゲインと帯域を調整するアンプ・フィルタ回路を有してもよい。また、ロックインアンプ１２３は、２位相の信号を同時に検出できる２位相型のロックインアンプを使用するとより最適である。

図２は、本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である。
図２に示す光ポンピング磁力計１ｂ（１）は、図１に示す光ポンピング磁力計１ａを自己振動型にしたものであり、図１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
アンプゲイン調整回路１２５は、光検出器１２２からの出力（レーザパワーの変化）を最適な大きさに増幅してから位相シフト回路１２６（位相シフト部）へ出力する。位相シフト回路１２６では光検出器１２２で検出された信号の位相（すなわち、アンプゲイン調整回路１２５から入力されたレーザパワー値）を９０度シフトさせた後、ＲＦコイル１２０へ出力する。光ポンピング磁力計１ｂでは、位相シフト回路１２６の出力をＲＦコイル１２０に直接入力し、振動磁場Ｂ_ＲＦの大きさとすることで振動磁場Ｂ_ＲＦを生成する自己振動型の計測制御を行う。

測定対象１２８から、測定磁場Ｂが、静磁場Ｂ_０と同じ方向となるよう、ガスセル１１８に印加されると、ガスセル１１８に入射されているＤ１＋Ｄ２レーザ１３２の周波数が変化する。そして、回折格子１２１により分離されたＤ１レーザ１３０の周波数の変化は、光検出器１２２に検出された後、アンプゲイン調整回路１２５へ送られ、計測データとして出力される。なお、測定磁場Ｂの計測方法は、周知の技術であるため、詳細は省略する。

図３は、本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である。
図３に示す光ポンピング磁力計１ｃ（１）は、位相安定型タイプであり、図１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
Ｄ１レーザ１３０は、偏光部である偏光子１１２ａを介して直線偏光に変換され（偏光面を矢印２０１で示す）、ＮＤフィルタ１１４ａを介してレーザパワーが微調整される。また、同様に、Ｄ２レーザ１３１は、偏光部である偏光子１１２ｂを介して、直線偏光に変換されたＤ１レーザ１３０の偏光面に対して直交する直線偏光（偏光面を矢印２０２で示す）に変換され、ＮＤフィルタ１１４ｂを介してレーザパワーが微調整される。Ｄ１レーザ１３０（直線偏光）と、Ｄ２レーザ１３１（直線偏光）は、混合部である偏光ビームスプリッタ１２７ａを介して、偏光面が互いに直交した直線偏光の混合したレーザ（Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２：偏光面を矢印２０３で示す）となる。Ｄ１＋Ｄ２レーザは、λ／４波長板１１３ａに入射され、右回り円偏光と左回り円偏光の混合したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２（円偏光の方向を矢印２０４で示す）となる。

Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２（混合円偏光）は、静磁場印加用コイル１１９により静磁場Ｂ_０が予め印加されているガスセル１１８に入射される。ガスセル１１８を通過したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２（混合円偏光）は、λ／４波長板１１３ｂを介して、偏光面が互いに直交した直線偏光の混合したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２に変換される。変換されたＤ１＋Ｄ２レーザ１３２（混合直交偏光）は、抽出部である偏光ビームスプリッタ１２７ｂに入射され、縦偏光（図３では、矢印２０２の偏光面）のレーザと、当該レーザと直交した偏光面（横偏光：図３では、矢印２０１の偏光面）を有するレーザに分離される。光検出器１２２は、分離された縦偏光もしくは横偏光のレーザのうち、いずれかを検出し（図３では、Ｄ１レーザ１３０が検出されている）、光検出器１２２からの出力（レーザパワーの変化）をロックインアンプ１２３に入力信号として入力する。以降は、図１と同様であるため説明を省略する。
また、測定磁場Ｂの計測方法も図１と同様であるため、説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である。
図４に示す光ポンピング磁力計１ｄ（１）は、図３に示す光ポンピング磁力計１ｃを自己振動型にしたものであり、図２および図３と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
偏光ビームスプリッタ１２７ｂで分離された縦偏光もしくは横偏光のレーザのうち、いずれかは光検出器１２２で検出するところまでは、図３に示す光ポンピング磁力計１ｃと同様である。また、光検出器１２２で検出された後の処理は、図２に示す光ポンピング磁力計１ｂと同様である。
また、測定磁場Ｂの計測方法も図２と同様であるため、説明を省略する。

図１〜図４に示す光ポンピング磁力計１において、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７が、両方ともＤ１レーザ１３０を発振してもよいし、両方ともＤ２レーザ１３１を発振してもよい。
また、図１〜図４に示す光ポンピング磁力計１ａ〜１ｄにおいて、ガスセル１１８内のアルカリ金属の候補として、^１３３Ｃｓ、^８５Ｒｂ、^８７Ｒｂ、^３９Ｋが挙げられる。また、レーザによる光ポンピングされるアルカリ金属ガスの偏極効率を高めるために、ガスセル１１８内にＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒなどの希ガスを緩衝ガスとして同封してもよい。その他、非磁性気体であるＮ_２を使用してもよい。また、ガスセル１１８の内壁をパラフィンなどの非磁性物質でコーティングしてもよい。

（^１３３Ｃｓ）
次に、図１から図４を適宜参照しつつ、図５〜図８に沿って、ガスセル１１８に封入するアルカリ金属として、^１３３Ｃｓを用いた場合のエネルギ遷移のふるまいおよび効果について説明する。
図５は、^１３３Ｃｓのエネルギ遷移図である。
一般に、基底状態（６Ｓ_１／２）にある^１３３ＣｓにＤ１レーザ１３０を照射すると励起状態（６Ｐ_１／２）となる（Ｄ１線３０１）。また、基底状態（６Ｓ_１／２）にある^１３３ＣｓにＤ２レーザ１３１を照射すると励起状態（６Ｐ_３／２）となる（Ｄ２線３０２）。

図６は、^１３３Ｃｓのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。
図６（ａ）に示すように、^１３３ＣｓのＤ１線（基底状態（６Ｓ_１／２）→励起状態（６Ｐ_１／２）：矢印３０１）には各４本のエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３（矢印３１１）、Ｆ３→Ｆ’４（矢印３１２）、Ｆ４→Ｆ’３（矢印３１３）、Ｆ４→Ｆ’４（矢印３１４））が存在する。そして、図６（ｂ）に示すように、Ｄ２線（基底状態（６Ｓ_１／２）→励起状態（６Ｐ_３／２）：矢印３０２）には６本のエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’２（矢印３２１）、Ｆ３→Ｆ’３（矢印３２２）、Ｆ３→Ｆ’４（矢印３２３）、Ｆ４→Ｆ’３（矢印３２４）、Ｆ４→Ｆ’４（矢印３２５）、Ｆ４→Ｆ’５（矢印３２６））が存在する。

図７は、本実施形態における状態遷移のふるまいを示す図である。
図７において、図５および図６と同様の要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
図１〜図４に示すように、ガスセル１１８を通過したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２を分離して、一方のレーザのみを磁場計測のための信号として光検出器１２２で検出する。光検出器１２２で検出するレーザはＤ１レーザ１３０とＤ２レーザ１３１のどちらを検出してもよいが、アルカリ金属ガス密度を高めるためにガスセル１１８を保温する場合、特にドップラー効果の影響を考えると、各エネルギ遷移の間隔が比較的広いＤ１線（つまり、Ｄ１レーザ１３０）がより適している。その際に、磁気量子数と核スピン数と電子スピン数から得られるＤ１線の各エネルギ遷移において吸光強度が強く、励起準位の磁気量子数が基底準位の磁気量子数と同等か少ないエネルギ遷移の条件に当てはまるＦ４→Ｆ’３のエネルギ遷移を生じる波長（以降、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）と記載）が最適である。すなわち、磁気量子数が多いエネルギ準位から、磁気量子数の少ないエネルギ準位へアルカリ金属原子（^１３３Ｃｓ）を遷移させるＤ１線（Ｆ４→Ｆ’３）が最適である。
以上の内容を図７によって説明すると、以下のようになる。

それぞれのエネルギ状態には、固有の磁気量子数を有する。
一般に、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３：矢印３１３）を照射すると、例えば、超微細エネルギ遷移の状態「−４」（ｍ_Ｆ（−４）と記載する）にある原子は、６Ｐ_１／２のＦ’３のｍ_Ｆ’（−３）に励起される（矢印３３１）。しかし、６Ｐ_１／２のＦ’３に励起された原子は、再び基底状態へと失活する。失活の際には、基底状態のＦ４（矢印３３２）またはＦ３（矢印３３３）へ失活するが、Ｆ４およびＦ３への失活する確率は、５０％ずつである。ここで、Ｆ３へ失活した原子は、Ｄ１線により再び６Ｐ_１／２のＦ’３に励起される。このように、励起と、失活とを繰り返すことにより、原子が暗領域３３７へ到達すると、これより大きい値を有する状態がないため、原子は、基底状態のＦ４のｍ_Ｆ（＋３）、ｍ_Ｆ（＋４）と、励起状態６Ｐ１／２のＦ’３のｍ_Ｆ（＋３）との間を循環する。この循環が、ガスセル１１８を通過するレーザの振動となり、光検出器１２２によって検出されることとなる。すなわち、光ポンピング磁力計１のＳ／Ｎ（Signal to Noise）比のＳ(Signal)値をあげるためには、原子を暗領域３３７により多くためることが望ましい。

しかしながら、前記したように、一般的な方法では、励起状態６Ｐ_１／２に励起された原子は、５０％の確率で基底状態のＦ３に失活する。基底状態のＦ３に失活してしまった原子は、Ｄ１線（Ｄ１レーザ１３０）では励起することができないため、一度、基底状態のＦ３に失活してしまった原子は、一般的な方法では、利用することができない。従って、励起と、失活とを繰り返すと、次第に基底状態のＦ４および励起状態６Ｐ_１／２のＦ’３に存在する原子が少なくなり、結果として暗領域３３７に存在する原子数が少なくなってしまう。

そこで、本実施形態では、Ｄ１線に加えてＤ２線を用いることにより（Ｄ１＋Ｄ２レーザ１３２）、基底状態のＦ４に失活してしまった原子を再利用することとする。
つまり、基底状態のＦ４に失活した原子は、Ｄ２線により、励起状態（６Ｐ_３／２）のＦ’３に励起される（矢印３３４）。しかしながら、励起状態６Ｐ_３／２のＦ’３に励起された原子も、基底状態へと失活する。このとき、当該原子が、基底状態のＦ３（矢印３３６）およびＦ４（矢印３３５）へ失活する確率は、それぞれ５０％である。
ここで、基底状態のＦ３へ失活した原子は、Ｄ１線により利用できるため、一般に使用されている方法よりも、基底状態のＦ４および励起状態６Ｐ_１／２のＦ’３に存在する原子を多くすることができ、結果として暗領域３３７に存在する原子数を多くすることができる。

なお、Ｄ１レーザ１３０の波長をＤ１線（Ｆ４→Ｆ’３）に設定した場合、Ｄ２レーザ１３１の波長は、Ｄ２線（Ｆ３→Ｆ’２）、Ｄ２線（Ｆ３→Ｆ’３）もしくはＤ２線（Ｆ３→Ｆ’４）のどれを使用してもよい。中でも、吸光強度が強いＤ２線（Ｆ３→Ｆ’３）や、基底状態（６Ｓ_１／２）のＦ３遷移に^１３３Ｃｓ原子が超偏極しにくいＤ２線（Ｆ３→Ｆ’４）がより適している。このように設定してＤ１レーザ１３０とＤ２レーザ１３１とを同時に使用することで、例えば、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）のみを使用した場合に生じる基底状態（６Ｓ_１／２）のＦ４遷移から^１３３Ｃｓ原子が励起されてエネルギを失活する際に基底状態（６Ｓ_１／２）のＦ４遷移ではなく基底状態（６Ｓ_１／２）のＦ３遷移に遷移して光ポンピングされなくなった原子を利用できるようになる。それによって、基底状態（６Ｓ_１／２）のＦ４遷移に同じエネルギ状態で^１３３Ｃｓ原子が集まる偏極効率が高まり、磁場計測に利用する光磁気共鳴信号強度が増加する。

図８は、Ｄ１線およびＤ２線の組み合わせによる実験結果を示すグラフである。
図８では、グラフ横軸は振動磁場Ｂ_ＲＦの周波数を、グラフ縦軸はロックインアンプ１２３の出力電圧を表す。
Ｄ１レーザ１３０の波長をＦ４→Ｆ’３に、Ｄ２の波長をＦ３→Ｆ’３にそれぞれ設定してＤ１レーザ１３０とＤ２レーザ１３１とを組み合わせて使用した場合と、Ｄ１レーザ１３０のみを使用した場合における光磁気共鳴信号強度を比較した結果である。ここで、曲線３５１は、Ｄ１レーザ１３０（６６μＷ）のみを使用した結果であり、曲線３５２は、Ｄ１レーザ１３０（６６μＷ）に加えて、Ｄ２レーザ１３１（５μＷ）を使用した結果であり、曲線３５３は、Ｄ１レーザ１３０（６６μＷ）に加えて、Ｄ２レーザ１３１（２０μＷ）を使用した結果であり、曲線３５４は、Ｄ１レーザ１３０（６６μＷ）に加えて、Ｄ２レーザ１３１（７０μＷ）を使用した結果である。
図８より、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）とＤ２線（Ｆ３→Ｆ’３）の組み合わせによって顕著に光磁気共鳴信号強度（ロックインアンプ１２３の出力電圧）が増加することが分かる。すなわち、Ｓ／Ｎ比のＳ（Signal）値が上がることになり、Ｓ／Ｎ比が向上する。この結果、磁場検出感度を向上させることが可能となる。

（^８５Ｒｂ）
次に、図１〜図４を適宜参照しつつ、図９〜図１０に沿って、ガスセル１１８に封入するアルカリ金属として、^８５Ｒｂを用いた場合のエネルギ遷移について説明する。
図９は、^８５Ｒｂのエネルギ遷移図である。
一般に、基底状態（５Ｓ_１／２）にある^８５ＲｂにＤ１レーザ１３０を照射すると励起状態（５Ｐ_１／２）となる（Ｄ１線４０１）。また、基底状態（５Ｓ_１／２）にある^８５ＲｂにＤ２レーザ１３１を照射すると励起状態（５Ｐ_３／２）となる（Ｄ２線４０２）。

図１０は、^８５Ｒｂのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、^８５ＲｂのＤ１線（基底状態（５Ｓ_１／２）→励起状態（５Ｐ_１／２）：矢印４０１）には各４本のエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２（矢印４１１）、Ｆ２→Ｆ’３（矢印４１２）、Ｆ３→Ｆ’２（矢印４１３）、Ｆ３→Ｆ’３（矢印４１４））が存在する。また、図１０（ｂ）に示すように、Ｄ２線（基底状態（５Ｓ_１／２）→励起状態（５Ｐ_３／２）：矢印４０２）には６本のエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１（矢印４２１）、Ｆ２→Ｆ’２（矢印４２２）、Ｆ２→Ｆ’３（矢印４２３）、Ｆ３→Ｆ’２（矢印４２４）、Ｆ３→Ｆ’３（矢印４２５）、Ｆ３→Ｆ’４（矢印４２６））が存在する。

光検出器１２２で検出するレーザは、Ｄ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１のどちらを検出してもよいが、アルカリ金属ガス密度を高めるためにガスセル１１８を保温する場合は特にドップラー効果の影響を考えると、各エネルギ遷移の間隔が比較的広いＤ１線がより適している。その際に、磁気量子数と核スピン数と電子スピン数から得られるＤ１線の各エネルギ遷移おいて吸光強度が強く、励起準位の磁気量子数が基底準位の磁気量子数と同等か少ないエネルギ遷移の条件に当てはまるＦ３→Ｆ’２）が最適である。一方、Ｄ１レーザ１３０の波長をＤ１線（Ｆ３→Ｆ’２）に設定した場合には、Ｄ２レーザ１３１の波長はＤ２線（Ｆ２→Ｆ’１）、Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’２）もしくはＤ２線（Ｆ２→Ｆ’３）のどれを使用してもよい。中でも、吸光強度が強いＤ２線（Ｆ２→Ｆ’２）や、基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ２遷移に^８５Ｒｂ原子が超偏極しにくいＤ２線（Ｆ２→Ｆ’３）がより適している。

このように設定して第１レーザ発振器１１１と第２レーザ発振器１１７を２台同時に使用することで、例えばＤ１線（Ｆ３→Ｆ’２）のみを使用した場合に生じる基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ３遷移から^８５Ｒｂ原子が励起されてエネルギを失活する際に基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ３遷移ではなく基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ２遷移に遷移して光ポンピングされなくなった原子を利用できるようになる。それによって、基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ３遷移に同じエネルギ状態で^８５Ｒｂ原子が集まる偏極効率が高まり、磁場計測に利用する光磁気共鳴信号強度が増加する。

（^８７Ｒｂ）
次に、図１〜図４を適宜参照しつつ、図１１〜図１２に沿って、ガスセル１１８に封入するアルカリ金属として、^８７Ｒｂを用いた場合のエネルギ遷移について説明する。
図１１は、^８７Ｒｂのエネルギ遷移図である。
一般に、基底状態（５Ｓ_１／２）にある^８７ＲｂにＤ１レーザ１３０を照射すると励起状態（５Ｐ_１／２）となる（Ｄ１線５０１）。また、基底状態（５Ｓ_１／２）にある^８７ＲｂにＤ２レーザ１３１を照射すると励起状態（５Ｐ_３／２）となる（Ｄ２線５０２）。

図１２は、^８７Ｒｂのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。
図１２（ａ）に示すように、^８７ＲｂのＤ１線（基底状態（５Ｓ_１／２）→ 励起状態（５Ｐ_１／２）：矢印５０１）には各４本のエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１（矢印５１１）、Ｆ１→Ｆ’２（矢印５１２）、Ｆ２→Ｆ’１（矢印５１３）、Ｆ２→Ｆ’２（矢印５１４））が存在する。
また、図１２（ｂ）に示すように、Ｄ２線（基底状態（５Ｓ_１／２）→ 励起状態（５Ｐ_３／２）：矢印５０２）には６本のエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’０（矢印５２１）、Ｆ１→Ｆ’１（矢印５２２）、Ｆ１→Ｆ’２（矢印５２３）、Ｆ２→Ｆ’１（矢印５２４）、Ｆ２→Ｆ’２（矢印５２５）、Ｆ２→Ｆ’３（矢印５２６））が存在する。

図１および図２に示すように、ガスセル１１８を通過したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２を回折格子１２１で分離して片方のレーザのみを磁場計測のための信号として光検出器１２２で検出する。光検出器１２２で検出するレーザはＤ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１のどちらを検出してもよいが、アルカリ金属ガス密度を高めるためにガスセル１１８を保温する場合は特にドップラー効果の影響を考えると、各エネルギ遷移の間隔が比較的広いＤ１線（つまり、Ｄ１レーザ１３０）がより適している。その際に、磁気量子数と核スピン数と電子スピン数から得られるＤ１線の各エネルギ遷移おいて吸光強度が強く、励起準位の磁気量子数が基底準位の磁気量子数と同等か少ないエネルギ遷移の条件に当てはまるＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）もしくはＤ１線（Ｆ２→Ｆ’２）が最適である。

一方、Ｄ１レーザ１３０の波長を、Ｄ１線（Ｆ２→Ｆ’１）もしくはＤ１線（Ｆ２→Ｆ’２）に設定した場合、Ｄ２線用レーザ光の波長は、Ｄ２線（Ｆ１→Ｆ’０）、Ｄ２線（Ｆ１→Ｆ’１）もしくはＤ２線（Ｆ１→Ｆ’２）のどれを使用してもよい。中でも、吸光強度が強く、基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ１遷移に^８７Ｒｂ原子が超偏極しにくいＤ２線（Ｆ１→Ｆ’２）がより適している。このように設定して第１レーザ発振器１１１と第２レーザ発振器１１７を２台同時に使用することで、例えばＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）のみを使用した場合に生じる基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ２遷移から^８７Ｒｂ原子が励起されてエネルギを失活する際に基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ２遷移ではなく基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ１遷移に遷移して光ポンピングされなくなった原子を利用できるようになる。それによって、基底状態（５Ｓ_１／２）のＦ２遷移に同じエネルギ状態で^８７Ｒｂ原子が集まる偏極効率が高まり、磁場計測に利用する光磁気共鳴信号強度が増加する。

（^３９Ｋ）
次に、図１〜図４を適宜参照しつつ、図１３〜図１４に沿って、ガスセル１１８に封入するアルカリ金属として、^３９Ｋを用いた場合のエネルギ遷移について説明する。
図１３は、^３９Ｋのエネルギ遷移図である。
一般に、基底状態（４Ｓ_１／２）にある^３９ＫにＤ１レーザ１３０を照射すると励起状態（４Ｐ_１／２）となる（Ｄ１線６０１）。また、基底状態（４Ｓ_１／２）にある^３９ＫにＤ２レーザ１３１を照射すると励起状態（４Ｐ_３／２）となる（Ｄ２線６０２）。
図１４は、^３９Ｋのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。
図１４（ａ）に示すように、^３９ＫのＤ１線（基底状態（４Ｓ_１／２）→ 励起状態（４Ｐ_１／２）：矢印６０１）には各４本のエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１（矢印６１１）、Ｆ１→Ｆ’２（矢印６１２）、Ｆ２→Ｆ’１（矢印６１３）、Ｆ２→Ｆ’２（矢印６１４））が存在し、Ｄ２線（基底状態（４Ｓ_１／２）→ 励起状態（４Ｐ_３／２）：矢印６０２）には６本のエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’０（矢印６２１）、Ｆ１→Ｆ’１（矢印６２２）、Ｆ１→Ｆ’２（矢印６２３）、Ｆ２→Ｆ’１（矢印６２４）、Ｆ２→Ｆ’２（矢印６２５）、Ｆ２→Ｆ’３（矢印６２６））が存在する。図１および図２のように、ガスセル１１８を通過したＤ１＋Ｄ２レーザ１３２を回折格子１２１で分離して片方のレーザのみを磁場計測のための信号として光検出器１２２で検出する。光検出器１２２で検出するレーザはＤ１レーザ１３０およびＤ２レーザ１３１のどちらを検出してもよいが、アルカリ金属ガス密度を高めるためにガスセル１１８を保温する場合は、特にドップラー効果の影響を考えると、各エネルギ遷移の間隔が比較的広いＤ１線（つまり、Ｄ１レーザ１３０）がより適している。その際に、磁気量子数と核スピン数と電子スピン数から得られるＤ１線の各エネルギ遷移おいて吸光強度が強く、励起準位の磁気量子数が基底準位の磁気量子数と同等か少ないエネルギ遷移の条件に当てはまるＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）もしくはＤ１線（Ｆ２→Ｆ’２）が最適である。

一方、Ｄ１レーザ１３０の波長をＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）もしくはＤ１線（Ｆ２→Ｆ’２）に設定した場合、Ｄ２レーザ１３１の波長はＤ２線（Ｆ１→Ｆ’０）、Ｄ２線（Ｆ１→Ｆ’１）もしくはＤ２線（Ｆ１→Ｆ’２）のどれを使用してもよい。中でも、吸光強度が強く、基底状態（４Ｓ_１／２）のＦ１遷移に^３９Ｋ原子が超偏極しづらいＤ２線（Ｆ１→Ｆ’２）がより適している。このように設定して第１レーザ発振器１１１と第２レーザ発振器１１７とを２台同時に使用することで、例えば、Ｄ１線（Ｆ２→Ｆ’１）のみを使用した場合に生じる基底状態（４Ｓ_１／２）のＦ２遷移から^３９Ｋ原子が励起されてエネルギを失活する際に基底状態（４Ｓ_１／２）のＦ２遷移ではなく基底状態（４Ｓ_１／２）のＦ１遷移に遷移して光ポンピングされなくなった原子を利用できるようになる。これにより、基底状態（４Ｓ_１／２）のＦ２遷移に同じエネルギ状態で^３９Ｋ原子が集まる偏極効率が高まり、磁場計測に利用する光磁気共鳴信号強度が増加する。

（^１３３Ｃｓ）
以下に、本実施形態における光ポンピング磁力計１の他の実施形態を説明する。
図１〜図４に記載の本実施形態の光ポンピング磁力計１において、光源のレーザを２台ともＤ１レーザ１３０もしくはＤ２レーザ１３１に変更してもよい。ここでは、２台ともＤ１レーザ１３０を使用し、ガスセル１１８内に^１３３Ｃｓが封入されている場合について述べる。第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７から発振される各レーザの波長をＤ１線（Ｆ４→Ｆ’３）とＤ１線（Ｆ３→Ｆ’４）に設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）およびＤ１線（Ｆ３→Ｆ’４）の混合レーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）およびＤ１線（Ｆ３→Ｆ’４）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ１線（Ｆ４→Ｆ’３）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。
また、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７の２台ともＤ２レーザ１３１を発振してもよい。この場合において、ガスセル１１８内に^１３３Ｃｓが封入されている場合についても述べる。各レーザの波長をＤ２線（Ｆ４→Ｆ’５）とＤ２線（Ｆ３→Ｆ’３）に設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ２線（Ｆ４→Ｆ’５）およびＤ２線（Ｆ３→Ｆ’３）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ２線（Ｆ４→Ｆ’５）およびＤ２線（Ｆ３→Ｆ’３）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ２線（Ｆ３→Ｆ’３）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。

（^８５Ｒｂ）
また、光源のレーザを２台ともＤ１レーザ１３０もしくはＤ２レーザ１３１を発振するようにした上で、ガスセル１１８内に^８５Ｒｂを封入してもよい。２台ともＤ１レーザ１３０を発振するようにした場合、各レーザの波長をＤ１線（Ｆ２→Ｆ’３）とＤ１線（Ｆ３→Ｆ’２）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ１線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ１線（Ｆ３→Ｆ’２）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ１線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ１線（Ｆ３→Ｆ’２）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ１線（Ｆ３→Ｆ’２）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。
また、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７の２台ともＤ２レーザ１３１を発振してもよい。この場合において、ガスセル１１８内に^８５Ｒｂが封入されている場合についても述べる。各レーザの波長をＤ２線（Ｆ３→Ｆ’４）とＤ２線（Ｆ２→Ｆ’２）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ２線（Ｆ３→Ｆ’４）およびＤ２線（Ｆ２→Ｆ’２）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ２線（Ｆ３→Ｆ’４）およびＤ２線（Ｆ２→Ｆ’２）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’２）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。

（^８７Ｒｂ）
また、光源のレーザを２台ともＤ１レーザ１３０もしくはＤ２レーザ１３１を発振するようにした上で、ガスセル内に^８７Ｒｂを封入してもよい。２台ともＤ１レーザ１３０を発振するようにした場合、各レーザの波長をＤ１線（Ｆ１→Ｆ’２）とＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ１線（Ｆ１→Ｆ’２）およびＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ１線（Ｆ１→Ｆ’２）およびＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ１線（Ｆ２→Ｆ’１）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。
また、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７の２台ともＤ２レーザ１３１を発振してもよい。この場合において、ガスセル１１８内に^８７Ｒｂが封入されている場合についても述べる。各レーザの波長をＤ２線（Ｆ２→Ｆ’３）とＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ２線（Ｆ１→Ｆ’１）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。

（^３９Ｋ）
また、光源のレーザを２台ともＤ１レーザ１３０もしくはＤ２レーザ１３１を発振するようにした上で、ガスセル１１８内に^３９Ｋを封入してもよい。２台ともＤ１レーザ１３０を発振するようにした場合、各レーザの波長をＤ１線（Ｆ１→Ｆ’２）とＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ１線（Ｆ１→Ｆ’２）およびＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ１線（Ｆ１→Ｆ’２）およびＤ１線（Ｆ２→Ｆ’１）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、（Ｆ２→Ｆ’１）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。
また、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７の２台ともＤ２レーザ１３１を発振してもよい。この場合において、ガスセル１１８内に^３９Ｋが封入されている場合についても述べる。各レーザの波長をＤ２線（Ｆ２→Ｆ’３）とＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）とに設定する。ガスセル１１８を通過したレーザ（Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）が混合したレーザ）を、回折格子１２１または偏光ビームスプリッタ１２７ｂが、Ｄ２線（Ｆ２→Ｆ’３）およびＤ２線（Ｆ１→Ｆ’１）の波長を有するレーザに分離する。そして分離したレーザのうち、Ｄ２線（Ｆ１→Ｆ’１）の波長を有するレーザを光検出器１２２で磁場計測に使用する信号として検出する。

なお、第１レーザ発振器１１１および第２レーザ発振器１１７から発振されるレーザをＤ１レーザ１３０またはＤ２レーザ１３１に揃える場合は、一方のレーザの波長は、磁気量子数の大きいエネルギ状態から、磁気量子数の少ないエネルギ状態に遷移させる波長とし、他方のレーザの波長は、同じ種類のレーザ（Ｄ１レーザ１３０やＤ２レーザ１３１）のうち、基底準位の磁気量子数が異なるその他の波長のレーザとしてもよい。このとき、磁気量子数の少ないエネルギ状態に遷移させる波長を有するレーザを磁場計測に使用する信号として検出してもよい。

（効果）
本実施形態によると、光ポンピング磁力計１のガスセルの光源に波長安定化した半導体レーザを用いる。一般的に、光源として使用されているランプ光は、使用するガスセル内のアルカリ金属ガスにおけるＤ１線もしくはＤ２線のすべてのエネルギ遷移の波長が含んでいる。そのため、すべてのエネルギ遷移で光ポンピングが生じてしまい、ガスセル内のアルカリ金属ガスのスピンの向きが揃う偏極状態の効率が低下する。
そこで、本実施形態で使用する波長安定化させた半導体レーザを使用することで、ランプを使用したこれまでの手法に比べて、ガスセル１１８内のアルカリ金属ガスのＤ１線もしくはＤ２線における特定のエネルギ遷移の波長の光を選定できる。つまり、特定のエネルギ遷移のみで光ポンピングが生じるため、ガスセル１１８内のアルカリ金属ガスのスピンが効率良く偏極する。

さらに、本実施形態では周波数安定化させたＤ１レーザ１３０と周波数安定化させたＤ２レーザ１３１とを同時に使用することで、一般的な周波数安定化させたＤ１レーザ１３０もしくは周波数安定化させたＤ２レーザ１３１のどちらか一方のみを使用した場合に光ポンピングされなかった基底状態のアルカリ金属ガスを偏極させることができる。また、Ｄ１レーザ１３０同士や、Ｄ２レーザ１３１同士でも、エネルギ遷移の異なる波長を有する２つのレーザを用いることによっても、同様の効果を得ることができる。したがって、Ｄ１レーザ１３０で光ポンピングされたアルカリ金属ガスの偏極効率およびＤ２レーザ１３１で光ポンピングされたアルカリ金属ガスの偏極効率ともに、Ｄ１レーザ１３０もしくはＤ２レーザ１３１のどちらか一方のみを使用した場合に比べて向上する。また、ガスセル１１８を通過したＤ１レーザ１３０とＤ２レーザ１３１の混合光において、エネルギ遷移の間隔が広いＤ１レーザのみを磁場計測信号として回折格子１２１や偏光ビームスプリッタ１２７ｂで分離して光検出器１２２で検出することで光磁気共鳴信号のＳＮ比を向上させて磁場検出感度を改善する。
また、本実施形態によれば、ガスセル１１８の温度を上げなくても、効率よくＳ／Ｎ比を上げることができる。

本実施形態に係る光ポンピング磁力計１は、光源にガスセル１１８内のアルカリ金属原子の吸収線を２種類使用し、光ポンピングによって超偏極される原子数を増加させることで最小磁場検出感度を向上させる手法であり、地磁気計測測、金属探知計測、非破壊検査、生体磁気計測、磁気微粒子などを利用した磁気免疫検査や、磁気微粒子を利用した細菌検査など様々な精密磁場計測に利用できる。

本実施形態に係る光ポンピング磁力計の構成例を示す図である。 本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である（その１）。 本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である（その２）。 本実施形態に係る光ポンピング磁力計の別の構成例を示す図である（その３）。 ^１３３Ｃｓのエネルギ遷移図である。 ^１３３Ｃｓのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。 本実施形態における状態遷移のふるまいを示す図である。 Ｄ１線およびＤ２線の組み合わせによる実験結果を示すグラフである。 ^８５Ｒｂのエネルギ遷移図である。 ^８５Ｒｂのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。 ^８７Ｒｂのエネルギ遷移図である。 ^８７Ｒｂのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。 ^３９Ｋのエネルギ遷移図である。 ^３９Ｋのエネルギ遷移の詳細を示す図であり、（ａ）は、Ｄ１線のエネルギ遷移を示す図であり、（ｂ）は、Ｄ２線のエネルギ遷移を示す図である。

符号の説明

１，１ａ〜１ｄ 光ポンピング磁力計
１１１ 第１レーザ発振器
１１２ａ，１１２ｂ 偏光子（偏光部）
１１３ａ，１１３ｂ λ／４波長板
１１４ａ，１１４ｂ ＮＤフィルタ
１１５ ミラー
１１６ ハーフミラー（混合部）
１１７ 第２レーザ発振器
１１８ ガスセル
１１９ 静磁場印加用コイル
１２０ ＲＦコイル
１２１ 回折格子（抽出部）
１２２ 光検出器（光検出部）
１２３ ロックインアンプ（ロックインアンプ部）
１２４ 電圧制御発振回路（電圧制御発振部）
１２５ アンプゲイン調整回路
１２６ 位相シフト回路（位相シフト部）
１２７ａ，１２７ｂ 偏光ビームスプリッタ（混合部、抽出部）
１２８ 測定対象
１３０ Ｄ１レーザ
１３１ Ｄ２レーザ
１３２ Ｄ１＋Ｄ２レーザ
２０１ 偏光子で直線偏光に変換されたＤ１レーザの偏光面を示す矢印
２０２ 偏光子で直線偏光に変換されたＤ２レーザの偏光面を示す矢印
２０３ 互いに直交した直線偏光の混合したレーザの偏光面を示す矢印
２０４ 右回り円偏光と左回り円偏光の混合したＤ１レーザとＤ２レーザの偏光面を示す矢印
３０１ ^１３３ＣｓのＤ１線を示す矢印
３０２ ^１３３ＣｓのＤ２線を示す矢印
３１１ ^１３３ＣｓのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３）を示す矢印
３１２ ^１３３ＣｓのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’４）を示す矢印
３１３ ^１３３ＣｓのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’３）を示す矢印
３１４ ^１３３ＣｓのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’４）を示す矢印
３２１ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’２）を示す矢印
３２２ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３）を示す矢印
３２３ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’４）を示す矢印
３２４ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’３）を示す矢印
３２５ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’４）を示す矢印
３２６ ^１３３ＣｓのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’５）を示す矢印
３３１ エネルギ遷移（Ｆ４→Ｆ’３）における超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−４）→ｍ_Ｆ’（−３））を示す矢印
３３２ 超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−４）→ｍ_Ｆ’（−３））の基底状態（Ｆ４）への失活を示す矢印
３３３ 超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−４）→ｍ_Ｆ’（−３））の基底状態（Ｆ３）への失活を示す矢印
３３４ エネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３）における超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−３）→ｍ_Ｆ’（−２））を示す矢印
３３５ 超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−３）→ｍ_Ｆ’（−２））の基底状態（Ｆ４）への失活を示す矢印
３３６ 超微細エネルギ遷移（ｍ_Ｆ（−３）→ｍ_Ｆ’（−２））の基底状態（Ｆ３）への失活を示す矢印
３３７ 暗領域
３５１ Ｄ１レーザ（６６μＷ）のみを使用した場合の光磁気共鳴信号強度
３５２ Ｄ１レーザ（６６μＷ）とＤ２レーザ（５μＷ）を組み合わせて使用した場合の光磁気共鳴信号強度
３５３ Ｄ１レーザ（６６μＷ）とＤ２レーザ（２０μＷ）を組み合わせて使用した場合の光磁気共鳴信号強度
３５４ Ｄ１レーザ（６６μＷ）とＤ２レーザ（７０μＷ）を組み合わせて使用した場合の光磁気共鳴信号強度
４０１ ^８５ＲｂのＤ１線を示す矢印
４０２ ^８５ＲｂのＤ２線を示す矢印
４１１ ^８５ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
４１２ ^８５ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’３）を示す矢印
４１３ ^８５ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’２）を示す矢印
４１４ ^８５ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３）を示す矢印
４２１ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１）を示す矢印
４２２ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
４２３ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’３）を示す矢印
４２４ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’２）を示す矢印
４２５ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’３）を示す矢印
４２６ ^８５ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ３→Ｆ’４）を示す矢印
５０１ ^８７ＲｂのＤ１線を示す矢印
５０２ ^８７ＲｂのＤ２線を示す矢印
５１１ ^８７ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１）を示す矢印
５１２ ^８７ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’２）を示す矢印
５１３ ^８７ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１）を示す矢印
５１４ ^８７ＲｂのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
５２１ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’０）を示す矢印
５２２ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１）を示す矢印
５２３ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’２）を示す矢印
５２４ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１）を示す矢印
５２５ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
５２６ ^８７ＲｂのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’３）を示す矢印
６０１ ^３９ＫのＤ１線を示す矢印
６０２ ^３９ＫのＤ２線を示す矢印
６１１ ^３９ＫのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１）を示す矢印
６１２ ^３９ＫのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’２）を示す矢印
６１３ ^３９ＫのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１）を示す矢印
６１４ ^３９ＫのＤ１線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
６２１ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’０）を示す矢印
６２２ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’１）を示す矢印
６２３ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ１→Ｆ’２）を示す矢印
６２４ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’１）を示す矢印
６２５ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’２）を示す矢印
６２６ ^３９ＫのＤ２線におけるエネルギ遷移（Ｆ２→Ｆ’３）を示す矢印

Claims (19)

1. アルカリ金属が封入された耐熱ガラス製または石英ガラス製のガスセルにレーザを照射するレーザ発振器と、ガスセルに静磁場を印加する静磁場印加用コイルと、前記ガスセルを通過したレーザから、測定対象の磁場を算出し、計測値として出力すると同時に前記ガスセルに印加する振動磁場を生成する振動磁場生成部と、前記ガスセルに前記振動磁場を印加する振動磁場印加コイルとを有する光ポンピング磁力計であって、
   前記レーザ発振器は、
   前記アルカリ金属の吸光波長のうち、第１の波長を有する第１レーザを発振する第１レーザ発振器と、
   前記アルカリ金属の吸光波長のうち、第２の波長を有する第２レーザを発振する第２レーザ発振器と、を備え、
   前記光ポンピング磁力計は、さらに、
   前記第１レーザおよび前記第２レーザを混合し、前記混合したレーザを前記ガスセルに照射する混合部と、
   前記ガスセルを通過したレーザから、前記第１レーザおよび前記第２レーザのいずれかを抽出し、前記抽出した第１レーザを前記振動磁場生成部へ入力する抽出部と、を有することを特徴とする光ポンピング磁力計。
2. 前記混合部は、ハーフミラーであり、前記抽出部は、回折格子であ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。
3. 前記第１レーザ発振器および前記第２レーザ発振器と、前記混合部との間には、前記第１レーザおよび前記第２レーザを直線偏光する偏光部をそれぞれ有し、各偏光部によって、前記第１レーザと、前記第２レーザとの偏光面が互いに直交となるよう前記偏光部が配置され、
   前記混合部および前記抽出部は、互いに偏光面が直交となるよう直線偏光している第１レーザと、第２レーザとを混合し、さらに前記混合しているレーザから、前記偏光面を基に、第１レーザおよび前記第２レーザとを分離する偏光ビームスプリッタであ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。
4. 前記振動磁場生成部は、
   前記抽出部で抽出されたレーザを検出し、当該レーザのレーザ強度を出力する光検出部と、
   前記レーザ強度が入力され、当該入力されたレーザ強度に対応する電圧値を出力するロックインアンプ部と、
   前記電圧値が入力され、当該入力された電圧値に対応する周波数を算出し、当該算出された周波数を振動磁場印加コイルへ出力する電圧制御発振部と、を有してなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
5. 前記振動磁場生成部は、
   前記抽出部で抽出されたレーザを検出し、当該レーザのレーザ強度を出力する光検出部と、
   前記レーザ強度が入力され、当該入力されたレーザ強度の位相をシフトした後、前記シフトしたレーザ強度を、前記振動磁場印加コイルへ出力する位相シフト部と、を有してなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
6. 前記アルカリ金属とは、^１３３Ｃｓであり、
   前記第１レーザは、^１３３ＣｓのＤ１線の波長を有し、前記第２レーザは、^１３３ＣｓのＤ２線の波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
7. 前記アルカリ金属とは、^１３３Ｃｓであり、
   前記第１レーザは、^１３３ＣｓのＤ１線のうち、Ｆ３からＦ’４、Ｆ３からＦ’３、Ｆ４からＦ’４およびＦ４からＦ’３の遷移を生ずる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該４つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
8. 前記第１レーザとは、Ｆ４からＦ’３への遷移を生じるＤ１線の波長を有し、前記第２レーザとは、Ｆ３からＦ’４およびＦ３からＦ’３のうち、いずれかの遷移を生じるＤ１線の波長を有することを特徴とする請求項７に記載の光ポンピング磁力計。
9. 前記アルカリ金属とは、^１３３Ｃｓであり、
   前記第１レーザは、^１３３ＣｓのＤ２線のうち、Ｆ３からＦ’４、Ｆ３からＦ’３、Ｆ３からＦ’２、Ｆ４からＦ’５、Ｆ４からＦ４’およびＦ４からＦ’３の遷移を生じる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該６つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
10. 前記アルカリ金属とは、^８５Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８５ＲｂのＤ１線の波長を有し、前記第２レーザは、^８５ＲｂのＤ２線の波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
11. 前記アルカリ金属とは、^８５Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８５ＲｂのＤ１線のうち、Ｆ２からＦ’２、Ｆ２からＦ’３、Ｆ３からＦ’２およびＦ３からＦ’３の遷移を生ずる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該４つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
12. 前記アルカリ金属とは、^８５Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８５ＲｂのＤ２線のうち、Ｆ２からＦ’１、Ｆ２からＦ’２、Ｆ２からＦ’３、Ｆ３からＦ’２、Ｆ３からＦ３’およびＦ３からＦ’４の遷移を生じる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該６つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
13. 前記アルカリ金属とは、^８７Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８７ＲｂのＤ１線の波長を有し、前記第２レーザは、^８７ＲｂのＤ２線の波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
14. 前記アルカリ金属とは、^８７Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８７ＲｂのＤ１線のうち、Ｆ１からＦ’１、Ｆ１からＦ’２、Ｆ２からＦ’１およびＦ２からＦ’２の遷移を生ずる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該４つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
15. 前記アルカリ金属とは、^８７Ｒｂであり、
    前記第１レーザは、^８７ＲｂのＤ２線のうち、Ｆ１からＦ’０、Ｆ１からＦ’１、Ｆ１からＦ’２、Ｆ２からＦ’１、Ｆ２からＦ’２およびＦ２からＦ’３の遷移を生じる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該６つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
16. 前記アルカリ金属とは、^３９Ｋであり、
    前記第１レーザは、^３９ＫのＤ１線の波長を有し、前記第２レーザは、^３９ＫのＤ２線の波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
17. 前記アルカリ金属とは、^３９Ｋであり、
    前記第１レーザは、^３９ＫのＤ１線のうち、Ｆ１からＦ’１、Ｆ１からＦ’２、Ｆ２からＦ’１およびＦ２からＦ’２の遷移を生ずる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該４つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
18. 前記アルカリ金属とは、^３９Ｋであり、
    前記第１レーザは、^３９ＫのＤ２線のうち、Ｆ１からＦ’０、Ｆ１からＦ’１、Ｆ１からＦ’２、Ｆ２からＦ’１、Ｆ２からＦ’２およびＦ２からＦ’３の遷移を生じる波長のうち、いずれかの波長を有し、前記第２レーザは、当該６つの波長のうち、前記第１レーザとは基底準位の磁気量子数が異なる波長を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
19. 前記第１レーザは、磁気量子数が多いエネルギ準位から、磁気量子数の少ないエネルギ準位へアルカリ金属原子を遷移させる波長、もしくは基底準位と励起準位の磁気量子数が同じである遷移の波長を有することを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。

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