JP2009236599A - Optical pumping magnetometer - Google Patents

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Tetsuo Kobayashi
哲生 小林
Kiyoshi Ishikawa
潔 石川
Kanemichi Tagami
周路 田上
Natsuhiko Mizutani
夏彦 水谷
Hideyuki Sugioka
秀行 杉岡
Sunao Ichihara
直 市原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical pumping magnetometer capable of detecting a magnetic field with higher sensitivity by enhancing detection signal intensity. <P>SOLUTION: This optical pumping magnetometer 1 equipped with a cell 110 in which an atomic group capable of taking a gas state is enclosed, a pumping light source 130 for generating pumping light for spin-polarizing the atomic group, a probe light source 140 for irradiating probe light to the cell 110, and a detector 160 for detecting rotation of a plane of polarization of the probe light, is also equipped with at least one reflection mirror 120 for reflecting the probe light. The magnetometer 1 is constituted so that the reflection mirror 120 is provided on a position where the probe light crossing the inside of the cell 110 is reflected, and that the probe light is terminated at the detector 160 after crossing the inside of the cell 110 at least twice or more. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an optical pumping magnetometer and a magnetic sensing method.

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。
米国特許第7038450号明細書
A highly sensitive optical pumping magnetometer using spin of alkali metal gas or rare gas has been proposed. Patent Document 1 proposes a highly sensitive optical pumping magnetometer including a pump light source and a probe light source.
US Pat. No. 7,038,450

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。   The above-described optically pumped magnetometer can detect a very small magnetic field in principle, but it has been demanded for higher sensitivity in terms of application.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide an optical pumping magnetometer and a magnetic sensing method that can detect a magnetic field with higher sensitivity by increasing the detection signal intensity.

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。   In order to achieve the above object, an optical pumping magnetometer according to the present invention has the following features.

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。   Specifically, a cell in which atomic groups are sealed in a gas state, a pump light source that generates pump light for spin-polarizing the atomic groups, a probe light source that irradiates the cell with probe light, and polarization of the probe light An optical pumping magnetometer comprising a detector for detecting surface rotation. Furthermore, at least one reflecting mirror for reflecting the probe light is provided, and the reflecting mirror is provided at a position for reflecting the probe light after traversing the inside of the cell, and the probe light is at least twice in the cell. It is configured to terminate at the detector after traversing.

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。   The magnetic sensing method according to the present invention has the following features.

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。
Specifically, by irradiating pump light to the atomic group contained in the cavity of the cell, the spin directions of the atoms constituting the atomic group are aligned, and the atomic spin directions are aligned. A magnetic sensing method of irradiating the atomic group with linearly polarized light as probe light and measuring a polarization rotation angle of the probe light,
After irradiating the group of atoms in the cell with linearly polarized light as probe light, the probe light that has passed through the cell is folded and passed through the cell again, so that the cell is at least twice or more. A deflection rotation angle of the probe light that has traversed is measured.

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。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical pumping magnetometer capable of detecting a magnetic field with higher sensitivity by increasing the detection signal intensity.

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。   First, the operation principle of the magnetic detection method in the optical pumping magnetometer according to the present invention will be described.

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。   An optical pumping magnetometer of the present invention includes a cell in which an atomic group capable of taking a gas state is enclosed, a pump light source that generates pump light for aligning the spin directions of a plurality of atoms constituting the atomic group, and a probe A probe light source for irradiating the cell with light. Here, aligning the spin directions of a plurality of atoms constituting an atomic group means spin-polarization.

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。   Here, the pump light for the atomic group in the cell is a circularly polarized beam tuned to the absorption line of the atomic group, and the probe light is a linearly polarized beam detuned from the absorption line of the atomic group. The pump light and the probe light are configured to intersect within the cell, and the intersecting position is an area where the magnetic field is measured. The magnetic field is measured by detecting information related to the change in the polarization state of the probe light with a detector. The atomic group introduced into the cell includes substances that are solid at room temperature as well as substances that are gaseous at room temperature. In the case of a substance that is solid at room temperature as in the embodiments described later, when the magnetometer is operated, it is vaporized by heating and used.

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。   By irradiating with pump light, spin polarization is formed in the atomic group (atomic group). The spin-polarized atomic group precesses by receiving a torque corresponding to the magnetic field in the measurement region. This state is known to be described by the Bloch equation described later. This precession causes a component in the probe light direction in the spin direction of the atomic group. The spin magnitude in the direction of the probe light rotates the polarization plane of the probe light due to the paramagnetic Faraday effect, and information on the measured magnetic field strength can be obtained by measuring this rotation angle.

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。   The Faraday effect is an amount proportional to the optical path length that has passed through the polarized atomic group if the spin polarization has no nonuniform spatial distribution. Therefore, by performing measurements such that the probe light passes through the polarized gas multiple times and terminates at the detector, a large polarization rotation angle can be generated in the probe light, greatly increasing the sensitivity of magnetic field measurement. It is possible to raise. Thus, it is a big feature of the optical pumping magnetometer according to the present invention that the probe light is measured by the detector after traversing the cell twice or more. Of course, if it is two or more times, it may be crossed three times or four times, or it may be an even number or odd number of times.

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。   In addition, as a reflective mirror applied to this invention, a metal mirror, a semiconductor multilayer mirror, and a dielectric multilayer mirror are used, for example. In particular, a dielectric multilayer mirror not containing metal is preferable.

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。   Next, components common to the optical pumping magnetometer in each embodiment of the present invention will be described in detail.

(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。
(A) Cell The cell is made of a material that is transparent to probe light and pump light, such as glass. In the cell, an alkali metal (K, Rb, etc.) is included in a gas state as an atomic group or an atomic group, and is hermetically sealed. For example, by putting potassium metal in a glass cell and heating to about 180 ° C., the glass cell can be filled with potassium metal vapor at a desired concentration.

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。 In addition, the atomic group included in the cell is not limited to an alkali metal atom, and the material is not particularly limited as long as the above-described detection method can be performed. As an atomic group, in addition to K and Rb, Xe that can perform spin exchange with these atoms can also be mixed. Further, in addition to the atomic group, a gas serving as a buffer such as N 2 or He can be enclosed in the cell. Since the buffer gas suppresses the diffusion of the polarized alkali metal atoms, it is effective for suppressing the spin relaxation due to the collision with the cell wall and increasing the polarization rate.

(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。
(B) Pump light Although it is desirable that the polarization state of the pump light is substantially composed of only a circularly polarized component, in the embodiment of the present invention, if the circularly polarized component is included, other polarized components are included. It does not exclude inclusion. The wavelength of the pump light is tuned to a wavelength that can excite an atomic group in the cell, specifically, an alkali metal absorption line.

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。   This pump light is used to align the spin directions of the atoms constituting the atomic group. In particular, in the case of an alkali metal, this is an electron spin polarization. Specifically, it is known that the spin direction of atoms can be aligned using a phenomenon called circular polarization pumping.

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。   The reason why spin directions can be aligned in this way is due to the preservation of angular momentum. Since circularly polarized light has angular momentum, when the atom is excited by absorbing light, the ground level and the excited level increase the angular momentum of the atom by a quantum number 1 in the case of clockwise circularly polarized light. Only the pair is excited. Once excited, the atom returns to the ground state by emitting light in a random polarization state by spontaneous emission or by collision with a buffer gas atom. At this time, atoms that return to a state where the quantum number of angular momentum again decreases by 1 and atoms that return to the ground state while maintaining angular momentum are randomly mixed. By repeating such a process, the proportion of ground state atoms that are not excited by this circularly polarized light gradually increases, so the direction of spin of the atoms that make up the atomic group changes the traveling direction of the circularly polarized light. It is aligned in this direction as an axis.

(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。
(C) Probe light The probe light is preferably detuned from the resonance frequency of the atoms in order to avoid unnecessary pumping. In addition, it is desirable that the polarization state of the probe light is composed only of linearly polarized light. However, in the embodiment of the present invention, if the linearly polarized light component is included, it excludes that it contains other polarized light components. It is not a thing.

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。   The magnetometer is configured such that the probe light and the pump light intersect at some or all of the atomic groups in the cell. The irradiation directions of the probe light and the pump light are not particularly limited as long as they intersect with each other, but in general, both the irradiation directions are orthogonal to each other.

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。   It is known that when linearly polarized light having a wavelength near the resonance is incident on an atomic group polarized in the optical axis direction, the plane of polarization is rotated by a magneto-optic effect known as paramagnetic Faraday rotation. . Linearly polarized probe light can be described as a superposition of both left and right circularly polarized light. As described in the explanation of the pump light, when the atomic densities of the ground states excited by the left and right circularly polarized light are different, the absorption of the left and right circularly polarized light is slightly different depending on the polarization of the atomic group. There is a difference. The difference in the absorption coefficient, which means the imaginary part of the complex refractive index, is also reflected in the difference in the real part of the refractive index felt by the left and right circularly polarized light due to the Kramers-Kronig relationship. After passing through the atomic group, there is a difference in the optical path lengths of the left and right circularly polarized light, so that the polarization plane of linearly polarized light obtained by superimposing these is rotated. There is known a magnetometer utilizing the fact that the rotation angle depends on the magnitude of the magnetic field at the position of the atomic group.

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。   Also in the optical pumping magnetometer of the present invention, a polarized atom group is formed by the pump light described above, linearly polarized probe light is incident on the atom group in the cell, and before and after passing through the cell, the probe Information on the rotation angle of the polarization plane of light is acquired. For example, the rotation angle of the polarization plane of the probe light is measured.

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。   Here, with respect to the relationship between the rotation of the polarization plane of the probe light and the magnetic detection, the behavior when the optical path of the probe light is folded at the end of the cell as in the present invention can be expressed as follows. Use and describe.

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。   For simplicity, the optical response of an alkali metal cell in the coordinate system as shown in FIG. 1 is described.

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。 That is, the propagation direction of the probe light, which is linearly polarized light, is on the x-axis (see arrow R1 in the figure), and propagates through the alkali metal population by a distance L. Further, the propagation direction of the pump light positive direction of z, the magnetic field B y directions to be measured in the y direction.

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)-1y、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。
x=RpΩL/(ΩL 2+γeff 2
〜RpΩLγeff -2
=RpgμB(Qh)-1γeff -2y (2)
ここで、磁場が弱くΩL 2<<γeff 2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。
Macroscopic magnetization vector shown alkali metal population m = (m x, m y , m z) is described by the following optical Bloch equations.
dm / dt = Ω × m−γ eff m + P (1)
Here, the first term on the right side represents the rotation of the magnetization vector m by a magnetic field B y, is expressed as Ω = (0, Ω L, 0) = (0, gμ B (Qh) -1 B y, 0) . The second term on the right side is the relaxation of magnetization and is described by the relaxation rate γ eff . The third term is expressed as P = (0, 0, R P ) using the optical pumping rate R P in the pumping of the magnetization in the z direction by the pump light. The parameters used here are the Planck constant h, the g factor, the Bohr magneton μ B , and the slow down factor Q in the SERF (Spin Exchange Relaxation Free) region. To the static magnetic field B y, when determining the stationary solution of (1) from the dm / dt = 0, for the x component, solutions such as the following equation is obtained.
m x = R p Ω L / (Ω L 2 + γ eff 2 )
~ R p Ω L γ eff -2
= R p gμ B (Qh) -1 γ eff -2 B y (2)
Here, the approximation that the magnetic field is weak and Ω L 2 << γ eff 2 is used. As a result, it can be seen that the x-direction of the magnetization m x is proportional to the static magnetic field B y.

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。
Next, Faraday rotation caused by this magnetization will be described. When linearly polarized probe light of wavelength λ in the vacuum travels in the positive x direction, it can be described as a superposition of clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light. In the polarized alkali metal, the refractive indices for clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light are n + and n . The rotation angle φ of the polarization plane is equal to the phase difference between the left and right circularly polarized light after propagating the distance L,
φ = πL (n + -n - ) λ -1 = 2πLm x (n 0 -1) λ -1 (3)
It becomes. Here, take only the lowest order term for optical susceptibility, n + -n - = doing approximation to 2m x (n 0 -1). In this case, the rotation angle φ of polarization plane is an amount that is proportional to m x ie B y.

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。
Here, first, the relationship between mx and n + −n proceeding in the positive direction of x is shown. Next, a situation in which linearly polarized probe light having a wavelength λ travels in the negative direction of x in the same polarized alkali metal will be described with a suffix R. The angular momentum of clockwise circularly polarized light traveling in the negative direction of x is -1, and the sign is different from the angular momentum of clockwise circularly polarized light +1 traveling in the positive direction. Therefore, when written as φ R = πL (n R + −n R ) λ −1 , n R + = n and n R = n + . The polarization rotation angle of light traveling in the negative x direction is
φ R = -2πLm x (n 0 -1) λ -1 = -φ (4)
It is expressed. The state of polarization rotation expressed by Equation (3) and Equation (4) corresponds to FIGS. 1 (a) and 1 (b), respectively. FIG. 1A shows the probe light propagating in the positive direction of x, with the polarization plane rotated by φ, and FIG. 1B shows the probe light propagating in the negative direction of x, The polarization plane is rotated by φ R = −φ.

(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。
(D) Light source Regarding the light source, separate light sources may be used for the pump light and the probe light, respectively, or by using a polarizing plate or the like in common with the light source, the circularly polarized pump light and the linear light are used. It is also possible to produce polarized probe light. A laser light source can be used as a light source for outputting pump light and probe light. For example, when potassium is used as the atomic group or atomic group in the cell, laser light sources having a wavelength of about 770 nm that are detuned from each other in the range of 0.02 nm to 1 nm can be used.

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。   In addition, although the optical pumping magnetometer was demonstrated above, this invention also includes the magnetic sensing method shown below.

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。   Specifically, first, the atom groups included in the cavity of the cell are irradiated with pump light to align the spin directions of the atoms constituting the atom groups. In the magnetic sensing method, the atomic group in which the directions of spins of atoms are aligned is irradiated with linearly polarized light as probe light, and the polarization rotation angle of the probe light is measured. Here, after irradiating the group of atoms in the cell with linearly polarized light as probe light, the probe light that has passed through the cell is folded back and passed through the cell again. In this way, the deflection rotation angle of the probe light that has traversed the cell at least twice is measured.

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。   Also in the magnetic sensing method, the technical matters (A) to (D) described above are applied.

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。   As the optical pumping magnetometer for performing the magnetic sensing method, a probe light source for outputting the probe light and a pump light source for outputting the pump light are used. Furthermore, a reflection mirror for turning back the probe light and a detector for measuring the deflection rotation angle are used.

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。   Hereinafter, the optical pumping magnetometer according to the present invention will be described more specifically.

[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。
[First Embodiment]
Below, the detail of embodiment of the optical pumping magnetometer of this invention is demonstrated, referring drawings.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the optical pumping magnetometer in the first embodiment of the present invention.

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。 The alkali metal cell 110 is a glass cell containing buffer gas (He) and quencher (N 2 ) in addition to potassium (K), and is hermetically sealed. A reflection mirror 120 for reflecting the probe light is provided on the opposite side of the alkali metal cell 110 when viewed from the probe light source 140. As the reflection mirror 120, a dielectric multilayer mirror that does not include a metal layer and can reduce magnetic noise that is said to be caused by Johnson noise or the like is particularly desirable. By flowing heated air from the outside into the oven 118, the alkali metal cell 110 disposed inside the oven 118 is heated. A heat insulating layer 119 surrounds the oven so that the temperature outside the heat insulating layer is maintained at about room temperature. The heat insulation layer 119 may have an exhaust heat mechanism such as a cooling water circulation tube as necessary. Both the heat insulating layer 119 and the oven 118 are provided with windows in portions corresponding to the optical paths of the pump light and the probe light.

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。   In order to reduce external magnetic noise such as geomagnetism, the above components are installed inside a magnetic shield 113 made of three layers of mu metal. Furthermore, Helmholtz coils 114-117 are provided in order to cancel the residual magnetic field inside the magnetic shield 113. Helmholtz coils indicated by 114 and 115 are used for compensating the residual magnetic field in the x direction, and Helmholtz coils indicated by 116 and 117 are used for compensating the residual magnetic field in the z direction. Similarly, a Helmholtz coil that compensates for the residual magnetic field in the y direction is also provided, but is not shown here.

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。   The pump light generated by the pump light source 130 is converted into parallel light by the collimator lens 132 and converted into circularly polarized light by the quarter wavelength plate 133. Then, the alkali metal cell 110 is irradiated through the windows and openings of the magnetic shield 113, the heat insulating layer 119, and the oven 118.

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。   The probe light generated by the probe light source 140 is converted into parallel light by the collimator lens 142. The polarization direction is determined so as to pass through the polarization beam splitter 150. Similar to the pump light, the alkali metal cell 110 is irradiated through the windows and openings of the magnetic shield 113, the heat insulating layer 119, and the oven 118. The probe light is incident on the reflecting surface of the reflecting mirror 120 perpendicularly. After traversing the alkali metal cell 110, the optical path of the probe light is folded back by 180 degrees. Then, it passes through the alkali metal cell 110 again and returns to the polarization beam splitter 150.

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。   The probe light that has returned to the polarization beam splitter 150 reflects the polarization component orthogonal to the forward path, bends the optical path by 90 degrees, and terminates in the photodetector 160 as a detector. Since the light intensity of the probe light received by the photodetector 160 is proportional to the rotation angle of the polarization plane as described above, a signal corresponding to the magnetic field intensity in the region where the pump light and the probe light intersect can be obtained. It becomes. In this way, for example, a weak magnetic field generated from the specimen 101 arranged in the magnetic shield 113 can be obtained with high sensitivity.

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。   Here, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the polarization angle at each point on the optical path of the probe light in the optical pumping magnetometer of the present embodiment will be described in order.

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。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the optical path of the probe light in the optical pumping magnetometer of the present embodiment. 4 shows the state of rotation of the polarization plane of the probe light at each point on the optical path 141 of the probe light shown in FIG. 3, and the arrows in the coordinates indicate the direction of the electric field in the yz plane of the probe light. Show. Coordinate axes the same manner as described above, the propagation direction of the z-direction of the pump light (see arrow R2 in FIG. 3), a propagation direction x-direction of the probe light, and the magnetic field B y direction comprising a y-direction measured.

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)。   The probe light is linearly polarized at the point A after passing through the polarization beam splitter 150, as shown in FIG. 4A, with the electric field directed in the y direction. At point B after passing through the alkali metal cell 110, the polarization angle rotates by an angle φ corresponding to the polarization rotation shown in FIG. 1A (see FIG. 4B). Even at the point C where the propagation direction is reversed by the reflection mirror 120, as shown in FIG. 4C, the direction of the electric field does not change, and is linearly polarized light rotated by an angle φ when viewed in the yz plane. Since the polarization angle returns to the original state with every rotation of 180 degrees, in the case of normal incidence, the phase shift due to reflection does not affect the polarization angle. After traversing the alkali metal cell 110 again in the negative x direction, the polarization angle rotates by an angle −φ corresponding to FIG. 1B. Therefore, the polarization angle at the point D shown in FIG. In the polarization beam splitter 150, only the component of the linearly polarized light whose electric field is directed in the z direction is bent by 90 degrees and reaches the point E, so that only the z component of the polarized light is extracted (FIG. 4 ( e)).

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。   As a measurement system for measuring the Faraday rotation angle, a configuration such as a balanced polarimeter or a crossed Nicol polarimeter can be used.

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。   For example, as shown in FIG. 5, the incident light path and the reflected light path of the probe light reflecting mirror 120 may be shifted.

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。   In the configuration example shown in FIG. 5, two photodetectors 161 a and 161 b are provided for the polarizing beam splitter 151. When the polarization beam splitter 151 is configured as a balanced polarimeter, the direction of the half-wave plate 143 is rotated so that the magnitudes of the output signals of the two photodetectors 161a and 161b coincide when the magnetic field is zero. And the plane of polarization of incident light may be controlled.

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。   In addition, as shown in FIG. 6, a measurement system using a Faraday modulator may be used.

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。 In this case, a Faraday modulator 144 and a polarizer 145 are arranged on the incident light path of the probe light with respect to the reflection mirror 120. The Faraday modulator 144 is connected to a drive circuit 146 for the Faraday modulator 144. An AC modulation signal having a frequency f 0 is added to the DC bias current of the Faraday modulator 144, and feedback control is performed so that the signal intensity of the component oscillating at the output frequency f 0 of the photodetector 162 becomes zero. Thus, a DC bias current value corresponding to the Faraday rotation angle can be obtained.

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。   As described above, according to the optical pumping magnetometer of the present embodiment, the probe light is reciprocated across the cell by the reflection mirror and then terminated at the detector, so that the magnetic force of a single optical path can be obtained with the same configuration. It is possible to obtain a Faraday rotation angle that is twice that of the total. Thereby, the signal intensity with respect to the weak signal can be increased, and an optical pumping magnetometer capable of highly sensitive magnetic field detection can be realized.

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。   In the optical pumping magnetometer of this embodiment, the light source, the optical component, and the detection system are arranged on the same side of the cell on the optical axis of the probe light, and the optical path of the probe light is a reflection mirror, that is, the cell It is folded at the end. Therefore, the optical pumping magnetometer of the present embodiment is also advantageous in that the degree of freedom of arrangement around the cell can be increased. For example, it is possible to relax the restriction due to the requirement not to cross the optical path related to the place where the specimen is placed.

[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。
[Second Embodiment]
Next, an optical pumping magnetometer according to the second embodiment of the present invention will be described.

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。   FIG. 7A is a cross-sectional view schematically showing a characteristic configuration of the optical pumping magnetometer of the present embodiment, and FIG. 7B is a schematic view showing the optical path of the probe light in the alkali metal cell. FIG. FIG. 8 is a perspective view schematically showing a part of the optical pumping magnetometer of the present embodiment, and shows only the optical system on the detection side.

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。   Forms other than those described below, for example, a magnetic shield, a Helmholtz coil, an oven, a heat insulating layer, etc., may be configured as all or part of the same as in the first embodiment, so that it can act as an optical pumping magnetometer. Is possible.

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。   In the present embodiment, dielectric multilayer mirrors 220a and 220b that do not include a metal layer are used as a reflection mirror for reflecting the probe light. Dielectric multilayer mirrors 220 a and 220 b are formed directly on the glass surface outside alkali metal cell 210. The dielectric multilayer mirror 220b, which is the upper side in FIG. 7A, is formed in a stripe shape only at the center of the glass surface.

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。   Further, as shown in the perspective view of FIG. 8, each component is an array device using an elongated alkali metal cell 210, an elongated polarizing beam splitter 250, a one-dimensional photodetector array 260a, 260b, and the like along the z-axis. Yes. The circularly polarized pump light is incident on the alkali metal cell 210 along the long axis direction (z-axis direction). The pump light generates polarization in the atomic group in the alkali metal cell 210 as in the previous embodiment.

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。   The probe light from the probe light source 240 is shaped into a desired elongated beam shape by the lens optical system 242 and collimated as parallel light, and the polarization direction is adjusted by the half-wave plate 243, and the beam stop 244 is set. Through the alkali metal cell 210. The probe light incident on the alkali metal cell 210 is reflected by the lower dielectric multilayer mirror 220a as viewed in FIG. 7A, and is reflected again by the upper dielectric multilayer mirror 220b. Further, after being reflected by the lower dielectric multilayer mirror 220a, that is, after traversing the alkali metal cell 210 four times, the probe light is outside the alkali metal cell 210 from the side where the probe light source 240 is installed. To be taken out. The rotation ratio of the polarization plane when transmitted through the alkali metal cell 210 is measured by reading and calculating the light splitting ratio at the polarizing beam splitter 250 with the two photodetector arrays 260a and 260b, and along the z axis. The magnetic field strength at each position can be measured simultaneously.

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。   As described above, when the optical path of the probe light includes a plurality of turns, the probe light may need to be incident on the reflecting surface of the reflecting mirror in an inclined manner. Even in such a case, it is desirable that the optical path of the pump light realizes a state perpendicular to a plane including the incident optical path and the reflected optical path of the probe light with respect to the reflection mirror. In the present embodiment, the incident angle of the probe light is tilted from the x axis in the xy plane, while the pump light and the probe light are kept orthogonal to each other by making the pump light incident along the z axis. It becomes possible.

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。 In the layout of this embodiment, as shown in FIG. 7B, the probe light undergoes Faraday rotation by the magnetization vectors m1 and m3 in the downward optical paths P1 and P3, and is magnetized in the upward optical paths P2 and P4. Faraday rotation by the vectors m2 and m4 is received. Here, the magnetization vector m1-m4 represents the magnitude of the magnetization of the alkali metal populations in each location, its x component is determined by the magnetic field B y at each location, the mutually same sign. Further, the y component of the magnetization vector is determined by the magnetic field B x at each location, m1 and m3 have the same sign, and m2 and m4 contribute with signs opposite to m1. That is, when the rotation angle is added along the optical axis of the probe light, the components due to B y are added because of the same sign, and the components due to B x cancel each other. Accordingly, the optical path of the thus probe light be inclined from the x axis for folding can be an optical pumping magnetometer for detecting the substantially magnetic field B y component. In addition, polarization rotation with an optical path length four times that of a single optical path magnetometer of the same alkali metal cell size can be obtained, so that the signal intensity can be greatly increased.

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。   Here, the dielectric multilayer mirrors 220 a and 220 b may be formed inside the alkali metal cell 210.

[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。
[Third Embodiment]
The optical pumping magnetometer of the present invention does not necessarily have to be terminated in a detection system in which the probe light is arranged on the same side as the light source with respect to the cell as in the above-described embodiment. The polarimeter portion that is the end of the optical path of the probe light may be disposed on the opposite side of the cell as viewed from the probe light source. Below, with reference to FIG. 9, 3rd Embodiment of the optical pumping magnetometer in this invention is described.

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。   FIG. 9A is a cross-sectional view schematically showing a characteristic configuration of the optical pumping magnetometer according to the third embodiment. Moreover, FIG.9 (b) is the schematic diagram which showed only the pump light source system and cell part of this embodiment from the y direction of Fig.9 (a).

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。   In the present embodiment, dielectric multilayer mirrors 320 a and 320 b that do not include a metal layer are directly formed on the glass surface outside the alkali metal cell 310 as a reflection mirror. This multilayer film is not formed in a portion where incident light and transmitted light from the alkali metal cell 310 are extracted. The configuration and operation of the probe light source 240, the lens optical system 242 for shaping the laser beam, the half-wave plate 243 for controlling the polarization plane of the probe light, the beam stop 244, and the like are the same as in the second embodiment. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. Further, the polarization beam splitter 250, which is a balanced polarimeter portion constituted by the photodetector arrays 260a and 260b, has the same configuration as that of the second embodiment. As in the second embodiment, the circularly polarized beam of the pump light is incident from the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 9A, that is, the z direction.

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。   Pump light from the pump light source 130 is converted into parallel light by the collimator lens 132 and converted into circularly polarized light by the quarter wavelength plate 133. Here, also in the pump light, as shown in FIG. 9B, a folding mirror 370 is disposed on the optical path opposite to the alkali metal cell 310 when viewed from the pump light source side, and the transmitted light is again transmitted to the alkali metal cell. It is good also as a structure returned to 310. FIG. Since the circularly polarized light reflected in the vertical direction by the folding mirror 370 returns to the alkali metal cell 310 by turning the clockwise circular polarized light into the counterclockwise circular polarized light or turning the counterclockwise circular polarized light into the clockwise circular polarized light. The pump light causes spin polarization in the same direction in both the forward path and the return path. With this configuration, the efficiency of the pump can be increased and the uniformity of polarization can be increased.

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。   The probe light incident on the alkali metal cell 310 is reflected by the lower dielectric multilayer mirror 320a as viewed in FIG. 9A and is reflected again by the upper dielectric multilayer mirror 320b. Then, after traversing the alkali metal cell 310 three times, the probe light is extracted from the probe light source 240 to the opposite side of the alkali metal cell 310. The rotation angle of the polarization plane caused by the Faraday rotation received during this time is measured by reading and calculating the light splitting ratio at the polarization beam splitter 250 by the two photodetector arrays 260a and 260b. In this way, the strength of the magnetic field at each position along the z axis can be measured simultaneously.

[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。
[Fourth Embodiment]
Next, a magnetic field gradient meter operating on the principle of the optical pumping magnetometer of the present invention, which is a fourth embodiment of the present invention, will be described.

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。   FIG. 10 is a schematic diagram showing only an alkali metal cell portion in the magnetic field gradient meter. The configuration other than the alkali metal cell is the same as that of the first embodiment.

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。   In this embodiment, the dielectric multilayer mirror 420 that does not include a metal layer for reflecting the probe light is directly formed on the glass surface inside the alkali metal cell 410 in which potassium is enclosed. In addition, two folding mirrors 470a and 470b for folding the pump light are provided on the opposite side of the alkali metal cell 410 when viewed from the pump light source side. Arrows 441 and 431 represent optical paths of pump light and probe light, respectively.

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。 As in the first embodiment, this embodiment constitutes an optical path that turns back the probe light. In the alkali metal cell 410, a region having spin polarization in a certain direction and its direction are And a region having spin polarization in the opposite direction. For this purpose, the pump light is folded back by two of the folding mirrors 470a and 470b and transmitted through the alkali metal cell 410 in the opposite direction. The pump light reflected twice by the folding mirrors 470a and 470b has the same circularly polarized light, but the traveling direction is opposite, so that spin polarization in the opposite direction is formed. As shown in FIG. 10, the case where the same linearly polarized light is used for the probe light using the same coordinate system as in the first embodiment will be described. Direction perpendicular to the plane, that is, when there is a magnetic field B y in the y-direction, in the region S1 in the figure, the rotation angle of the polarization plane of the probe light becomes a negative value, while the rotation of the polarization plane in the region S2 in Fig. The corner is a positive value. Further, the rotation of the polarization plane is added to the probe light folded back by the reflection mirror 420 in the same manner as in the first embodiment.

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。   As a whole, this magnetometer causes the rotation of the polarization plane in the opposite direction with respect to the same magnetic field in the two regions S1 and S2 where the optical path 431 of the pump light and the optical path 441 of the probe light intersect with each other. It can be seen that it operates as a gradiometer that detects the difference in magnetic field from the region S2. In this manner, a magnetic sensor having two measurement positions in the alkali metal gas and capable of directly measuring the difference in magnetic field strength at the two measurement positions as a difference in polarization rotation angle is configured.

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。   Further, a polarizer and a quarter-wave plate may be inserted on the optical path so that the folded pump light maintains more appropriate circularly polarized light.

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。   The optical system for forming spin polarizations in opposite directions in the region S1 and the region S2 may have a configuration other than that described here. For example, after splitting the pump light into two beams and making them a pair of clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light, it is possible to make two beams incident from one of the alkali metal cells. is there.

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。   Further, as in the modification of the optical pumping magnetometer in the first embodiment shown in FIG. 5, the same magnetic field gradient meter is configured so that the incident light path to the reflection mirror of the probe light does not overlap with the reflected light path. It is also possible to do. An example of the configuration is shown in FIG.

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。   Here, the dielectric multilayer mirror 421 is disposed outside the alkali metal cell 411 in which potassium is enclosed, and the folding mirrors 470a and 470b for folding the pump light and the optical path 431 of the pump light are the same as described above. It is the composition. Also, 442 represents the optical path of the probe light incident so that the incident optical path and the reflected optical path do not overlap.

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。   The optical pumping magnetometer according to the present invention described above can also be expressed as an atomic magnetometer.

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。It is a perspective view for demonstrating rotation of the polarization plane by paramagnetic Faraday rotation. 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。It is sectional drawing which shows typically the optical pumping magnetometer in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram which shows the optical path of the probe light of the optical pumping magnetometer in the 1st Embodiment of this invention. プローブ光の偏光面の回転の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of rotation of the polarization plane of probe light. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of modification of the optical pumping magnetometer in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of modification of the optical pumping magnetometer in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of optical pumping magnetometer in the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of optical pumping magnetometer in the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of optical pumping magnetometer in the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of magnetic field gradient meter in the 4th Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically a part of modification of the magnetic field gradient meter in the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical pumping magnetometer 110 Alkali metal cell 120 Reflection mirror 130 Pump light source 140 Probe light source 160 Photo detector

Claims (8)

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。
A cell in which an atomic group capable of taking a gas state is enclosed;
A pump light source that generates pump light for spin-polarizing the atomic group;
A probe light source for irradiating the cell with probe light;
A detector for detecting rotation of a polarization plane of the probe light;
In an optically pumped magnetometer with
Comprising at least one reflecting mirror for reflecting the probe light;
The reflection mirror is provided at a position to reflect the probe light after traversing the cell, and the probe light terminates at the detector after traversing the cell at least twice. An optical pumping magnetometer, characterized in that it is configured as follows.
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。   The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein the probe light is incident on the reflecting surface of the reflecting mirror perpendicularly. 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。   The optical pumping magnetometer according to claim 2, further comprising a polarizing beam splitter, wherein the polarizing beam splitter is disposed between the probe light source and the cell. 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。   The probe light is incident on the reflection surface of the reflection mirror at an angle, and the pump light is on a plane including an incident optical path and a reflection optical path of the probe light with respect to the reflection mirror. The optically pumped magnetometer according to claim 1, wherein the optically pumped magnetometer is configured to be perpendicularly incident. 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。   5. The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein the reflection mirror is a dielectric multilayer mirror that does not include a metal layer. 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。   The optical pumping magnetometer according to claim 1, further comprising a one-dimensional photodetector array capable of measuring a spatial distribution of a magnetic field in the cell. 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。
By irradiating pump light to the atomic group contained in the cavity of the cell, the direction of the spin of the atom constituting the atomic group is aligned, and the probe is applied to the atomic group in which the atomic spin direction is aligned. A magnetic sensing method of irradiating linearly polarized light as light and measuring the polarization rotation angle of the probe light,
After irradiating the group of atoms in the cell with linearly polarized light as probe light, the probe light that has passed through the cell is folded and passed through the cell again, so that the cell is at least twice or more. A magnetic sensing method, comprising: measuring a deflection rotation angle of the probe light that has traversed.
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。   In order to perform the magnetic sensing method according to claim 7, a probe light source for outputting the probe light, a pump light source for outputting the pump light, a reflection mirror for folding the probe light, and An optical pumping magnetometer comprising a detector for measuring a deflection rotation angle.
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