JP2012047573A - Cell unit and magnetism measuring apparatus - Google Patents

Cell unit and magnetism measuring apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2012047573A
JP2012047573A JP2010189563A JP2010189563A JP2012047573A JP 2012047573 A JP2012047573 A JP 2012047573A JP 2010189563 A JP2010189563 A JP 2010189563A JP 2010189563 A JP2010189563 A JP 2010189563A JP 2012047573 A JP2012047573 A JP 2012047573A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
light
optical system
incident
viewed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010189563A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kimio Nagasaka
公夫 長坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2010189563A priority Critical patent/JP2012047573A/en
Publication of JP2012047573A publication Critical patent/JP2012047573A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the capacity of a cell.SOLUTION: A cell unit has: a first cell; a second cell disposed in a first direction when viewed from the first cell; a first optical system for outputting light outputted from a first light source as a beam array including a plurality of beams aligned in a second direction vertical to the first direction; a second optical system having a first plane for reflecting light in the second direction made incident from the first optical system, in the first direction and making the light incident to the first cell; a third optical system having a first plane for reflecting light in the second direction made incident from the first optical system, in the first direction and making the light incident to the second cell and a second plane for reflecting light in the first direction reflected by the first plane of the second optical system and passed through the first cell, in the second direction; and a fourth optical system having a second plane for reflecting light in the first direction reflected by the first plane of the third optical system and passed through the second cell, in the second direction.

Description

本発明は、セルユニットおよび磁気測定装置に関する。   The present invention relates to a cell unit and a magnetic measurement device.

生体が発する磁場を測定する磁気センサーとして、SQUID(Superconducting Quantum Interference Device:超伝導量子干渉計)が知られている。また、SQUIDを用いない技術として、光ポンピング式の磁気センサーが知られている。非特許文献1は、光ポンピング式磁気センサーの動作原理を示している。非特許文献2は、マルチチャネルの光ポンピング式磁気センサーを用いた心磁計測のデモンストレーションを開示している。特許文献1は、複数の領域に同時にレーザービームを照射する技術を開示している。   A SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) is known as a magnetic sensor for measuring a magnetic field generated by a living body. Further, as a technique that does not use SQUID, an optical pumping type magnetic sensor is known. Non-Patent Document 1 shows the operating principle of an optically pumped magnetic sensor. Non-Patent Document 2 discloses a demonstration of magnetocardiography using a multi-channel optical pumping magnetic sensor. Patent Document 1 discloses a technique for simultaneously irradiating a plurality of regions with a laser beam.

特開2004−354130号公報JP 2004-354130 A

コミニス(K. Kominis)、外3名,「サブフェムトテスラのマルチチャネル原子磁気測定器(A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer)」,ネイチャー誌(Nature),(英国),ネイチャーパブリッシンググループ(Nature Publishing Group),2003年4月10日,第422巻,p.596−599K. Kominis, 3 others, “A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer”, Nature, (UK), Nature Publishing Group, April 10, 2003, 422, p. 596-599 バイソン(G. Bison)、外7名,「心信号のための、室温における19チャネル磁場マッピング装置(A room temperature 19-channel magnetic field mapping device for cardiac signals)」,米国応用物理学会レター誌(Applied Physics Letters),(米国),米国応用物理学会(American Institute of Physics),2009年6月29日,第95巻,p.173701G. Bison, 7 others, “A room temperature 19-channel magnetic field mapping device for cardiac signals”, Applied Journal of Applied Physics (Applied Physics Letters), (USA), American Institute of Physics, June 29, 2009, vol. 95, p. 173701

光ポンピング式磁気センサーを高感度化する方法の一つとして、セルの内容積を増加させることがある。しかし、特許文献1に記載された技術では、光の伝播に用いられる空間が大きいため、セルの内容積を増加させると装置全体が大型化してしまう問題があった。
本発明は、セルの大容量化を可能にする技術を提供する。
One way to increase the sensitivity of an optically pumped magnetic sensor is to increase the internal volume of the cell. However, in the technique described in Patent Document 1, since the space used for the propagation of light is large, there is a problem that when the internal volume of the cell is increased, the entire apparatus becomes large.
The present invention provides a technique that enables an increase in the capacity of a cell.

本発明は、外部から入射された光により動作する第1セルと、前記第1セルからみて第1方向に配置され、外部から入射された光により動作する第2セルと、第1光源から出力された光を、前記第1方向に垂直な第2方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第1光学系と、前記第1セルからみて前記第1方向と反対の方向に配置され、前記第1光学系から入射された前記第2方向の光を前記第1方向に反射して前記第1セルに入射する第1面を有する第2光学系と、前記第2セルからみて前記第1方向と反対の方向に配置され、前記第1光学系から入射された前記第2方向の光を前記第1方向に反射して前記第2セルに入射する第1面、および前記第2光学系の前記第1面によって反射されて前記第1セルを通過した前記第1方向の光を前記第2方向に反射する第2面を有する第3光学系と、前記第2セルからみて前記第1方向に配置され、前記第3光学系の前記第1面によって反射されて前記第2セルを通過した前記第1方向の光を前記第2方向に反射する第2面を有する第4光学系とを有するセルユニットを提供する。
このセルユニットによれば、上記の構成を有さない場合と比較してセルを大容量化することができる。
The present invention includes a first cell that operates by light incident from the outside, a second cell that is disposed in the first direction as viewed from the first cell and operates by light incident from the outside, and an output from the first light source. A first optical system that outputs the emitted light as a beam array including a plurality of beams aligned in a second direction perpendicular to the first direction, and in a direction opposite to the first direction as viewed from the first cell A second optical system disposed and having a first surface that reflects the light in the second direction incident from the first optical system in the first direction and enters the first cell; and from the second cell A first surface disposed in a direction opposite to the first direction and reflecting the light in the second direction incident from the first optical system in the first direction and entering the second cell; and Reflected by the first surface of the second optical system and passing through the first cell. A third optical system having a second surface for reflecting the light in the first direction in the second direction; and disposed in the first direction as viewed from the second cell; and by the first surface of the third optical system. And a fourth optical system having a second surface that reflects the light in the first direction reflected and passed through the second cell in the second direction.
According to this cell unit, the capacity of the cell can be increased as compared with the case where the above configuration is not provided.

好ましい態様において、前記第1セルおよび第2セルは、前記第1方向の光、および前記第1方向および前記第2方向の双方に垂直な第3方向の光により動作し、前記第1光学系は、第2光源から出力された光を、前記第2方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力し、このセルユニットは、前記第1セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第2光源から前記第1光学系を介して入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第1セルに入射する第5光学系と、前記第2セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第2光源から前記第1光学系を介して入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第2セルに入射する第6光学系とを有してもよい。
このセルユニットによれば、上記の構成を有さない場合と比較してセルを大容量化することができる。
In a preferred aspect, the first cell and the second cell are operated by light in the first direction and light in a third direction perpendicular to both the first direction and the second direction, and the first optical system Outputs the light output from the second light source as a beam array including a plurality of beams aligned in the second direction, and the cell unit has a direction opposite to the third direction as viewed from the first cell. A fifth optical system that is disposed in the second light source and that reflects the light in the second direction incident from the second light source through the first optical system in the third direction and is incident on the first cell; The second cell is disposed in a direction opposite to the third direction as viewed from two cells, and reflects the second direction light incident from the second light source through the first optical system in the third direction. You may have the 6th optical system which injects into a cell.
According to this cell unit, the capacity of the cell can be increased as compared with the case where the above configuration is not provided.

好ましい態様において、前記第1セルおよび前記第2セルは、内部空間を有し、前記内部空間には、円偏光によりスピン偏極する原子が封入され、前記第1セルおよび前記第2セルに入射される前記第1方向の光は直線偏光であり、前記第1セルおよび前記第2セルに入射される前記第3方向の光は円偏光であり、前記第3光学系の前記第2面により反射された光の偏光面回転角を検出する第1検出素子および前記第4光学系の前記第2面により反射された光の偏光面回転角を検出する第2検出素子を含む検出手段を有してもよい。
このセルユニットによれば、円偏光でスピン偏極する原子が封入されたセルを大容量化することができる。
In a preferred embodiment, the first cell and the second cell have an internal space, and atoms that are spin-polarized by circularly polarized light are enclosed in the internal space and are incident on the first cell and the second cell. The light in the first direction is linearly polarized light, the light in the third direction incident on the first cell and the second cell is circularly polarized light, and is reflected by the second surface of the third optical system. A detection means including a first detection element for detecting a polarization plane rotation angle of the reflected light and a second detection element for detecting a polarization plane rotation angle of the light reflected by the second surface of the fourth optical system; May be.
According to this cell unit, the capacity of the cell in which atoms that are spin-polarized by circularly polarized light are enclosed can be increased.

別の好ましい態様において、このセルユニットは、前記第1セルからみて前記第3方向に配置され、外部から入射された前記第1方向の光および前記第3方向の光により動作する第3セルと、前記第3セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第5光学系から入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第3セルに入射する第7光学系とを有してもよい。
このセルユニットによれば、2次元的に配置されたセルを大容量化することができる。
In another preferred embodiment, the cell unit is disposed in the third direction as viewed from the first cell, and operates with the light in the first direction and the light in the third direction incident from the outside. , Disposed in a direction opposite to the third direction when viewed from the third cell, and reflects the light in the second direction incident from the fifth optical system in the third direction and enters the third cell. And a seventh optical system.
According to this cell unit, the capacity of the two-dimensionally arranged cells can be increased.

また、本発明は、上記のセルユニットと、前記検出手段により検出された偏光面回転角を用いて、前記第2方向の磁場の強さを測定する測定手段とを有する磁気測定装置を提供する。
この磁気測定装置によれば、上記の構成を有さない場合と比較して高感度化することができる。
The present invention also provides a magnetic measurement apparatus comprising the cell unit and a measurement unit that measures the strength of the magnetic field in the second direction using the polarization plane rotation angle detected by the detection unit. .
According to this magnetometer, the sensitivity can be increased compared to the case where the above configuration is not provided.

磁気測定装置1の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic measurement device 1. FIG. アレイセンサー10の断面構造をを示す模式図である。2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the array sensor 10. FIG. セルアレイ13の構造を示す図である。2 is a diagram illustrating a structure of a cell array 13. FIG.

図1は、一実施形態に係る磁気測定装置1の構成を示す図である。磁気測定装置1は、アレイセンサー10と、信号処理器20と、光源30と、光源40とを有する。磁気測定装置1は、例えば心磁計であり、生体の心臓の状態を磁気により観測する装置である。詳細は後述するが、磁場の測定は、光源30(第1光源の一例)から出力される光(プローブ光)と光源40(第2光源の一例)から出力される光(ポンプ光)を用いて行われる。磁気測定装置1は、光ポンピング式磁気センサーである。光源30および光源40は、例えばチューナブルレーザーである。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic measurement apparatus 1 according to an embodiment. The magnetic measurement device 1 includes an array sensor 10, a signal processor 20, a light source 30, and a light source 40. The magnetic measurement device 1 is a magnetocardiograph, for example, and is a device that observes the state of the heart of a living body by magnetism. Although details will be described later, the magnetic field is measured using light (probe light) output from the light source 30 (an example of the first light source) and light (pump light) output from the light source 40 (an example of the second light source). Done. The magnetic measurement device 1 is an optical pumping type magnetic sensor. The light source 30 and the light source 40 are, for example, tunable lasers.

図2は、アレイセンサー10の断面構造を示す模式図である。アレイセンサー10は、アレイイルミネーター11と、アレイイルミネーター12と、セルアレイ13と、光検出層14とを有する。説明のため、座標軸を以下のように定義する。図中右向きにx軸(第1方向の一例)を、紙面に垂直で紙面から読者に向かう向きにy軸(第3方向の一例)を、図中上向きにz軸(第2方向の一例)をとる。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the array sensor 10. The array sensor 10 includes an array illuminator 11, an array illuminator 12, a cell array 13, and a light detection layer 14. For the sake of explanation, the coordinate axes are defined as follows. In the figure, the x-axis (an example of the first direction) is directed to the right, the y-axis (an example of the third direction) is perpendicular to the page and directed from the page to the reader, and the z-axis is an upward direction in the figure (an example of the second direction). Take.

アレイイルミネーター11は、光源30から入射されたプローブ光を繰り返し反射させてビームを分岐し、2次元に広がるビームアレイを形成する。すなわち、アレイイルミネーター11は、光源30から出力されたプローブ光を、z軸方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第1光学系の一例である。アレイイルミネーター11は、回折格子111と、光カプラー112と、導光体113とを有する。光源30から出力されたプローブ光は、光ファイバー等の伝送手段によりアレイイルミネーター11に導かれ、光カプラー112を介して光結合される。アレイイルミネーター11に導かれた光は、回折格子111および導光体113の面で繰り返し反射されることにより分岐したビーム(光束)となり、2次元的に広がるビームアレイとなる。このビームアレイは、z軸方向に揃えられた複数のビームを含む。プローブ光は、直線偏光である。   The array illuminator 11 repeatedly reflects the probe light incident from the light source 30 to split the beam, thereby forming a two-dimensional beam array. That is, the array illuminator 11 is an example of a first optical system that outputs the probe light output from the light source 30 as a beam array including a plurality of beams aligned in the z-axis direction. The array illuminator 11 includes a diffraction grating 111, an optical coupler 112, and a light guide 113. The probe light output from the light source 30 is guided to the array illuminator 11 by transmission means such as an optical fiber and is optically coupled via the optical coupler 112. The light guided to the array illuminator 11 becomes a branched beam (light beam) by being repeatedly reflected by the surfaces of the diffraction grating 111 and the light guide 113, and forms a two-dimensionally expanded beam array. This beam array includes a plurality of beams aligned in the z-axis direction. The probe light is linearly polarized light.

アレイイルミネーター12は、光源40から入射されたポンプ光を繰り返し反射させてビームを分岐し、2次元に広がるビームアレイを形成する。すなわち、アレイイルミネーター12は、光源40から出力されたポンプ光を、z軸方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第1光学系の一例である。アレイイルミネーター12は、回折格子121と、光カプラー122と、導光体123とを有する。光源40から出力されたポンプ光は、光ファイバー等の伝送手段によりアレイイルミネーター12に導かれ、光カプラー122を介して光結合される。アレイイルミネーター12に導かれたポンプ光は、回折格子121および導光体123の面で繰り返し反射されることにより分岐したビームとなり、2次元的に広がるビームアレイとなる。このビームアレイは、z軸方向に揃えられた複数のビームを含む。ポンプ光は、図示しないλ/4板(4分の1波長板)等により、光カプラー122に入射される前に円偏光に変換される。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、図2にはポンプ光を示していない。   The array illuminator 12 repeatedly reflects the pump light incident from the light source 40 to split the beam, thereby forming a two-dimensional beam array. That is, the array illuminator 12 is an example of a first optical system that outputs the pump light output from the light source 40 as a beam array including a plurality of beams aligned in the z-axis direction. The array illuminator 12 includes a diffraction grating 121, an optical coupler 122, and a light guide 123. The pump light output from the light source 40 is guided to the array illuminator 12 by transmission means such as an optical fiber and is optically coupled via the optical coupler 122. The pump light guided to the array illuminator 12 becomes a branched beam by being repeatedly reflected by the surfaces of the diffraction grating 121 and the light guide 123, and a beam array spreading two-dimensionally. This beam array includes a plurality of beams aligned in the z-axis direction. The pump light is converted into circularly polarized light before being incident on the optical coupler 122 by a λ / 4 plate (quarter wavelength plate) (not shown) or the like. In order to prevent the drawing from becoming complicated, pump light is not shown in FIG.

セルアレイ13は、複数のセル131と、複数のミラー132と、複数のミラー133(図2では省略)とを有する。複数のセル131は、z軸座標が一定の面において、x軸方向およびy軸方向に沿ってマトリクス状に配置されている。図2の例では、x軸方向に8個のセル131および9個のミラー132が並べられている。   The cell array 13 includes a plurality of cells 131, a plurality of mirrors 132, and a plurality of mirrors 133 (not shown in FIG. 2). The plurality of cells 131 are arranged in a matrix along the x-axis direction and the y-axis direction on a plane having a constant z-axis coordinate. In the example of FIG. 2, eight cells 131 and nine mirrors 132 are arranged in the x-axis direction.

図3は、セルアレイ13の構造を示す図である。図3において、右方向がx軸方向であり、下方向がy軸方向であり、紙面に垂直で紙面から読者に向かう向きがz軸方向である。ここでは、セル131の各々を区別して説明するため、セル131(x,y)のように配列を用いて表記する。配列のインデックスは、座標軸方向の上流から順番に割り当てられる。例えば、x軸方向については、図2において左から順に、1、2、3、…、8とインデックスが割り当てられる。ミラー132およびミラー133についても同様である。   FIG. 3 is a diagram showing the structure of the cell array 13. In FIG. 3, the right direction is the x-axis direction, the downward direction is the y-axis direction, and the direction perpendicular to the paper surface and facing the reader is the z-axis direction. Here, in order to distinguish and describe each of the cells 131, they are described using an array such as a cell 131 (x, y). The array index is assigned in order from the upstream in the coordinate axis direction. For example, in the x-axis direction, indexes 1, 2, 3,..., 8 are assigned in order from the left in FIG. The same applies to the mirror 132 and the mirror 133.

セル131は、x軸方向のプローブ光およびy軸方向のポンプ光により動作する。セル131は、ガラスまたはプラスチック等の、ポンプ光およびプローブ光を透過する材料で形成され、内部空間を有する。この内部空間には、気体の状態のアルカリ金属原子(カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、またはセシウム(Cs)等)が封入されている。アルカリ金属原子は、y軸方向のポンプ光が照射されるとy軸に沿ってスピン偏極し、磁化された状態になる。この磁化ベクトルは測定の対象となるz軸方向の磁場に応じた角周波数で歳差運動する。磁化ベクトルは、歳差運動の緩和作用とのバランスでy軸に対して定常的に傾いている。この傾きにより、磁化ベクトルは、x軸方向の成分を有する。セル131には、外部からx軸方向のプローブ光が入射される。プローブ光がセル131を通過するとき、ファラデー効果によってその偏光面が回転する。偏光面回転角は、z軸方向の磁場の強さに比例する。   The cell 131 is operated by probe light in the x-axis direction and pump light in the y-axis direction. The cell 131 is formed of a material that transmits pump light and probe light, such as glass or plastic, and has an internal space. In this internal space, gaseous alkali metal atoms (potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), etc.) are enclosed. When the alkali metal atoms are irradiated with pump light in the y-axis direction, they are spin-polarized along the y-axis and become magnetized. This magnetization vector precesses at an angular frequency corresponding to the magnetic field in the z-axis direction to be measured. The magnetization vector is constantly tilted with respect to the y-axis in balance with the precession relaxation effect. Due to this inclination, the magnetization vector has a component in the x-axis direction. Probe light in the x-axis direction is incident on the cell 131 from the outside. When the probe light passes through the cell 131, its polarization plane is rotated by the Faraday effect. The polarization plane rotation angle is proportional to the strength of the magnetic field in the z-axis direction.

ここで、セル131(1,1)(第1セルの一例)、セル131(2,1)(第2セルの一例)、およびセル131(1,2)(第3セルの一例)の3つのセルと、ミラー132(1,1)(第2光学系の一例)、ミラー132(2,1)(第3光学系の一例)、およびミラー132(3,1)(第4光学系の一例)の3つのミラーと、ミラー133(1,1)(第5光学系の一例)、ミラー133(2,1)(第6光学系の一例)、およびミラー133(1,2)(第7光学系の一例)の3つのミラーとを例にとり、セルアレイ13の構造を説明する。セル131(2,1)は、セル131(1,1)から見てx軸方向に配置されている。ミラー132(1,1)は、セル131(1,1)から見てx軸方向と反対方向(x軸負方向)に配置されている。ミラー132(2,1)は、セル131(1,1)から見てx軸方向(すなわち、セル131(2,1)から見てx軸方向と反対方向)に配置されている。ミラー132(3,1)は、セル131(2,1)から見てx軸方向に配置されている。ミラー133(1,1)は、セル131(1,1)から見てy軸方向と反対方向(y軸負方向)に配置されている。ミラー133(2,1)は、セル131(2,1)から見てy軸方向と反対方向に配置されている。ミラー133(1,2)は、セル131(2,1)から見てy軸方向と反対方向(セル131(2,1)から見てy軸方向)に配置されている。これら以外の他のセル131、ミラー132、およびミラー133の位置関係もこれと同様である。   Here, cell 131 (1, 1) (an example of the first cell), cell 131 (2, 1) (an example of the second cell), and cell 131 (1, 2) (an example of the third cell) 3 One cell, mirror 132 (1, 1) (an example of the second optical system), mirror 132 (2, 1) (an example of the third optical system), and mirror 132 (3, 1) (an example of the fourth optical system) Three mirrors (example), mirror 133 (1, 1) (example of fifth optical system), mirror 133 (2, 1) (example of sixth optical system), and mirror 133 (1, 2) (first example) The structure of the cell array 13 will be described using the three mirrors of (example 7 optical system) as an example. The cell 131 (2, 1) is arranged in the x-axis direction when viewed from the cell 131 (1, 1). The mirror 132 (1, 1) is disposed in a direction opposite to the x-axis direction (x-axis negative direction) when viewed from the cell 131 (1, 1). The mirror 132 (2, 1) is arranged in the x-axis direction when viewed from the cell 131 (1, 1) (that is, the direction opposite to the x-axis direction when viewed from the cell 131 (2, 1)). The mirror 132 (3, 1) is arranged in the x-axis direction when viewed from the cell 131 (2, 1). The mirror 133 (1, 1) is arranged in a direction opposite to the y-axis direction (y-axis negative direction) when viewed from the cell 131 (1, 1). The mirror 133 (2, 1) is arranged in the direction opposite to the y-axis direction when viewed from the cell 131 (2, 1). The mirror 133 (1, 2) is disposed in a direction opposite to the y-axis direction when viewed from the cell 131 (2, 1) (y-axis direction when viewed from the cell 131 (2, 1)). The positional relationship among other cells 131, mirrors 132, and mirrors 133 is the same as this.

再び図2を参照する。ミラー132は、アレイイルミネーター11から入射されたz軸方向のプローブ光をx軸方向に反射する面1321(第1面の一例)と、面1321によって反射された後セル131を通過したx軸方向のプローブ光をz軸方向に反射する面1322(第2面の一例)とを有する。面1321および面1322は、入射光を全反射する面である。この例で、ミラー132は板の形状を有しており、面1321および面1322は表面および背面の関係にある。ミラー132はx軸およびz軸に対して45°傾いているが、y軸に対しては傾いていない。   Refer to FIG. 2 again. The mirror 132 includes a surface 1321 (an example of a first surface) that reflects the probe light in the z-axis direction incident from the array illuminator 11 in the x-axis direction, and the x-axis that has passed through the cell 131 after being reflected by the surface 1321. And a surface 1322 (an example of a second surface) that reflects the probe light in the direction in the z-axis direction. The surfaces 1321 and 1322 are surfaces that totally reflect incident light. In this example, the mirror 132 has a plate shape, and the surface 1321 and the surface 1322 are in a relationship between the front surface and the back surface. The mirror 132 is inclined 45 ° with respect to the x-axis and the z-axis, but is not inclined with respect to the y-axis.

ミラー133とセル131との位置関係は、ミラー132とセル131とをz軸に沿って90°回転させた関係と等しい。ミラー133は、アレイイルミネーター12から入射されたz軸方向のポンプ光をy軸方向に反射する面と、この面によって反射された後セル131を通過したy軸方向のポンプ光を吸収する面とを有する。前者の面は、入射光を全反射する面である。この例で、ミラー133は板の形状を有しており、前述の2つの面は表面および背面の関係にある。ミラー133はy軸およびz軸に対して45°傾いているが、x軸に対しては傾いていない。   The positional relationship between the mirror 133 and the cell 131 is equal to the relationship obtained by rotating the mirror 132 and the cell 131 by 90 ° along the z axis. The mirror 133 is a surface that reflects the z-axis pump light incident from the array illuminator 12 in the y-axis direction, and a surface that reflects the y-axis pump light that has been reflected by this surface and then passed through the cell 131. And have. The former surface is a surface that totally reflects incident light. In this example, the mirror 133 has a plate shape, and the above-mentioned two surfaces are in a relationship between the front surface and the back surface. The mirror 133 is inclined 45 ° with respect to the y-axis and the z-axis, but is not inclined with respect to the x-axis.

光検出層14は、PBS(Polarizing Beam Splitter:偏光ビームスプリッター)141と、PD(Photo Detector:光検出器)アレイ142と、同軸ケーブル143とを有する。PBS141は、入射されたプローブ光を、直交する2つの偏光成分(例えば、x軸成分とy軸成分)に分離して出力する。PDアレイ142は、PD1421およびPD1422の光検出器を有する。PD1421およびPD1422は、PBS141によって分離された成分、すなわちx軸成分とy軸成分の光量を検出する。同軸ケーブル143は、検出された光量を示す信号を伝送する、多チャンネル伝送路である。同軸ケーブル143は信号処理器20に接続されている。信号処理器20は、入力された信号が示す光量の差から、偏光面回転角を算出する。すなわち、PDアレイ142は、ミラー132の面1322により反射されたプローブ光の偏光面回転角を検出する検出素子の一例である。PDアレイ142とセル131とは一対一に対応している。PDアレイ142は、セル131と同様にマトリクス状に配置されている。複数のPDアレイ142の集合は、複数のセル131における偏光面回転角を検出する検出手段の一例である。PDアレイ142は剛性の高い支持体(例えばプラスチックやガラス)に固定されている。   The light detection layer 14 includes a PBS (Polarizing Beam Splitter) 141, a PD (Photo Detector) array 142, and a coaxial cable 143. The PBS 141 divides the incident probe light into two orthogonal polarization components (for example, an x-axis component and a y-axis component) and outputs them. The PD array 142 includes PD1421 and PD1422 photodetectors. The PD 1421 and the PD 1422 detect light components of the components separated by the PBS 141, that is, the x-axis component and the y-axis component. The coaxial cable 143 is a multi-channel transmission line that transmits a signal indicating the detected light amount. The coaxial cable 143 is connected to the signal processor 20. The signal processor 20 calculates the polarization plane rotation angle from the difference in the amount of light indicated by the input signal. That is, the PD array 142 is an example of a detection element that detects the polarization plane rotation angle of the probe light reflected by the surface 1322 of the mirror 132. The PD array 142 and the cell 131 have a one-to-one correspondence. The PD array 142 is arranged in a matrix like the cells 131. A set of the plurality of PD arrays 142 is an example of a detection unit that detects a polarization plane rotation angle in the plurality of cells 131. The PD array 142 is fixed to a highly rigid support (for example, plastic or glass).

信号処理器20は、処理部21と、表示部22とを有する。処理部21(測定手段の一例)は、プロセッサーおよびメモリーを有する。処理部21は、同軸ケーブル143を介して入力された信号を用いて、セル131の各々についてz軸方向の磁場の強さを算出する。表示部22は、CRT(Cathode Ray Tube)またはLCD(Liquid Crystal Display)等の表示装置を有する。表示部22は、算出された磁場の強さを示す文字または画像を表示する。   The signal processor 20 includes a processing unit 21 and a display unit 22. The processing unit 21 (an example of a measurement unit) includes a processor and a memory. The processing unit 21 calculates the strength of the magnetic field in the z-axis direction for each of the cells 131 using a signal input via the coaxial cable 143. The display unit 22 includes a display device such as a CRT (Cathode Ray Tube) or an LCD (Liquid Crystal Display). The display unit 22 displays characters or images indicating the calculated magnetic field strength.

磁気測定装置1は、上記の構成を用いて生体の磁場を測定する。磁場の測定は概ね以下のとおり行われる。測定に先立ち、光源30および光源40の電源はオンされている。図示しないスイッチ等により磁場の測定が指示されると、信号処理器20は、アレイセンサー10から出力された信号を用いて磁場を測定し、測定結果を表示する。   The magnetic measurement apparatus 1 measures the magnetic field of a living body using the above configuration. The measurement of the magnetic field is generally performed as follows. Prior to the measurement, the power sources of the light source 30 and the light source 40 are turned on. When the measurement of the magnetic field is instructed by a switch or the like (not shown), the signal processor 20 measures the magnetic field using the signal output from the array sensor 10 and displays the measurement result.

磁気測定装置1によれば、アレイイルミネーター11およびアレイイルミネーター12を用いない場合と比較して、セル131に対して光学系(ミラー132およびミラー133)が占める領域の割合を減らすことができ、セル131の大容量化(すなわち高感度化)、および高密度化(すなわち高空間分解能化)をすることができる。   According to the magnetic measurement apparatus 1, the ratio of the area occupied by the optical system (mirror 132 and mirror 133) to the cell 131 can be reduced as compared with the case where the array illuminator 11 and the array illuminator 12 are not used. The capacity of the cell 131 can be increased (that is, the sensitivity can be increased) and the density can be increased (that is, the spatial resolution can be increased).

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち2つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. Hereinafter, some modifications will be described. Two or more of the following modifications may be used in combination.

ポンプ光のビームアレイを形成する光学系と、プローブ光のビームアレイを形成する光学系とは、同一であってもよい。上述の実施形態においては、アレイイルミネーター11がプローブ光のビームアレイを、アレイイルミネーター12がポンプ光のビームアレイを、それぞれ形成する例を説明した。しかし、例えば、アレイイルミネーター11が、ポンプ光のビームアレイおよびプローブ光のビームアレイを形成する構成を有していてもよい。ビームアレイを形成するための回折格子は、必ずしも導光体(基板)の全面に設けられている必要はなく、ビームを反射させたい領域に形成してあれば十分である。したがって、アレイイルミネーター11の例えば下面のうち、ポンプ光を反射させたい領域にはx軸方向の回折格子を、プローブ光を反射させたい領域にはy軸方向の回折格子を形成してもよい。   The optical system for forming the pump light beam array and the optical system for forming the probe light beam array may be the same. In the above-described embodiments, the example in which the array illuminator 11 forms a probe light beam array and the array illuminator 12 forms a pump light beam array has been described. However, for example, the array illuminator 11 may have a configuration in which a beam array of pump light and a beam array of probe light are formed. The diffraction grating for forming the beam array does not necessarily have to be provided on the entire surface of the light guide (substrate), and it is sufficient if it is formed in a region where the beam is to be reflected. Therefore, for example, on the lower surface of the array illuminator 11, a diffraction grating in the x-axis direction may be formed in a region where the pump light is to be reflected, and a diffraction grating in the y-axis direction may be formed in a region where the probe light is to be reflected. .

アレイイルミネーター11においてビームアレイを形成する光学系は、回折格子111に限定されない。ビームを分岐させるように構成された誘電体多層膜が、ビームアレイを形成する光学系として用いられてもよい。この光学系は、直進するレーザービームをクランク状に折り曲げつつ分岐させ、一定の方向(実施形態ではz軸方向)に揃えられた複数のビームとして出力するものであればどのような構成のものが用いられてもよい。アレイイルミネーター12についても同様である。   The optical system that forms the beam array in the array illuminator 11 is not limited to the diffraction grating 111. A dielectric multilayer film configured to branch the beam may be used as an optical system for forming the beam array. This optical system has any configuration as long as the laser beam traveling straight is branched while being bent in a crank shape and is output as a plurality of beams aligned in a certain direction (z-axis direction in the embodiment). May be used. The same applies to the array illuminator 12.

磁気測定装置1の光源の数は2つに限定されない。磁気測定装置1は、単一の光源のみを有していてもよい。この場合、磁気測定装置1は、非線形光学回転(Nonlinear Magneto-Optical Rotation、NMOR)や、光二重共鳴法を用いてもよい。これらの方法によれば、1つのビームがポンプ光とプローブ光を兼ねる。   The number of light sources of the magnetic measurement device 1 is not limited to two. The magnetic measurement device 1 may have only a single light source. In this case, the magnetic measurement apparatus 1 may use non-linear optical rotation (NMOR) or an optical double resonance method. According to these methods, one beam serves as both pump light and probe light.

セル131には、アルカリ金属のガスに加え、ヘリウム(He)あるいはアルゴン(Ar)等の希ガス、または窒素(N)等の非磁性のガスがバッファーガスとして封入されてもよい。また、アルカリ金属原子は、必ずしも常時ガス化している必要はなく、磁場を測定するときにガス化すればよい。例えば、測定をしないときは固体で、測定の時に加熱することによりガス化させる構成が用いられてもよい。さらに、セル131において磁性媒体としてもちいられるガスはアルカリ金属に限定されない。ポンプ光によりスピン偏極するものであれば、どのような原子が用いられてもよい。   In addition to the alkali metal gas, the cell 131 may be filled with a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) or a nonmagnetic gas such as nitrogen (N) as a buffer gas. Further, the alkali metal atom is not necessarily gasified at all times, and may be gasified when measuring the magnetic field. For example, a structure that is solid when not measured and gasified by heating at the time of measurement may be used. Further, the gas used as the magnetic medium in the cell 131 is not limited to alkali metal. Any atom may be used as long as it is spin-polarized by pump light.

ミラー133の裏面(セル131を通過したy軸方向のポンプ光が入射される面)は、ポンプ光を吸収するものに限定されない。ポンプ光を反射するものであってもよい。この場合において、例えば光ポンピングの効率を上げるため、ミラー133の裏面は入射されたポンプ光をy軸負方向に反射するものであってもよい。この構成によれば、セル131内をポンプ光が2度通過するので、1度しか通過しない場合と比較してポンピング効率が向上する。また、ミラー132またはミラー133に代わる光学系として、全反射条件を満たすように構成されたエアーギャップ(空気の層)が用いられてもよい。   The back surface of the mirror 133 (the surface on which the pump light in the y-axis direction that has passed through the cell 131 is incident) is not limited to the one that absorbs the pump light. It may reflect pump light. In this case, for example, in order to increase the efficiency of optical pumping, the back surface of the mirror 133 may reflect incident pump light in the negative y-axis direction. According to this configuration, since the pump light passes through the cell 131 twice, the pumping efficiency is improved as compared with the case where the light passes only once. Further, as an optical system replacing the mirror 132 or the mirror 133, an air gap (air layer) configured to satisfy the total reflection condition may be used.

セルアレイ13におけるセル131の配置は、2次元配置に限定されない。セル131が1次元的に、すなわち直線上に配置された構成が用いられてもよい。
x軸とy軸とは直交していなくてもよい。
ポンプ光は円偏光の成分を含んでいればよく、100%円偏光でなく、直線偏光の成分を含んでいてもよい。プローブ光についても同様である。
上述の実施形態においてはセルアレイ13を磁気測定装置に適用する例を説明したが、セルアレイ13は、表示装置、磁気測定装置以外の装置に用いられてもよい。磁気測定装置以外の装置に用いられる場合、セル131は、内部にアルカリ金属のガスを有さない。この場合、セル131は、外部から入射される光により動作するものであればよい。
The arrangement of the cells 131 in the cell array 13 is not limited to a two-dimensional arrangement. A configuration in which the cells 131 are arranged one-dimensionally, that is, on a straight line may be used.
The x axis and the y axis do not have to be orthogonal.
The pump light only needs to include a circularly polarized component, and may include a linearly polarized component instead of 100% circularly polarized light. The same applies to the probe light.
In the above-described embodiment, the example in which the cell array 13 is applied to the magnetic measurement device has been described. However, the cell array 13 may be used for devices other than the display device and the magnetic measurement device. When used in an apparatus other than the magnetic measurement apparatus, the cell 131 does not have an alkali metal gas inside. In this case, the cell 131 only needs to be operated by light incident from the outside.

1…磁気測定装置、10…アレイセンサー、11…アレイイルミネーター、12…アレイイルミネーター、13…セルアレイ、14…光検出層、20…信号処理器、21…処理部、22…表示部、30…光源、40…光源、111…回折格子、112…光カプラー、113…導光体、121…回折格子、122…光カプラー、123…導光体、131…セル、132…ミラー、133…ミラー、141…PBS、142…PDアレイ、143…同軸ケーブル、1321…面、1322…面、1421…PD、1422…PD DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic measuring apparatus, 10 ... Array sensor, 11 ... Array illuminator, 12 ... Array illuminator, 13 ... Cell array, 14 ... Photodetection layer, 20 ... Signal processor, 21 ... Processing part, 22 ... Display part, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Light source, 40 ... Light source, 111 ... Diffraction grating, 112 ... Optical coupler, 113 ... Light guide, 121 ... Diffraction grating, 122 ... Optical coupler, 123 ... Light guide, 131 ... Cell, 132 ... Mirror, 133 ... Mirror , 141 ... PBS, 142 ... PD array, 143 ... coaxial cable, 1321 ... face, 1322 ... face, 1421 ... PD, 1422 ... PD

Claims (5)

外部から入射された光により動作する第1セルと、
前記第1セルからみて第1方向に配置され、外部から入射された光により動作する第2セルと、
第1光源から出力された光を、前記第1方向に垂直な第2方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第1光学系と、
前記第1セルからみて前記第1方向と反対の方向に配置され、前記第1光学系から入射された前記第2方向の光を前記第1方向に反射して前記第1セルに入射する第1面を有する第2光学系と、
前記第2セルからみて前記第1方向と反対の方向に配置され、前記第1光学系から入射された前記第2方向の光を前記第1方向に反射して前記第2セルに入射する第1面、および前記第2光学系の前記第1面によって反射されて前記第1セルを通過した前記第1方向の光を前記第2方向に反射する第2面を有する第3光学系と、
前記第2セルからみて前記第1方向に配置され、前記第3光学系の前記第1面によって反射されて前記第2セルを通過した前記第1方向の光を前記第2方向に反射する第2面を有する第4光学系と
を有するセルユニット。
A first cell that operates by light incident from the outside;
A second cell disposed in a first direction as viewed from the first cell and operated by light incident from the outside;
A first optical system that outputs light output from the first light source as a beam array including a plurality of beams aligned in a second direction perpendicular to the first direction;
The second cell is disposed in a direction opposite to the first direction as viewed from the first cell, and reflects the light in the second direction incident from the first optical system in the first direction and enters the first cell. A second optical system having one surface;
The second cell is disposed in a direction opposite to the first direction as viewed from the second cell, and reflects the light in the second direction incident from the first optical system in the first direction and enters the second cell. A third optical system having a first surface and a second surface that reflects the light in the first direction reflected by the first surface of the second optical system and passed through the first cell in the second direction;
The first cell is disposed in the first direction when viewed from the second cell, and is reflected by the first surface of the third optical system and reflects the light in the first direction that has passed through the second cell in the second direction. And a fourth optical system having two surfaces.
前記第1セルおよび第2セルは、前記第1方向の光、および前記第1方向および前記第2方向の双方に垂直な第3方向の光により動作し、
前記第1光学系は、第2光源から出力された光を、前記第2方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力し、
前記第1セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第2光源から前記第1光学系を介して入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第1セルに入射する第5光学系と、
前記第2セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第2光源から前記第1光学系を介して入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第2セルに入射する第6光学系と
を有する請求項1に記載のセルユニット。
The first cell and the second cell are operated by light in the first direction and light in a third direction perpendicular to both the first direction and the second direction;
The first optical system outputs light output from a second light source as a beam array including a plurality of beams aligned in the second direction,
The second cell is disposed in a direction opposite to the third direction when viewed from the first cell, and reflects light in the second direction incident from the second light source through the first optical system in the third direction. A fifth optical system incident on the first cell;
The second cell is disposed in a direction opposite to the third direction as viewed from the second cell, and reflects light in the second direction incident from the second light source through the first optical system in the third direction. The cell unit according to claim 1, further comprising: a sixth optical system incident on the second cell.
前記第1セルおよび前記第2セルは、内部空間を有し、
前記内部空間には、円偏光によりスピン偏極する原子が封入され、
前記第1セルおよび前記第2セルに入射される前記第1方向の光は直線偏光であり、
前記第1セルおよび前記第2セルに入射される前記第3方向の光は円偏光であり、
前記第3光学系の前記第2面により反射された光の偏光面回転角を検出する第1検出素子および前記第4光学系の前記第2面により反射された光の偏光面回転角を検出する第2検出素子を含む検出手段を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のセルユニット。
The first cell and the second cell have an internal space,
In the internal space, atoms that are spin-polarized by circularly polarized light are enclosed,
The light in the first direction incident on the first cell and the second cell is linearly polarized light,
The light in the third direction incident on the first cell and the second cell is circularly polarized,
A first detection element for detecting a polarization plane rotation angle of light reflected by the second surface of the third optical system and a polarization plane rotation angle of light reflected by the second surface of the fourth optical system The cell unit according to claim 1, further comprising a detection unit including a second detection element.
前記第1セルからみて前記第3方向に配置され、外部から入射された前記第1方向の光および前記第3方向の光により動作する第3セルと、
前記第3セルからみて前記第3方向と反対の方向に配置され、前記第5光学系から入射された前記第2方向の光を前記第3方向に反射して前記第3セルに入射する第7光学系と
を有する請求項1−3のいずれかの項に記載のセルユニット。
A third cell disposed in the third direction as viewed from the first cell and operated by the light in the first direction and the light in the third direction incident from the outside;
The second cell is disposed in a direction opposite to the third direction as viewed from the third cell, and reflects the light in the second direction incident from the fifth optical system in the third direction and enters the third cell. The cell unit according to claim 1, comprising: 7 optical systems.
請求項3に記載のセルユニットと、
前記検出手段により検出された偏光面回転角を用いて、前記第2方向の磁場の強さを測定する測定手段と
を有する磁気測定装置。
The cell unit according to claim 3,
A magnetic measurement apparatus comprising: a measurement unit that measures the intensity of the magnetic field in the second direction using the polarization plane rotation angle detected by the detection unit.
JP2010189563A 2010-08-26 2010-08-26 Cell unit and magnetism measuring apparatus Pending JP2012047573A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010189563A JP2012047573A (en) 2010-08-26 2010-08-26 Cell unit and magnetism measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010189563A JP2012047573A (en) 2010-08-26 2010-08-26 Cell unit and magnetism measuring apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012047573A true JP2012047573A (en) 2012-03-08

Family

ID=45902629

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010189563A Pending JP2012047573A (en) 2010-08-26 2010-08-26 Cell unit and magnetism measuring apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012047573A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014119376A (en) * 2012-12-18 2014-06-30 Seiko Epson Corp Irradiation device and measuring device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014119376A (en) * 2012-12-18 2014-06-30 Seiko Epson Corp Irradiation device and measuring device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5264242B2 (en) Atomic magnetometer and magnetic force measurement method
US8212556B1 (en) Atomic magnetometer
US20200057116A1 (en) Integrated gas cell and optical components for atomic magnetometry and methods for making and using
US9995800B1 (en) Atomic magnetometer with multiple spatial channels
JP2017207513A (en) Optically pumping magnetometer
Afach et al. Highly stable atomic vector magnetometer based on free spin precession
CN110579724A (en) Multichannel pulse pumping atomic magnetic force sensing device
CN112269155A (en) All-fiber magnetometer device
JP5434735B2 (en) Cell unit, cell unit group and magnetic field measuring apparatus
Qiu et al. Visualization of magnetic fields with cylindrical vector beams in a warm atomic vapor
Rosner et al. A highly drift-stable atomic magnetometer for fundamental physics experiments
JP5874808B2 (en) Magnetic field measuring device
JP5866940B2 (en) Magnetic sensor device and magnetic measuring device
JP2012047573A (en) Cell unit and magnetism measuring apparatus
JP5682344B2 (en) Magnetic measuring device and biological state measuring device
CN106707202B (en) High spatial resolution detector for magnetic field and method
US11442119B2 (en) Magnetometer with optical pumping of a sensitive element with linearly polarised light and multiple-pass in the sensitive element
US20230011067A1 (en) Atomic gyroscope and atomic interferometer
JP2012177585A (en) Magnetic field measuring device and array
Gan et al. Simultaneous excitation of 85Rb and 87Rb isotopes inside a microfabricated vapor cell with double-RF fields for a chip-scale MZ magnetometer
KR20210100167A (en) Multichannel Atomic Magnetic Detector
JP6202044B2 (en) Magnetic field measuring device
JP5907234B2 (en) Magnetic measuring device and biological state measuring device
JP5928998B2 (en) Magnetic field measuring device
CN113341353B (en) Small-scale space magnetic field gradient measurement system and method based on digital micromirror array