JP2013134086A - Magnetic field measuring device - Google Patents

Magnetic field measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP2013134086A
JP2013134086A JP2011283013A JP2011283013A JP2013134086A JP 2013134086 A JP2013134086 A JP 2013134086A JP 2011283013 A JP2011283013 A JP 2011283013A JP 2011283013 A JP2011283013 A JP 2011283013A JP 2013134086 A JP2013134086 A JP 2013134086A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic field
light
phase difference
periodic signal
axis
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.)
Granted
Application number
JP2011283013A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013134086A5 (en
JP5966351B2 (en
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 JP2011283013A priority Critical patent/JP5966351B2/en
Publication of JP2013134086A publication Critical patent/JP2013134086A/en
Publication of JP2013134086A5 publication Critical patent/JP2013134086A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5966351B2 publication Critical patent/JP5966351B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a multi-directional component regarding magnetic fields at the same position and to suppress output level reduction caused by resonance.SOLUTION: An alkali metal atom is sealed in a gas cell 13 as a medium for rotating a polarized plane of light in accordance with the intensity of a magnetic field when the magnetic field is given under irradiation with polarized light. An irradiation section 11 irradiates the alkali metal atom with irradiation light having a linearly polarized component, respectively, from a plurality of different axes. A measuring instrument 14 measures a rotation amount of the polarized plane of each of irradiation light transmitted through the gas cell 13, respectively. An adder 15 adds the measured rotation amounts and outputs an addition signal corresponding to the added value. A VCO 17 generates a periodic signal of a frequency corresponding to the addition signal. A phase shifter 19 imparts a phase difference which is predetermined in accordance with each axis to the periodic signal generated by the VCO 17 and outputs the signal as a phase difference periodic signal. A modulator 12 uses the phase difference periodic signal to modulate the intensity of each of corresponding irradiation light.

Description

本発明は、光を利用した磁場計測装置に関する。   The present invention relates to a magnetic field measurement apparatus using light.

光を利用した磁場計測装置は、心臓からの磁場(心磁)や脳からの磁場(脳磁)などの生体から発生する微小な磁場を計測するもので、医療画像診断装置などへの応用が期待されている。磁場の計測には、磁気モーメントに偏極を生じさせる媒体が用いられる。この媒体としては、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子や、アルカリ金属原子などのガスを封入したガスセルを用いる。この素子にポンプ光を照射することで素子内の原子のエネルギーが磁場に応じて励起され、この素子を透過したプローブ光の偏光面は磁気光学効果により回転する。磁場計測装置は、この偏光面の回転角度を磁場情報として計測する。   A magnetic field measurement device using light measures a minute magnetic field generated from a living body such as a magnetic field from the heart (magnetomagnetic field) or a magnetic field from the brain (magnetomagnetic field). Expected. For the measurement of the magnetic field, a medium that causes the magnetic moment to be polarized is used. As this medium, a solid element such as diamond provided with a lattice defect caused by nitrogen, or a gas cell in which a gas such as an alkali metal atom is sealed is used. By irradiating this element with pump light, the energy of atoms in the element is excited according to the magnetic field, and the polarization plane of the probe light transmitted through this element is rotated by the magneto-optic effect. The magnetic field measuring apparatus measures the rotation angle of this polarization plane as magnetic field information.

これらの磁場計測装置において、複数方向の各成分について磁場を測定する試みが行われている。特許文献1には、ホール素子や磁気抵抗効果素子などの固体磁気センサーを用いて、これらを異なる検出方向に配置することにより、磁場の複数方向の成分を検出している。また、近年、SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)を用いない方式として光ポンピング式の磁気センサーが複数提案され、高感度化の試みがなされている(非特許文献1〜3)。   In these magnetic field measurement apparatuses, attempts have been made to measure the magnetic field for each component in a plurality of directions. In Patent Document 1, components in a plurality of directions of a magnetic field are detected by using solid-state magnetic sensors such as Hall elements and magnetoresistive elements and arranging them in different detection directions. In recent years, a plurality of optically pumped magnetic sensors have been proposed as methods that do not use SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), and attempts have been made to increase sensitivity (Non-Patent Documents 1 to 3).

特開2008−96261号公報JP 2008-96261 A

I. K. Kominis, T. W. Kornack, J. C. Allred, and M. V. Romalis, "A subfemtotesla multichannel atmic magnetometer", Nature, 422, 596-599(2003)I. K. Kominis, T. W. Kornack, J. C. Allred, and M. V. Romalis, "A subfemtotesla multichannel atmic magnetometer", Nature, 422, 596-599 (2003) G. Bison, N. Castagna, A. Hofer, P. Knowles, J.-L. Schenker, M. Kasprzak, H. Saudan, and A. Weis2, "A room temperature 19-channel magnetic field mapping device for cardiac signals", APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 173701 (2009)G. Bison, N. Castagna, A. Hofer, P. Knowles, J.-L. Schenker, M. Kasprzak, H. Saudan, and A. Weis2, "A room temperature 19-channel magnetic field mapping device for cardiac signals ", APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 173701 (2009) D. Budker et al., "Nonlinear magneto-optical rotation with frequency-modulated light", Phys. Rev. A, 65, 055403(2002)D. Budker et al., "Nonlinear magneto-optical rotation with frequency-modulated light", Phys. Rev. A, 65, 055403 (2002)

特許文献1に開示された磁気センサーでは、センシング方式または素子の種類に依らず多方向成分を検出することが可能である。しかしながら、この磁気センサーは構造が複雑になる。また、この磁気センサーは異なる方向成分を異なる位置に置かれたセンサーでそれぞれ検出するので、厳密には同一位置の磁場について多方向成分を検出しているのではない。さらに、これをアレイ化して磁気分布を計測すると、空間分解能が低下するおそれがある。この問題はSQUIDを用いた磁気センサーにおいても同じである。   The magnetic sensor disclosed in Patent Document 1 can detect multidirectional components regardless of the sensing method or the type of element. However, this magnetic sensor has a complicated structure. Further, since this magnetic sensor detects different directional components by sensors placed at different positions, strictly speaking, it does not detect multidirectional components for the magnetic field at the same position. Furthermore, if this is arrayed and the magnetic distribution is measured, the spatial resolution may be reduced. This problem is the same in the magnetic sensor using the SQUID.

また、非特許文献1〜3に挙げた磁気センサーはいずれも測定可能となる磁場ベクトル成分の方向が固定されているため、複数の成分を計測することは不可能である。
さらには、非特許文献3には、周波数変調により測定可能範囲を向上させる方法が紹介されているが、この方法では、測定磁場に対応する+1次の共鳴周波数以外に0次および−1次等の複数の周波数が混在して共鳴を起すため、出力レベルが低下する。また、この方法では、各周波数が接近すると磁場強度の特定が困難になるという問題がある。
Moreover, since the direction of the magnetic field vector component which can measure all the magnetic sensors mentioned in the nonpatent literatures 1-3 is fixed, it is impossible to measure a some component.
Further, Non-Patent Document 3 introduces a method for improving the measurable range by frequency modulation. In this method, in addition to the + 1st order resonance frequency corresponding to the measurement magnetic field, the 0th order, the −1st order, etc. Since a plurality of frequencies are mixed and cause resonance, the output level is lowered. In addition, this method has a problem that it is difficult to specify the magnetic field strength when the frequencies approach each other.

本発明は、同一位置の磁場について多方向成分を計測するとともに、共鳴による出力レベルの低下を抑制することを目的とする。   An object of the present invention is to measure multi-directional components for magnetic fields at the same position and to suppress a decrease in output level due to resonance.

上述した課題を解決するため、本発明に係る磁場計測装置は、偏光された光が照射されているときに磁場が与えられると、前記光の偏光面を前記磁場の強さに応じて回転させる媒体と、直線偏光成分を有する照射光を前記媒体に対して異なる複数の軸からそれぞれ照射する照射部と、前記媒体を透過した前記各照射光の偏光面の回転量をそれぞれ計測する計測器と、前記計測器によって計測された各回転量を加算し、その加算値に対応した加算信号を出力する加算器と、前記加算信号に応じた周波数の周期信号を発生する発振器と、前記発振器が発生した周期信号に対して前記各軸に応じて予め定められた位相差を付与し位相差周期信号として出力する移相器と、前記照射部が照射する各軸の照射光を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調する変調器とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、同一位置の磁場について多方向成分を計測するとともに、共鳴による出力レベルの低下を抑制することができる。
In order to solve the above-described problem, the magnetic field measurement apparatus according to the present invention rotates the polarization plane of the light according to the strength of the magnetic field when a magnetic field is applied when the polarized light is irradiated. A medium, an irradiation unit for irradiating the medium with irradiation light having a linearly polarized light component from a plurality of different axes, and a measuring instrument for measuring the amount of rotation of the polarization plane of each irradiation light transmitted through the medium An adder that adds each rotation amount measured by the measuring instrument and outputs an addition signal corresponding to the addition value, an oscillator that generates a periodic signal having a frequency corresponding to the addition signal, and the oscillator The phase shifter that gives a predetermined phase difference according to each axis to the periodic signal and outputs it as a phase difference periodic signal, and the irradiation light of each axis irradiated by the irradiating unit respectively correspond to each other. Said phase difference with phase difference Characterized by comprising a modulator for modulating with the period signal.
According to this configuration, it is possible to measure the multi-directional component for the magnetic field at the same position, and to suppress a decrease in output level due to resonance.

好ましくは、上述の態様において、前記加算信号の高域周波数成分を除去するフィルターを具備し、前記発振器は、前記フィルターにより高域周波数成分が除去された加算信号に応じた周波数の周期信号を発生するとよい。
この構成によれば、外乱などの影響により生じる短周期の発振を抑制することができる。
Preferably, in the above-described aspect, a filter that removes a high frequency component of the addition signal is provided, and the oscillator generates a periodic signal having a frequency corresponding to the addition signal from which the high frequency component has been removed by the filter. Good.
According to this configuration, it is possible to suppress short-period oscillation caused by the influence of disturbance or the like.

また、上述の態様において、前記変調器は、前記各軸の照射光の光強度を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調してもよい。この構成によれば、照射光の強度を調節することで、磁場の計測を行うことができる。
また、上述の態様において、前記変調器は、前記各軸の照射光の波長を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調してもよい。この構成によれば、照射光の波長を調節することで、磁場の計測を行うことができる。
In the above aspect, the modulator may modulate the light intensity of the irradiation light of each axis using the phase difference periodic signal having a corresponding phase difference. According to this configuration, the magnetic field can be measured by adjusting the intensity of the irradiation light.
In the above-described aspect, the modulator may modulate the wavelength of the irradiation light of each axis using the phase difference periodic signal having a corresponding phase difference. According to this configuration, the magnetic field can be measured by adjusting the wavelength of the irradiation light.

また、上述の態様において、前記加算器は、前記計測器によって計測された各回転量を決められた期間にわたって取得して、当該期間おける時間平均をそれぞれ算出して加算するとよい。
この構成によれば、計測器が計測する回転量の時間変動による誤差を抑制することができる。
In the above-described aspect, the adder may acquire each rotation amount measured by the measuring instrument over a predetermined period, and calculate and add time averages in the period.
According to this configuration, it is possible to suppress an error due to temporal variation of the rotation amount measured by the measuring instrument.

また、上述の態様において、前記照射部は、直線偏光面を持つレーザー光を出力するレーザー光出力部と、レーザー光出力部の出力光を軸の数に応じて分岐させる分岐路とを有していてもよい。
この構成によれば、レーザー光の光源を1つにすることができる。
In the above aspect, the irradiation unit includes a laser beam output unit that outputs laser light having a linear polarization plane, and a branch path that branches the output light of the laser beam output unit according to the number of axes. It may be.
According to this configuration, the number of laser light sources can be reduced to one.

また、上述の態様において、前記照射部は、直線偏光面を持つレーザー光を出力するレーザー光出力部と、前記各軸毎に設けられ、入力されたレーザー光を各軸に応じた方向に出射する複数の出射部と、前記レーザー光出力部の出力光を前記各出射部にサイクリックに順次切り替えて入射させる切り替え手段とを有していてもよい。
この構成によれば、レーザー光出力部から出力されるレーザー光の光強度を下げずにそのレーザー光を各方向に出射することができる。
In the above-described aspect, the irradiation unit is provided for each laser beam output unit that outputs a laser beam having a linear polarization plane, and emits the input laser beam in a direction corresponding to each axis. And a switching unit that sequentially and cyclically switches the output light of the laser beam output unit to each of the emission units.
According to this configuration, the laser light can be emitted in each direction without reducing the light intensity of the laser light output from the laser light output unit.

本発明の実施形態に係る磁場計測装置の全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole magnetic field measuring device composition concerning an embodiment of the present invention. ガスセルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a gas cell. w軸を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a w-axis. 加算器の一例を示す図であるIt is a figure which shows an example of an adder. 位相差周期信号を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a phase difference period signal. ワンビーム方式の計測装置により磁場を計測する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which measures a magnetic field with the measuring device of a one beam system. 変形例において+w方向から−w方向を観察した光の振動方向とアライメントの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the vibration direction of light and alignment which observed -w direction from + w direction in the modification. 変形例において印加磁場がw軸と平行なときの光の振動方向とアライメントの配置を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning of the vibration direction and alignment of light when an applied magnetic field is parallel to a w-axis in a modification. 変形例における磁場計測装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the magnetic field measuring apparatus in a modification. 変形例における照射部を示す図であるIt is a figure which shows the irradiation part in a modification.

1.実施形態
1−1.構成
図1は、本発明の実施形態に係る磁場計測装置1の全体構成を示す図である。磁場計測装置1は、ポンプ光の照射をプローブ光の照射によって兼ねる、いわゆるワンビーム方式の計測装置である。照射部11は、光源111と分岐路112とを有する。光源111は、後述するガスセル13に封入された原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数のレーザー光を出力するレーザー光出力装置(レーザー光出力部)である。具体的には、このレーザー光の波長は、ガスセル13内に封入された気体原子の基底状態の超微細構造量子数Fと励起状態の超微細構造量子数F−1間に対応する波長である。
1. Embodiment 1-1. Configuration FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a magnetic field measurement apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The magnetic field measurement device 1 is a so-called one-beam type measurement device that combines irradiation with pump light by irradiation with probe light. The irradiation unit 11 includes a light source 111 and a branch path 112. The light source 111 is a laser beam output device (laser beam output unit) that outputs a laser beam having a frequency corresponding to the transition of an ultrafine structure level of atoms sealed in a gas cell 13 described later. Specifically, the wavelength of this laser beam is a wavelength corresponding to between the ground state ultrafine structure quantum number F and the excited state ultrafine structure quantum number F-1 of the gas atom enclosed in the gas cell 13. .

分岐路112は、光源111が発生させたレーザー光を、それぞれ異なる3つの方向に分岐させる。分岐路112は、例えば光ファイバーや導波路、AOM(Acousto Optic Modulator;音響光学変調器)などにより、光源111により発生したレーザー光を上述した3方向のいずれかに導く。また、分岐路112は偏光板などを備える。この偏光板は、3方向のいずれかに導かれた上記のレーザー光から、所定方向の直線偏光成分を有するビーム(照射光)を抽出する。偏光成分の調整をされたこのビームはガスセル13へ照射される。つまり、照射部11は、直線偏光成分を有する照射光を各方向に沿ったガスセル13に封入された気体原子(後述)に対して上記の3つの方向からそれぞれ照射する。   The branch path 112 branches the laser light generated by the light source 111 in three different directions. The branch path 112 guides the laser light generated by the light source 111 to one of the above-described three directions by using, for example, an optical fiber, a waveguide, or an AOM (Acousto Optic Modulator). The branch path 112 includes a polarizing plate and the like. This polarizing plate extracts a beam (irradiation light) having a linearly polarized light component in a predetermined direction from the laser light guided in one of the three directions. This beam whose polarization component has been adjusted is irradiated to the gas cell 13. That is, the irradiation part 11 irradiates the irradiation light which has a linearly polarized component with respect to the gas atom (after-mentioned) enclosed with the gas cell 13 along each direction from said three directions, respectively.

変調器12は、分岐路112によって3方向に照射されるビームの光強度(放射強度)を、各々対応する位相差を持つ周期信号である位相差周期信号を用いて変調する。この周期信号とは、例えば正弦波である。これにより、この3方向に照射されるビームの光強度は、上記の周期信号に示された周期でそれぞれ変動する。   The modulator 12 modulates the light intensity (radiation intensity) of the beam irradiated in three directions by the branch path 112 using a phase difference periodic signal that is a periodic signal having a corresponding phase difference. This periodic signal is, for example, a sine wave. As a result, the light intensity of the beam irradiated in the three directions fluctuates with the period indicated in the periodic signal.

ガスセル13は、気体原子が封入されたガラス製のセル(素子)である。ここで気体原子とは、例えばカリウム(K)や、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)などのアルカリ金属原子である。これら気体原子は、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体としての性質を有する。ガスセル13は、変調器12から照射された上述のビームを透過させる。ガスセル13を透過した上述のビームは、光ファイバーなどにより計測器14に導かれる。なお、ガスセル13の材質はガラスに限られず、ビームを透過する材質であれば、樹脂などであってもよい。また、ガスセル13の内壁には炭化水素等によって非緩和コーティングがなされていてもよい。   The gas cell 13 is a glass cell (element) in which gas atoms are enclosed. Here, the gas atom is an alkali metal atom such as potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), or the like. These gas atoms have a property as a medium that rotates the plane of polarization of transmitted light according to the strength of the magnetic field. The gas cell 13 transmits the above-described beam irradiated from the modulator 12. The above-mentioned beam transmitted through the gas cell 13 is guided to the measuring instrument 14 by an optical fiber or the like. The material of the gas cell 13 is not limited to glass, and may be resin or the like as long as the material transmits the beam. Further, the inner wall of the gas cell 13 may be subjected to non-relaxation coating with hydrocarbon or the like.

図2は、ガスセル13を説明するための図である。図2において、ガスセル13が配置される空間はxyz右手系座標空間によって表される。この空間においてx軸に沿う方向をx軸方向という。また、x軸方向のうち、x成分が増加する方向を+x方向といい、x成分が減少する方向を−x方向という。同様に、y、z成分についても、y軸方向、+y方向、−y方向、z軸方向、+z方向、−z方向を定義する。   FIG. 2 is a diagram for explaining the gas cell 13. In FIG. 2, the space in which the gas cell 13 is arranged is represented by an xyz right-handed coordinate space. In this space, the direction along the x-axis is referred to as the x-axis direction. Of the x-axis directions, the direction in which the x component increases is referred to as + x direction, and the direction in which the x component decreases is referred to as -x direction. Similarly, for the y and z components, the y-axis direction, + y direction, -y direction, z-axis direction, + z direction, and -z direction are defined.

図2に示すように、ガスセル13の形状は略立方体であり、その各辺はx軸方向、y軸方向、およびz軸方向に沿っている。変調器12は、それぞれ+x方向、+y方向、および+z方向の3方向に沿って、それぞれビームBx、By、Bzをガスセル13に向けて照射する。したがって、ビームBx、By、Bzはそれぞれガスセル13の面に略直交するように指定された周期で照射される。   As shown in FIG. 2, the shape of the gas cell 13 is substantially a cube, and each side thereof extends along the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. The modulator 12 irradiates the gas cell 13 with beams Bx, By, and Bz, respectively, along three directions of + x direction, + y direction, and + z direction. Therefore, the beams Bx, By, and Bz are irradiated with a period designated so as to be substantially orthogonal to the surface of the gas cell 13, respectively.

ここで、+x方向、+y方向、および+z方向の3方向にそれぞれ向かって伸びる単位ベクトルを合成したベクトルを想定する。そして、この合成されたベクトルに沿った方向を+w方向といい、この+w方向に向かって伸びる軸をw軸という。   Here, a vector is assumed in which unit vectors extending in three directions of + x direction, + y direction, and + z direction are combined. The direction along the combined vector is called the + w direction, and the axis extending in the + w direction is called the w axis.

図3は、w軸を説明するための図である。図3には、xyz座標空間がいわゆるキャビネット投影法により表示されている。このxyz座標空間におけるベクトルを(x,y,z)という成分によって表すと、x軸方向の単位ベクトルは(1,0,0)となり、y軸方向の単位ベクトルは(0,1,0)となり、z軸方向の単位ベクトルは(0,0,1)となる。これら3つの単位ベクトルを合成したベクトル(1,1,1)は、w軸方向に伸びる。ガスセル13には、予めこのw軸方向に決められた強さの磁場が印加されている。この磁場をバイアス磁場という。   FIG. 3 is a diagram for explaining the w-axis. In FIG. 3, the xyz coordinate space is displayed by a so-called cabinet projection method. When a vector in the xyz coordinate space is represented by a component (x, y, z), the unit vector in the x-axis direction is (1, 0, 0), and the unit vector in the y-axis direction is (0, 1, 0). Thus, the unit vector in the z-axis direction is (0, 0, 1). A vector (1, 1, 1) obtained by combining these three unit vectors extends in the w-axis direction. A magnetic field having a strength determined in advance in the w-axis direction is applied to the gas cell 13. This magnetic field is called a bias magnetic field.

図2に示すように、ビームBxは、矢印Dx方向に沿った直線偏光成分を有する。矢印Dx方向は、+y方向および+z方向の単位ベクトルを合成したベクトルに沿った方向である。すなわち、矢印Dx方向は、x軸方向に直交する方向である。ビームByは、矢印Dy方向に沿った直線偏光成分を有する。矢印Dy方向は、+z方向および+x方向の単位ベクトルを合成したベクトルに沿った方向である。すなわち、矢印Dy方向は、y軸方向に直交する方向である。ビームBzは、矢印Dz方向に沿った直線偏光成分を有する。矢印Dz方向は、+x方向および+y方向の単位ベクトルを合成したベクトルに沿った方向である。すなわち、矢印Dz方向は、z軸方向に直交する方向である。   As shown in FIG. 2, the beam Bx has a linearly polarized component along the direction of the arrow Dx. The arrow Dx direction is a direction along a vector obtained by combining unit vectors in the + y direction and the + z direction. That is, the arrow Dx direction is a direction orthogonal to the x-axis direction. The beam By has a linearly polarized component along the arrow Dy direction. The arrow Dy direction is a direction along a vector obtained by combining unit vectors in the + z direction and the + x direction. That is, the arrow Dy direction is a direction orthogonal to the y-axis direction. The beam Bz has a linearly polarized component along the direction of the arrow Dz. The arrow Dz direction is a direction along a vector obtained by combining unit vectors in the + x direction and the + y direction. That is, the arrow Dz direction is a direction orthogonal to the z-axis direction.

磁場計測装置1は、上述した+x方向、+y方向、および+z方向の3方向にそれぞれ対応する計測器14を備える。3つの計測器14は、それぞれ対応する方向に照射されガスセル13を透過した上述のビームを受光する。そして、各計測器14は、ビームに含まれる直線偏光成分がガスセル13を透過して回転した回転量、すなわち、偏光面の回転角度をそれぞれ計測する。   The magnetic field measuring apparatus 1 includes measuring instruments 14 respectively corresponding to the three directions of + x direction, + y direction, and + z direction described above. The three measuring instruments 14 receive the above-described beams irradiated in the corresponding directions and transmitted through the gas cell 13. Each measuring instrument 14 measures the amount of rotation that the linearly polarized light component included in the beam has rotated through the gas cell 13, that is, the rotation angle of the polarization plane.

加算器15は、各計測器14によって計測された各回転量を加算し、その加算値に対応した加算信号を出力する。図4は、加算器15の一例を示す図である。加算器15として、例えば図4に示す加算回路が用いられる。この加算回路は、x,y,z方向の各ビームについて、それぞれ偏光面の回転量を示す信号Sx,Sy,Szを加算して「Sx+Sy+Sz」として出力する。   The adder 15 adds the rotation amounts measured by the measuring instruments 14 and outputs an addition signal corresponding to the added value. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the adder 15. For example, an adder circuit shown in FIG. 4 is used as the adder 15. This adder circuit adds signals Sx, Sy, Sz indicating the amount of rotation of the polarization plane for each beam in the x, y, z directions, and outputs the result as “Sx + Sy + Sz”.

アンプ16は、加算器15の出力した加算信号を増幅する増幅器であって、磁場計測装置1により構成されるフィードバック系のゲインと位相とを最適化するための回路を有する。VCO(voltage controlled oscillator)17は、電圧制御発振器であり、アンプ16の出力レベルを基に決定された発振周波数を示す周期信号を発生する。   The amplifier 16 is an amplifier that amplifies the addition signal output from the adder 15, and includes a circuit for optimizing the gain and phase of the feedback system configured by the magnetic field measurement apparatus 1. A voltage controlled oscillator (VCO) 17 is a voltage controlled oscillator, and generates a periodic signal indicating an oscillation frequency determined based on the output level of the amplifier 16.

VCO17により発生した周期信号は移相器19に入力される。移相器19は、VCO17により発生した周期信号に対してx軸方向、y軸方向、およびz軸方向に応じて予め定められた位相差を付与する。例えば、x軸方向に応じた位相差は0であり、y軸方向に応じた位相差は(2π/3)であり、z軸方向に応じた位相差は(4π/3)である。移相器19は、この位相差を付与した周期信号を位相差周期信号として出力する。   The periodic signal generated by the VCO 17 is input to the phase shifter 19. The phase shifter 19 gives a predetermined phase difference to the periodic signal generated by the VCO 17 according to the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. For example, the phase difference according to the x-axis direction is 0, the phase difference according to the y-axis direction is (2π / 3), and the phase difference according to the z-axis direction is (4π / 3). The phase shifter 19 outputs the periodic signal with the phase difference as a phase difference periodic signal.

そして、上述したように変調器12は、照射部11が照射する各軸の照射光を、各々対応する位相差を持つ位相差周期信号を用いて変調する。これら各位相差周期信号は、移相器19により出力されたものである。
図5は、位相差周期信号を説明するための図である。図5に示すように、ビームBx、By、Bzの光強度は時間とともに、移相器19により出力されたそれぞれ対応する正弦波(位相差周期信号)に沿って変化する。ビームBx、By、Bzは、それぞれの位相差が等しくなるように制御されるため、各光強度は三相交流になる。なお、この位相差周期信号により示される周波数を、以下、変調周波数という。
As described above, the modulator 12 modulates the irradiation light of each axis irradiated by the irradiation unit 11 using the phase difference periodic signal having the corresponding phase difference. Each of these phase difference periodic signals is output by the phase shifter 19.
FIG. 5 is a diagram for explaining the phase difference periodic signal. As shown in FIG. 5, the light intensities of the beams Bx, By, and Bz change with time along the corresponding sine waves (phase difference periodic signals) output by the phase shifter 19. Since the beams Bx, By, and Bz are controlled so that their phase differences are equal to each other, each light intensity becomes a three-phase alternating current. The frequency indicated by the phase difference periodic signal is hereinafter referred to as a modulation frequency.

1−2.動作
次に、磁場計測装置1による磁場の計測の動作を説明する。
図6は、ワンビーム方式の計測装置により磁場を計測する原理を説明するための図である。以下、図に示す座標記号のうち、内側が白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。ワンビーム方式の計測装置において、ガスセルに封入された気体原子に直線偏光が照射されると、気体原子が光ポンピングされ、エネルギーが変化した際に生じる磁気モーメントの確率分布は、球形の原点対称な分布から変化する。例えば、超微細構造準位F→F´=F−1のエネルギー遷移のときにおいて、気体原子の磁気モーメントの確率分布はその直線偏光の振動の向きに沿って伸びる領域R1に応じた形状となる。この確率分布をアライメントという。
1-2. Operation Next, an operation of measuring a magnetic field by the magnetic field measurement apparatus 1 will be described.
FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of measuring a magnetic field by a one-beam type measuring apparatus. In the following, among the coordinate symbols shown in the figure, a symbol in which a black circle is drawn in a circle with a white inside represents an arrow heading from the back side to the near side. In a one-beam type measuring device, when linearly polarized light is irradiated to gas atoms enclosed in a gas cell, the probability distribution of the magnetic moment that occurs when the gas atoms are optically pumped and the energy changes is a spherically symmetric origin distribution. Change from. For example, at the energy transition of the hyperfine structure level F → F ′ = F−1, the probability distribution of the magnetic moment of the gas atom has a shape corresponding to the region R 1 extending along the direction of vibration of the linearly polarized light. Become. This probability distribution is called alignment.

すなわち、図6(a)に示すように、例えば電場の振動方向が+y方向に平行な矢印D0方向に沿っている直線偏光を、+x方向に向けて照射すると、この直線偏光が透過する気体原子には、y軸方向に沿った領域R1に分布するアライメントが生じる。ここに磁場が印加されると、磁場の方向を回転軸としてアライメントが回転する。この回転数は印加される磁場の強さに比例する。この運動を歳差運動という。気体原子のスピン偏極は、歳差運動と同時に系で決まる緩和作用が働いて定常状態を形成する。このスピン偏極の定常状態の方向が、透過する光の直線偏光の方向と異なる場合に、線形二色性により直線偏光の偏光面は回転する。 That is, as shown in FIG. 6 (a), for example, a linearly polarized light oscillation direction of the electric field is along the parallel arrows D 0 direction + y direction, is irradiated toward the + x-direction, the gas which the linearly polarized light passes through Alignment distributed in the region R 1 along the y-axis direction occurs in the atoms. When a magnetic field is applied here, the alignment rotates with the direction of the magnetic field as the axis of rotation. This rotational speed is proportional to the strength of the applied magnetic field. This exercise is called precession exercise. The spin polarization of gas atoms forms a steady state by the relaxation action determined by the system simultaneously with precession. When the direction of the steady state of this spin polarization is different from the direction of the linearly polarized light of the transmitted light, the polarization plane of the linearly polarized light is rotated by the linear dichroism.

図6(b)には、−x方向に直線偏光の電場の振動方向を見たときの偏光面の回転角度φが示されている。この回転角度φが、+x方向の磁場の強さと相関があるため、この回転角度φを計測することにより、ガスセル13の内部におけるx軸方向の磁場の強さが求まる。なお、ワンビーム方式において、測定する磁場の方向DMは、光を照射する方向(図6では+x方向)となる。 FIG. 6B shows the rotation angle φ of the polarization plane when the vibration direction of the linearly polarized electric field is viewed in the −x direction. Since the rotation angle φ has a correlation with the strength of the magnetic field in the + x direction, the strength of the magnetic field in the x-axis direction inside the gas cell 13 can be obtained by measuring the rotation angle φ. In the one-beam method, the direction D M of the magnetic field to be measured is the direction in which light is irradiated (the + x direction in FIG. 6).

図1に示したように磁場計測装置1はフィードバック系を構成する。このフィードバック系を動作させることで、印加される磁場の強さに比例した歳差運動周波数に同期して、気体原子への光の照射がなされる。これによりアライメントが増幅され、一種の共鳴状態となる。磁場が変動した場合には、この系はその変動に対応した周波数に追従する。すなわち、磁場計測装置1は、フィードバック回路を有することによって、フェーズロックドループを構成している。   As shown in FIG. 1, the magnetic field measurement apparatus 1 constitutes a feedback system. By operating this feedback system, light is irradiated to gas atoms in synchronization with the precession frequency proportional to the strength of the applied magnetic field. Thereby, alignment is amplified and it becomes a kind of resonance state. When the magnetic field fluctuates, the system follows the frequency corresponding to the fluctuation. That is, the magnetic field measurement apparatus 1 has a feedback circuit, thereby forming a phase locked loop.

例えば、w軸方向に上述したバイアス磁場が印加され、バイアス磁場以外の磁場(以下、横磁場という)が印加されていない場合を考える。変調器12が歳差運動周波数に対応した変調周波数で動作しているときには、いずれの軸に対しても、アライメントの向きと直線偏光が照射された時点での振動方向とが一致するため、計測器14が計測する回転角度はゼロとなり、安定状態となる。しかし、歳差運動周波数が変調周波数よりも遅い場合には、アライメントの向きと振動方向とが一致しないため、全ての計測器14の計測結果がプラスとなり、VCO17が発生させる信号の発振周波数が増大する。その結果、磁場計測装置1は、歳差運動周波数と変調周波数とが一致する方向に調整される。   For example, consider a case where the bias magnetic field described above is applied in the w-axis direction and a magnetic field other than the bias magnetic field (hereinafter referred to as a transverse magnetic field) is not applied. When the modulator 12 is operating at a modulation frequency corresponding to the precession frequency, the alignment direction and the vibration direction at the time when the linearly polarized light is irradiated coincide with each other. The rotation angle measured by the device 14 becomes zero, and a stable state is obtained. However, when the precession frequency is slower than the modulation frequency, the alignment direction and the vibration direction do not match, so the measurement results of all the measuring instruments 14 become positive, and the oscillation frequency of the signal generated by the VCO 17 increases. To do. As a result, the magnetic field measurement apparatus 1 is adjusted in a direction in which the precession motion frequency and the modulation frequency match.

一方、測定対象となる磁場が印加された場合、印加されたその磁場がバイアス磁場に合成された磁場ベクトルは、w軸と平行にならずに傾いた方向を向く。気体原子のアライメントは、この傾いた磁場ベクトルを軸として回転するため、各計測器14の計測する回転角度は、それぞれ異なる値を示す。この時の変調周波数と各計測器14の計測結果とに基づいて、磁場計測装置1は測定対象の磁場を算定する。   On the other hand, when a magnetic field to be measured is applied, a magnetic field vector in which the applied magnetic field is combined with a bias magnetic field is directed in a tilted direction without being parallel to the w axis. Since the alignment of gas atoms rotates around the tilted magnetic field vector, the rotation angles measured by the measuring instruments 14 show different values. Based on the modulation frequency at this time and the measurement results of the measuring instruments 14, the magnetic field measurement apparatus 1 calculates the magnetic field to be measured.

具体的には以下のとおりである。ここでは、いずれか1本のビームで磁化を飽和させた状態からビームを遮断した後、歳差運動させたときのアライメントを考える。また、横磁場はw軸方向の磁場成分に対して微小であると仮定する。図7は、この変形例において+w方向から−w方向を観察した光の振動方向とアライメントの配置を示す図である。   Specifically, it is as follows. Here, consider the alignment when the beam is blocked from the state in which the magnetization is saturated with any one beam and then precessed. Further, it is assumed that the transverse magnetic field is very small with respect to the magnetic field component in the w-axis direction. FIG. 7 is a diagram illustrating the vibration direction and alignment arrangement of light observed in the −w direction from the + w direction in this modification.

横磁場である印加磁場Bがゼロであれば、ガスセル13に封入された気体原子は、歳差運動の作用が無い状態となる。この状態においてこの気体原子に向けて、z軸方向に伝搬し、矢印Dz方向に沿った直線偏光成分を有する照射光を照射すると、この照射光による光ポンピングによって生じるアライメントは、矢印Dz方向に向く。   If the applied magnetic field B, which is a transverse magnetic field, is zero, the gas atoms enclosed in the gas cell 13 are in a state where there is no precession action. In this state, when irradiated with irradiation light having a linearly polarized component along the arrow Dz direction and propagating toward this gas atom in the z-axis direction, alignment caused by optical pumping by the irradiation light is directed to the arrow Dz direction. .

一方、横磁場である印加磁場Bが存在する(ゼロでない)場合、アライメントはこれを軸として歳差運動し、その結果生じるアライメントの向く方向は矢印Dz2方向になるとする。   On the other hand, when there is an applied magnetic field B that is a transverse magnetic field (not zero), the alignment precesses about this, and the direction of the resulting alignment is assumed to be the direction of arrow Dz2.

矢印Dz方向と矢印Dz2方向の差のベクトルをδMとする。このδMは、矢印Dz方向および矢印Dz2方向に比べて微小であると仮定するため、w軸を法線する平面内にあるとする。x軸およびy軸に対するアライメントに対しても同方向の変位δMが生じる。矢印Dz方向に沿った直線偏光成分を有する照射光によって計測器14に計測される値は、z軸を法線とする平面に矢印Dz2方向が示すベクトルを射影したベクトルと、矢印Dz方向が示すベクトルとのなす角度θ(図示せず)に比例する。近似を用いると、角度θはw軸を法線とする平面に向けてδMを射影した線分の長さに比例する。この線分は、z軸と直行し、w軸を法線とする平面内にある。δMの長さを規格化するとこの射影成分の長さは次の式(1)で示されるように、cosαである。   Let δM be the vector of the difference between the arrow Dz direction and the arrow Dz2 direction. Since this δM is assumed to be minute compared to the direction of the arrow Dz and the direction of the arrow Dz2, it is assumed that it is in a plane normal to the w axis. A displacement δM in the same direction occurs with respect to the alignment with respect to the x-axis and the y-axis. The value measured by the measuring instrument 14 by the irradiation light having the linearly polarized component along the arrow Dz direction is a vector obtained by projecting a vector indicated by the arrow Dz2 direction onto a plane having the z-axis as a normal line, and the arrow Dz direction. It is proportional to an angle θ (not shown) formed with the vector. Using approximation, the angle θ is proportional to the length of the line segment that projects δM toward the plane with the w axis as the normal. This line segment is in a plane perpendicular to the z-axis and having the w-axis as a normal line. When the length of δM is normalized, the length of the projection component is cos α as shown by the following equation (1).

Figure 2013134086
Figure 2013134086

矢印Dx方向と矢印Dy方向に対するビームに対する出力も線分の方向を変えることで、同様に算出すると、以下に示す式(2)および式(3)となる。   When the outputs for the beams in the direction of the arrow Dx and the direction of the arrow Dy are similarly calculated by changing the direction of the line segment, the following expressions (2) and (3) are obtained.

Figure 2013134086
Figure 2013134086

Figure 2013134086
Figure 2013134086

各式の右辺を加算すると任意のαに対してゼロとなる。つまり加算器15の処理が単純加算であるならば出力がゼロになるので、図1のフィードバック系が一定の周波数で安定する。印加磁場Bの大きさは変調周波数に対応し、その方向は各計測器14の出力から算出することが可能となる。   Adding the right side of each equation gives zero for any α. That is, if the processing of the adder 15 is simple addition, the output becomes zero, so that the feedback system of FIG. 1 is stabilized at a constant frequency. The magnitude of the applied magnetic field B corresponds to the modulation frequency, and its direction can be calculated from the output of each measuring instrument 14.

また、印加磁場Bがw軸と平行であり(つまり、印加磁場Bが横磁場でない)、光ポンピングによる磁化の影響がない場合を考える。図8は、この変形例において印加磁場Bがw軸と平行なときの光の振動方向とアライメントの配置を示す図である。図8に示すように、矢印Dz方向に沿った直線偏光成分を有する照射光を照射すると、この照射光による光ポンピングによって生じるアライメントは、矢印Dz方向に向く。さらに、アライメントは、印加磁場Bを軸として回転する。この回転したアライメントと回転前のアライメントとの差のベクトルをδMzで表す。δMzの長さを規格化するとこの射影成分の長さは上述した式(1)で示されるように、cosαである。   Consider a case where the applied magnetic field B is parallel to the w-axis (that is, the applied magnetic field B is not a transverse magnetic field) and there is no influence of magnetization due to optical pumping. FIG. 8 is a diagram showing the vibration direction of light and the alignment arrangement when the applied magnetic field B is parallel to the w-axis in this modification. As shown in FIG. 8, when irradiation light having a linearly polarized component along the arrow Dz direction is irradiated, alignment caused by optical pumping by the irradiation light is directed to the arrow Dz direction. Further, the alignment rotates with the applied magnetic field B as an axis. A vector of a difference between the rotated alignment and the alignment before the rotation is represented by δMz. When the length of δMz is normalized, the length of the projection component is cos α as shown by the above-described equation (1).

この関係は全ての軸に対して同様の値をもつので、加算器15の処理が単純加算であるならば出力が3cosαとなる。この結果からVCO17の周波数変化を生じ、フィードバック系の作用により変調周波数と歳差運動周波数が一致するように調整される。   Since this relationship has the same value for all axes, if the processing of the adder 15 is simple addition, the output is 3 cos α. From this result, the frequency change of the VCO 17 is generated, and the modulation frequency and the precession frequency are adjusted to coincide with each other by the action of the feedback system.

以上説明したとおり、磁場計測装置1は、1つの位置に印加された磁場の強さをその向きに関わらず計測する。また、磁場計測装置1は、1方向の光で1方向の磁場を計測するのではなく、複数方向の光を用いて磁場を計測するので、測定磁場に対応する+1次の共鳴周波数以外の周波数が混在し難い。そのため、磁場計測装置1を用いることで、出力レベルの低下が抑制される。   As described above, the magnetic field measurement apparatus 1 measures the strength of the magnetic field applied to one position regardless of its direction. In addition, the magnetic field measurement apparatus 1 does not measure a magnetic field in one direction with light in one direction, but measures a magnetic field using light in a plurality of directions, so that a frequency other than the + 1st order resonance frequency corresponding to the measurement magnetic field. It is difficult to mix. Therefore, the use of the magnetic field measurement apparatus 1 suppresses a decrease in output level.

2.変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
(1)上述した実施形態において、変調器12は、光源111が出力したレーザー光を、x,y,z方向に沿ったビームとしてそれぞれガスセル13に照射していたが、照射する方向は2方向であってもよいし、4方向以上であってもよい。この場合、移相器19は、各方向に照射するビームの位相間隔が均等になるように位相差周期信号を出力すればよい。
2. Modification The above is the description of the embodiment, but the contents of this embodiment can be modified as follows. Further, the following modifications may be combined.
(1) In the above-described embodiment, the modulator 12 irradiates the gas cell 13 with the laser light output from the light source 111 as a beam along the x, y, and z directions. Or four or more directions. In this case, the phase shifter 19 may output the phase difference periodic signal so that the phase intervals of the beams irradiated in the respective directions are equal.

(2)上述した実施形態において、加算器15の加算信号はそのままアンプ16に入力されていたが、加算器15とアンプ16またはVCO17との間において、加算器15の加算信号のうち一部を除去するフィルター18を設けてもよい。図9は、この変形例における磁場計測装置1aの全体構成を示す図である。磁場計測装置1aは、加算器15からアンプ16までの間にフィルター18を備えている点が、上述した磁場計測装置1と異なる。フィルター18は、加算器15の出力した加算信号のうち、予め決められた閾値以上の成分(高域周波数成分)を除去し、その閾値未満の成分(低域周波数成分)をアンプ16に供給するローパスフィルターである。変調器12→ガスセル13→計測器14→加算器15→アンプ16→VCO17→変調器12というフィードバックの構成は、その構成ゆえに意図しない発振が生じうる場合があるが、フィルター18を設けることにより、そのような発振を除去することができる。 (2) In the above-described embodiment, the addition signal of the adder 15 is input to the amplifier 16 as it is. However, a part of the addition signal of the adder 15 is added between the adder 15 and the amplifier 16 or the VCO 17. A filter 18 to be removed may be provided. FIG. 9 is a diagram showing an overall configuration of the magnetic field measurement apparatus 1a in this modification. The magnetic field measurement device 1a is different from the magnetic field measurement device 1 described above in that a filter 18 is provided between the adder 15 and the amplifier 16. The filter 18 removes a component (high frequency component) equal to or higher than a predetermined threshold value from the addition signal output from the adder 15 and supplies a component (low frequency component) less than the threshold value to the amplifier 16. It is a low-pass filter. The feedback configuration of modulator 12 → gas cell 13 → measurement instrument 14 → adder 15 → amplifier 16 → VCO 17 → modulator 12 may cause unintended oscillation due to the configuration, but by providing the filter 18, Such oscillation can be eliminated.

(3)上述した実施形態において、変調器12は、3方向のビームの光強度を、移相器19により出力されたそれぞれ対応する正弦波(位相差周期信号)を用いて変調していたが、位相差周期信号の形状は正弦波に限られない。例えば、変調器12は、3方向のビームの光強度をそれぞれ対応する矩形波や三角波に変調してもよい。この場合、移相器19が、これら矩形波、三角波などを出力すればよい。 (3) In the above-described embodiment, the modulator 12 modulates the light intensity of the beam in the three directions using the corresponding sine wave (phase difference periodic signal) output from the phase shifter 19. The shape of the phase difference periodic signal is not limited to a sine wave. For example, the modulator 12 may modulate the light intensity of the beams in the three directions into corresponding rectangular waves and triangular waves, respectively. In this case, the phase shifter 19 may output these rectangular waves, triangular waves, and the like.

(4)上述した実施形態において、磁場計測装置1は、気体原子が封入されたガラス製のセル(素子)であるガスセル13を備えていたが、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体として、気体原子以外の媒体を用いてもよい。例えば、磁場計測装置1は、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子を、上記の媒体として用いてもよい。 (4) In the above-described embodiment, the magnetic field measurement apparatus 1 includes the gas cell 13 that is a glass cell (element) in which gas atoms are sealed. However, the polarization plane of the transmitted light is changed to the strength of the magnetic field. A medium other than gas atoms may be used as the medium to be rotated accordingly. For example, the magnetic field measurement apparatus 1 may use a solid element such as diamond provided with a lattice defect by nitrogen as the medium.

(5)上述した実施形態において、3本のビームの伝搬方向は互いに直交しており、電界の振動方向は直行していなかったが、任意の3方向の磁化方向を検出できればこの限りでない。例えば、分岐させた3本のビームに含まれる各直線偏光成分の振動方向が直交するように分岐路112を配置してもよい。 (5) In the above-described embodiment, the propagation directions of the three beams are orthogonal to each other, and the vibration direction of the electric field is not orthogonal. However, this is not limited as long as any three magnetization directions can be detected. For example, the branch path 112 may be arranged so that the vibration directions of the linearly polarized light components included in the three branched beams are orthogonal.

(6)上述した実施形態において、変調器12は、各ビームの光強度をそれぞれ対応する位相差周期信号を用いて変調していたが、各ビームの波長をこの位相差周期信号を用いて変調してもよい。ビームの波長を変更するとそのビームに含まれる光のうち、気体原子の励起に寄与する波長の光の量は増減する。また、ガスセル13におけるビームの透過率はその波長に応じて変わる場合がある。したがって、ビームの波長を変更するとガスセルを透過する光の量が増減する。つまり、変調器12は、波長を変調することによってビームの光強度を変調していることとなる。 (6) In the above-described embodiment, the modulator 12 modulates the light intensity of each beam by using the corresponding phase difference periodic signal, but modulates the wavelength of each beam by using this phase difference periodic signal. May be. When the wavelength of the beam is changed, the amount of light having a wavelength that contributes to excitation of gas atoms among the light contained in the beam increases or decreases. Further, the beam transmittance in the gas cell 13 may vary depending on the wavelength. Therefore, when the beam wavelength is changed, the amount of light transmitted through the gas cell increases or decreases. That is, the modulator 12 modulates the light intensity of the beam by modulating the wavelength.

(7)上述した実施形態において、加算器15は、各計測器14が計測した回転量を取得して加算し、その加算値に対応した加算信号を出力していたが、加算器15の行う加算はこれに限られない。例えば、加算器15は、各計測器14が計測した回転量をそれぞれ決められた期間にわたって取得して、その期間おける時間平均をそれぞれ算出して加算してもよい。なお、変形例2で示したフィルター18は、加算器15が備えていてもよく、例えば、この加算の前の時間平均に対して所定の高周波成分を除去するようにしてもよい。これにより、各計測器14が計測した回転量が短期間に変動しても、その影響が磁場計測に顕れ難く、その時間変動による誤差は抑制される。 (7) In the embodiment described above, the adder 15 acquires and adds the rotation amount measured by each measuring instrument 14 and outputs an addition signal corresponding to the added value. The addition is not limited to this. For example, the adder 15 may acquire the rotation amount measured by each measuring instrument 14 over a determined period, and calculate and add time averages during that period. Note that the adder 15 may be included in the filter 18 shown in the modified example 2. For example, a predetermined high-frequency component may be removed from the time average before this addition. Thereby, even if the rotation amount measured by each measuring instrument 14 fluctuates in a short period of time, the influence thereof is difficult to appear in the magnetic field measurement, and errors due to the time fluctuation are suppressed.

(8)上述した実施形態において、照射部11は、光源111と分岐路112とを有していたが、分岐路112に代えて切り替え部112bと出射部113とを有していてもよい。図10は、この変形例における照射部11bを示す図である。出射部113は、x軸方向、y軸方向、およびz軸方向の各軸毎に設けられ、光ファイバーなどによって入力されたレーザー光を各軸に応じた方向に出射する。切り替え部112bは、信号を時分割多重化する装置であり、光源111の出力光を出射部113にサイクリックに順次切り替えて入射させる。これにより照射部11は、分岐路を有していなくてよい。また、照射部11は、光源111から出力されるレーザー光の光強度を下げずに、そのレーザー光を複数方向に照射する。 (8) In the embodiment described above, the irradiation unit 11 includes the light source 111 and the branch path 112, but may include the switching unit 112 b and the emission unit 113 instead of the branch path 112. FIG. 10 is a diagram showing the irradiation unit 11b in this modification. The emitting unit 113 is provided for each axis in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, and emits laser light input by an optical fiber or the like in a direction corresponding to each axis. The switching unit 112b is a device that time-division-multiplexes signals, and causes the output light of the light source 111 to be sequentially switched and incident on the emission unit 113. Thereby, the irradiation part 11 does not need to have a branch path. The irradiation unit 11 irradiates the laser light in a plurality of directions without reducing the light intensity of the laser light output from the light source 111.

なお、上述したように切り替え部112bによって1つの光源を時分割でスイッチングするのではなく、複数のVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER;垂直共振器面発光レーザー)を用いて、それぞれを各ビームに割り当て、独立に変調させてもよい。   As described above, a single light source is not switched in a time division manner by the switching unit 112b, but a plurality of VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) are assigned to each beam. , And may be independently modulated.

1,1a…磁場計測装置、11,11b…照射部、111…光源、112…分岐路、112b…切り替え部、113…出射部、12…変調器、13…ガスセル、14…計測器、15…加算器、16…アンプ、17…VCO、18…フィルター、19…移相器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a ... Magnetic field measuring device 11, 11b ... Irradiation part, 111 ... Light source, 112 ... Branching path, 112b ... Switching part, 113 ... Emitting part, 12 ... Modulator, 13 ... Gas cell, 14 ... Measuring instrument, 15 ... Adder 16 ... Amplifier 17 ... VCO 18 ... Filter 19 ... Phase shifter

Claims (7)

偏光された光が照射されているときに磁場が与えられると、前記光の偏光面を前記磁場の強さに応じて回転させる媒体と、
直線偏光成分を有する照射光を前記媒体に対して異なる複数の軸からそれぞれ照射する照射部と、
前記媒体を透過した前記各照射光の偏光面の回転量をそれぞれ計測する計測器と、
前記計測器によって計測された各回転量を加算し、その加算値に対応した加算信号を出力する加算器と、
前記加算信号に応じた周波数の周期信号を発生する発振器と、
前記発振器が発生した周期信号に対して前記各軸に応じて予め定められた位相差を付与し位相差周期信号として出力する移相器と、
前記照射部が照射する各軸の照射光を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調する変調器と
を具備することを特徴とする磁場計測装置。
When a magnetic field is applied when polarized light is irradiated, a medium that rotates the polarization plane of the light according to the strength of the magnetic field;
An irradiating unit configured to irradiate the medium with irradiation light having a linearly polarized light component from different axes;
A measuring instrument for measuring the amount of rotation of the polarization plane of each irradiation light transmitted through the medium;
An adder that adds each rotation amount measured by the measuring instrument and outputs an addition signal corresponding to the added value;
An oscillator that generates a periodic signal having a frequency according to the addition signal;
A phase shifter that gives a predetermined phase difference according to each axis to the periodic signal generated by the oscillator and outputs it as a phase difference periodic signal;
A magnetic field measuring apparatus comprising: a modulator that modulates irradiation light of each axis irradiated by the irradiation unit using the phase difference periodic signal having a corresponding phase difference.
前記加算信号の高域周波数成分を除去するフィルター
を具備し、
前記発振器は、前記フィルターにより高域周波数成分が除去された加算信号に応じた周波数の周期信号を発生する
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場計測装置。
A filter for removing high frequency components of the sum signal,
The magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein the oscillator generates a periodic signal having a frequency corresponding to an addition signal from which a high frequency component has been removed by the filter.
前記変調器は、前記各軸の照射光の光強度を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の磁場計測装置。
The magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the modulator modulates the light intensity of the irradiation light of each axis using the phase difference periodic signal having a corresponding phase difference.
前記変調器は、前記各軸の照射光の波長を、各々対応する位相差を持つ前記位相差周期信号を用いて変調する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の磁場計測装置。
The magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the modulator modulates the wavelength of the irradiation light of each axis using the phase difference periodic signal having a corresponding phase difference.
前記加算器は、前記計測器によって計測された各回転量を決められた期間にわたって取得して、当該期間おける時間平均をそれぞれ算出して加算する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の磁場計測装置。
The said adder acquires each rotation amount measured by the said measuring device over the determined period, respectively calculates the time average in the said period, and adds, respectively. The magnetic field measurement apparatus according to item 1.
前記照射部は、直線偏光面を持つレーザー光を出力するレーザー光出力部と、レーザー光出力部の出力光を軸の数に応じて分岐させる分岐路とを有する請求項1から5のいずれか1項に記載の磁場計測装置。   The said irradiation part has any one of the laser beam output part which outputs the laser beam with a linear polarization plane, and the branch path which branches the output light of a laser beam output part according to the number of axes | shafts. The magnetic field measurement apparatus according to item 1. 前記照射部は、直線偏光面を持つレーザー光を出力するレーザー光出力部と、前記各軸毎に設けられ、入力されたレーザー光を各軸に応じた方向に出射する複数の出射部と、前記レーザー光出力部の出力光を前記各出射部にサイクリックに順次切り替えて入射させる切り替え手段と
を有する請求項1から5のいずれか1項に記載の磁場計測装置。
The irradiation unit is a laser beam output unit that outputs a laser beam having a linear polarization plane, and a plurality of emission units that are provided for each axis and emit the input laser beam in a direction according to each axis, 6. The magnetic field measurement apparatus according to claim 1, further comprising: a switching unit that sequentially switches the output light of the laser light output unit to the respective emission units in a cyclic manner.
JP2011283013A 2011-12-26 2011-12-26 Magnetic field measuring device Active JP5966351B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011283013A JP5966351B2 (en) 2011-12-26 2011-12-26 Magnetic field measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011283013A JP5966351B2 (en) 2011-12-26 2011-12-26 Magnetic field measuring device

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2013134086A true JP2013134086A (en) 2013-07-08
JP2013134086A5 JP2013134086A5 (en) 2015-02-26
JP5966351B2 JP5966351B2 (en) 2016-08-10

Family

ID=48910890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011283013A Active JP5966351B2 (en) 2011-12-26 2011-12-26 Magnetic field measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5966351B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015064213A (en) * 2013-09-24 2015-04-09 セイコーエプソン株式会社 Measuring device and magnetic measuring device
JP2016050837A (en) * 2014-08-29 2016-04-11 キヤノン株式会社 Optical pumping magnetometer and magnetic sensing method
US10396809B2 (en) 2016-02-19 2019-08-27 Seiko Epson Corporation Atomic cell, atomic cell manufacturing method, quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus, and vehicle
CN114217249A (en) * 2021-12-16 2022-03-22 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 Non-blind-area magnetic field measuring device and measuring method based on laser polarization modulation

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61195372A (en) * 1985-02-26 1986-08-29 Toshiba Corp Device for measuring magnetic field

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61195372A (en) * 1985-02-26 1986-08-29 Toshiba Corp Device for measuring magnetic field

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015064213A (en) * 2013-09-24 2015-04-09 セイコーエプソン株式会社 Measuring device and magnetic measuring device
JP2016050837A (en) * 2014-08-29 2016-04-11 キヤノン株式会社 Optical pumping magnetometer and magnetic sensing method
US10396809B2 (en) 2016-02-19 2019-08-27 Seiko Epson Corporation Atomic cell, atomic cell manufacturing method, quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus, and vehicle
CN114217249A (en) * 2021-12-16 2022-03-22 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 Non-blind-area magnetic field measuring device and measuring method based on laser polarization modulation
CN114217249B (en) * 2021-12-16 2023-01-24 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 Non-blind-area magnetic field measuring device and measuring method based on laser polarization modulation

Also Published As

Publication number Publication date
JP5966351B2 (en) 2016-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11307272B2 (en) Systems and methods including multi-mode operation of optically pumped magnetometer(s)
CN105589048B (en) Magnetic field measuring method and magnetic field measuring device
JP6391370B2 (en) Optical pumping magnetometer and magnetic sensing method
CN108287322B (en) Atomic magnetometer without response blind zone and method for measuring external magnetic field by atomic magnetometer
JP6171355B2 (en) Magnetic field measuring device
US9618362B2 (en) Self-calibrating nuclear magnetic resonance (NMR) gyroscope system
JP5798616B2 (en) System and method for substantially mitigating the AC Stark shift effect in a sensor system
US9726494B2 (en) Atomic sensor system
JP2007167616A (en) Magnetic field measuring system, and optical pumping fluxmeter
Xue et al. A continuous cold atomic beam interferometer
JP5966351B2 (en) Magnetic field measuring device
JP2017173329A (en) Optical pump beam control in sensor system
US10024931B2 (en) Magnetic field measurement method and magnetic field measurement apparatus
CN112229801A (en) Device and method for measuring ytterbium radical birefringence effect under action of magnetic field
JP2016102777A (en) Magnetic field measuring method and magnetic field measuring device
JP6550925B2 (en) Magnetic field measuring method and magnetic field measuring apparatus
JP2012159427A (en) Magnetic measuring device and biological state measuring device
EP4300727A1 (en) Atomic electron state splitter, atomic interferometer, atomic transition frequency measurement device, atomic oscillator, optical lattice clock, quantum computer, and method for generating superposition states of electron states of atom
US20240068872A1 (en) Electronic state splitter for atoms, atom interferometer atomic transition frequency measurement device, atomic oscillator, optical lattice clock, quatum computer and method for generating superposition of electronic states of atoms
Pati et al. Implementation of a Vector Magnetometer using Synchronous Coherent Population Trapping and Feedback Compensated Field Coil
CN117223178A (en) Atomic electronic state separator, atomic interferometer, atomic transition frequency measuring device, atomic oscillator, optical crystal lattice clock, quantum computer, and method for generating atomic electronic state superposition state
JP2015062020A (en) Magnetic measuring device and biological state measuring device
CN117031367A (en) Double-shaft atomic magnetometer closed-loop control system and method based on pulse resonance

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141224

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141224

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20151111

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151124

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160125

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160607

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160620

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5966351

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150