JP2014055987A - 磁場測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光ポンピング法を用いた磁場勾配の測定の精度を向上させる技術を提供すること。
【解決手段】直線偏光のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、プローブ光が通過する2の領域に存在し、円偏光のポンプ光が照射される方向に応じて磁化する磁性媒体であって、外部から印加される磁場のうちプローブ光が通過する方向に対して直交する第1方向の成分の強度に応じて、プローブ光の偏光面を回転させる磁性媒体と、2の領域の各々における磁性媒体に対して、プローブ光を複数回通過させるように光路を制御する光路制御手段と、2の領域の各々における磁性媒体が第1の方向以外のそれぞれ反対の方向に磁化するように円偏光のポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、2の領域の一方における磁性媒体を複数回通過することによる偏光面の回転量と、他方における偏光面の回転量との差を検出する検出手段とを具備する。
【選択図】図2

Description

本発明は、磁場の強度を測定する技術に関する。

磁場の強度を測定する技術として、アルカリ金属ガスの電子スピン偏極を利用した原子磁気センサーが提案されている。これは、円偏光のポンプ光をアルカリ金属蒸気が存在するセルに対して照射し、このセルに直線偏光のプローブ光を通過させるとセルに印加されている磁場の強度に応じてプローブ光の偏光面が回転する。そして、このプローブ光の偏光回転角を検出することにより磁場の強度を測定する。
磁場の強度を測定するときには、測定対象となる磁場以外にも、地磁気、電気的ノイズなどを起因とする磁場についても測定されてしまうため、測定対象物から異なる距離に設けられた2つのセルを用いて磁気勾配を測定する技術が開発されている(例えば特許文献1)。

特開2009−162554号公報

特許文献1に開示された技術においては、測定対象物から生じる磁場が微小な強度であっても、精度よく測定できるという利点がある一方、磁場の強度とプローブ光の偏光回転角とが比例関係でないと測定精度が低下する。磁場強度が大きくなるとこの比例関係を保つことができなくなるため、測定環境の磁場全体の強度がある上限の強度を超えないように抑える必要があり、測定対象の磁場として測定できる強度に大きな制限を受けていた。そのため、高価な磁気シールドを用いる必要があった。
また、プローブ光を通過させるセルのアルカリ金属蒸気の影響により、そのプローブ光が吸収されてしまう。セルを通過するときのプローブ光の強度が異なると、同じ磁場の強度でも偏光回転角の変化量が異なってくるため、吸収量が大きくなると、2つのセルにおける磁場に対する偏光回転角の関係が異なるものとなり、正確な磁場勾配を測定できない場合があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、光ポンピング法を用いた磁場勾配の測定の精度を向上させる技術を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明は、直線偏光のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記プローブ光照射手段から照射されたプローブ光が通過する2の領域に存在し、円偏光のポンプ光が照射された方向に応じて磁化する磁性媒体であって、前記2の領域の各々に外部から印加される磁場のうち当該プローブ光が通過する方向に対して直交する第1方向の成分の強度に応じて、当該通過するプローブ光の偏光面をファラデー効果により回転させる磁性媒体と、前記2の領域の各々における磁性媒体に対して、前記プローブ光をそれぞれ同じ複数回通過させるように当該プローブ光の光路を制御する光路制御手段と、前記2の領域の各々における磁性媒体が前記第1の方向以外の方向に沿って磁化するように、当該磁性媒体に対して円偏光のポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、前記2の領域の一方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量と、他方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量との差を検出する検出手段とを具備することを特徴とする磁場測定装置を提供する。
この磁場測定装置によれば、各領域における磁場の強度に対する偏光回転角が小さいものであっても、各領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させるため、検出される偏光回転角は大きなものとなり、磁場勾配の測定精度を向上させることができる。また、一度の通過における偏光回転角が小さくてもよいから、磁性媒体の密度を少なくしてプローブ光の吸収を少なくすることができ、磁気勾配の測定精度をさらに向上させることもできる。

別の好ましい態様において、前記光路制御手段は、前記2の領域を挟むように設けられた反射鏡を有し、前記反射鏡により前記プローブ光を反射させて、当該2の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、簡易な構成で2つの領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させることができる。

別の好ましい態様において、前記光路制御手段は、前記2の領域を挟むように設けられたコーナーキューブを有し、前記コーナーキューブにより前記プローブ光を反射させて、当該2の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、簡易な構成で2つの領域における磁性媒体に対してプローブ光を複数回通過させることができる。

別の好ましい態様において、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を出射する出射部を有し、前記検出手段は、前記2の領域の各々における磁性媒体を前記複数回通過することにより偏向面が回転されたプローブ光を受光する受光部を有し、前記出射部と前記受光部とは、前記磁性媒体に対して同じ側に設けられていることを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、2つの領域のうち出射部と受光部とから離れた領域の近くに測定対象物を位置させることができる。

別の好ましい態様において、前記検出手段による検出結果から、前記2の領域のそれぞれに印加される磁場の前記第1方向の成分における強度の差を算出する算出手段をさらに具備することを特徴とする。
この磁場測定装置によれば、2つの領域における一方の近くにある測定対象物から生じる磁場の強度を測定することができる。

磁場測定装置の構成を示すブロック図である。 測定部における構成を示す図である。 第1ガスセル、第2ガスセルにおける磁性媒体の磁化の変化を説明する図である。 相対ラーマー周波数とy軸方向の磁化との関係を示す図である。 印加される磁場の強度と偏光回転角との関係を示す図である。 プローブ光のガスセル通過による偏光面の回転を説明する図である。 変形例1に係る測定部における構成を示す図である。 変形例2に係る測定部における構成を示す図である。 変形例4に係る測定部における構成を示す図である。

<実施形態>
[全体構成]
図1は、磁場測定装置1の構成を示すブロック図である。磁場測定装置1は、光ポンピング法を用いて、測定対象物から生じる磁場の強度を測定する装置であって、測定部10、制御部11、記憶部12、表示部13、操作部14およびインターフェイス15を有する。測定部10は、磁場の強度を測定する各構成を有し、制御部11によって測定の開始、終了などの制御が行われる。測定部10は、測定中においては、偏光回転角情報を制御部11に出力する。測定部10の詳細について、また偏光回転角情報については後述する。

制御部11は、CPU(Central Processing Unit)などの演算処理回路、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などを有し、CPUは、ROMに記憶されたプログラムをRAMにロードして実行する。これにより、制御部11は、バスを介して磁場測定装置1の各部の制御を行う。また、制御部11は、後述するように偏光回転角情報から、測定された磁場の強度を算出する算出処理を行う算出手段としても機能する。

記憶部12は、不揮発性メモリ、ハードディスクなどの記憶手段であって、各種プログラム、磁場測定結果などを記憶する。
表示部13は、液晶ディスプレイなどの表示画面を有する表示デバイスであって、制御部11の制御により表示内容が制御される。表示内容は、例えば、各種設定画面、測定結果の表示などである。
操作部14は、ボタン、キーボード、タッチパネルなどの操作子を有し、利用者が操作子を操作すると、その操作内容を示すデータが制御部11に出力される。
インターフェイス15は、USB(Universal Serial Bus)などの端子を用いたり、通信網に接続する通信機能を用いたりすることで、外部装置と情報のやり取りをするための接続機能を有する。
次に、測定部10の構成について説明する。

[測定部10の構成]
図2は、測定部10の構成を示す図である。測定部10は、第1ガスセル111、第2ガスセル112、反射鏡121、122、ポンプ光照射部130、プローブ光照射部140およびプローブ光検出部150を有する。ここで、図2に示すように、図右方向をx軸方向、x軸に直交し図上方向をy軸方向、x軸、y軸平面内に対して直交し紙面に対して垂直手前方向をz軸方向として説明する。この例においては、測定部10は、z軸方向の磁場の強度を測定するための構成として説明する。測定対象物1000から生じる磁場の強度を測定するときには、図2に示すように、第2ガスセル112よりも第1ガスセル111に近い場所に測定対象物1000を位置させる。

第1ガスセル111、第2ガスセル112は、y軸方向に沿って並んで配置されている。第1ガスセル111、第2ガスセル112(以下、それぞれを区別しないときには、単にガスセルという)は、ガラス、プラスチックなど、後述するポンプ光、プローブ光を透過する材料で構成された中空の部材である。ガスセルの中空部分には、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)などのアルカリ金属原子などの磁性媒体が封入されている。また、バッファーガスとして、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)などの希ガス、窒素(N)などの非磁性のガスなどを封入してもよい。磁場強度の測定のときには、図示しない加熱手段によってガスセル内部を加熱するなどしてアルカリ金属原子の蒸気をガスセル内部に充満させてガス化させる。加熱しなくてもガス化している状態の原子密度である場合には加熱は不要である。
ガスセル内に封入される磁性媒体としては、アルカリ金属原子を用いているが、後述するように、円偏光のポンプ光が照射されると、照射された方向に応じて磁化するものであれば、アルカリ金属原子に限られない。

このように、第1ガスセル111および第2ガスセル112は、磁場測定領域となる2の領域において、磁性媒体が存在するように保持するものである。そのため、必ずしも2つのガスセルであるものに限られず、1つのガスセルによりまとめて保持してもよい。ここで、磁場測定領域となる2の領域とは、後述するポンプ光131が第1ガスセル111内の磁性媒体に照射される領域と、後述するポンプ光132が第2ガスセル112内の磁性媒体に照射される領域とを示す。この領域は、ポンプ光131、132が照射される領域だけでなく、ポンプ光により磁化した磁性媒体が磁化の影響を残したまま拡散して広がる領域について含まれるものとしてもよい。
以下の説明においては、第1ガスセル111、第2ガスセル112が磁場測定領域となる2の領域に対応しているものとする。また、第1ガスセル111と第2ガスセル112とは少なくともy軸方向については同じ寸法、すなわち2の領域のそれぞれy軸方向については同じ寸法である。さらに、第1ガスセル111、第2ガスセル112における磁性媒体の原子密度なども同じものとなっている。なお、第1ガスセル111、第2ガスセル112については、後述するように磁場Bzの強さとプローブ光141の偏光面の偏光回転角θとの関係がそれぞれ同じものとなるように構成されていれば、上記構成に限られない。

反射鏡121、122は、第1ガスセル111、第2ガスセル112を挟むように設けられ、プローブ光141を反射させて光路を制御することにより、第1ガスセル111、第2ガスセル112に対して、プローブ光141をそれぞれ同じ複数回(この例においては、それぞれ4回)通過させる光路制御手段である。反射鏡121は、第1ガスセル111側に、反射鏡122は、第2ガスセル112側に設けられている。また、反射鏡122には、反射鏡121、122間の外側にあるプローブ光照射部140の出射部1401から出射されるプローブ光141を内側に導き、また、反射鏡121、122により反射した内部のプローブ光141を外側のプローブ光検出部150の受光部1501に導く構成(この例においては導入孔)を有している。

ポンプ光照射部130は、光ポンピング法におけるポンピング光であるポンプ光131、132をそれぞれ第1ガスセル111、第2ガスセル112に照射する照射部1301、1302を有するポンプ光照射手段である。ポンプ光照射部130は、ポンプ光131、132をそれぞれ同じ方向に照射する(図2に示すx軸正方向に照射)。また、ポンプ光照射部130によって照射されるポンプ光131、132はそれぞれ円偏光であり、それぞれ反対回りの円偏光である。この例においては、ポンプ光131は、左円偏光(σ+:光の進行方向(x軸正方向)に対して時計回り(受光側から見て左回り)の円偏光)であり、ポンプ光132は、右円偏光(σ−:光の進行方向(x軸正方向)に対して反時計回り(受光側から見て右回り)の円偏光)である。
ポンプ光照射部130は、一の光源を有し、この光源から発生する光を、位相差板、ビームスプリッター、ミラーなどの光学系を用いて、ポンプ光131、132に変換して照射する。なお、2つの光源を有し、それぞれの光源から発生する光を、それぞれポンプ光131、132として照射してもよい。

プローブ光照射部140は、直線偏光のプローブ光141を出射する出射部1401を有するプローブ光照射手段である。このプローブ光141は、上述のように反射鏡121、122において反射して、第1ガスセル111および第2ガスセル112をそれぞれ複数回通過し、プローブ光検出部150の受光部1501に到達する。この例においては、出射部1401と受光部1501とは、第1ガスセル111、第2ガスセル112に対して同じ側に設けられ、この例においては、反射鏡122を介して第2ガスセル112とは反対側に設けられている。このようにすると、測定対象物1000を第1ガスセル111の近くに位置させることができ、測定対象物1000からの磁場を効率よく測定することができる。
プローブ光照射部140は、光源を有し、出射部1401からプローブ光141を出射させるまでに、光源から発生した光をレンズなどの光学系を通過させてもよい。
なお、図2の記載においては、プローブ光141の光路は、y軸と完全には平行になっていないが概ね平行であるから、以下の説明においては平行であるものとして説明する。

プローブ光検出部150は、プローブ光141を受光する受光部1501を有し、受光したプローブ光141の偏光回転角を検出する検出手段である。これは例えば、偏光ビームスプリッター、フォトディテクターを用いたり、ポラリメーターを用いたりすればよい。プローブ光検出部150は、プローブ光照射部140から照射されるプローブ光141の偏光面の状態が予め設定され、この偏光面を基準として、受光部1501において受光したプローブ光141の偏光面がどのくらい回転しているかを測定し、その回転量を偏光回転角として検出する。
このように検出される偏光回転角は、後述するように、第1ガスセル111、第2ガスセル112をプローブ光141が複数回通過した結果、第1ガスセル111によるプローブ光141の偏光面の回転量と、第2ガスセル112によるプローブ光141の偏光面の回転量との差を示している。
プローブ光検出部150は、検出した偏光回転角を示す偏光回転角情報を制御部11に出力する。次に、第1ガスセル111、第2ガスセル112に封入されている磁性媒体の磁化の変化について説明する。

図3は、第1ガスセル111、第2ガスセル112における磁性媒体の磁化の変化を説明する図である。ガスセルにおけるアルカリ金属などの磁性媒体は、円偏光の光を照射すると、光の進行方向に応じてアルカリ金属原子の電子スピン偏極が生じて磁化する。照射した光が左円偏光(σ+)である場合には、光の進行方向に沿って磁化する一方、右円偏光(σ−)である場合には、光の進行方向とは逆の方向に磁化する。このような現象を光ポンピングという。そして、この光の照射を停止すると、スピン偏極が緩和してランダムな方向に向くことになり、時間の経過とともに磁化ベクトルが小さくなる。スピン偏極が発生して磁化が特定の割合(例えば1/e)に減衰するまでの速度を横緩和速度Γgという。
ここで、図3に示すように、第1ガスセル111にはx軸正方向に左円偏光(σ+)のポンプ光131が照射されるため、第1ガスセル111における磁性媒体はx軸正方向に磁化する(磁化ベクトルM1)。一方、第2ガスセル112にはx軸正方向に右円偏光(σ−)のポンプ光132が照射されるため、第2ガスセル112における磁性媒体はx軸負方向に磁化する(磁化ベクトルM2)。

また、第1ガスセル111、第2ガスセル112における磁性媒体に磁場が印加されると、電子スピンはラーマー歳差運動を開始し、磁場印加方向と垂直の面内で回転する。ラーマー周波数ωLは、印加される磁場の大きさに比例し、ωL=γB(γ:磁気回転比、B:印加磁場強度)である。
図3に示すように、第1ガスセル111にはz軸正方向に磁場B1が印加され、第2ガスセル112にはz軸正方向に磁場B2が印加される。ここで、磁場が印加される方向は、実際にはz軸正方向に限定されているわけではなく、磁場の強度のうちz軸正方向成分に着目して説明するものである。
z軸正方向に磁場が印加されると、ラーマー歳差運動により磁化ベクトルが回転(z軸正方向からxy平面を見たときにxy平面内で反時計回り)する。そして、時間の経過とともに磁化ベクトルが回転しつつその大きさが小さくなっていく。
次に、この結果、y軸方向に生じる磁化の大きさについて説明する。

図4は、相対ラーマー周波数とy軸方向の磁化Myとの関係を示す図である。相対ラーマー周波数とは、ラーマー周波数ωL/横緩和速度Γgを示すものである。y軸方向の磁化Myは、My=−CωLΓg/(ωL 2+Γg2)で表され、x軸負方向に向いた磁化ベクトル(磁化ベクトルM2に相当)を基準としてこれが回転することにより生じるy軸方向の磁化ベクトルの大きさを示している。Cは、プローブ光141の強度、ガスセル内の磁性媒体の密度に応じて決まる定数である。また、ωLは、z軸正方向から見たxy平面内での反時計回りの回転を正の値としている。

ガスセル内の磁性媒体が磁化している状態で、プローブ光141が磁性媒体を通過すると、ファラデー効果によりプローブ光の偏光面が回転する。具体的には、プローブ光141が進行する方向に沿った磁化の大きさに応じて、進行方向に対して時計回りに偏光面が回転する。すなわち、プローブ光141がy軸正方向に進行しているときには、通過するガスセル内の磁性媒体のy軸方向における磁化の大きさによって、プローブ光141の偏光面が回転する。上述したように、ガスセル内の磁性媒体における磁化の大きさは、印加される磁場の強度に応じて図4に示すように変化する。したがって、ガスセル内の磁性媒体に外部から印加される磁場の強度に応じてプローブ光141の偏光面が回転することになる。
次に、外部から印加される磁場の強度とプローブ光141の偏光面の回転量(偏光回転角)との関係について説明する。

図5は、印加される磁場Bzの強度と偏光回転角θとの関係を示す図である。磁場Bzはz軸正方向に印加される磁場の強度を示している。また、偏光回転角θは、プローブ光141の進行方向に対して反時計回りを正としている。すなわち、プローブ光141の進行方向とy軸方向の磁化ベクトルが同一方向である場合には、プローブ光141の偏光面は、磁化ベクトルの大きさに応じて、進行方向に対して時計回りに回転し、反対方向である場合には、反時計回りに回転する。

また、実線P、破線Qは、磁性媒体の原子密度が異なる場合を想定したものであり、破線Qの方が実線Pよりも原子密度が低くなっている。
実線Pについて説明すると、図5に示すように、磁場Bzの強度の絶対値が大きくなると偏光回転角θがほぼ比例して大きくなるが、その比例関係を保っているのは、磁場Bzの強度が磁場測定レンジBr0内にあるときである。したがって、この磁場測定レンジBr0の外側における磁場Bzの強度については、正確な測定をすることができない。この磁場測定レンジBr0は、図4に示すラーマー周波数ωL/Γgの絶対値が概ね1未満であるため、Br0=2Γg/γの関係として決まる。
一方、破線Qについては、磁性媒体の原子密度が低いことからΓgが大きくなり磁場Bzの強度変化に対する偏光回転角θの変化が少なくなる。すなわち、原子密度を低くすることで磁場Bzに対する感度を低くして磁場測定レンジを磁場測定レンジBr0からBr1に広げることができる。
次に、プローブ光141の偏光面の回転について説明する。

[プローブ光141の偏光面の回転]
図6は、プローブ光141のガスセル通過による偏光面の回転を説明する図である。ここでは、第2ガスセルにはz軸正方向に磁場B0が、第1ガスセル111にはz軸正方向に磁場B0+Bhが印加されている。この磁場の違いは測定対象物1000からの第1ガスセル111および第2ガスセル112の距離の違いにより生じるものである。磁場B0、B0+Bhは、上述した磁場測定レンジ内であるものとする。
この磁場B0、B0+Bhにより、第2ガスセル112の磁性媒体におけるy軸方向の磁化ベクトルM2yは、y軸負方向を向き、第1ガスセル111の磁性媒体におけるy軸方向の磁化ベクトルM1yは、y軸正方向を向いている。また、第1ガスセル111に係る磁場の方が第2ガスセル112に係る磁場よりも大きいから、磁化ベクトルM1yの大きさは磁化ベクトルM2yより大きい。すなわち、第1ガスセル111におけるプローブ光141の偏光回転角θの絶対値(以下、第1偏光回転角αとする)は、第2ガスセル112におけるプローブ光141の偏光回転角θの絶対値(以下、第2偏光回転角βとする)よりも大きくなる。

この例においては、プローブ光141がy軸負方向へ進行(プローブ光141−1という)しながら第2ガスセル112、第1ガスセル111を通過し、その後、反射鏡121において反射してy軸正方向に進行(プローブ光141−2という)しながら第1ガスセル111、第2ガスセル112を通過する場合を説明する。また、(a)から(h)については、プローブ光141の進行方向に対して偏光面の向きを示している。図6においては、プローブ光141の進行方向に対して時計回りの回転を正とする。

まず、プローブ光141−1が第2ガスセル112を通過する前においては、(a)に示すように、プローブ光141−1の偏光面はz軸に沿ったものとなっている。プローブ光141−1が第2ガスセル112を通過すると、プローブ光141−1の進行方向と磁化ベクトルM2yの方向とが同一方向であるから、(b)に示すように偏光面は+β(プローブ光141−1進行方向に対して時計回りにβ)回転する。そして、プローブ光141−1がさらに第1ガスセル111を通過すると、プローブ光141−1の進行方向と磁化ベクトルM1yの方向とが反対方向であるから、(c)に示すように偏光面は−α(プローブ光141−1進行方向に対して反時計回りにα)回転する。
これにより、(d)に示すように、第2ガスセル112、第1ガスセル111を通過したプローブ光141−1は、通過前に比べて偏光面がβ−α回転することになる。この偏光回転角(β−α)は、磁場Bhに対するものに相当する。

次に、プローブ光141−1が反射鏡121において反射すると、進行方向がy軸正方向に反転する(プローブ光141−2)。これにより、プローブ光の位相が180度回転し、進行方向に対する偏光面は、(e)に示すように元の偏光面(a)に対して、偏光回転角(α−β)で回転しているものとなる。
プローブ光141−2が第1ガスセル111を通過すると、プローブ光141−2の進行方向と磁化ベクトルM1yの方向とが同一方向であるから、(f)に示すように偏光面は+α(プローブ光141−2進行方向に対して時計回りにα)回転する。そして、プローブ光141−2がさらに第2ガスセル112を通過すると、プローブ光141−2の進行方向と磁化ベクトルM2yの方向とが反対方向であるから、(g)に示すように偏光面は−β(プローブ光141−2進行方向に対して反時計回りにβ)回転する。
これにより、(h)に示すように、第2ガスセル112、第1ガスセル111を通過し、反射鏡121において反射して、再び第1ガスセル111、第2ガスセル112を通過したプローブ光141は、通過前に比べて偏光面が2α−2β回転することになる。この偏光回転角2α−2βは、磁場Bhに対する偏光回転角αーβの2倍に相当する。
そして、図2に示すようにプローブ光141が照射される場合は、上記説明の偏光面の回転をさらにもう一度行うことになるから、偏光回転角は4α−4βとなり、磁場Bhに対する偏光回転角α−βの4倍に相当する。

磁場Bhに対する偏光回転角α−βは、ガスセルにおける磁性媒体の原子密度を低くして磁場測定レンジを広げるほど、小さな回転角となる。例えば、原子密度を1/16(=(1/4)2)にすると、磁場測定レンジは4倍、すなわち同じ磁場強度でも偏光回転角は1/4になる。本実施形態における構成においては、反射鏡121、122において、プローブ光141を反射させることにより、第1ガスセル111、第2ガスセル112に通過させる回数を複数回(4回)として、同じ磁場の強度であっても4倍の偏光回転角を得ることができる。

また、プローブ光141を第1ガスセル111、第2ガスセル112に通過させる回数を複数回とすることによりプローブ光141の強度の減衰も生じることになるが、本実施形態においては、磁場測定レンジを拡大するために第1ガスセル111、第2ガスセル112における磁性媒体の原子密度を低くしているため、プローブ光141の強度の減衰を少なくすることができる。
本実施形態においては、プローブ光141は、磁場勾配の測定にかかる第1ガスセル111および第2ガスセル112を組にして通過してから反射鏡121、122において反射する構成となっている。そのため、プローブ光141が第1ガスセル111または第2ガスセル112を通過するときのプローブ光141の強度と次のガスセルを通過するときのプローブ光141の強度には差が少ないため測定への影響は少ない。予め減衰量がわかっていれば、その減衰量に応じて偏光回転角が少なくなるため、その偏光回転角の減少分を補正することもできる。したがって、プローブ光141が出射部1401から出射されてから受光部1501において受光されるまでの間に、プローブ光141の強度の減衰量が蓄積されて大きなものとなっても、測定への影響を少なくすることができる。

そして、制御部11は、このようにして検出された結果、測定部10から出力される偏光回転角情報を取得し、第1ガスセル111における磁性媒体に印加されている磁場B0+Bhと、第2ガスセル112における磁性媒体に印加されている磁場B0との差である磁場Bhの強度を算出し、この強度に応じて、測定対象物1000により生じた磁場の強度が測定されることになる。
具体的には、制御部11に、図5に相当する磁場Bzと偏光回転角θとの関係を記憶させておき、偏光回転角情報が示す偏光回転角を1/4として、対応する磁場の強度を算出すればよい。上述のように、プローブ光141の強度を考慮して補正する場合には、偏光回転角情報が示す偏光回転角を1/4とするのではなく、例えば、補正値cを用いて、1/(4−c)とすればよい。

このように、本発明の実施形態に係る磁場測定装置1は、測定部10において、プローブ光141を反射鏡121、122を用いて反射させ、第1ガスセル111、第2ガスセル112を複数回通過させることで、プローブ光141における偏光回転角を大きくすることができる。このとき、第1ガスセル111、第2ガスセル112における磁性媒体の原子密度を少なくしてプローブ光141の減衰量を抑えるとともに、磁場測定レンジを拡大することもできる。

<変形例>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以下のように、さまざまな態様で実施可能である。
[変形例1]
上述した実施形態においては、出射部1401と受光部1501とは、第1ガスセル111、第2ガスセル112に対して同じ側に位置していたが、それぞれ異なる側に位置してもよい。

図7は、変形例1に係る測定部10Aにおける構成を示す図である。測定部10Aは、実施形態における測定部10の反射鏡121、122に代えて、反射鏡121A、122Aを用いたものであり、受光部1501の位置を、第1ガスセル111、第2ガスセル112を介して出射部1401の位置とは反対側であるものとした構成である。
このような構成にした場合には、受光部1501がプローブ光141を受光するときのy軸方向の正負関係が異なるため、制御部11において偏光回転角情報を処理する際に、実施形態の場合と正負反転させて処理する。

[変形例2]
上述した実施形態においては、光路制御手段として反射鏡121、122を用いていたが、反射鏡以外の手段によってプローブ光141の光路を制御してもよい。

図8は、変形例2に係る測定部10Bにおける構成を示す図である。測定部10Bは、実施形態における測定部10の反射鏡121、122に代えて、直角プリズム123、124を用いたものである。このような構成であっても、プローブ光141を第1ガスセル111、第2ガスセル112に複数回通過させることができる。
ここで、直角プリズム123、124においてプローブ光141の進行方向を180度変えるときに、実施形態における反射鏡121、122のようにプローブ光141の位相が180度回転するように直角プリズム123、124を構成すればよい。また直角プリズム123、124自体の構成とするのではなく、このような構成を実現する光学系を別途、測定部10Bに設けるようにしてもよい。
なお、直角プリズム123、124は、反射面が2面であるが、直角プリズム123、124の双方またはいずれか一方が、反射面が3面のコーナーキューブであってもよい。

[変形例3]
上述した実施形態においては、ポンプ光131、132は、それぞれ同じ方向に照射され、円偏光の向きが異なっていたが、円偏光の向きを同じものとして、照射方向が反対方向になるようにしてもよい。例えば、ポンプ光132については、ポンプ光131と同様に左円偏光とし、照射方向をx軸負方向とすればよい。
また、この態様に限られず、ポンプ光131、132をそれぞれ第1ガスセル111、第2ガスセル112に照射したときに、それぞれの磁性媒体の磁化する方向が反対の方向になるように構成されていればよい。
このようにして、第1ガスセル111、第2ガスセル112をプローブ光141が複数回通過した結果、プローブ光検出手段150において検出される偏光回転角が、第1ガスセル111によるプローブ光141の偏光面の回転量と、第2ガスセル112によるプローブ光141の偏光面の回転量との差となるように、ポンプ光照射手段130を構成すればよい。

[変形例4]
上述した実施形態においては、ポンプ光131、132をそれぞれ第1ガスセル111、第2ガスセル112に照射したときに、それぞれの磁性媒体の磁化する方向が反対の方向になるように構成されていたが、ポンプ光131、132をともに左円偏光にするなどして磁化する方向を同じ方向とし、半波長板を用いる構成としてもよい。

図9は、変形例4に係る測定部10Cにおける構成を示す図である。測定部10Cは、第1ガスセル111と第2ガスセル112との間のプローブ光141が通過する領域に半波長板160を用いてもよい。このようにすれば、プローブ光141が半波長板160を通過するときに位相が180度ずれるため、第1ガスセル111と第2ガスセル112においてプローブ光141の偏光面の回転方向を実質的に反対方向とすることができるから、実施形態と同様な効果を奏することができる。
このようにして、第1ガスセル111、第2ガスセル112をプローブ光141が複数回通過した結果、プローブ光検出手段150において検出される偏光回転角が、第1ガスセル111によるプローブ光141の偏光面の回転量と、第2ガスセル112によるプローブ光141の偏光面の回転量との差となるように、プローブ光141の偏光面の回転を制御する構成を設ければよい。

1…磁場測定装置、10,10A,10B,10C…測定部、11…制御部、12…記憶部、13…表示部、14…操作部、15…インターフェイス、111…第1ガスセル、112…第2ガスセル、121,122,121A,122A…反射鏡、123,124…直角プリズム、130…ポンプ光照射部、1301,1302…照射部、131,132…ポンプ光、140…プローブ光照射部、1401…出射部、141,141−1,141−2…プローブ光、150…プローブ光検出部、1501…受光部、160…半波長板、1000…測定対象物。

Claims (5)

  1. 直線偏光のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
    前記プローブ光照射手段から照射されたプローブ光が通過する2の領域に存在し、円偏光のポンプ光が照射された方向に応じて磁化する磁性媒体であって、前記2の領域の各々に外部から印加される磁場のうち当該プローブ光が通過する方向に対して直交する第1方向の成分の強度に応じて、当該通過するプローブ光の偏光面をファラデー効果により回転させる磁性媒体と、
    前記2の領域の各々における磁性媒体に対して、前記プローブ光をそれぞれ同じ複数回通過させるように当該プローブ光の光路を制御する光路制御手段と、
    前記2の領域の各々における磁性媒体が前記第1の方向以外の方向に沿って磁化するように、当該磁性媒体に対して円偏光のポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
    前記2の領域の一方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量と、他方における磁性媒体を前記複数回通過することによる前記プローブ光の偏光面の回転量との差を検出する検出手段と
    を具備することを特徴とする磁場測定装置。
  2. 前記光路制御手段は、前記2の領域を挟むように設けられた反射鏡を有し、前記反射鏡により前記プローブ光を反射させて、当該2の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させる
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁場測定装置。
  3. 前記光路制御手段は、前記2の領域を挟むように設けられたコーナーキューブを有し、前記コーナーキューブにより前記プローブ光を反射させて、当該2の領域の各々における磁性媒体に対して当該プローブ光を前記複数回通過させる
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁場測定装置。
  4. 前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を出射する出射部を有し、
    前記検出手段は、前記2の領域の各々における磁性媒体を前記複数回通過することにより偏向面が回転されたプローブ光を受光する受光部を有し、
    前記出射部と前記受光部とは、前記磁性媒体に対して同じ側に設けられている
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の磁場測定装置。
  5. 前記検出手段による検出結果から、前記2の領域のそれぞれに印加される磁場の前記第1方向の成分における強度の差を算出する算出手段をさらに具備する
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の磁場測定装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101624482B1 (ko) 2014-10-24 2016-05-26 한국표준과학연구원 원자 자력계 및 그 동작 방법

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6173932A (en) * 1984-09-20 1986-04-16 Nec Corp Optical mixing wave generating device
JP2003090779A (ja) * 2001-09-17 2003-03-28 Anritsu Corp 光パルス試験装置
JP2005030958A (ja) * 2003-07-08 2005-02-03 Kuriputon:Kk 反射特性測定装置
JP2006258480A (ja) * 2005-03-15 2006-09-28 Nippon Steel Corp 磁気特性解析システム及び磁気特性解析方法
JP2007187539A (ja) * 2006-01-13 2007-07-26 Hitachi Ltd 磁界プローブ装置及び磁界の測定方法
JP2008003036A (ja) * 2006-06-26 2008-01-10 Denshi Jiki Kogyo Kk スキュー角測定装置
JP2009162554A (ja) * 2007-12-28 2009-07-23 Canon Inc 原子磁気センサ、及び磁気センシング方法
JP2009236599A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Canon Inc 光ポンピング磁力計

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6173932A (en) * 1984-09-20 1986-04-16 Nec Corp Optical mixing wave generating device
JP2003090779A (ja) * 2001-09-17 2003-03-28 Anritsu Corp 光パルス試験装置
JP2005030958A (ja) * 2003-07-08 2005-02-03 Kuriputon:Kk 反射特性測定装置
JP2006258480A (ja) * 2005-03-15 2006-09-28 Nippon Steel Corp 磁気特性解析システム及び磁気特性解析方法
JP2007187539A (ja) * 2006-01-13 2007-07-26 Hitachi Ltd 磁界プローブ装置及び磁界の測定方法
JP2008003036A (ja) * 2006-06-26 2008-01-10 Denshi Jiki Kogyo Kk スキュー角測定装置
JP2009162554A (ja) * 2007-12-28 2009-07-23 Canon Inc 原子磁気センサ、及び磁気センシング方法
JP2009236599A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Canon Inc 光ポンピング磁力計

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101624482B1 (ko) 2014-10-24 2016-05-26 한국표준과학연구원 원자 자력계 및 그 동작 방법
US9927501B2 (en) 2014-10-24 2018-03-27 Korea Research Institute Of Standards And Science Atomic magnetometer and operating method of the same

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