JP2015028498A - Magnetic sensor - Google Patents

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Japanese (ja)
Inventor
長坂 公夫
Kimio Nagasaka
公夫 長坂
Original Assignee
セイコーエプソン株式会社
Seiko Epson Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor having a simplified structure and capable of accurately measuring a micro magnetic field.SOLUTION: A magnetic sensor 1 measures a magnetic field by using a light pumping method, and includes: a first gas in which valence electrons are composed of an odd number of atoms or ion; a probe light incident device 11 which makes first probe light containing linear polarized light incident to the first gas; a second gas which is arranged on a light path of a second probe light being the first probe light after having passed through the first gas, and in which valence electrons are composed of an odd number of atoms or ions; a pumping light incident device 5 which makes first pumping light containing first circular polarized light to the first gas, and makes second pumping light containing second circular polarized light to the second gas; and a detection unit 15 which detects a rotation angle between a polarizing plane of the first probe light and a polarizing plane of third probe light being the second probe light after passing through the second gas.

Description

本発明は、磁気センサー等に関するものである。 The present invention relates to a magnetic sensor or the like.

従来、心磁(心臓からの磁気)や脳磁(脳からの磁気)などの生体から発生する微小な磁場を測定する生体磁気検出装置が知られている。 Conventionally, biomagnetic sensing device is known to measure the minute magnetic field generated from a living body such magnetocardiogram (magnetic from the heart) or No磁 (magnetic from the brain). このような生体磁気検出装置としては、例えば、超伝導量子干渉素子(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device)がある。 Such biological magnetic detector, for example, a superconducting quantum interference device (SQUID: Superconducting QUantum Interference Device) is. なお、SQUIDとは、例えば、超伝導リングなどの超伝導素子に一部細い部分(ジョセフソン接合)が設けられた素子(ジョセフソン素子)を用いることで、低温度環境下においてわずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能な素子(磁気センサー)である。 Note that the SQUID, for example, by using a part thinner portion the superconducting element such as a superconducting ring element (Josephson junctions) are provided (Josephson devices), slight magnetic field in a low temperature environment is possible elements to take out the change as a voltage (magnetic sensor).

図5は、従来のSQUIDの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。 Figure 5 is a schematic diagram of a magnetic flux detecting coil of an example of a conventional SQUID. 図5(a)は、1回巻きの磁束検出コイル(マグネトメーター)を示す図である。 5 (a) is a diagram illustrating the winding of the magnetic flux detecting coil once (magnetometer). 図5(b)は、互いに逆方向に巻いた平行な2つのコイルを直列につないだ磁束検出コイル(1次勾配型のグラディオメーター)を示す図である。 5 (b) is a diagram illustrating a reverse parallel wound two magnetic flux detecting coil that connect the coils in series (primary Gradient Gras Dio meters) from each other.

図5(a)に示すように、マグネトメーター101では、コイルの中に入ってくる磁場110を全て検出してしまう。 As shown in FIG. 5 (a), the magnetometer 101, thereby detecting any magnetic field 110 coming into the coil. そこで、コイルの近くから発生する磁場(例えば心磁や脳磁)のみを検出するためには、コイルから遠くに発生源を持つ磁界(例えば外部磁気雑音)によるノイズを完全に除去する方式が別途必要になる。 Therefore, in order to detect only the magnetic field (e.g. magnetocardiogram or MEG) generated from a nearby coil method to completely eliminate noise caused by the magnetic field (for example, an external magnetic noise) having a source away from the coil separately be required.

図5(b)に示すように、1次勾配型のグラディオメーター102では、互いに逆方向に巻いた2つのコイルで検出される検出信号の差として磁場110が検出される。 As shown in FIG. 5 (b), the first-order gradient type graphene audio meter 102, the magnetic field 110 is detected as a difference of the detection signals detected by the two coils wound in opposite directions. このため、コイルから遠くに発生源を持つ磁界の影響は2つのコイル間で打ち消しあってゼロとなり、コイルの近くから発生する磁場のみが検出される。 Therefore, the influence of the magnetic field having a far source coil is zero cancel each other between the two coils, only the magnetic field generated from a nearby coil is detected. しかしながら、SQUIDは超伝導素子やジョセフソン素子を用いるため高コストとなる。 However, SQUID becomes high cost for using the superconducting element and a Josephson device. また、低温度環境を維持するためには液体ヘリウムや液体窒素を冷却装置に頻繁に供給する必要があり手間がかかる。 Further, in order to maintain a low temperature environment it takes time must frequently supply liquid helium or liquid nitrogen cooling system.

一方、SQUIDを用いないで微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計がある。 On the other hand, there is an optical pumped atomic magnetometer as a method of measuring a minute magnetic field without using a SQUID. 光ポンピング原子磁力計とは、光ポンピング法(偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法)を用いて原子と磁場とを相互作用させて原子の磁化状態を検出することで磁場を測定する装置である。 The optically pumped atomic magnetometer, optical pumping method using (using polarized light polarized electron spins of atoms, polarized atomic a method for detecting with high sensitivity) to interact with the atoms and the magnetic field atoms a device for measuring the magnetic field by detecting a magnetization state. 例えば、非特許文献1及び2では、セシウムなどのアルカリ金属原子が封入されたガスセルに対して互いに異なる偏光方向を有する2つのレーザー光を入射し、ガスセルを透過した2つのレーザー光をそれぞれ2つのフォトディテクターで受光して光強度を検出している。 For example, Non-Patent Documents 1 and 2, the two having different polarization directions with respect to the gas cell which alkali metal atoms are encapsulated, such as cesium incident laser beam, the two transmitted through the gas cell laser light of two respective It detects the light intensity received by the photodetector. その後、2つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換することにより、レーザー光の強度変化の差分を演算し、これにより外部磁場の影響を除いた微小磁場の測定を行っている。 Then, by converting the optical signals detected by the two photodetectors to electrical signals, calculates the difference intensity variation of the laser beam is performed so the measurement of minute magnetic field excluding the influence of the external magnetic field.

しかしながら、非特許文献1及び2では、2つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換する際にノイズが発生してしまい、微小磁場を精度よく測定することが困難な場合がある。 However, Non-Patent Documents 1 and 2, the optical signals detected by the two photodetectors will be noise is generated when converting into an electric signal, it may be difficult to measure minute magnetic field accurately. また、検出器として2つのフォトディテクターを用いているため、磁気センサーの構造が複雑であり演算も複雑となる。 Moreover, because of the use of two photodetectors as detectors, the structure of the magnetic sensor becomes complicated complicated operation.

本発明の一態様においては、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供するものである。 In one aspect of the present invention, which can accurately measure the minute magnetic field, it is to provide a magnetic sensor that achieves a simplified structure.

本発明の一態様の磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第1ガスと、前記第1ガスに対して直線偏光を含む第1のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、前記第1ガスを透過した前記第1のプローブ光である第2のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第2ガスと、前記第1ガスに第1の円偏光を含む第1のポンピング光を入射させ、前記第2ガスに第2の円偏光を含む第2のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、前記第1のプローブ光の偏光面と前記第2ガスを透過した前記第2のプローブ光である第3のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする。 Magnetic sensor according to one embodiment of the present invention is a magnetic sensor that measures the magnetic field by using a light pumping method, a first gas valence is composed of an odd number of atoms or ions, linear with respect to the first gas and the probe light incident device for entering a first probe light including a polarization, a second valence which is disposed on the optical path of the probe light is the first probe light transmitted through the first gas is an odd number a second gas consisting of atoms or ions, wherein the first gas is incident first pumping light including a first circular polarization, incident second pumping light including the second circular polarization to the second gas a pumping light incidence apparatus for a detector for detecting the rotation angle of the first third of the polarization plane of the probe beam is the second probe light polarization plane of the probe light and transmitted through the second gas , characterized by having a.

この構成によれば、第1のポンピング光が第1ガスに入射し、第2のポンピング光が第2ガスに入射するので、第1ガスに付与される磁化と第2ガスに付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極が生じる。 According to this arrangement, the magnetization first pumping light is incident on the first gas, the second pumping light is incident on the second gas, which is applied to the magnetization and the second gas applied to the first gas Doo is the spin polarization generated in the first gas and second gas so that the different orientations. そして、第1ガス及び第2ガスを透過する前後におけるプローブ光の偏光面の回転角(ファラデー回転角)が検出される。 Then, the rotation angle of the polarization plane of the probe beam before and after passing through the first gas and the second gas (Faraday rotation angle) is detected. これにより、第1ガスにおけるスピン偏極の大きさと第2ガスにおけるスピン偏極の大きさとの差分が求められる。 Thus, the difference between the magnitude of the spin-polarized in magnitude and a second gas of the spin-polarized in the first gas is obtained. その結果、第1ガスにおける外部磁場の影響と第2ガスにおける外部磁場の影響とが相殺され、第1ガスにかかる測定対象磁場のみが測定される。 As a result, the effect of an external magnetic field in the impact and the second gas of the external magnetic field in the first gas is canceled, only the measurement target magnetic field according to the first gas is measured. つまり、非特許文献1及び2のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。 That is, without converting the optical signal into an electrical signal as in Non-Patent Document 1 and 2, the difference calculation of the optical signal. また、検出器として2つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。 Further, since no reference to two photodetectors as detectors, the structure of the magnetic sensor is simple operation also becomes smooth. したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。 Therefore, capable of measuring accurately small magnetic field, can be provided a magnetic sensor that achieves a simplified structure.

また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第1ガスにおける前記第1のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第2ガスにおける前記第2のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第1ガス及び前記第2ガスにスピン偏極を生じさせることが望ましい。 In the above magnetic sensor, the pumping light incidence device, the optical axis of said second probe light in the direction parallel to the optical axis of magnetization and the second gas in the first probe light in said first gas such that the parallel directions of magnetization and are opposite to each other, it is desirable to produce a spin-polarized in the first gas and the second gas.

この構成によれば、第1ガスにおける第1のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第2ガスにおける第2のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極が生じる。 According to this configuration, the first probe light parallel to the optical axis direction of the magnetization and the direction parallel to the optical axis of magnetization is opposite to each other of the second probe light in the second gas in the first gas so that the spin polarization generated in the first gas and the second gas. その結果、第1ガスにおける外部磁場の影響と第2ガスにおける外部磁場の影響とが確実に相殺され、第1ガスにかかる測定対象磁場のみが確実に測定される。 As a result, the effect of an external magnetic field in the impact and the second gas of the external magnetic field in the first gas is reliably canceled out, only the measurement target magnetic field according to the first gas can be reliably measured. したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。 Therefore, capable of reliably measure accurately small magnetic field, can be provided a magnetic sensor that achieves a simplified structure.

また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第1ガスに対してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第1のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第2ガスに対してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第2のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることが望ましい。 In the above magnetic sensor, the pumping light incidence device, the optical axis of either one with the magnetic field of the first probe light of a first sigma + polarization to gases and σ- polarization together is incident in a direction orthogonal to both, to both the optical axis and the other of said magnetic field and said second probe light of the second sigma + polarization to gases and σ- polarization be incident in a direction perpendicular to Te is desirable.

この構成によれば、第1ガスにおけるスピン偏極の状態と第2ガスにおけるスピン偏極の状態とを確実且つ容易に制御することができる。 According to this configuration, it is possible to control easily and reliably the state of the spin-polarized in the state and a second gas of the spin-polarized in the first gas.

また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ+偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第1ガスに入射させいずれか他方を前記第2ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有していてもよい。 In the above magnetic sensor, the pumping light incidence device, a light source for emitting light, the light emitted from the light source is separated into a sigma + polarized light and σ- polarized light, and the sigma + polarized light and the σ- polarization a polarization separation optical system for entering the other one is incident on the first gas either in the second gas of the may have.

この構成によれば、第1ガスに光を入射する光源と第2ガスに光を入射する光源とを共通化することができるため、装置構成を簡略化することができる。 According to this arrangement, it is possible to share the light source for light to enter the light source and the second gas entering the light into the first gas, it is possible to simplify the device configuration.

また、上記磁気センサーにおいては、前記偏光分離光学系は、前記光源から射出された光をP偏光とS偏光とに分離する偏光分離膜と、前記偏光分離膜によって分離された前記P偏光と前記S偏光とのうちのいずれか一方に対して1/4波長の位相差を付与して前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第1ガスに入射させる第1位相差板と、前記偏光分離膜によって分離された前記P偏光と前記S偏光とのうちのいずれか他方に対して1/4波長の位相差を付与して前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第2ガスに入射させる第2位相差板と、を有していてもよい。 In the above magnetic sensor, the polarization separation optical system includes a polarization separation film that separates light emitted from the light source into P polarized light and S polarized light, the P-polarized light separated by the polarization separation films said converting either one of said σ- polarization and imparting to the sigma + polarization phase difference of a quarter wavelength with respect to either one of the S-polarized light, the said sigma + polarization σ- polarization 1/4 to either a first retardation plate for one incident on the first gas, the other one of said polarization separating the P-polarized light separated by the membrane and the S-polarized light among the by applying a phase difference of the wavelength is converted to any other of said σ- polarized light and the sigma + polarization, is incident on the other one of the said sigma + polarized light and the σ- polarized light to the second gas a second retardation plate, may have.

この構成によれば、偏光分離光学系を市販の偏光ビームスプリッターや1/4波長板を用いて安価に提供することができる。 According to this configuration, it is possible to provide a low cost by using the polarization separation optical system of commercially available polarizing beam splitter and a quarter-wave plate.

また、上記磁気センサーにおいては、前記第1ガスと前記第2ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。 In the above magnetic sensor, the first gas and the second gas may be sealed in the same cell.

この構成によれば、第1ガスと第2ガスとが同一セル内に封入されているので、第1ガスと第2ガスとが別々のセルに封入される場合に比べて装置構成が簡単になる。 According to this configuration, since the first gas and the second gas is sealed in the same cell, device configuration simpler than in the case where the first gas and the second gas is sealed in separate cells Become. また、第1ガスと第2ガスを別々のセルに封入した場合には、プローブ光の光軸と各セルとのアライメントを別々に行わなければならないが、第1ガスと第2ガスとを同一セルに封入した場合には、このようなアライメント作業が1回で済むため、セッティングが容易になる。 Moreover, when encapsulating the first gas and the second gas in separate cells, but must perform alignment between the optical axis and each cell of the probe light separately, the same first gas and the second gas when encapsulated in the cell, such an alignment work for only once, setting is facilitated.

本発明の磁気センサーを示す模式図である。 It is a schematic view showing a magnetic sensor of the present invention. 第1のセル内における原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。 It is a diagram illustrating a change in the magnetization vector of the atoms of the first in the cell. 相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。 Is a diagram showing the relationship of the magnetization relative Larmor frequency. 光ポンピング後の磁化ベクトルの軌跡を示す図である。 It is a diagram showing a trajectory of the magnetization vector after optical pumping. 従来のSQUIDの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。 It is a schematic diagram of a magnetic flux detecting coil of an example of a conventional SQUID.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of the present invention are described. かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。 Such an embodiment, showing an embodiment of the present invention, not intended to limit the invention, it can be arbitrarily modified within the technical scope of the present invention. また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。 Also, in the drawings below, for easy understanding of each configuration, the scale and numbers in the actual structure and the structure is different.

図1は本発明の磁気センサー1の概略構成を示す模式図である。 Figure 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a magnetic sensor 1 of the present invention. 図1に示すように、磁気センサー1は、光ポンピング法(偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法)を用いて測定対象磁場(磁場発生源10から発生する微小磁場、例えば心磁や脳磁)を測定するものである。 As shown in FIG. 1, the magnetic sensor 1, the optical pumping method measured using (using polarized light polarized electron spins of atoms, a polarized atomic method of detecting with high sensitivity) target field (magnetic field generator minute magnetic field generated from a source 10, which measures the example magnetocardiogram and MEG). なお、以下の説明では、測定対象磁場の方向をZ軸とし、Z軸と直交する平面内の2方向をX軸及びY軸とするXYZ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。 In the following description, the direction of the measurement target magnetic field and Z-axis, the two directions in a plane perpendicular to the Z-axis by using an XYZ orthogonal coordinate system with the X-axis and Y-axis, the configuration and arrangement of the members explain.

磁気センサー1は、第1のセル13と、第2のセル14と、プローブ光入射装置11と、ポンピング光入射装置5と、検出器15と、を具備して構成されている。 The magnetic sensor 1 includes a first cell 13, a second cell 14, the probe light incident device 11, a pumping light incidence device 5 is configured by including a detector 15, a.

第1のセル13、第2のセル14は、Y軸方向に互いに直列に配置されている。 The first cell 13, second cell 14 are arranged in series with each other in the Y-axis direction. 第2のセル14は、第1のセル13を透過したプローブ光L1(第2のプローブ光)の光路上に配置されている。 The second cell 14 is disposed on the optical path of the probe light transmitted through the first cell 13 L1 (second probe light). 第1のセル13は磁場発生源10に相対的に近い位置に配置され、第2のセル14は磁場発生源10に相対的に遠い位置に配置されている。 The first cell 13 is disposed relatively close to the magnetic source 10, the second cell 14 is disposed in a position relatively distant to the source 10. 第1のセル13には、Z軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場B1がかかっている。 The first cell 13, is under a magnetic field B1 which is a synthetic magnetic field of the external magnetic field and the measured magnetic field in the Z-axis direction. 第2のセル14には、Z軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場B2がかかっている。 The second cell 14, is under the magnetic field B2 to be synthesized magnetic field and the external magnetic field and the measured magnetic field in the Z-axis direction. ここで、第2のセル14は磁場発生源10に対して遠い位置に配置されているため、第2のセル14にかかる測定対象磁場は無視できるほど小さい。 Here, the second cell 14 because it is located farther to the magnetic field generating source 10, small as measured magnetic field of the second cell 14 is negligible. つまり、第2のセル14には、Z軸方向において外部磁場のみがかかっているとみなすことができる。 That is, the second cell 14 can be viewed as only the external magnetic field is taking in the Z-axis direction.

第1のセル13、第2のセル14の内部には、それぞれ価電子が奇数個の原子またはイオンからなる第1ガス、第2ガスが封入されている。 The first cell 13, the inside of the second cell 14, the first gas, each valence electrons is an odd number of atoms or ions, the second gas is sealed. 本実施形態では、第1ガス及び第2ガスが、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属原子からなっている。 In the present embodiment, the first gas and second gas, potassium, rubidium, and is an alkali metal atom such as cesium. なお、第1のセル13、第2のセル14の内部におけるアルカリ金属原子の密度を大きくするために、必要に応じて第1のセル13、第2のセル14に対して加熱を行ってもよい。 The first cell 13, in order to increase the density of the alkali metal atoms inside the second cell 14, the first cell 13 as needed, be heated to the second cell 14 good.

また、第1のセル13及び第2のセル14の内部には、ネオン、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスと、水素や窒素などの非磁性のガスとの少なくとも一方のガスが封入されていてもよい。 Inside the first cell 13 and second cell 14, neon, helium, argon, and a rare gas such as xenon, at least one of gas and the non-magnetic gas such as hydrogen or nitrogen is sealed it may be. これにより、第1のセル13及び第2のセル14に封入されたアルカリ金属原子が互いに衝突したりセル部内壁に衝突したりすることが緩和される。 Accordingly, it is relaxed to alkali metal atoms sealed in the first cell 13 and second cell 14 collides to the cell inner wall or collide with each other.

プローブ光入射装置11は、直線偏光を射出するレーザー照射装置である。 Probe light incidence device 11 is a laser irradiation device that emits linearly polarized light. プローブ光入射装置11は、反射ミラー21を介して第1のセル13に対して磁場B1と平行な方向(Z軸方向)に振動する直線偏光からなるプローブ光L1(第1のプローブ光)を磁場B1と直交する方向(Y軸方向)に入射させる。 Probe light incidence device 11, the first cell 13 in a direction parallel with the magnetic field B1 against via the reflecting mirror 21 (Z-axis direction) consisting of linearly polarized light vibrating in the probe light L1 (first probe light) It is incident in a direction (Y axis direction) perpendicular to the magnetic field B1.

ポンピング光入射装置5は、第1のセル13及び第2のセル14に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第1のセル13内の第1ガスに付与されるプローブ光L1(第1のプローブ光)の光軸と平行な方向の磁化と、第2のセル14内の第2ガスに付与されるプローブ光L1(第2のプローブ光)の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極を生じさせる機能を有する。 Pumping light incidence device 5 is incident pumping light comprising circularly polarized light to the first cell 13 and second cell 14, the probe light L1 applied to the first gas in the first cell 13 (No. the direction of magnetization parallel to the optical axis of the first probe light), the magnetization in the direction parallel to the optical axis of the probe light L1 applied to the second gas in the second cell 14 (second probe light) , but has a function of generating a spin-polarized in a first gas and second gas so as to opposite to each other.

ポンピング光入射装置5は、第1のセル13に対してσ+偏光(右円偏光、X軸に沿う光の進行方向に対して右回りの円偏光)とσ−偏光(左円偏光、X軸に沿う光の進行方向に対して左回りの円偏光)とのうちのいずれか一方を磁場B1,B2とプローブ光L1(第1のプローブ光)の光軸との双方に対して直交する方向(X軸方向)に入射させる機能を有する。 Pumping light incidence device 5, sigma + polarized light to the first cell 13 (right circularly polarized light, the traveling direction of light along the X-axis clockwise circularly polarized light) and σ- polarized light (left-circularly polarized light, X-axis direction orthogonal to both the optical axis of the magnetic field B1 either, B2 and the probe light L1 (first probe light) of the counterclockwise circularly polarized light) with respect to the traveling direction of light along the It has a function of entering the (X axis direction). 一方、ポンピング光入射装置5は、第2のセル14に対してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を磁場B1,B2とプローブ光L1(第2のプローブ光)の光軸との双方に対して直交する方向(X軸方向)に入射させる機能を有する。 On the other hand, the pumping light incidence device 5, the optical axis of the magnetic field B1 one other of the sigma + polarized light and σ- polarized light to the second cell 14, B2 and the probe light L1 (second probe light) It has a function of incident in the direction (X axis direction) orthogonal to both. 本実施形態のポンピング光入射装置5は、第1のセル13に対してσ+偏光(第1のポンピング光)を入射させ、第2のセル14に対してσ−偏光(第1のポンピング光)を入射させている。 Pumping light incidence device 5 of the present embodiment, it is incident sigma + polarized light to the first cell 13 (first pumping light), .sigma. polarized light to the second cell 14 (first pumping light) It is allowed to be incident.

ポンピング光入射装置5は、光を射出する光源12と、光源12から射出された光をσ+偏光とσ−偏光とに分離し、σ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を第1のセル13に入射させ、いずれか他方を第2のセル14に入射させる偏光分離光学系20と、を具備して構成されている。 Pumping light incidence device 5 includes a light source 12 for emitting light, the light emitted from the light source 12 is separated into a sigma + polarized light and σ- polarized light, either one of the sigma + polarized light and σ- polarized first to be incident on the cell 13, and is configured by including a polarization separation optical system 20 for entering the other one in the second cell 14, a. 本実施形態の偏光分離光学系20は、第1のセル13に対してσ+偏光を入射させ、第2のセル14に対してσ−偏光を入射させている。 Polarization separating optical system 20 of the present embodiment, by the incidence of sigma + polarized light to the first cell 13, .sigma. is incident polarization to the second cell 14.

光源12は、P偏光とS偏光とを含む光を射出する光源である。 Light source 12 is a light source that emits light including P-polarized light and S-polarized light. 偏光分離光学系20は、偏光分離膜23と、第1位相差板24と、第2位相差板25と、反射ミラー22と、を具備して構成されている。 Polarization separating optical system 20 includes a polarization separation film 23, the first phase difference plate 24, and the second phase difference plate 25, and is configured by including a reflecting mirror 22, a. 偏光分離膜23は、光源12から射出された光をP偏光とS偏光とに分離する機能を有する。 Polarization splitting film 23 has a function of separating the light emitted from the light source 12 into P polarized light and S polarized light. 偏光分離膜23は、例えば、PBS(偏光ビームスプリッター)により構成されている。 Polarization separation film 23, for example, composed of PBS (polarization beam splitter). 第1位相差板24は、偏光分離膜23によって分離されたP偏光とS偏光とのうちのいずれか一方に対して1/4波長の位相差を付与してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し第1のセル13に入射させる機能を有する。 The first retardation plate 24, the polarization by applying a phase difference of 1/4 wavelength with respect to either one of the P polarized light separated and S polarized light by the separation membrane 23 sigma + polarized light and σ- polarization converting either one of the out has a function of entering the first cell 13. 第2位相差板25は、偏光分離膜23によって分離されたP偏光とS偏光とのうちのいずれか他方に対して1/4波長の位相差を付与してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し第2のセル14に入射させる機能を有する。 The second phase difference plate 25, the polarization by applying a phase difference of 1/4 wavelength with respect to any other of the P polarized light and S polarized light separated by the separation membrane 23 sigma + polarized light and σ- polarization converting one to the other out has a function of entering the second cell 14.

本実施形態の第1位相差板24は、偏光分離膜23によって分離されたS偏光に対して1/4波長の位相差を付与してσ+偏光に変換し、σ+偏光を第1のセル13に入射させている。 The first phase difference plate 24 of the present embodiment, by giving a phase difference of 1/4 wavelength with respect to S polarized light separated by the polarization separation film 23 into a sigma + polarization, sigma + polarization first cell 13 and is incident to. 一方、第2位相差板25は、偏光分離膜23によって分離されたP偏光に対して1/4波長の位相差を付与してσ−偏光に変換し、σ−偏光を第2のセル14に入射させている。 On the other hand, the second phase difference plate 25 is to impart a phase difference of 1/4 wavelength with respect to P-polarized light separated by the polarization separation film 23 .sigma. converted into polarized light, .sigma. polarization second cell 14 and is incident to.

光源12からX軸方向に射出されたP偏光とS偏光とを含む光は、偏光分離膜23に入射されると、一方の偏光成分であるS偏光が偏光分離膜23によって反射され、他方の偏光成分であるP偏光が偏光分離膜23を透過する。 Light including the P polarized light emitted from the light source 12 in the X axis direction and the S polarized light, when incident on the polarization separation film 23, one of the S-polarized light is polarized light component is reflected by the polarization separation film 23, the other P-polarized light is transmitted through the polarization separation film 23 is a polarization component. 偏光分離膜23で反射されたS偏光は、反射ミラー22を介して第1位相差板24に入射され、1/4波長の位相差が付与されてσ+偏光に変換される。 S-polarized light reflected by the polarization separation film 23 is incident on the first phase difference plate 24 via the reflecting mirror 22, a phase difference of 1/4 wavelength is converted into granted by sigma + polarization. そして、σ+偏光が第1のセル13に対してX軸方向に平行に入射する。 Then, sigma + polarized light is incident parallel to the X-axis direction with respect to the first cell 13. 一方、偏光分離膜23を透過したP偏光は、第2位相差板25に入射され、1/4波長の位相差が付与されてσ−偏光に変換される。 On the other hand, P polarized light that has transmitted through the polarization separation film 23 is incident on the second phase difference plate 25, the phase difference of 1/4 wavelength is converted granted σ- polarization. そして、σ−偏光が第2のセル14に対してX軸方向に平行に入射する。 Then, .sigma. polarized light is incident parallel to the X-axis direction with respect to the second cell 14. 本実施形態では、σ+偏光、σ−偏光がそれぞれ第1ガスが封入された第1のセル13、第2ガスが封入された第2のセル14に入射するようになっているが、σ+偏光、σ−偏光がそれぞれ第2ガスが封入された第2のセル14、第1ガスが封入された第1のセル13に入射する構成でも構わない。 In the present embodiment, sigma + polarization, .sigma. first cell 13 the polarization is first gas, respectively are filled, the second gas is adapted to enter the second cell 14 is sealed, sigma + polarization , .sigma. second cell 14 the polarization is the second gas, respectively are filled, the first gas may be adapted to be incident on the first cell 13 is sealed.

本実施形態の磁気センサー1は、第1のセル13、第2のセル14にそれぞれ入射するσ+偏光、σ−偏光の入射方向(X軸方向)が磁場B1,B2のかかる方向(Z軸方向)に対して直交する横方向光ポンピングを採用している。 Magnetic sensor 1 of this embodiment, the first cell 13, sigma + polarized light respectively incident to the second cell 14, .sigma. incident direction of polarization (X-axis direction) direction consuming magnetic field B1, B2 (Z-axis direction It adopts the transverse optical pumping orthogonal to).

検出器15は、第1のプローブ光の偏光面と第2のセル14を透過した第2のプローブ光である第3のプローブ光の偏光面との回転角(第1のセル13及び第2のセル14を透過する前後におけるプローブ光L1の偏光面の回転角)(ファラデー回転角)を検出する機能を有する。 Detector 15, the rotation angle between the first polarization plane of the probe light and the third polarization plane of the probe beam is a second probe light transmitted through the second cell 14 (first cell 13 and the second It has a function of detecting the rotation angle of the polarization plane of the probe beam L1) (Faraday rotation angle) before and after passing through the cell 14. 検出器15は、例えば、PBS(偏光ビームスプリッター)と、フォトディテクターとを具備して構成されている。 Detector 15, for example, a PBS (polarization beam splitter), and is configured by including a photodetector. なお、PBSに替えてウォーラストンプリズムを用いることもできる。 It is also possible to use a Wollaston prism instead of PBS. そして、PBSにより直線偏光からなるプローブ光L1の偏光成分を分離し、光量の差分をフォトディテクターにより電気的に演算することで、磁場発生源10から発生する微小磁場のみを測定することができる。 Then, separating the polarization components of the probe light L1 made of linearly polarized light by the PBS, the difference between the amount of light by electrically calculation by the photodetector, it is possible to measure only small magnetic field generated from the source 10. 本実施形態では、非特許文献1及び2のように、検出器として2つのフォトディテクターを用いていない。 In the present embodiment, as in Non-Patent Documents 1 and 2, not using two photodetectors as detectors.

図2は、第1のセル13に対してポンピング光入射装置5から射出されたX軸方向のσ+偏光が入射した後の第1のセル13内におけるアルカリ金属原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。 Figure 2 is a graph showing changes in the magnetization vector of the alkali metal atoms in the first cell 13 after the X-axis direction of the sigma + polarized light emitted from the pumping light incidence device 5 with respect to the first cell 13 is incident it is. 図2(a)は、第1のセル13にσ+偏光が入射した直後のアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。 2 (a) is, sigma + polarized light to the first cell 13 is a diagram showing a magnetization vector of the alkali metal atom immediately after the incident. 図2(b)は、第1のセル13にσ+偏光が入射した後、しばらく時間が経過したときのアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。 2 (b) is, after the incident sigma + polarized light to the first cell 13 is a diagram showing a magnetization vector of the alkali metal atoms upon lapse of some time.

図2(a)に示すように、第1のセル13にX軸方向のσ+偏光が入射すると、アルカリ金属原子の最外殻電子がスピン偏極する。 As shown in FIG. 2 (a), the X-axis direction of the sigma + polarized light is incident on the first cell 13, outermost electrons of the alkali metal atoms are spin-polarized. 具体的には、X軸方向のσ+偏光が角運動量+h/2π(hはプランク定数)を有していることから、σ+偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量+h/2πを保存してX軸の正の方向に磁気モーメントが向く。 Specifically, the X-axis direction sigma + polarization angular momentum + h / 2π (h is Planck's constant) store since it has, sigma + alkali metal atoms absorbing the polarized light temporarily angular momentum + h / 2 [pi and the magnetic moment is oriented in the positive direction of the X axis. ここで、第1のセル13内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。 Here, the magnetization vector in the first cell 13 is represented by the sum of the magnetic moments of a number of alkali metal atoms. 第1のセル13内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼX軸の正の方向に揃っているため、これに倣って磁化ベクトルの方向がX軸の正の方向を向き、X軸の正の方向に強い磁化が形成される。 Within the first cell 13, since the direction of the magnetic moment of each alkali metal atoms are aligned in the positive direction of the substantially X-axis, the direction of the magnetization vector is oriented in the positive direction of the X-axis to follow thereto, X strong magnetization is formed in the positive direction of the axis.

図2(b)に示すように、第1のセル13にσ+偏光が入射した後、しばらく時間が経過すると、第1のセル13にかかるZ軸方向の磁場B1の作用から、アルカリ金属原子の電子スピンがラーマー歳差運動を開始してXY平面内で回転する。 As shown in FIG. 2 (b), after the sigma + polarized light is incident on the first cell 13, after a lapse of some time, from the action of the magnetic field B1 in the Z axis direction of the first cell 13, the alkali metal atoms electron spin is rotated in the XY plane to start the Larmor precession. 第1のセル13内では、各アルカリ金属原子の電子スピンにおけるラーマー歳差運動の周波数(ラーマー周波数)が異なるため、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がばらつく。 Within the first cell 13, the frequency of the Larmor precession in the electron spin of each alkali metal atom (Larmor frequency) are different, vary the direction of the magnetic moment of each alkali metal atom. 各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がランダムな方向を向くと、これに伴い磁化ベクトルが小さくなり、最終的に磁化が消滅する(横方向緩和)。 When the direction of the magnetic moment of each alkali metal atom is oriented in random directions, the magnetization vector becomes small with this, ultimately magnetization disappears (transverse relaxation). なお、XY平面内に磁化ベクトルが発生してから消滅するまでの速度を横緩和速度という。 Incidentally, the speed of up to the magnetization vector in the XY plane disappears from the occurrence of transverse relaxation rates.

図3は、横方向光ポンピングにおける相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。 Figure 3 is a diagram showing the relative Larmor frequency and the magnetization of the relationship in the transverse direction optical pumping. 図3において、横軸は相対ラーマー周波数を示し、縦軸は磁化を示している。 3, the horizontal axis represents the relative Larmor frequency and the vertical axis represents magnetization. ここで、相対ラーマー周波数は、ラーマー周波数をW、横緩和速度をVとすると、W/Vで表される。 Here, the relative Larmor frequency and the Larmor frequency W, the transverse relaxation rate is V, is represented by W / V. 図3中の実線Mxは磁化ベクトルのX軸方向成分を示し、破線Myは磁化ベクトルのY軸方向成分を示している。 Solid Mx in Figure 3 shows the X-axis direction component of the magnetization vector, a broken line My represents the Y-axis direction component of the magnetization vector.

図3に示すように、磁化ベクトルのX軸方向成分Mxは、山なりの曲線となっており、相対ラーマー周波数が0のときに極大となっている。 As shown in FIG. 3, X-axis direction component Mx of the magnetization vector is a curve of Nari mountains, relative Larmor frequency is in the maximum when 0. 一方、磁化ベクトルのY軸方向成分Myは、相対ラーマー周波数が−1のときに極大となり、相対ラーマー周波数が1のときに極小となっている。 On the other hand, Y-axis direction component My of the magnetization vector relative Larmor frequency becomes maximum when -1, the relative Larmor frequency is in the minimum when the 1. 図3の破線My上の点aはラーマー周波数Wが横緩和速度Vに対して比較的小さいときの磁化を示している(W<<V)。 a point on the broken line My in Figure 3 shows the magnetization when the Larmor frequency W is relatively small relative to the transverse relaxation rate V (W << V). また、点bはラーマー周波数Wが横緩和速度Vとほぼ同じになるときの磁化(極大値)を示している(W≒V)。 A point b represents the magnetization (maximum value) when the Larmor frequency W is substantially equal to the transverse relaxation rate V (W ≒ V). また、点cはラーマー周波数Wが横緩和速度Vに対して大きいときの磁化を示している(W>V)。 Also, point c indicates the magnetization when the Larmor frequency W is large relative to the transverse relaxation rate V (W> V).

図4は、光ポンピング後のXY平面内における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。 Figure 4 is a diagram showing the trajectory of magnetization vector in the XY plane after the optical pumping. 図4(a)は、図3の破線My上の点a(W<<V)における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。 4 (a) is a diagram showing the trajectory of magnetization vector in a point on the broken line My in FIG 3 a (W << V). 図4(b)は、図3の破線My上の点b(W≒V)における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。 4 (b) is a diagram showing the trajectory of magnetization vector in the points on the broken line in FIG. 3 My b (W ≒ V). 図4(c)は、図3の破線My上の点c(W>V)における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。 Figure 4 (c) is a diagram showing the trajectory of magnetization vector in the c (W> V) point on the broken line in FIG. 3 My. なお、図4中の原点は磁化が磁化ベクトル成分を持たない場合、つまり外部磁場がかからない場合(磁化がゼロ)を示している。 Incidentally, the origin in FIG. 4 shows the case where the magnetization does not have a magnetization vector component, that is, when the external magnetic field is not applied (the magnetization is zero).

図4(a)に示すように、点a(W<<V)における磁化ベクトルの軌跡は半円状になっており、X軸上の所定の点から原点に向かっている。 As shown in FIG. 4 (a), the locus of the magnetization vector at the point a (W << V) has become a semi-circular shape, and toward the origin from a predetermined point on the X axis. また、矢印の向きはアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の方向を示している。 Further, the direction of the arrow indicates the direction of the Larmor precession of the electron spin of the alkali metal atoms. つまり、磁化ベクトルの軌跡は、磁化ベクトルの先端をつないだ軌跡(磁化ベクトルの変化)を示している。 That is, the trajectory of the magnetization vector indicates the locus defined by connecting the tip of the magnetization vector (change of the magnetization vector).

図4(b)に示すように、点b(W≒V)における磁化ベクトルの軌跡はスパイラル状になっており、X軸上の所定の点から原点に向かっている。 As shown in FIG. 4 (b), the locus of the magnetization vector at the point b (W ≒ V) has become a spiral shape, and toward the origin from a predetermined point on the X axis. また、図4(c)に示すように、点b(W>V)における磁化ベクトルの軌跡は図4(b)よりも大きいスパイラル状になっており、X軸上の所定の点から原点に向かっている。 Further, as shown in FIG. 4 (c), the locus of the magnetization vector at the point b (W> V) has become a large spiral than FIG. 4 (b), the origin from a predetermined point on the X axis headed are.

ここで、第1のセル13にかかる磁場B1が弱磁場の場合(図3中の点a近傍)、磁場B1の強度に比例した磁化ベクトルのY軸方向成分Myが生じる。 Here, if the magnetic field B1 of the first cell 13 is a weak magnetic field (a near point in FIG. 3), the Y-axis direction component My of the magnetization vector in proportion to the intensity of the magnetic field B1 occurs. このとき、磁化ベクトルのY軸方向成分Myは負の値を有する。 In this case, Y-axis direction component My of the magnetization vector has a negative value. 図4(a)の点a(W<<V)における磁化ベクトルの軌跡を見ても、原点近傍において矢印の向きがY軸の負の方向を向いており、磁化ベクトルのY軸方向成分Myが負の値を有することが確認される。 Looking at the trajectory of magnetization vector in a (W << V) point in FIG. 4 (a), the direction of the arrow at the origin vicinity thereof faces the negative direction of the Y-axis, Y-axis direction component of the magnetization vector My There it is confirmed to have a negative value.

一方、図示はしないが、第2のセル14にX軸方向のσ−偏光が入射すると、X軸方向のσ−偏光が角運動量−h/2π(hはプランク定数)を有していることから、σ−偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量−h/2πを保存してX軸の負の方向に磁気モーメントが向く。 On the other hand, although not shown, to have the σ- polarized in the X-axis direction in the second cell 14 is incident, the X-axis direction of σ- polarization angular momentum -h / 2 [pi a (h is Planck's constant) from, .sigma. alkali metal atoms absorbing the polarized faces the negative direction to the magnetic moment of the X-axis by temporarily storing angular momentum -h / 2 [pi. ここで、第2のセル14内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。 Here, the magnetization vector in the second cell 14 is represented by the sum of the magnetic moments of a number of alkali metal atoms. 第2のセル14内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼX軸の負の方向に揃い、これに倣って磁化ベクトルの方向がX軸の負の方向を向き、X軸の負の方向に強い磁化が形成される。 Within the second cell 14, aligned in the negative direction of the substantially X-axis direction of the magnetic moment of each alkali metal atom, the direction of the magnetization vector is oriented in the negative direction of the X-axis to follow this, the negative X-axis strong magnetization is formed in the direction.

この場合、第2のセル14内におけるアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の回転方向は、上述の第1のセル13内における回転方向と同じになる。 In this case, the rotation direction of the electron spin Larmor precession of the alkali metal atoms in the second cell 14 is the same as the rotation direction of the first cell 13 described above. したがって、第2のセル14内における磁化ベクトルのY軸方向成分Myは、上述の第1のセル13内における磁化ベクトルの方向と反対の方向となり、正の値を有することになる。 Therefore, Y-axis direction component My of the magnetization vector in the second cell 14 becomes the direction of the magnetization vector in the first cell 13 of the above-mentioned opposite direction, it will have a positive value. つまり、第1のセル13内における磁化ベクトルと、第2のセル14内における磁化ベクトルとのY軸方向成分Myは向きが反対になる(正負が異なる)。 That is, the magnetization vector in the first cell 13, Y-axis direction component My of the magnetization vector in the second cell 14 faces is opposite (positive or negative is different).

図1に示すように、プローブ光入射装置11から射出されたY軸を中心軸としてZ軸方向に振動する直線偏光は第1のセル13を透過した後、第1のセル13内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がXZ平面内において回転する(ファラデー回転)。 As shown in FIG. 1, after linearly polarized light vibrating in the Z-axis direction as a center axis the Y axis emitted from the probe light incidence device 11 is transmitted through the first cell 13, the magnetization vector in the first cell 13 by the action, the polarization plane of the linearly polarized light is rotated in the XZ plane (Faraday rotation). 具体的には、直線偏光は第1のセル13を透過した後、第1のセル13内における磁化ベクトルのY軸方向成分Myが負の値を有することにより、直線偏光の偏光面がXZ平面内においてY軸を中心にR1方向(右回り)に回転する。 Specifically, after linearly polarized light is transmitted through the first cell 13, by Y-axis direction component My of the magnetization vector in the first cell 13 has a negative value, the polarization plane of the linearly polarized light XZ plane It rotates in the R1 direction (clockwise) about the Y axis in the inner. なお、直線偏光の偏光面のXZ平面内における回転角(ファラデー回転角)は、磁化ベクトルのY軸方向成分Myと比例関係を有する。 The rotation angle in the XZ plane of the polarization plane of linearly polarized light (Faraday rotation angle) has a Y-axis direction component My a proportional relationship of the magnetization vector.

そして、直線偏光は第2のセル14を透過した後、第2のセル14内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がXZ平面内において上述の第1のセル13を透過した後の回転方向と反対の方向に回転する。 After linearly polarized light transmitted through the second cell 14, by the action of the magnetization vector in the second cell 14, after the polarization plane of the linearly polarized light is transmitted through the first cell 13 described above in the XZ plane It rotates in a rotational direction opposite to the direction. 具体的には、直線偏光は第2のセル14を透過した後、第2のセル14内における磁化ベクトルのY軸方向成分Myが正の値を有することにより、直線偏光の偏光面がXZ平面内においてY軸を中心にR2方向(左回り)に回転する。 Specifically, after linearly polarized light is transmitted through the second cell 14, by Y-axis direction component My of the magnetization vector in the second cell 14 has a positive value, the polarization plane of the linearly polarized light XZ plane It rotates about the Y-axis direction of R2 (counterclockwise) in the inner.

このように、第1のセル13内における磁化ベクトルと、第2のセル14内における磁化ベクトルとのY軸方向成分Myは向きが反対なので、直線偏光が第1のセル13を透過した後のファラデー回転角と、第2のセル14を透過した後のファラデー回転角との回転方向が反対になる。 Thus, the magnetization vector in the first cell 13, Y-axis direction component My of the magnetization vector in the second cell 14 so orientation is opposite, the linearly polarized light after passing through the first cell 13 and the Faraday rotation angle, the rotation direction of the Faraday rotation angle after passing through the second cell 14 is reversed.

また、ファラデー回転角は磁場の強さに比例する。 Further, the Faraday rotation angle is proportional to the strength of the magnetic field. 具体的には、直線偏光が第1のセル13を透過した後のファラデー回転角は、第1のセル13にかかる磁場B1の強さに比例する。 Specifically, the Faraday rotation angle after the linearly polarized light is transmitted through the first cell 13 is proportional to the intensity of the magnetic field B1 of the first cell 13. そして、さらに第2のセル14を透過した後のファラデー回転角は、第2のセル14にかかる磁場B2の強さに比例する。 Then, further Faraday rotation angle after passing through the second cell 14 is proportional to the intensity of the magnetic field B2 of the second cell 14. このため、検出器15によって第2のセル14を透過した後のファラデー回転角を検出することにより、第1のセル13にかかる磁場B1と第2のセル14にかかる磁場B2との差分(B1−B2)を求めることができる。 Therefore, by detecting the Faraday rotation angle after passing through the second cell 14 by the detector 15, with the magnetic field B1 of the first cell 13 the difference between the magnetic field B2 of the second cell 14 (B1 -B2) can be obtained. 本実施形態では、非特許文献1及び2のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。 In the present embodiment, without converting an optical signal into an electrical signal as in Non-Patent Documents 1 and 2, the difference calculation of the optical signal. したがって、第1のセル13にかかる外部磁場と第2のセル14にかかる外部磁場とが相殺され、その結果、第1のセル13にかかる測定対象磁場が求められる。 Therefore, an external magnetic field according to an external magnetic field and a second cell 14 according to the first cell 13 is canceled, as a result, the measurement target magnetic field of the first cell 13 is determined.

本実施形態の磁気センサー1によれば、第1のセル13における第1のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第2のセル14における第2のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極が生じる。 According to the magnetic sensor 1 of the present embodiment, the first second direction parallel to the optical axis of the probe light in the magnetization of the optical axis and a direction parallel to the second cell 14 of the probe light in the first cell 13 as magnetization and is opposite to each other is spin polarization generated in the first gas and the second gas. そして、第1ガス及び第2ガスを透過する前後におけるプローブ光L1の偏光面の回転角(ファラデー回転角)が検出される。 Then, the rotation angle of the polarization plane of the probe light L1 before and after passing through the first gas and the second gas (Faraday rotation angle) is detected. これにより、第1のセル13にかかる磁場B1と第2のセル14にかかる磁場B2との差分(B1−B2)が求められる。 Thus, the first magnetic field B1 according to the cell 13 the difference between the magnetic field B2 of the second cell 14 (B1-B2) is obtained. その結果、第1のセル13にかかる外部磁場と第2のセル14にかかる外部磁場とが相殺され、第1のセル13にかかる測定対象磁場が測定される。 As a result, the external magnetic field according to an external magnetic field and a second cell 14 according to the first cell 13 is canceled, measured magnetic field of the first cell 13 is measured. つまり、非特許文献1及び2のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。 That is, without converting the optical signal into an electrical signal as in Non-Patent Document 1 and 2, the difference calculation of the optical signal. また、検出器として2つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。 Further, since no reference to two photodetectors as detectors, the structure of the magnetic sensor is simple operation also becomes smooth. したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサー1が提供できる。 Therefore, capable of measuring accurately small magnetic field, the magnetic sensor 1 that achieves a simplified structure can be provided.

なお、本実施形態の磁気センサー1は、第1ガスが第1のセル13に封入され、第2ガスが第2のセル14に封入され、2つのセルで構成されているが、これに限らない。 The magnetic sensor 1 of the present embodiment, the first gas is sealed in the first cell 13, the second gas is enclosed in the second cell 14, it is composed of two cells, limited to Absent. 例えば、第1ガスと第2ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。 For example, the first gas and the second gas may be sealed in the same cell.

この構成によれば、第1ガスと第2ガスとが同一セル内に封入されているので、精度よく微小磁場を測定することが可能な、格段に構造の簡素化を図った磁気センサー1が提供できる。 According to this configuration, since the first gas and the second gas is sealed in the same cell, which can accurately measure the small magnetic field, the magnetic sensor 1 that achieves a simplified remarkably structure It can be provided.

また、本実施形態の磁気センサー1では、ポンピング光入射装置5が第1のセル13に対してX軸方向にσ+偏光を入射し、第2のセル14に対してX軸方向にσ−偏光を入射しているが、これに限らない。 Further, in the magnetic sensor 1 of the present embodiment, incident sigma + polarization in the X-axis direction with respect to the pump light incident device 5 first cell 13, the X-axis direction σ- polarized light to the second cell 14 Although incident, not limited to this. 例えば、ポンピング光入射装置5が第1のセル13に対してX軸方向にσ−偏光を入射し、第2のセル14に対してX軸方向にσ+偏光を入射していてもよい。 For example, .sigma. incident polarized light in the X-axis direction with respect to the pump light incident device 5 first cell 13, may enter the sigma + polarization in the X-axis direction with respect to the second cell 14. すなわち、ポンピング光入射装置5は、第1のセル13及び第2のセル14に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第1のセル13内の第1ガスに付与されるプローブ光L1の光軸と平行な方向の磁化と、第2のセル14内の第2ガスに付与されるプローブ光L1の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極を生じさせていればよい。 That is, the pumping light incidence device 5 is incident pumping light comprising circularly polarized light to the first cell 13 and second cell 14, the probe light is applied to the first gas in the first cell 13 L1 of the magnetization of the direction parallel to the optical axis, the direction of magnetization parallel to the optical axis of the probe light L1 applied to the second gas in the second cell 14, but the first gas so as to be opposite to each other and it is sufficient to cause a spin-polarized in a second gas.

また、本実施形態の磁気センサー1では、ポンピング光入射装置5が第1のセル13に対してX軸の正の方向に向かってσ+偏光を入射し、第2のセル14に対してX軸の正の方向に向かってσ−偏光を入射しているが、これに限らない。 Further, in the magnetic sensor 1 of the present embodiment, the pumping light incidence device 5 toward the positive direction of the X axis with respect to the first cell 13 enters the sigma + polarization, X-axis relative to the second cell 14 of but positive toward σ- is incident polarization is not limited thereto. 例えば、ポンピング光入射装置5が第1のセル13に対してX軸の正の方向に向かってσ+偏光を入射し、第2のセル14に対してX軸の負の方向に向かってσ+偏光を入射する構成であってもよい。 For example, the pumping light incidence device 5 toward the positive direction of the X axis with respect to the first cell 13 enters the sigma + polarization, toward the negative direction of the X axis sigma + polarized light to the second cell 14 it may be configured to incident. すなわち、ポンピング光入射装置が第1のセル13及び第2のセル14に対して同一の偏光成分を有する円偏光をX軸に沿って互いに反対方向に入射させていてもよい。 That may be caused to enter in opposite directions along a circularly polarized light having the same polarization component in the X-axis with respect to the pumping light incidence device first cell 13 and second cell 14.

また、本実施形態の磁気センサー1では、ポンピング光入射装置5が第1のセル13における第1のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第2のセル14における第2のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極を生じさせているが、これに限らない。 Further, in the magnetic sensor 1 of the present embodiment, the pumping light incidence device 5 of the second probe light in the first direction parallel to the optical axis of magnetization and the second cell 14 of the probe light in the first cell 13 the magnetization and parallel to the optical axis direction is caused to spin-polarized in the first gas and second gas so as to opposite to each other, not limited to this. 例えば、ポンピング光入射装置5が第1のセル13に付与される磁化と第2のセル14に付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第1ガス及び第2ガスにスピン偏極を生じさせていてもよい。 For example, the spin-polarized in a first gas and second gas so as the pumping light incidence device 5 is the first magnetization applied to the cell 13 of the magnetization and the different orientations imparted to the second cell 14 it may have caused. このような構成であっても、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。 Even in this structure, which can accurately measure the small magnetic field, it can be provided a magnetic sensor that achieves a simplified structure.

1…磁気センサー、5…ポンピング光入射装置、11…プローブ光入射装置、12…光源、15…検出器、20…偏光分離光学系、23…偏光分離膜、24…第1位相差板、25…第2位相差板、L1…プローブ光。 1 ... magnetic sensor, 5 ... pumping light incidence device 11 ... probe light incident device 12 ... light source, 15 ... detector, 20 ... polarization separating optical system, 23 ... polarization separation film, 24 ... first phase difference plate, 25 ... second retardation plate, L1 ... probe light.

Claims (6)

  1. 光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、 A magnetic sensor for measuring a magnetic field using an optical pumping process,
    価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第1ガスと、 A first gas valence is composed of an odd number of atoms or ions,
    前記第1ガスに対して直線偏光を含む第1のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、 And the probe light incident device for entering a first probe light including a linearly polarized light to the first gas,
    前記第1ガスを透過した前記第1のプローブ光である第2のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第2ガスと、 A second gas second valence which is disposed on the optical path of the probe light is the first probe light transmitted through the first gas consisting of an odd number of atoms or ions,
    前記第1ガスに第1の円偏光を含む第1のポンピング光を入射させ、前記第2ガスに第2の円偏光を含む第2のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、 Wherein the first gas is incident first pumping light including a first circular polarization, and the pumping light incidence device for entering the second pumping light including the second circular polarization to a second gas,
    前記第1のプローブ光の偏光面と前記第2ガスを透過した前記第2のプローブ光である第3のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする磁気センサー。 And characterized in that it has a detector for detecting the rotation angle of the first third of the polarization plane of the probe beam is the second probe light polarization plane of the probe light and transmitted through the second gas a magnetic sensor to.
  2. 前記ポンピング光入射装置は、前記第1ガスにおける前記第1のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第2ガスにおける前記第2のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第1ガス及び前記第2ガスにスピン偏極を生じさせることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサー。 The pumping light incidence device, and the magnetization of the first direction parallel to the optical axis of the probe light and the optical axis of the said second probe light in a direction parallel to the magnetization and the second gas in the first gas as the opposite directions to each other, the magnetic sensor according to claim 1, characterized in that to produce a spin-polarized in the first gas and the second gas.
  3. 前記ポンピング光入射装置は、前記第1ガスに対してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第1のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第2ガスに対してσ+偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第2のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の磁気センサー。 The pumping light incidence device, in a direction perpendicular to both the optical axis of either one with the magnetic field of the first probe light of a first sigma + polarized light and σ- polarized light with respect to the gas causes incident, be incident either the other of the sigma + polarized light and σ- polarized light to the second gas in a direction perpendicular to both the optical axis of the said magnetic field second probe light magnetic sensor according to any one of claims 1 to 2, characterized in.
  4. 前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ+偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第1ガスに入射させいずれか他方を前記第2ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気センサー。 The pumping light incidence device, the light source for emitting light, the light emitted from the light source is separated into a sigma + polarized light and σ- polarized light, either one of said sigma + polarized light and the σ- polarization magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it has a polarization separation optical system for entering the other one in the second gas is incident to the first gas.
  5. 前記偏光分離光学系は、 The polarization separating optical system,
    前記光源から射出された光をP偏光とS偏光とに分離する偏光分離膜と、 A polarization separation film that separates light emitted from the light source into P polarized light and S polarized light,
    前記偏光分離膜によって分離された前記P偏光と前記S偏光とのうちのいずれか一方に対して1/4波長の位相差を付与して前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第1ガスに入射させる第1位相差板と、 One of said polarizing said separated by the separation membrane and the P-polarized light the S by imparting a phase difference of 1/4 wavelength with respect to either one of the polarization the sigma + polarized light and the σ- polarization on the other hand into a, a first phase plate to be incident either to the first gas out of said sigma + polarized light and the σ- polarized light,
    前記偏光分離膜によって分離された前記P偏光と前記S偏光とのうちのいずれか他方に対して1/4波長の位相差を付与して前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ+偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第2ガスに入射させる第2位相差板と、を有することを特徴とする請求項4に記載の磁気センサー。 One of said polarized light separated by the separation membrane and the P-polarized light the S by imparting a phase difference of 1/4 wavelength with respect to the other one of the polarization the sigma + polarized light and the σ- polarization convert to the other magnetic sensor of claim 4, characterized in that it comprises a second phase plate to be incident on the second gas any other of said sigma + polarized light and the σ- polarization .
  6. 前記第1ガスと前記第2ガスとが同一セル内に封入されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気センサー。 Magnetic sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said first gas and said second gas is sealed in the same cell.
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