JP2015062020A - Magnetic measuring device and biological state measuring device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance sensitivity in a magnetic measuring device with an optical pumping method.SOLUTION: A magnetic measuring device includes: a cell accommodating a medium that changes an orientation of a polarization plane of light according to magnetic field intensity therein; a light source for emitting light that interacts with the medium to the cell; a mirror for reflecting light having been transmitted through the cell toward the cell; a polarization separator for separating light into a plurality of polarization components including a first polarization component and a second polarization component; a first photodetector for detecting the first polarization component of light having been reflected by the mirror and having been transmitted through the cell; and a second photodetector for detecting the second polarization component of the light having been reflected by the mirror and having been transmitted through the cell.

Description

本発明は、磁場を測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring a magnetic field.

非特許文献1〜3は、非線形磁気光学回転(Nonlinear Magneto-Optical Rotation、NMOR)を用いた、磁場の測定方法を開示している。例えば、非特許文献3のFIG.1には、ルビジウム(Rb)を収容したガスセルと単一のレーザー光源を用いた磁気測定システムが開示されている。また、特許文献1は、ポンプ光とプローブ光の2つの光源を用いる磁気測定装置において、ポンプ光をミラーで反射させてガスセルに2回照射することにより、ポンピングの効率を上げることを開示している(図2参照)。   Non-Patent Documents 1 to 3 disclose a magnetic field measurement method using non-linear magneto-optical rotation (NMOR). For example, FIG. 1 of Non-Patent Document 3 discloses a magnetic measurement system using a gas cell containing rubidium (Rb) and a single laser light source. Patent Document 1 discloses that in a magnetic measurement apparatus using two light sources of pump light and probe light, pumping efficiency is improved by reflecting the pump light with a mirror and irradiating the gas cell twice. (See FIG. 2).

特開2009−236598号公報JP 2009-236598 A

D.バドカー、外5名,「原子の共鳴非線形磁気光学回転効果」,レビュー・オブ・モダン・フィジクス誌,米国,米国物理学会,2002年10月,第74巻,第4号,p.1153−1201 (D. Budker et al., “Resonant nonlinear magneto-optial effects in atoms”, Rev. Mod. Phys., 74, 1153-1201 (2002))D. Budkar, et al., “Resonant nonlinear magneto-optical rotation effect of atoms”, Review of Modern Physics, USA, American Physical Society, October 2002, Vol. 74, No. 4, p. 1153-1201 (D. Budker et al., “Resonant nonlinear magneto-optial effects in atoms”, Rev. Mod. Phys., 74, 1153-1201 (2002)) D.バドカー、外4名,「非線形磁気光学回転による高感度磁場測定」,フィジカル・レビューA誌,米国,米国物理学会,2000年10月,第62巻,第4号,p.043403 (D. Budker et al., “Sensitive magnetometry based on nonlinear magneto-optical rotation”, Phys. Rev. A, 62, 043403 (2000))D. Budkar, et al., “Highly sensitive magnetic field measurement by non-linear magneto-optical rotation”, Physical Review A, USA, American Physical Society, October 2000, Vol. 62, No. 4, p. 043403 (D. Budker et al., “Sensitive magnetometry based on nonlinear magneto-optical rotation”, Phys. Rev. A, 62, 043403 (2000)) D.バドカー、外3名,「周波数変調光を用いた非線形磁気光学回転」,フィジカル・レビューA誌,米国,米国物理学会,2002年5月,第65巻,第5号,p.055403 (D. Budker et al., “Nonlinear magneto-optical rotation with frequency-modulated light”, Phys. Rev. A, 65, 055403 (2002))D. Budkar, et al., “Non-linear magneto-optical rotation using frequency-modulated light”, Physical Review A, USA, American Physical Society, May 2002, Vol. 65, No. 5, p. 055403 (D. Budker et al., “Nonlinear magneto-optical rotation with frequency-modulated light”, Phys. Rev. A, 65, 055403 (2002))

非特許文献1ないし3に記載された方法では、偏光面の回転量はわずかであり、高感度化が困難であった。また、特許文献1はポンピングの効率を上げるものであった。
本発明は、光ポンピング方式の磁気測定装置において、感度を向上させる技術を提供する。
In the methods described in Non-Patent Documents 1 to 3, the amount of rotation of the polarization plane is small, and it is difficult to increase the sensitivity. Further, Patent Document 1 increases the efficiency of pumping.
The present invention provides a technique for improving sensitivity in an optically-pumped magnetic measuring apparatus.

本発明は、磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体を内部に収容したセルと、前記媒体と相互作用する光を、前記セルに出射する光源と、前記セルを透過した前記光を、前記セルに向けて反射するミラーと、前記光を、第1偏光成分および第2偏光成分を含む複数の偏光成分に分離する偏光分離器と、前記ミラーで反射され前記セルを透過した前記光の前記第1偏光成分を検出する第1光検出器と、前記ミラーで反射され前記セルを透過した前記光の前記第2偏光成分を検出する第2光検出器とを有する磁気測定装置を提供する。
この磁気測定装置によれば、光をミラーで反射させない構成と比較して磁場に対する感度を向上させることができる。
The present invention includes a cell containing therein a medium that changes the polarization plane direction of light according to the magnetic field strength, a light source that emits light that interacts with the medium to the cell, and the light that has passed through the cell. A mirror that reflects the light toward the cell, a polarization separator that separates the light into a plurality of polarization components including a first polarization component and a second polarization component, and the light reflected by the mirror and transmitted through the cell. A magnetic measurement apparatus comprising: a first photodetector that detects the first polarization component of light; and a second photodetector that detects the second polarization component of the light reflected by the mirror and transmitted through the cell. provide.
According to this magnetometer, the sensitivity to a magnetic field can be improved compared to a configuration in which light is not reflected by a mirror.

好ましい態様において、前記偏光分離器は、前記光の光路上において前記セルおよび前記ミラーの間に配置されてもよい。
この磁気測定装置によれば、光をミラーで反射させない構成と比較して磁場に対する感度を向上させることができる。
In a preferred aspect, the polarization separator may be disposed between the cell and the mirror on the optical path of the light.
According to this magnetometer, the sensitivity to a magnetic field can be improved compared to a configuration in which light is not reflected by a mirror.

別の好ましい態様において、前記光は、前記セルに最初に入射する時点で直線偏光成分を有し、前記第1偏光成分および前記第2偏光成分の偏光面は互いに直交してもよい。
この磁気測定装置によれば、第1光検出器の出力信号と第2光検出器の出力信号の差から磁場の情報を得ることができる。
In another preferred embodiment, the light may have a linearly polarized component when it first enters the cell, and the polarization planes of the first and second polarized components may be orthogonal to each other.
According to this magnetometer, magnetic field information can be obtained from the difference between the output signal of the first photodetector and the output signal of the second photodetector.

さらに別の好ましい態様において、前記偏光分離器は、前記光の光路上において前記光源および前記セルの間に配置されてもよい。
この磁気測定装置によれば、光をミラーで反射させない構成と比較して磁場に対する感度を向上させることができる。
In still another preferred embodiment, the polarization separator may be disposed between the light source and the cell on the optical path of the light.
According to this magnetometer, the sensitivity to a magnetic field can be improved compared to a configuration in which light is not reflected by a mirror.

さらに別の好ましい態様において、前記光は、前記偏光分離器に入射する時点で直線偏光成分を有し、前記第1偏光成分および前記第2偏光成分の偏光面は45°の角度をなしてもよい。
この磁気測定装置によれば、第1光検出器の出力信号と第2光検出器の出力信号の差から磁場の情報を得ることができる。
In still another preferred embodiment, the light has a linearly polarized component when incident on the polarization separator, and the planes of polarization of the first polarized component and the second polarized component are at an angle of 45 °. Good.
According to this magnetometer, magnetic field information can be obtained from the difference between the output signal of the first photodetector and the output signal of the second photodetector.

さらに別の好ましい態様において、前記第1光検出器および前記第2光検出器は、前記セルからみて前記偏光分離器と反対側に配置されてもよい。
この磁気測定装置によれば、光をミラーで反射させない構成と比較して磁場に対する感度を向上させることができる。
In still another preferred embodiment, the first photodetector and the second photodetector may be disposed on the opposite side of the polarization separator as viewed from the cell.
According to this magnetometer, the sensitivity to a magnetic field can be improved compared to a configuration in which light is not reflected by a mirror.

さらに別の好ましい態様において、前記磁気測定装置は、前記光源、前記ミラー、前記偏光分離器、前記第1光検出器、および前記第2光検出器を含む光学系を2組有し、前記2組の光学系は、前記セルにおける光路が互いに直交するように配置されてもよい。
この磁気測定装置によれば、2組の光学系を用いて異なる軸成分の磁場を測定することができる。
In still another preferred embodiment, the magnetic measurement apparatus has two sets of optical systems including the light source, the mirror, the polarization separator, the first photodetector, and the second photodetector, The pair of optical systems may be arranged so that optical paths in the cell are orthogonal to each other.
According to this magnetometer, it is possible to measure magnetic fields having different axial components using two sets of optical systems.

また、本発明は、上記いずれかの磁気測定装置を有する生体状態測定装置を提供する。
この生体状態測定装置によれば、光をミラーで反射させない構成と比較して磁場に対する感度を向上させることができる。
Moreover, this invention provides the biological condition measuring apparatus which has one of the said magnetic measuring apparatuses.
According to this biological state measuring device, the sensitivity to a magnetic field can be improved as compared with a configuration in which light is not reflected by a mirror.

第1実施形態に係る磁気センサー1の構成を示す。1 shows a configuration of a magnetic sensor 1 according to a first embodiment. ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す。The existence probability distribution of angular momentum in the pumping process is shown. 歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す。The probability distribution of angular momentum in the precession process is shown. プローブ過程を説明する図。The figure explaining a probe process. 第2実施形態に係る磁気センサー2の構成を示す。The structure of the magnetic sensor 2 which concerns on 2nd Embodiment is shown. 往路のレーザービームにおける歳差運動過程を示す。The precession process in the outgoing laser beam is shown. 偏光分離器60を透過した直後のレーザービームの偏光状態を示す。The polarization state of the laser beam immediately after passing through the polarization separator 60 is shown. 復路のレーザービームAにおける偏光面の回転作用を示す。The rotating action of the polarization plane in the return laser beam A is shown. 復路のレーザービームBにおける偏光面の回転作用を示す。The rotating action of the polarization plane in the backward laser beam B is shown. 第3実施形態に係る磁気センサー3の構成を示す。The structure of the magnetic sensor 3 which concerns on 3rd Embodiment is shown. ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す。The existence probability distribution of angular momentum in the pumping process is shown. 歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す。The probability distribution of angular momentum in the precession process is shown. レーザービームAの偏光面の回転作用を示す図。The figure which shows the rotation effect | action of the polarization surface of the laser beam A. FIG. レーザービームBの偏光面の回転作用を示す図。The figure which shows the rotation effect | action of the polarization plane of the laser beam B. FIG. 第4実施形態に係る磁気センサー4の構成を示す。The structure of the magnetic sensor 4 which concerns on 4th Embodiment is shown.

1.第1実施形態
図1は、第1実施形態に係る磁気センサー1(磁気測定装置または磁場測定装置)の構成を示すブロック図である。この例で、磁気センサー1は、心磁または脳磁等、生体から発生される磁場を生体の状態の指標として測定する生体状態測定装置(心磁計または脳磁計等)に用いられる。磁気センサー1は、光源10と、偏光板20と、ハーフミラー30と、ガスセル40と、ミラー50と、偏光分離器60と、PD(Photo Detector、光検出器)70と、PD80とを有する。以下の説明において、図中右向きにx軸を、紙面に垂直に向かう向きにy軸を、図中上向きにz軸を有する直交座標系が用いられる。
1. First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetic sensor 1 (magnetic measurement device or magnetic field measurement device) according to a first embodiment. In this example, the magnetic sensor 1 is used in a biological state measuring device (such as a magnetocardiograph or a magnetoencephalograph) that measures a magnetic field generated from a living body, such as a magnetocardiogram or a brain magnetism, as an indicator of the state of the living body. The magnetic sensor 1 includes a light source 10, a polarizing plate 20, a half mirror 30, a gas cell 40, a mirror 50, a polarization separator 60, a PD (Photo Detector), and a PD 80. In the following description, an orthogonal coordinate system having an x-axis in the right direction in the drawing, a y-axis in a direction perpendicular to the paper surface, and a z-axis in the upward direction in the drawing is used.

ガスセル40は、内部に空隙を有する箱(セル)であり、この空隙にはアルカリ金属原子(この例ではセシウム(Cs))が封入されている。ガスセル40は、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス等の無機材料により形成される。ガスセル40に封入されているアルカリ金属原子は、測定時には少なくとも一部が気化する。後述するアライメントの緩和時間を長くするため、希ガス等の不活性ガスをアルカリ金属ガスに混ぜたり、ガスセル40の内壁をパラフィン等によりコーティングしてもよい。   The gas cell 40 is a box (cell) having a void inside, and an alkali metal atom (cesium (Cs) in this example) is sealed in the void. The gas cell 40 is formed of an inorganic material such as quartz glass or borosilicate glass. At least a part of the alkali metal atoms sealed in the gas cell 40 is vaporized at the time of measurement. In order to lengthen the alignment relaxation time described later, an inert gas such as a rare gas may be mixed with an alkali metal gas, or the inner wall of the gas cell 40 may be coated with paraffin or the like.

光源10は、セシウムの吸収線に応じた波長(例えばD1線に相当する894nm)のレーザービームを出力する装置、例えばチューナブルレーザーである。光源10から出力されるレーザービームは、連続的に一定の光量を有する、いわゆるCW(Continuous Wave)光である。光源10の出力は、ガスセル40に入射する光量が数十μWのオーダーになるように調整される。   The light source 10 is a device that outputs a laser beam having a wavelength corresponding to the absorption line of cesium (for example, 894 nm corresponding to the D1 line), for example, a tunable laser. The laser beam output from the light source 10 is so-called CW (Continuous Wave) light having a constant light amount continuously. The output of the light source 10 is adjusted so that the amount of light incident on the gas cell 40 is on the order of several tens of μW.

偏光板20は、レーザービームを特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。
ハーフミラー30は、z軸負方向に向かうレーザービームを透過し、z軸正方向に向かうレーザービームを偏光分離器60の方向に反射する素子である。ハーフミラー30は、例えば、部分偏光ビームスプリッター、または、偏光方位によらず透過率が一定になる無偏光ビームスプリッターである。
ミラー50は、ガスセル40を透過したレーザービームを反射し、再度ガスセル40に入射する素子である。ミラー50は、金属膜または誘電体多層膜を用いた反射面を有する。反射面における反射の前後で偏光面が回転すると磁場検出信号にバイアス(オフセット)が生じるので、ミラー50は、反射面における偏光面の回転角が小さいものが望ましい。
The polarizing plate 20 is an element that polarizes the laser beam in a specific direction to make it linearly polarized light.
The half mirror 30 is an element that transmits a laser beam directed in the negative z-axis direction and reflects the laser beam directed in the positive z-axis direction toward the polarization separator 60. The half mirror 30 is, for example, a partially polarized beam splitter or a non-polarized beam splitter whose transmittance is constant regardless of the polarization direction.
The mirror 50 is an element that reflects the laser beam transmitted through the gas cell 40 and enters the gas cell 40 again. The mirror 50 has a reflective surface using a metal film or a dielectric multilayer film. When the polarization plane rotates before and after reflection on the reflection surface, a bias (offset) is generated in the magnetic field detection signal. Therefore, it is desirable that the mirror 50 has a small rotation angle of the polarization plane on the reflection surface.

偏光分離器60は、入射したレーザービームを、互いに直交する2つの偏光成分のビームに分離する素子である。偏光分離器60は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。
PD70およびPD80は、レーザービームの波長に感度を有する検出器であり、入射光の光量に応じた電流を出力する。PD70およびPD80が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、非磁性の材料で構成されることが望ましい。また、この例で、PD70およびPD80は、ガスセル40からみて偏光分離器60と同じ側に配置される。
The polarization separator 60 is an element that separates an incident laser beam into beams of two polarization components orthogonal to each other. The polarization separator 60 is, for example, a Wollaston prism or a polarization beam splitter.
The PD 70 and PD 80 are detectors sensitive to the wavelength of the laser beam, and output a current corresponding to the amount of incident light. Since the measurement may be affected when the PD 70 and the PD 80 generate a magnetic field, it is desirable that the PD 70 and the PD 80 are made of a nonmagnetic material. In this example, the PD 70 and the PD 80 are disposed on the same side as the polarization separator 60 when viewed from the gas cell 40.

レーザービームの経路に沿って説明すると、上記の素子は、以下のように配置されている。レーザービームの経路の最上流には光源10が位置し、以下、上流側から、偏光板20、ハーフミラー30、ガスセル40、およびミラー50の順で配置されている。以上がレーザービームの往路である。レーザービームはミラー50で反射されるので、反射後の経路(復路)に沿ってさらに説明すると、上流側から、ミラー50、ガスセル40、ハーフミラー30、偏光分離器60、並びにPD70およびPD80の順で配置されている。すなわち、レーザービームは以下のように進行する。光源10から出力されたレーザービームは、偏光板20により、偏光度がより高い直線偏光になる。偏光されたレーザービームはハーフミラー30を透過し、ガスセル40に入射する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、ガスセル40に封入されているアルカリ金属原子を励起(光ポンピング)する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル40を透過したレーザービームはミラー50で反射し、再びガスセル40に入射する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、再度、偏光面回転作用を受ける。ガスセル40を透過したレーザービームはハーフミラー30で反射し、進行方向が90°変換される。進行方向が変換されたレーザービームは、偏光分離器60により2つの偏光成分のビームに分離される。2つの偏光成分のビームの光量は、PD70およびPD80で計測(プロービング)される。   If it demonstrates along the path | route of a laser beam, said element will be arrange | positioned as follows. The light source 10 is located on the uppermost stream of the laser beam path. Hereinafter, the polarizing plate 20, the half mirror 30, the gas cell 40, and the mirror 50 are arranged in this order from the upstream side. The above is the outgoing path of the laser beam. Since the laser beam is reflected by the mirror 50, further description will be given along the path after reflection (return path). Is arranged in. That is, the laser beam proceeds as follows. The laser beam output from the light source 10 becomes linearly polarized light having a higher degree of polarization by the polarizing plate 20. The polarized laser beam passes through the half mirror 30 and enters the gas cell 40. The laser beam passing through the gas cell 40 excites (optically pumps) the alkali metal atoms sealed in the gas cell 40. At this time, the polarization plane of the laser beam is rotated by receiving the polarization plane rotation action corresponding to the strength of the magnetic field. The laser beam transmitted through the gas cell 40 is reflected by the mirror 50 and is incident on the gas cell 40 again. The laser beam passing through the gas cell 40 is again subjected to the polarization plane rotating action. The laser beam transmitted through the gas cell 40 is reflected by the half mirror 30, and the traveling direction is converted by 90 °. The laser beam whose traveling direction has been converted is separated into two polarization component beams by the polarization separator 60. The light amounts of the two polarization component beams are measured (probing) by the PD 70 and the PD 80.

磁場測定のための原子と光の相互作用(偏光面回転作用)は、基本的には、ポンプ過程、歳差運動過程、およびプローブ過程の3段階に分けられる。以下、各段階における素子の働きについて説明する。   The interaction between atoms and light (polarization plane rotation action) for magnetic field measurement is basically divided into three stages: a pump process, a precession process, and a probe process. Hereinafter, the function of the element at each stage will be described.

図2は、ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す図である。より正確には、図2は、スピン角運動量の存在確率がある値以上になる領域のxy平面における断面(図中の斜線部分)を示している。以下、簡単のため、このような図を単に「角運動量の存在確率分布を示す図」という。この例で、レーザービームは、セシウムの超微細構造量子数をF=3の基底状態からF’=4の励起状態に励起させる波長を有し、y軸上で振動する電場(電場ベクトルEiで表される)を有する直線偏光のビームである。レーザービームによりセシウムの最外殻電子が励起(光ポンピング)され、セシウム原子の角運動量(より正確にはスピン角運動量)は、入射光の電場に沿って偏った分布をする。いま入射光の電場がy軸に沿って振動しているので、角運動量は、図2に示されるように主にy軸正方向および負方向に偏って分布する。すなわち、光ポンピングされたセシウム原子は、y軸正方向および負方向という反平行の2つの角運動量を有する。ここでは、角運動量の分布に生じた異方性を広く「アライメント」といい、角運動量に異方性分布を生じさせることを「アライメントを形成する」という。別の言い方をすると、アライメントを形成することは、磁化させることと同じである。 FIG. 2 is a diagram showing an existence probability distribution of angular momentum in the pumping process. More precisely, FIG. 2 shows a cross section (shaded portion in the figure) in the xy plane of a region where the existence probability of the spin angular momentum is greater than a certain value. Hereinafter, for simplicity, such a diagram is simply referred to as “a diagram showing the existence probability distribution of angular momentum”. In this example, the laser beam has a wavelength that excites the hyperfine structure quantum number of cesium from the ground state of F = 3 to the excited state of F ′ = 4, and oscillates on the y-axis (electric field vector E i A linearly polarized beam. The outermost electrons of cesium are excited (optical pumping) by the laser beam, and the angular momentum of the cesium atom (more precisely, the spin angular momentum) has a distribution that is biased along the electric field of the incident light. Since the electric field of incident light is oscillating along the y-axis now, the angular momentum is distributed mainly in the y-axis positive and negative directions as shown in FIG. That is, the optically pumped cesium atom has two anti-parallel angular momentums, the y-axis positive direction and the negative direction. Here, the anisotropy generated in the distribution of angular momentum is widely referred to as “alignment”, and the generation of the anisotropic distribution in angular momentum is referred to as “forming alignment”. In other words, forming alignment is the same as magnetizing.

図3は、歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す図である。ここでは、光ポンピングにより図2の状態のアライメントが形成された状態で、z軸方向に静磁場Bが印加された場合を例に説明する。磁場Bは、例えば、被測定物により発圧される磁場である。静磁場Bおよびアライメントの作用により、セシウム原子は、z軸(静磁場Bの方向)を回転軸として時計回りの回転力を受ける。この回転力により、セシウム原子はxy平面内で回転する。これが歳差運動である。セシウム原子が回転するということは、アライメントが回転するということである。ここでは、磁場が印加されていない状態でのアライメントを基準としたアライメントの回転角をαと表す。単一の原子についてみると、ポンピングにより生じた角運動量の偏り(励起状態)は時間の経過とともに減少、すなわちアライメントは緩和する。レーザービームはCW光であるので、アライメントの形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的な(時間平均的な)アライメントが形成される。図3は、定常的なアライメントを表している。アライメントの回転角αと角運動量の大きさは、歳差運動の周波数(ラーモア周波数)と、複数の要因で決まる緩和速度とに依存する。   FIG. 3 is a diagram showing an existence probability distribution of angular momentum in the precession process. Here, a case where the static magnetic field B is applied in the z-axis direction in a state where the alignment of the state of FIG. 2 is formed by optical pumping will be described as an example. The magnetic field B is, for example, a magnetic field generated by an object to be measured. Due to the action of the static magnetic field B and alignment, the cesium atom receives a clockwise rotational force with the z axis (direction of the static magnetic field B) as the rotation axis. This rotational force causes the cesium atom to rotate in the xy plane. This is precession. When the cesium atom rotates, the alignment rotates. Here, the rotation angle of the alignment based on the alignment in a state where no magnetic field is applied is represented by α. For a single atom, the angular momentum bias (excited state) caused by pumping decreases with time, that is, the alignment is relaxed. Since the laser beam is CW light, alignment formation and relaxation are repeated in parallel and continuously. As a result, a steady (time-average) alignment is formed as a whole group of atoms. FIG. 3 represents a steady alignment. The rotation angle α of the alignment and the magnitude of the angular momentum depend on the precession frequency (Larmor frequency) and the relaxation rate determined by a plurality of factors.

定常的アライメントにより、レーザービームは線形二色性の作用を受ける。アライメントの方向は透過軸であり、この方向の偏光成分は主に透過される。アライメントの方向と垂直な方向は吸収軸であり、この方向の偏光成分は主に吸収される。すなわち、透過軸および吸収軸における光の振幅透過係数をtおよびtと表すと、t>tである。入射光の電場Eiの透過軸成分および吸収軸成分は、EicosαおよびEisinαである。ガスセル40を透過した後(セシウム原子と相互作用した後)の電場Eoの透過軸成分および吸収軸成分は、ticosαおよびtisinαである。t>tであるから、電場ベクトルEoは、電場ベクトルEiを基準として回転している(すなわち、レーザービームの偏光面は回転する)。この回転角をφと表す。なお、図3の回転角φは、レーザービームの復路においてガスセル40を透過した後の回転角である。 Due to the steady alignment, the laser beam is subject to linear dichroism. The direction of alignment is the transmission axis, and the polarization component in this direction is mainly transmitted. The direction perpendicular to the alignment direction is the absorption axis, and the polarization component in this direction is mainly absorbed. That is, when the amplitude transmission coefficient of light in the transmission axis and the absorption axis represents the t and t ⊥, a t ‖> t ⊥. The transmission axis component and the absorption axis component of the electric field Ei of incident light are Eicos α and Eisin α. Transmission axis component and the absorption axis component of the electric field Eo after passing through the gas cell 40 (after interacting with the cesium atom) is a t E i cos [alpha] and t E i sin .alpha. t ‖> because it is t ⊥, the electric field vector E o is rotating the electric field vector E i as a reference (i.e., the plane of polarization of the laser beam is rotated). This rotation angle is represented by φ. 3 is a rotation angle after passing through the gas cell 40 in the return path of the laser beam.

なお、より正確には、角運動量がレーザービームの伝播方向に偏る現象(アライメント−オリエンテーション変換、Alignment Orientation Conversion、AOC)が生じ、その結果として、円複屈折による偏光面の回転(ファラデー効果)が起こるが、ここではこの現象は無視して説明する。   More precisely, a phenomenon occurs in which the angular momentum is biased in the propagation direction of the laser beam (Alignment Orientation Conversion, AOC), and as a result, the polarization plane rotation (Faraday effect) due to circular birefringence occurs. Although this happens, this phenomenon is ignored here.

図4は、プローブ過程を説明する図である。定常アライメントにより偏光面回転したレーザービームは、偏光分離器60により2つの偏光成分に分離される。この例で、これら2つの偏光成分は、第1検出軸および第2検出軸の2つの軸に沿った成分に分離される。第1検出軸は、偏光面の回転がない場合(φ=0)の偏光面に対して+45°傾いている。第2検出軸は、偏光面の回転がない場合の偏光面に対して−45°傾いている。PD70およびPD80は、それぞれ第1検出軸および第2検出軸に沿った成分の光量を検出する。ガスセル40を透過したレーザービームの電場ベクトルEoの第1検出軸成分はEocos(π/4−φ)であり、第2検出軸成分はEosin(π/4−φ)である。この構成によれば、偏光面の回転がほぼゼロの場合(φ≒0)、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量はほぼ同じである。逆にいうと、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量に差がある場合、偏光面が回転していることが示される。これはすなわち磁場が存在することを意味する。PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量の差は、偏光面の回転角φの関数である。PD70およびPD80の出力信号の差を取ることにより、回転角φの情報が得られる。回転角φは、磁場Bの関数である(例えば、非特許文献1の数式(2)を参照。数式(2)は線形光学回転に関するものであるが、NMORの場合もほぼ同様の式を用いることができる)。すなわち、回転角φから、磁場Bの情報が得られる。 FIG. 4 is a diagram for explaining the probe process. The laser beam whose polarization plane is rotated by the steady alignment is separated into two polarization components by the polarization separator 60. In this example, these two polarization components are separated into components along two axes, a first detection axis and a second detection axis. The first detection axis is inclined + 45 ° with respect to the polarization plane when the polarization plane is not rotated (φ = 0). The second detection axis is inclined by −45 ° with respect to the polarization plane when the polarization plane does not rotate. PD 70 and PD 80 detect the light amounts of the components along the first detection axis and the second detection axis, respectively. The first detection axis component of the electric field vector E o of the laser beam transmitted through the gas cell 40 is E o cos (π / 4-φ), and the second detection axis component is E o sin (π / 4-φ). . According to this configuration, when the rotation of the polarization plane is almost zero (φ≈0), the light amounts of the laser beams incident on the PD 70 and the PD 80 are substantially the same. Conversely, if there is a difference in the amount of laser beams incident on the PD 70 and PD 80, it indicates that the polarization plane is rotating. This means that there is a magnetic field. The difference in the amount of laser beams incident on PD 70 and PD 80 is a function of the rotation angle φ of the polarization plane. By calculating the difference between the output signals of the PD 70 and the PD 80, information on the rotation angle φ can be obtained. The rotation angle φ is a function of the magnetic field B (see, for example, Equation (2) in Non-Patent Document 1. Equation (2) relates to linear optical rotation, but in the case of NMOR, almost the same equation is used. be able to). That is, information on the magnetic field B is obtained from the rotation angle φ.

磁気センサー1によれば、レーザービームはガスセル40を2回(ミラー50における反射を基準とした往路および復路)通過する。ガスセル40を1回しか通過しない構成と比較すると、ガスセル40内の光路長が2倍になり、回転角φはより大きくなる。すなわち、磁場に対する感度が向上する。また、磁気センサー1によれば、ミラー50の下部に被測定物を配置することが可能である。ガスセルの下にPD等の要素が配置される構成と比較すると、被測定物とガスセル40との距離を近づけることができ、磁気センサー1によればより大きな信号を検出することができる。   According to the magnetic sensor 1, the laser beam passes through the gas cell 40 twice (the forward path and the return path with reference to the reflection at the mirror 50). Compared with a configuration in which the gas cell 40 is passed only once, the optical path length in the gas cell 40 is doubled and the rotation angle φ is further increased. That is, the sensitivity to the magnetic field is improved. Further, according to the magnetic sensor 1, it is possible to place an object to be measured under the mirror 50. Compared with a configuration in which an element such as a PD is disposed under the gas cell, the distance between the object to be measured and the gas cell 40 can be reduced, and the magnetic sensor 1 can detect a larger signal.

2.第2実施形態
図5は、第2実施形態に係る磁気センサー2の構成を示すブロック図である。磁気センサー2は、光源10と、偏光板20と、ガスセル40と、ミラー50と、偏光分離器60と、PD70と、PD80とを有する。磁気センサー1の構成と比較すると、磁気センサー2は、ハーフミラー30を有していない点、および、要素の位置関係が異なっている点において相違している。具体的には、磁気センサー2において、偏光分離器60は、レーザービームの光路上においてガスセル40およびミラー50の間に配置されている。また、PD70およびPD80は、ガスセル40からみて偏光分離器60と反対側に配置される。
2. Second Embodiment FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a magnetic sensor 2 according to a second embodiment. The magnetic sensor 2 includes a light source 10, a polarizing plate 20, a gas cell 40, a mirror 50, a polarization separator 60, a PD 70, and a PD 80. Compared with the configuration of the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 2 is different in that it does not have the half mirror 30 and the positional relationship between the elements is different. Specifically, in the magnetic sensor 2, the polarization separator 60 is disposed between the gas cell 40 and the mirror 50 on the optical path of the laser beam. Further, the PD 70 and the PD 80 are disposed on the opposite side to the polarization separator 60 as viewed from the gas cell 40.

レーザービームの経路に沿って説明すると、上記の素子は、以下のように配置されている。レーザービームの経路の最上流には光源10が位置し、以下、上流側から、偏光板20、ガスセル40、偏光分離器60、およびミラー50の順で配置されている。以上がレーザービームの往路である。レーザービームはミラー50で反射されるので、反射後の経路(復路)に沿ってさらに説明すると、上流側から、ミラー50、(偏光分離器60)、ガスセル40、並びにPD70およびPD80の順で配置されている。すなわち、レーザービームは以下のように進行する。光源10から出力されたレーザービームは、偏光板20により、偏光度がより高い直線偏光になる。偏光されたレーザービームは、ガスセル40に入射する。すなわち、レーザービームは、ガスセル40に最初に(往路で)入射する時点で直線偏光成分を有する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、ガスセル40に封入されているアルカリ金属原子を励起(光ポンピング)する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル40を透過したレーザービームは、偏光分離器60により2つの偏光成分(第1偏光成分および第2偏光成分)のビームに分離される。これら2つの偏光成分の偏光面は互いに直交する。2つのビームはミラー50で反射し、再びガスセル40に入射する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、再度、偏光面回転作用を受ける。ガスセル40を透過した2つのレーザービームの光量は、PD70およびPD80で計測(プロービング)される。   If it demonstrates along the path | route of a laser beam, said element will be arrange | positioned as follows. The light source 10 is located on the uppermost stream of the laser beam path. Hereinafter, the polarizing plate 20, the gas cell 40, the polarization separator 60, and the mirror 50 are arranged in this order from the upstream side. The above is the outgoing path of the laser beam. Since the laser beam is reflected by the mirror 50, it will be further described along the path (return path) after reflection. From the upstream side, the mirror 50, (polarization separator 60), gas cell 40, and PD70 and PD80 are arranged in this order. Has been. That is, the laser beam proceeds as follows. The laser beam output from the light source 10 becomes linearly polarized light having a higher degree of polarization by the polarizing plate 20. The polarized laser beam is incident on the gas cell 40. That is, the laser beam has a linearly polarized component when it first enters the gas cell 40 (outward). The laser beam passing through the gas cell 40 excites (optically pumps) the alkali metal atoms sealed in the gas cell 40. At this time, the polarization plane of the laser beam is rotated by receiving the polarization plane rotation action corresponding to the strength of the magnetic field. The laser beam transmitted through the gas cell 40 is separated into two polarization components (first polarization component and second polarization component) by the polarization separator 60. The planes of polarization of these two polarization components are orthogonal to each other. The two beams are reflected by the mirror 50 and enter the gas cell 40 again. The laser beam passing through the gas cell 40 is again subjected to the polarization plane rotating action. The light quantities of the two laser beams that have passed through the gas cell 40 are measured (probing) by the PD 70 and PD 80.

図6は、往路のレーザービームにおける歳差運動過程を示す図である。レーザービームによりアルカリ金属原子は励起され、図2に示したアライメントが形成される。ガスセル40を透過した往路のレーザービームは、アライメントにより偏光面の回転作用を受ける。ガスセル40を透過した往路のレーザービームの電場ベクトルEoは、入射光の電場ベクトルEiを基準として角φ回転している。   FIG. 6 is a diagram showing a precession process in the forward laser beam. The alkali metal atoms are excited by the laser beam, and the alignment shown in FIG. 2 is formed. The forward laser beam that has passed through the gas cell 40 undergoes a rotating action of the polarization plane due to the alignment. The electric field vector Eo of the forward laser beam transmitted through the gas cell 40 is rotated by an angle φ with respect to the electric field vector Ei of the incident light.

図7は、偏光分離器60を透過した直後のレーザービームの偏光状態を示す図である。偏光分離器60により、入射光はレーザービームAおよびレーザービームBの2つのビームに分離される。レーザービームAの偏光は、入射光の偏光と同じである(φao=φ)。レーザービームBの偏光は、入射光の偏光と直角である(φbo=π/2−φ)。 FIG. 7 is a diagram showing the polarization state of the laser beam immediately after passing through the polarization separator 60. Incident light is separated into two beams of a laser beam A and a laser beam B by the polarization separator 60. The polarization of the laser beam A is the same as that of the incident light (φ ao = φ). The polarization of the laser beam B is perpendicular to the polarization of the incident light (φ bo = π / 2−φ).

図8は、復路のレーザービームAにおける偏光面の回転作用を示す図である。復路のレーザービームAも、光ポンピングにより形成されたアライメントの線形二色性作用により、偏光面が回転する。ガスセル40を透過した復路のレーザービームAの電場Eahは、入射光(ガスセル40を透過する前の復路のレーザービームA)の電場Eaoを基準として角φah回転している。 FIG. 8 is a diagram showing the rotating action of the polarization plane in the laser beam A on the return path. The plane of polarization of the laser beam A on the return path also rotates due to the linear dichroism effect of alignment formed by optical pumping. The electric field E ah of the return laser beam A transmitted through the gas cell 40 is rotated by an angle φ ah with reference to the electric field E ao of incident light (return laser beam A before passing through the gas cell 40).

図9は、復路のレーザービームBにおける偏光面の回転作用を示す図である。復路のレーザービームBも、光ポンピングにより形成されたアライメントの線形二色性作用により、偏光面が回転する。ガスセル40を透過した復路のレーザービームBの電場Ebhは、入射光(ガスセル40を透過する前の復路のレーザービームB)の電場Eboを基準として角φbh回転している。 FIG. 9 is a diagram showing the rotating action of the polarization plane in the laser beam B on the return path. The plane of polarization of the laser beam B in the return path also rotates due to the linear dichroism effect of alignment formed by optical pumping. The electric field E bh of the return laser beam B transmitted through the gas cell 40 rotates by an angle φ bh with reference to the electric field E bo of the incident light (return laser beam B before passing through the gas cell 40).

この構成によれば、偏光面の回転がほぼゼロの場合(φ≒0°)、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量はほぼ同じである。逆にいうと、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量に差がある場合、偏光面が回転していることが示される。図8および図9から明らかなように、電場Eahおよび電場Ebhの大きさ(すなわちレーザービームAおよびレーザビームBの光量)は、アライメントの回転角αとレーザービームの往路の偏光角φとの関数である。PD70およびPD80の出力信号から、回転角φの情報が得られる。回転角φは磁場Bの関数であり、回転角φから磁場Bの情報が得られる。 According to this configuration, when the rotation of the polarization plane is almost zero (φ≈0 °), the light amounts of the laser beams incident on the PD 70 and the PD 80 are substantially the same. Conversely, if there is a difference in the amount of laser beams incident on the PD 70 and PD 80, it indicates that the polarization plane is rotating. As apparent from FIGS. 8 and 9, the magnitudes of the electric field E ah and the electric field E bh (that is, the light amounts of the laser beam A and the laser beam B) are determined by the rotation angle α of the alignment and the polarization angle φ of the forward path of the laser beam. Is a function of Information on the rotation angle φ is obtained from the output signals of the PD 70 and PD 80. The rotation angle φ is a function of the magnetic field B, and information on the magnetic field B can be obtained from the rotation angle φ.

磁気センサー2によれば、レーザービームはガスセル40を2回(ミラー50における反射を基準とした往路および復路)通過する。ガスセル40を1回しか通過しない構成と比較すると、ガスセル40内の光路長が2倍になり、回転角はより大きくなる。すなわち、磁場に対する感度が向上する。また、磁気センサー2によれば、ミラー50の下部に被測定物を配置することが可能である。さらに、磁気センサー1と比較すると、磁気センサー2はハーフミラー30を有しておらず、より簡易な構成を有している。   According to the magnetic sensor 2, the laser beam passes through the gas cell 40 twice (the forward path and the return path with reference to the reflection at the mirror 50). Compared with a configuration in which the gas cell 40 is passed only once, the optical path length in the gas cell 40 is doubled, and the rotation angle is further increased. That is, the sensitivity to the magnetic field is improved. Further, according to the magnetic sensor 2, it is possible to place an object to be measured under the mirror 50. Furthermore, compared with the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 2 does not have the half mirror 30, but has a simpler configuration.

3.第3実施形態
図10は、第3実施形態に係る磁気センサー3の構成を示すブロック図である。磁気センサー3は、光源10と、偏光板20と、ガスセル40と、ミラー50と、偏光分離器60と、PD70と、PD80とを有する。磁気センサー1の構成と比較すると、磁気センサー3は、ハーフミラー30を有していない点、および、要素の位置関係が異なっている点において相違している。磁気センサー2の構成と比較すると、磁気センサー3は、要素の位置関係が異なっている点において相違している。具体的には、磁気センサー3において、偏光分離器60は、レーザービームの光路上において光源10およびガスセル40の間に配置される。また、PD70およびPD80は、ガスセル40からみて偏光分離器60と同じ側に配置される。
3. Third Embodiment FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a magnetic sensor 3 according to a third embodiment. The magnetic sensor 3 includes a light source 10, a polarizing plate 20, a gas cell 40, a mirror 50, a polarization separator 60, a PD 70, and a PD 80. Compared with the configuration of the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 3 is different in that it does not have the half mirror 30 and the positional relationship of the elements is different. Compared with the configuration of the magnetic sensor 2, the magnetic sensor 3 is different in that the positional relationship of the elements is different. Specifically, in the magnetic sensor 3, the polarization separator 60 is disposed between the light source 10 and the gas cell 40 on the optical path of the laser beam. PD 70 and PD 80 are disposed on the same side as the polarization separator 60 as viewed from the gas cell 40.

レーザービームの経路に沿って説明すると、上記の素子は、以下のように配置されている。レーザービームの経路の最上流には光源10が位置し、以下、上流側から、偏光板20、偏光分離器60、ガスセル40、およびミラー50の順で配置されている。以上がレーザービームの往路である。レーザービームはミラー50で反射されるので、反射後の経路(復路)に沿ってさらに説明すると、上流側から、ミラー50、ガスセル40、並びにPD70およびPD80の順で配置されている。すなわち、レーザービームは以下のように進行する。光源10から出力されたレーザービームは、偏光板20により、偏光度がより高い直線偏光になる。偏光されたレーザービームは、偏光分離器60に入射する。すなわち、レーザービームは、偏光分離器60に入射する時点で直線偏光成分を有する。レーザービームは、偏光分離器60により2つの偏光成分のビーム(レーザービームAおよびレーザービームB)に分離される。2つのレーザービームは、ガスセル40に入射する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、ガスセル40に封入されているアルカリ金属原子を励起(光ポンピング)する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。2つのビームはミラー50で反射し、再びガスセル40に入射する。ガスセル40を透過しているレーザービームは、再度、偏光面回転作用を受ける。ガスセル40を透過した2つのレーザービームの光量は、PD70およびPD80で計測(プロービング)される。   If it demonstrates along the path | route of a laser beam, said element will be arrange | positioned as follows. The light source 10 is located at the uppermost stream of the laser beam path. Hereinafter, the polarizing plate 20, the polarization separator 60, the gas cell 40, and the mirror 50 are arranged in this order from the upstream side. The above is the outgoing path of the laser beam. Since the laser beam is reflected by the mirror 50, the mirror 50, the gas cell 40, and the PD 70 and PD 80 are arranged in this order from the upstream side when further described along the path after the reflection (return path). That is, the laser beam proceeds as follows. The laser beam output from the light source 10 becomes linearly polarized light having a higher degree of polarization by the polarizing plate 20. The polarized laser beam enters the polarization separator 60. That is, the laser beam has a linearly polarized component when it enters the polarization separator 60. The laser beam is separated into two polarized component beams (laser beam A and laser beam B) by the polarization separator 60. The two laser beams are incident on the gas cell 40. The laser beam passing through the gas cell 40 excites (optically pumps) the alkali metal atoms sealed in the gas cell 40. At this time, the polarization plane of the laser beam is rotated by receiving the polarization plane rotation action corresponding to the strength of the magnetic field. The two beams are reflected by the mirror 50 and enter the gas cell 40 again. The laser beam passing through the gas cell 40 is again subjected to the polarization plane rotating action. The light quantities of the two laser beams that have passed through the gas cell 40 are measured (probing) by the PD 70 and PD 80.

図11は、ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す図である。この例で、レーザービームAおよびレーザービームBの偏光面(電場ベクトルEaiおよびEbi)は45°(π/4)傾いている。図11では、y軸を基準としてレーザービームAの偏光面が+π/8傾いており、レーザービームBの偏光面が−π/8傾いている。 FIG. 11 is a diagram illustrating the existence probability distribution of the angular momentum in the pumping process. In this example, the polarization planes (electric field vectors E ai and E bi ) of the laser beam A and the laser beam B are inclined by 45 ° (π / 4). In FIG. 11, the polarization plane of the laser beam A is tilted by + π / 8 with respect to the y axis, and the polarization plane of the laser beam B is tilted by −π / 8.

図12は、歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す図である。入射光EaiおよびEbiによるアライメントが、角α回転している。以下、説明のため、ガスセル40に封入されている原子を、以下の3群に分類する。
・同じビームによりポンピングおよびプローブされる原子(レーザビームAによりポンピングされレーザービームAによりプローブされる原子およびレーザビームBによりポンピングされレーザービームBによりプローブされる原子)。
・レーザビームBによりポンピングされレーザービームAによりプローブされる原子。
・レーザビームAによりポンピングされレーザービームBによりプローブされる原子。
以上の3群のうち、ポンピング光とプローブ光が同一である原子については、PD70およびPD80において検出される信号への寄与が同一であるため、ここでは無視する。なお、これらの分類は説明のための仮想的なものであって、ガスセル40に封入されている原子が明確に区別されているわけではない。
FIG. 12 is a diagram showing an existence probability distribution of angular momentum in the precession process. The alignment by the incident light E ai and E bi is rotated by an angle α. Hereinafter, for description, the atoms sealed in the gas cell 40 are classified into the following three groups.
Atoms pumped and probed by the same beam (atoms pumped by laser beam A and probed by laser beam A and atoms pumped by laser beam B and probed by laser beam B).
Atoms pumped by laser beam B and probed by laser beam A.
Atoms pumped by laser beam A and probed by laser beam B.
Among the above three groups, atoms having the same pumping light and probe light have the same contribution to the signals detected by the PD 70 and PD 80, and are ignored here. These classifications are hypothetical for explanation, and the atoms sealed in the gas cell 40 are not clearly distinguished.

図13は、レーザービームBにより光ポンピングされた原子によるレーザービームAの偏光面の回転作用を示す図である。レーザービームAは、レーザービームBにより光ポンピングされた原子において形成されたアライメントの線形二色性作用により、偏光面が回転する。ガスセル40を透過した(復路の)レーザービームAの電場Eaoは、入射光の電場Eaiを基準として角φao回転している。 FIG. 13 is a diagram showing the rotating action of the polarization plane of the laser beam A by the atoms optically pumped by the laser beam B. FIG. The plane of polarization of the laser beam A is rotated by the linear dichroism effect of the alignment formed in the atoms optically pumped by the laser beam B. The electric field E ao of the laser beam A transmitted through the gas cell 40 (in the return path) is rotated by an angle φ ao with respect to the electric field E ai of the incident light.

図14は、レーザービームAによりポンピングされた原子によるレーザービームBの偏光面の回転作用を示す図である。レーザービームBは、レーザービームAにより光ポンピングされた原子において形成されたアライメントの線形二色性作用により、偏光面が回転する。ガスセル40を透過した(復路の)レーザービームBの電場Eboは、入射光の電場Ebiを基準として角φbo回転している。 FIG. 14 is a diagram showing the rotating action of the polarization plane of the laser beam B by the atoms pumped by the laser beam A. FIG. The plane of polarization of the laser beam B is rotated by the linear dichroism effect of the alignment formed in the atoms optically pumped by the laser beam A. The electric field E bo of the laser beam B transmitted (in the return path) through the gas cell 40 is rotated by an angle φ bo with respect to the electric field E bi of the incident light.

この構成によれば、偏光面の回転がほぼゼロの場合(φ≒0°)、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量はほぼ同じである。逆にいうと、PD70およびPD80に入射するレーザービームの光量に差がある場合、偏光面が回転していることが示される。図13および図14から明らかなように、電場Eaoおよび電場Eboの大きさ(すなわちレーザービームAおよびレーザビームBの光量)は、アライメントの回転角αとレーザービームの往路の偏光角φとの関数である。PD70およびPD80の出力信号から、回転角φの情報が得られる。回転角φは磁場Bの関数であり、回転角φから磁場Bの情報が得られる。 According to this configuration, when the rotation of the polarization plane is almost zero (φ≈0 °), the light amounts of the laser beams incident on the PD 70 and the PD 80 are substantially the same. Conversely, if there is a difference in the amount of laser beams incident on the PD 70 and PD 80, it indicates that the polarization plane is rotating. As is clear from FIGS. 13 and 14, the magnitudes of the electric field E ao and the electric field E bo (that is, the light amounts of the laser beam A and the laser beam B) are the rotation angle α of the alignment and the polarization angle φ of the forward path of the laser beam. Is a function of Information on the rotation angle φ is obtained from the output signals of the PD 70 and PD 80. The rotation angle φ is a function of the magnetic field B, and information on the magnetic field B can be obtained from the rotation angle φ.

磁気センサー3によれば、レーザービームはガスセル40を2回(ミラー50における反射を基準とした往路および復路)通過する。ガスセル40を1回しか通過しない構成と比較すると、ガスセル40内の光路長が2倍になり、回転角はより大きくなる。すなわち、磁場に対する感度が向上する。また、磁気センサー3によれば、ミラー50の下部に被測定物を配置することが可能である。ガスセルの下にPD等の要素が配置される構成と比較すると、被測定物とガスセル40との距離を近づけることができ、磁気センサー3によればより大きな信号を検出することができる。さらに、磁気センサー1と比較すると、磁気センサー3はハーフミラー30を有しておらず、より簡易な構成を有している。さらに、この構成では、ポンプ光とプローブ光とが空間的に離間している。例えば、レーザビームBによりポンピングされレーザービームAによりプローブされる原子を考えると、ポンプ光(レーザビームB)の光路とプローブ光(レーザービームA)の光路とは異なる位置にある。これにより、励起されてから比較的長い時間経過した後でプローブされるので、ラムゼー共鳴の効果によりアライメントした原子の数を増やすことができ、磁場に対する感度が向上する。   According to the magnetic sensor 3, the laser beam passes through the gas cell 40 twice (the forward path and the return path with reference to the reflection at the mirror 50). Compared with a configuration in which the gas cell 40 is passed only once, the optical path length in the gas cell 40 is doubled, and the rotation angle is further increased. That is, the sensitivity to the magnetic field is improved. Further, according to the magnetic sensor 3, it is possible to place an object to be measured under the mirror 50. Compared with a configuration in which an element such as a PD is disposed under the gas cell, the distance between the object to be measured and the gas cell 40 can be reduced, and the magnetic sensor 3 can detect a larger signal. Furthermore, compared with the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 3 does not have the half mirror 30, and has a simpler configuration. Further, in this configuration, the pump light and the probe light are spatially separated. For example, when considering atoms pumped by the laser beam B and probed by the laser beam A, the optical path of the pump light (laser beam B) and the optical path of the probe light (laser beam A) are in different positions. As a result, since the probe is performed after a relatively long time has passed since excitation, the number of aligned atoms can be increased by the effect of Ramsey resonance, and the sensitivity to the magnetic field is improved.

4.第4実施形態
図15は、第4実施形態に係る磁気センサー4の構成を示すブロック図である。磁気センサー4は、光源、偏光板、偏光分離器、ミラー、および2つのPDを含む光学系を2組有する。第1組の光学系は、光源10、偏光板20、偏光分離器60、ミラー50、PD70、およびPD80を含む。第2組の光学系は、光源11、偏光板21、偏光分離器61、ミラー51、PD71、およびPD81を含む。第1組の光学系と第2組の光学系とは、同じ構成を有しているが、単一のガスセル40に対して互いに直交するように配置されている。各組の光学系における要素の配置は、磁気センサー3と同様である。磁気センサー4によれば、x方向およびz方向の2方向の磁場を検出することができる。なお、磁気センサー4は、第1組の光学系および第2組の光学系に直交する第3組の光学系をさらに有し、3方向の磁場を測定してもよい。別の例で、第1組の光学系および第2組の光学系は、直交していなくてもよい。第1組の光学系および第2組の光学系は、異なる2つの軸に沿った磁場を検出できるものであればよい。
4). Fourth Embodiment FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a magnetic sensor 4 according to a fourth embodiment. The magnetic sensor 4 has two sets of optical systems including a light source, a polarizing plate, a polarization separator, a mirror, and two PDs. The first set of optical systems includes a light source 10, a polarizing plate 20, a polarization separator 60, a mirror 50, a PD 70, and a PD 80. The second set of optical systems includes a light source 11, a polarizing plate 21, a polarization separator 61, a mirror 51, a PD 71, and a PD 81. The first set of optical systems and the second set of optical systems have the same configuration, but are arranged so as to be orthogonal to each other with respect to the single gas cell 40. The arrangement of elements in each set of optical systems is the same as that of the magnetic sensor 3. According to the magnetic sensor 4, it is possible to detect a magnetic field in two directions of the x direction and the z direction. The magnetic sensor 4 may further include a third set of optical systems orthogonal to the first set of optical systems and the second set of optical systems, and may measure magnetic fields in three directions. In another example, the first set of optical systems and the second set of optical systems may not be orthogonal. The first set of optical systems and the second set of optical systems need only be capable of detecting magnetic fields along two different axes.

5.他の実施形態
第1ないし第4実施形態の磁気センサーは、いずれも、磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体の一例であるアルカリ金属原子を内部に収容したセル(ガスセル40)と、アルカリ金属原子と相互作用する光(レーザービーム)を、セルに出射する光源(光源10)と、セルを透過した光を、セルに向けて反射するミラー(ミラー50)と、光を、第1偏光成分および第2偏光成分を含む複数の偏光成分に分離する偏光分離器(偏光分離器60)と、第1偏光成分の光量を検出する第1光検出器(PD70)と、第2偏光成分の光量を検出する第2光検出器(PD80)とを有する磁気測定装置である。これらの要素を有していれば、各要素の配置は、第1ないし第4実施形態で説明したものに限定されない。また、レーザービームの波長やガスセル40内に封入される元素はあくまで例示であり、実施形態で説明したものに限定されない。磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させるものであれば、どのような原子(媒体)が用いられてもよい。さらに、2つの偏光面がなす角度も単なる例示である。例えば、実施形態において偏光面のなす角度が90°と説明されているものであっても、偏光面のなす角度は厳密に90°でなく、誤差を含んでいてもよい。
5. Other Embodiments In any of the magnetic sensors of the first to fourth embodiments, a cell (gas cell 40) containing alkali metal atoms, which is an example of a medium that changes the polarization plane orientation of light in accordance with the magnetic field strength. A light source (light source 10) that emits light (laser beam) that interacts with alkali metal atoms to the cell, a mirror (mirror 50) that reflects the light transmitted through the cell toward the cell, A polarization separator (polarization separator 60) that separates into a plurality of polarization components including a first polarization component and a second polarization component; a first photodetector (PD70) that detects the amount of light of the first polarization component; It is a magnetic measurement apparatus which has a 2nd photodetector (PD80) which detects the light quantity of a polarization component. As long as these elements are included, the arrangement of the elements is not limited to that described in the first to fourth embodiments. The wavelength of the laser beam and the elements enclosed in the gas cell 40 are merely examples, and are not limited to those described in the embodiment. Any atom (medium) may be used as long as it changes the plane of polarization of light according to the magnetic field strength. Furthermore, the angle formed by the two polarization planes is merely an example. For example, even if the angle formed by the polarization plane is described as 90 ° in the embodiment, the angle formed by the polarization plane is not strictly 90 ° and may include an error.

実施形態で説明した構成要素の一部は省略されてもよい。例えば、磁気センサーは、偏光板20を有していなくてもよい。また、磁気センサーは、実施形態で説明した構成要素に加えて、別の構成要素を有してもよい。例えば、磁気センサーは、プロセッサおよび記憶装置を含むコンピュータ装置を有してもよい。PD70およびPD80から出力される信号の記録および解析がこのコンピュータ装置により行われてもよい。   Some of the components described in the embodiments may be omitted. For example, the magnetic sensor may not have the polarizing plate 20. In addition to the components described in the embodiments, the magnetic sensor may have other components. For example, the magnetic sensor may have a computing device that includes a processor and a storage device. Recording and analysis of signals output from the PD 70 and PD 80 may be performed by this computer apparatus.

1…磁気センサー、2…磁気センサー、3…磁気センサー、4…磁気センサー、10…光源、11…光源、20…偏光板、21…偏光板、30…ハーフミラー、40…ガスセル、50…ミラー、51…ミラー、60…偏光分離器、61…偏光分離器、70…PD、71…PD、80…PD、81…PD。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic sensor, 2 ... Magnetic sensor, 3 ... Magnetic sensor, 4 ... Magnetic sensor, 10 ... Light source, 11 ... Light source, 20 ... Polarizing plate, 21 ... Polarizing plate, 30 ... Half mirror, 40 ... Gas cell, 50 ... Mirror , 51 ... mirror, 60 ... polarization separator, 61 ... polarization separator, 70 ... PD, 71 ... PD, 80 ... PD, 81 ... PD.

Claims (8)

磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体を内部に収容したセルと、
前記媒体と相互作用する光を、前記セルに出射する光源と、
前記セルを透過した前記光を、前記セルに向けて反射するミラーと、
前記光を、第1偏光成分および第2偏光成分を含む複数の偏光成分に分離する偏光分離器と、
前記ミラーで反射され前記セルを透過した前記光の前記第1偏光成分を検出する第1光検出器と、
前記ミラーで反射され前記セルを透過した前記光の前記第2偏光成分を検出する第2光検出器と
を有する磁気測定装置。
A cell containing therein a medium that changes the plane of polarization of light according to the magnetic field strength;
A light source that emits light that interacts with the medium to the cell;
A mirror that reflects the light transmitted through the cell toward the cell;
A polarization separator that separates the light into a plurality of polarization components including a first polarization component and a second polarization component;
A first photodetector for detecting the first polarization component of the light reflected by the mirror and transmitted through the cell;
And a second photodetector for detecting the second polarization component of the light reflected by the mirror and transmitted through the cell.
前記偏光分離器は、前記光の光路上において前記セルおよび前記ミラーの間に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気測定装置。
The magnetic measurement apparatus according to claim 1, wherein the polarization separator is disposed between the cell and the mirror on an optical path of the light.
前記光は、前記セルに最初に入射する時点で直線偏光成分を有し、
前記第1偏光成分および前記第2偏光成分の偏光面は互いに直交する
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気測定装置。
The light has a linearly polarized component when it first enters the cell;
The magnetic measurement apparatus according to claim 2, wherein polarization planes of the first polarization component and the second polarization component are orthogonal to each other.
前記偏光分離器は、前記光の光路上において前記光源および前記セルの間に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気測定装置。
The magnetic measurement apparatus according to claim 1, wherein the polarization separator is disposed between the light source and the cell on an optical path of the light.
前記光は、前記偏光分離器に入射する時点で直線偏光成分を有し、
前記第1偏光成分および前記第2偏光成分の偏光面は45°の角度をなす
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気測定装置。
The light has a linearly polarized component when incident on the polarization separator;
The magnetic measurement apparatus according to claim 4, wherein the polarization planes of the first polarization component and the second polarization component form an angle of 45 °.
前記第1光検出器および前記第2光検出器は、前記セルからみて前記偏光分離器と反対側に配置される
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の磁気測定装置。
The magnetic measurement according to any one of claims 1 to 5, wherein the first photodetector and the second photodetector are arranged on the opposite side of the polarization separator as viewed from the cell. apparatus.
前記光源、前記ミラー、前記偏光分離器、前記第1光検出器、および前記第2光検出器を含む光学系を2組有し、
前記2組の光学系は、前記セルにおける光路が互いに直交するように配置される
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の磁気測定装置。
Two sets of optical systems including the light source, the mirror, the polarization separator, the first photodetector, and the second photodetector,
The magnetic measurement apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the two sets of optical systems are arranged such that optical paths in the cell are orthogonal to each other.
請求項1ないし7のいずれか一項に記載の磁気測定装置を有する生体状態測定装置。   A biological state measurement device comprising the magnetic measurement device according to claim 1.
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