JP2017026402A - 光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一のセルで多点計測する原子磁気センサであって、複数のプローブ光またはポンプ光を照射する構成において空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定しうる光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法を提供する。【解決手段】ポンプ光とプローブ光で構成される複数の計測領域間に緩和光を照射することで、スピン偏極が混じり合うのを防ぎ、空間的に異なる磁気信号の分離精度が高い光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁場強度を計測するセンシング方法及び磁力計に係り、特に、原子の電子スピン或いは核スピンを利用した光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法に関する。

非特許文献１及び特許文献１、２には、光ポンピング磁力計が記載されている。非特許文献１に記載された光ポンピング磁力計は、アルカリ金属ガスが内包されたセルと、ポンプ光用光源と、プローブ光用光源とを有する。この光ポンピング磁力計は、被測定対象磁場を受けて回転した、ポンプ光によって偏極させた原子群のスピンを、プローブ光の偏光面の回転として測定するものである。また、非特許文献１には、プローブ光とポンプ光との交差領域を測定ごとに変えることで、プローブ光の光路上の異なる位置の磁気信号を分離して測定する方法が示されている。また、特許文献１には、単一セル内でプローブ光及びポンプ光の交差領域を複数個所構成する構成が示されている。また、特許文献２にはセル壁面からアルカリ金属原子の光誘起脱離を促す誘起光をプローブ光及びポンプ光と異なる第３の光として用いる構成が示されている。

特開２０１２−２０２７５３号公報 特開２０１２−１５９４０２号公報

Ｋｏｍｉｎｉｓ, Ｉ. Ｋ. ａｎｄ Ｋｏｒｎａｃｋ, Ｔ. Ｗ. ａｎｄ Ａｌｌｒｅｄ, Ｊ. Ｃ. ａｎｄ Ｒｏｍａｌｉｓ, Ｍ. Ｖ．"Ａ ｓｕｂｆｅｍｔｏｔｅｓｌａ ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ"Ｎａｔｕｒｅ ２００３ Ｖｏｌ．４２２ ｐ．５９６−５９９

非特許文献１の光ポンピング磁力計は、ライン状のセンサアレイによって、プローブ光をポンプ光方向で分離して測定することでポンプ光の光路上の異なる位置の磁場強度の同時測定を行っている。特許文献１では、複数のプローブ光及びポンプ光を同時照射し交差領域を複数個所構成することにより、異なる位置の磁場強度の同時測定を行っている。しかし、どちらの構成でも、測定に用いているアルカリ金属のスピン偏極が原子の拡散やスピン交換衝突によって混じり合い、空間的に異なる磁気信号を混合して測定していた。

本発明の目的は、単一のセルで多点計測する原子磁気センサであって、複数のプローブ光またはポンプ光を照射する構成において空間的に異なる場所の磁気情報を分離して同時に測定しうる光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、アルカリ金属原子を内包する単一のセルと、円偏光成分を有するポンプ光を前記セルに入射する一つあるいは複数のポンプ光光学系と、前記セルに入射した前記ポンプ光と交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を前記セルに入射する一つあるいは複数のプローブ光光学系と、スピン偏極を緩和させる作用を持つ複数の緩和光を前記ポンプ光と前記プローブ光で構成される複数の交差領域間に入射する緩和光光学系と、前記ポンプ光と交差した後の前記プローブ光の偏光面の回転角を反映した信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出した前記信号から、前記異なる位置の各々の磁場強度に関する情報を取得する情報取得手段とを有し、前記緩和光光学系は、交差領域間のスピン偏極が混じり合うのを防ぐ手段を有することを特徴とする光ポンピング磁力計が提供される。

本発明によれば、ポンプ光とプローブ光で構成される複数の計測領域間に緩和光を照射することで、スピン偏極が混じり合うのを防ぎ、空間的に異なる磁気信号の分離精度を上げることができる。

光ポンピング磁力計の例を示す。（ａ）ポンプ光を２つ、プローブ光を２つ、検出手段を２つ用いる光ポンピング磁力計の例を示す。（ｂ）ポンプ光を２つ、プローブ光を１つ、検出手段を１つ用いる光ポンピング磁力計の例を示す。（ｃ）ポンプ光を１つ、プローブ光を１つ、検出手段を２つ用いる光ポンピング磁力計の例を示す。 本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計の測定領域の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計における偏光測定の例を示す概略図である。 本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。 本発明の第３実施形態による光ポンピング磁力計におけるポンプ光変調系の例を示す概略図である。 本発明の第３実施形態によるポンプ光変調系及び緩和光光学系を複合させる場合の構成を示す概略図である。 本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。 本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計における緩和光整形手段の例を示す概略図である。

本発明の実施形態に係る光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子を内包する１つのセル内で、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを計測領域で交差させ、該計測領域を通過してくる前記プローブ光を検出することで、該計測領域の磁場強度に関する情報を取得する。そして、セル内に設けられた第１及び第２の計測領域間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させる緩和光光学系を有する。このように第１及び第２の計測領域間に存在するスピン偏極を緩和させることで、一方の計測領域のアルカリ金属原子のスピン偏極が、他方のスピン偏極へ及ぼす影響を小さくすることができる。

このような光ポンピング磁力計の一例として、図１（ａ）に示すように、ポンプ光光学系１から出射されるポンプ光を２つ（１１２、１１３）、プローブ光光学系３から出射されるプローブ光を２つ（１０４、１０５）、検出手段４を２つ用いる形態がある。すなわち、第１の計測領域では第１のポンプ光１１２と第１のプローブ光１０４とが、第２の計測領域では第２のポンプ光１１３と第２のプローブ光１０５とが、それぞれセル２０１内で交差し、且つ第１及び第２のプローブ光（１０４、１０５）をそれぞれ検出する第１及び第２の検出手段４を有するものである。５は情報取得手段を指す。

また、別の例として、図１（ｂ）に示すように、ポンプ光を２つ（１１２、１１３）、プローブ光を１つ（１０４）、検出手段４を１つ用いる形態がある。すなわち、第１の計測領域では、第１の変調条件で変調されている第１のポンプ光１１２と前記プローブ光１０４とが、第２の計測領域では、第１の変調条件とは異なる第２の変調条件で変調されている第２のポンプ光１１３とプローブ光１０４とが、それぞれセル２０１内で交差し、且つ前記プローブ光１０４を検出する検出手段４を有するものである。

さらに別の例として、図１（ｃ）に示すように、ポンプ光を１つ（１１２）、プローブ光を１つ（１０４）、検出手段４を２つ用いる形態がある。すなわち、第１の計測領域を通過してくるプローブ光１０４と、第２の計測領域を通過してくるプローブ光１０４とをそれぞれ検出する第１及び第２の検出手段４を有するものである。

以下、本発明の実施形態に係る光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について詳細を説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図２、３及び図４を用いて説明する。

図２は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す斜視図である。はじめに、本実施形態による光ポンピング磁力計の概略構成について、図２を用いて説明する。

本実施形態による光ポンピング磁力計１００は、恒温断熱槽１０１と、プローブ光光源１０２、１０３と、直線偏光子１０６、１０７と２分の１波長板１０８、１０９と、ポンプ光光源１１０、１１１と、４分の１波長板１１４、１１５と、緩和光光源１２０と偏光測定系３００、３０１と、後述のセルを有している。

恒温断熱槽１０１内には、アルカリ金属原子、例えばカリウム（Ｋ）が内包されたセルが配置されている。恒温断熱槽１０１の壁面には、恒温断熱槽１０１内にプローブ光１０４、１０５及びポンプ光１１２、１１３及び緩和光１２１を導入するための光学窓１２２、１２３が設けられている。恒温断熱槽１０１の周囲には、バイアス磁場調整用コイル１２４が配置されている。

プローブ光光源１０２は、直線偏光子１０６、２分の１波長板１０８及び光学窓１２２を介して、恒温断熱槽１０１中のセルに直線偏光成分を有するプローブ光１０４を入射するようになっている。セルを通過したプローブ光１０４は、不図示の光学窓を介して偏光測定系３００に入射するようになっている。プローブ光光源１０３は、直線偏光子１０７、２分の１波長板１０９及び光学窓１２２を介して、恒温断熱槽１０１中のセルに直線偏光成分を有するプローブ光１０５を入射するようになっている。セルを通過したプローブ光１０５は、不図示の光学窓を介して偏光測定系３０１に入射するようになっている。これらプローブ光光学系は、プローブ光１０４、１０５が、図２に示す座標系においてｘ方向に沿って恒温断熱槽１０１中のセル内を伝搬するように、配置されている。

ポンプ光光源１１０は、４分の１波長板１１４及び光学窓１２３を介して、恒温断熱槽１０１中のセルにポンプ光１１２を入射するようになっている。ポンプ光光源１１１は、４分の１波長板１１５及び光学窓１２３を介して、恒温断熱槽１０１中のセルにポンプ光１１３を入射するようになっている。

セルに入射した円偏光成分を有するポンプ光１１２は、プローブ光１０４と交差する。セルに入射した円偏光成分を有するポンプ光１１３は、プローブ光１０５と交差する。これらポンプ光光学系は、ポンプ光１１２、１１３が、図２に示す座標系において、ｚ方向に沿って恒温断熱槽１０１中のセル内を伝搬するように、配置されている。

緩和光光源１２０は、光学窓１２３を介して、恒温断熱槽１０１中のセルに緩和光１２１を入射するようになっている。

恒温断熱槽１０１中のセルに入射した緩和光１２１は、プローブ光１０４及びポンプ光１１２が構成する交差領域と、プローブ光１０５及びポンプ光１１３が構成する交差領域の間の領域を通過する。緩和光光源１２０は、緩和光１２１が、図２に示す座標系において、ｚ方向に沿ってセル内を伝搬するように配置されている。

セルを通過したポンプ光１１２、１１３及び緩和光１２１は、恒温断熱槽１０１内で終端処理される。あるいは、光学窓を介して恒温断熱槽から出射させた後、光ターミネータ等で終端処理しても良い。

次に、本実施形態による光ポンピング磁力計の基本動作について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、恒温断熱槽１０１内に配置されたセル２０１中でプローブ光１０４とポンプ光１１２が交差領域２０２において、プローブ光１０５とポンプ光１１３が交差領域２０３において交差している様子の詳細図である。

セル２０１に入射したポンプ光１１２、１１３によって、セル２０１内のアルカリ金属原子はスピン偏極する。スピン偏極した原子のスピンは、被測定磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。そのスピンの運動は、次のブロッホ方程式（式（１））で記述される。

式（１）において、ベクトル

は、アルカリ金属原子のスピンを表している。Ｄはスピンの拡散係数を、γは磁気回転比を、ｑはスローダウンファクターを表している。ベクトル

は、外部磁場を表している。Ｒ_ｏｐは、ポンプ光による光ポンピングレートを表している。ｓは、ポンプ光の円偏光度を表している。Ｒ_{ｒｅｌａｘ}は、緩和光による緩和レートを表している。Ｔ_１は、縦緩和時間を表している。Ｔ_２は、横緩和時間を表している。ベクトル

は、単位方向ベクトルを表している。なお、座標系は図３内に示した座標を用いている。ここでは、ｚ方向からポンプ光を入射する状況を考えている。

ポンプ光１１２が薄い平板の形状でｙ＝０の地点でｚ方向進行方向へ、ポンプ光１１３が薄い平板の形状でｙ＝ａの地点でｚ方向進行方向へ、入射している状況を考える。このときスピンの拡散はｙ方向のみを考えればよい。緩和光１２１を照射せず、そして測定対象の磁場を印加しないときを考えると、式（１）はＳ_ｚに関して式（２）のような式になる。

ここで、δ（ｙ）はδ関数である。式（２）ｔに関する定常解、ｄＳ_ｚ／ｄｔ＝０のときの解は式（３）のようになる。

このように、ポンプ光１１２によるスピン偏極は

によって特徴づけられる距離程度のポンプ光照射領域外までスピン偏極をつくる。拡散係数Ｄはカリウムの場合、標準状態で０．４１ｃｍ^２／ｓであり、１８０℃、１．６ａｔｍの状況では０．３３ｃｍ^２／ｓである。縦緩和時間Ｔ１は１００ｍｓ程度であるので、これから拡散長

は、０．１８ｃｍである。

このようなスピン偏極の空間分布のもとに、測定対象の磁場が印加されたとすると、交差領域２０２の地点での測定磁場に対するスピンの応答がこの偏極の空間分布によって伝わり交差領域２０３の地点でプローブ光１０５にて検出されてしまう。

緩和光光源１２０から出射される緩和光１２１は、このスピン偏極の空間分布による信号の混合を低減する為に、セル２０１内の交差領域２０２と交差領域２０３の間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を早く緩和させるためのものである。

緩和光光源１２０から出射される緩和光１２１は、Ｄ１遷移共鳴波長またはＤ２遷移共鳴波長の波長を持ち、セル２０１内のスピン偏極したアルカリ金属原子を光吸収により励起することでスピン偏極を弱めたり（Ｔ１緩和）、位相緩和（Ｔ２緩和）させる作用を有する。

緩和光として機能しない光には２種類ある。一つはポンプ光と同じ向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光の光、もう一つはポンプ光と逆向きに伝搬する逆回転の円偏光の光である。

これ以外の光は、緩和光としての機能を有する。具体的には、Ａ）非偏光の光、Ｂ）直線偏光の光（偏光面は問わない）、Ｃ）ポンプ光と同じ向きに伝搬する逆回転の円偏光の光、Ｄ）ポンプ光と逆向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光、Ｅ）ポンプ光と異なる向きに伝搬する任意の向きの円偏光の光である。これらの光はいずれも両方のスピン状態の電子を励起するので、ポンプ光によって作られたスピン偏極を緩和する働きを有する。上記Ａ）からＤ）の光は新たなスピン偏極を生成せずスピン偏極を緩和させるため、本実施形態で緩和光として利用するのに適する。一方、Ｅ）の光は新たなスピン偏極を生成してしまい、直接あるいは磁場下でのスピン偏極の回転の結果として、プローブ光の偏光面の回転が生じるので、本実施形態の光ポンピング磁力計に用いる緩和光としては適していない。

図１（ａ）に例示される光ポンピング磁力計であれば、緩和光は上記Ａ）非偏光の光またはＢ）直線偏光の光（偏光面は問わない）またはＣ）ポンプ光と同じ向きに伝搬する逆回転の円偏光の光、図１（ｂ）に例示される光ポンピング磁力計であれば、緩和光は上記Ａ）非偏光の光またはＢ）直線偏光の光（偏光面は問わない）またはＤ）ポンプ光と逆向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光、が用いられ、また、図１（ｃ）に例示される光ポンピング磁力計であれば、緩和光はＡ）非偏光の光またはＢ）直線偏光の光（偏光面は問わない）が好ましい。

なお、特許文献２はセル中の原子を光誘起脱離する光（誘起光）を照射する手段を備える磁場計測装置を開示し、ポンピング光、プローブ光の他に、第３の光をセルに照射する点においてのみ、本願発明の実施形態と共通する。しかし特許文献２の誘起光は、セル中の原子を光誘起脱離することが目的であり、それに伴い照射する光は光エネルギーが高いものが望ましく、例として紫外光が挙げられている。一方、本願発明の実施形態における緩和光は、アルカリ金属原子のスピン偏極を早く緩和させるためのものであり、セル中のアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長またはＤ２遷移共鳴波長の波長を有する。また、本願発明の実施形態における緩和光は、紫外領域の波長の光は含まないことが好ましく、緩和光の好ましい波長の範囲は７００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である。

交差領域２０２を通過したプローブ光１０４の偏光面は、交差領域２０２でのスピン偏極Ｓ_ｘ ^ａに比例した常磁性ファラデー回転を受ける。そして、プローブ光１０４は、偏光測定系３００に入射し、偏光測定される。交差領域２０３を通過したプローブ光１０５の偏光面は、交差領域２０３でのスピン偏極Ｓ_ｘ ^ｂに比例した常磁性ファラデー回転を受ける。そして、プローブ光１０５は、偏光測定系３０１に入射し、偏光測定される。その結果、各交差領域における図２中ｙ方向の磁場成分Ｂ_ｙを測定する。

次に、本実施形態による光ポンピング磁力計１００の一例について、各構成部分のそれぞれについて、より具体的に説明する。

〔１〕恒温断熱槽１０１
恒温断熱槽１０１内には、ガラスセルが設置されている。このセルは、ガラスなど、プローブ光やポンプ光に対して透明な材料により構成された気密構造体である。セル内には、アルカリ金属原子としてカリウム（Ｋ）が封入されている。セルに利用可能なアルカリ金属原子としては、カリウムのほか、ルビジウム（Ｒｂ）やセシウム（Ｃｓ）が挙げられる。セル内に封入するアルカリ金属原子は、必ずしも１種類である必要はなく、カリウム、ルビジウム及びセシウムを含む群から選択される少なくとも１種類の原子を含むことができる。

また、セル内には、バッファガスと、クエンチャガスとが更に封入されている。バッファガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが挙げられる。ヘリウムガスは、偏極アルカリ金属原子の拡散を抑える効果を有しており、セル壁との衝突によるスピン緩和を抑制して偏極率を高めるために有効である。また、クエンチャガスとしては、窒素（Ｎ_２）ガスが挙げられる。窒素ガスは、励起状態にあるカリウム原子からエネルギーを奪い蛍光を抑えるためのクエンチャガスであり、光ポンピングの効率を上げるために有効である。

カリウム原子は、自原子同士及びヘリウム原子との衝突によるスピン偏極破壊に対する散乱断面積が、アルカリ金属原子の中で最も小さい。なお、スピン偏極破壊に対する散乱断面積は、カリウム原子に次いでルビジウム原子が小さい。そのため、緩和時間が長く磁場信号応答の大きい磁気センサを構築するためのアルカリ金属原子としては、カリウムが最も好ましい。

一方、ルビジウムやセシウムはカリウムに比べて同一温度下での蒸気圧が高いため、カリウムに比べてより低い温度で同じ原子数密度を得ることができるという利点がある。このため、より低温で動作するセンサを構築する等の観点からは、ルビジウム原子やセシウム原子を用いることも有効である。

測定時には、セル内のアルカリ金属ガスの密度を高めるために、セルを最大２００℃程度の温度まで加熱する。この熱が外に逃げないようにする役割を、恒温断熱槽１０１は担っている。

恒温断熱槽１０１中のセルの加熱方式としては、例えば、加熱された不活性な気体を外部から恒温断熱槽１０１内に流し込みセルを加熱する方式が挙げられる。或いは、恒温断熱槽１０１内に配置したヒータに電流を流して加熱する方式でもよい。この場合には、ヒータ電流に起因する磁場が計測信号に影響することを回避するために、ポンプ光の変調周波数よりも倍以上高い周波数の電流でヒータを駆動することが有効である。また、恒温断熱槽１０１の外部から導入した光をセル或いはセルの周囲に配置した吸光部材で吸収させることにより加熱する光加熱方式であってもよい。

〔２〕バイアス磁場調整用コイル１２４
バイアス磁場調整用コイル１２４は、不図示の磁気シールド内に設置されている。この磁気シールドは、外部環境から侵入する磁場を低減するためのものである。

バイアス磁場調整用コイル１２４は、恒温断熱槽１０１中のセル周囲の磁場環境を操作するために用いられるものである。バイアス磁場調整用コイル１２４の具体的例としては、例えば、３軸ヘルムホルツコイルが挙げられる。具体的には、バイアス磁場調整用コイル１２４により、測定周波数とラーモア周波数とが一致し共鳴するようにポンプ光１１２と平行方向（図中ｚ方向）にバイアス磁場を印加する。

また、バイアス磁場調整用コイル１２４は、バイアス磁場方向以外の残留磁場（図中ｘ方向及びｙ方向）を打ち消しバイアス磁場方向以外に磁場が印加されていない環境にするために使用される。更に磁場の空間不均一性を補正するために、シムコイルを追加してもよい。

〔３〕プローブ光光学系
プローブ光光学系は、プローブ光光源１０２、１０３と、直線偏光子１０６、１０７と、２分の１波長板１０８、１０９とを含んで構成される。

プローブ光光源１０２から出射されるプローブ光１０４及びプローブ光光源１０３から出射されるプローブ光１０５の波長は、信号応答が最大になるようアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に対応する光周波数から数ＧＨｚないし数十ＧＨｚ程度の離調をとる。信号応答を最大にする離調の値は、恒温断熱槽１０１中のセルのバッファガス圧及び温度に依存する。この波長を安定的に保つために、プローブ光光源１０２、１０３は外部共振器等の安定化手段を有していてもよい。プローブ光１０４は、直線偏光子１０６により直線偏光とされ、プローブ光１０５は、直線偏光子１０７により直線偏光とされる。また、波長の選定基準として、ＳＮＲを最大化するという条件で離調を選定してもよい。いずれの基準を用いた場合も、最適な離調量はセル内のポンプ光強度に依存するので、計測中に定期的にキャリブレーションを行って、離調量の補正を行うことも効果的である。

〔４〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、図２に示すように、ポンプ光光源１１０、１１１と、４分の１波長板１１４、１１５とを含んで構成される。

ポンプ光光源１１０から出射されるポンプ光１１２及びポンプ光光源１１１から出射されるポンプ光１１３の偏光は直線偏光であり、それらの波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせ、実際にはアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長から１ｎｍから１０ｎｍ程度の範囲を含むことができる。ポンプ光光源１１０、１１１は、ポンプ光の波長をセル内のアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段を有している。ポンプ光１１２は、４分の１波長板１１４によって円偏光に変換され、ポンプ光１１３は、４分の１波長板１１５によって円偏光に変換される。この際、ポンプ光１１２、１１３は、右回り円偏光と左回り円偏光のどちらに変換してもよい。

円偏光となったポンプ光１１２、１１３は、恒温断熱槽１０１中のセルに入射し、セル中のポンプ光１１２、１１３の光路上のアルカリ金属原子群を偏極する。

またポンプ光光学系として、同一のポンプ光光源から光をビームスプリッタ等で分割してポンプ光１１２、１１３としスピン偏極する構成も利用可能である。

〔５〕緩和光１２１
緩和光光源１２０から出射される緩和光１２１の波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長またはＤ２遷移共鳴波長であり、実際にはこれらの遷移共鳴波長から１ｎｍから１０ｎｍ程度の範囲を含むことができる。
緩和光光源１２０は、緩和光１２１の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長あるいはＤ２遷移共鳴波長に固定するための周波数安定化手段を有している。

本実施形態の一例としては、緩和光光源１２０は、緩和光１２１の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ±１０ｎｍの範囲）あるいは、カリウム原子のＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ±１０ｎｍの範囲）に固定するための光周波数安定化手段を有している。あるいは、セル内のアルカリ金属原子がルビジウムである場合は、緩和光１２１の波長はルビジウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７９５．０ｎｍ±１０ｎｍの範囲）、あるいは、ルビジウム原子のＤ２遷移共鳴波長（７８０．２ｎｍ±１０ｎｍの範囲）に固定され、セル内のアルカリ金属原子がセシウムである場合は、緩和光１２１の波長はセシウム原子のＤ１遷移共鳴波長（８９４．６ｎｍ±１０ｎｍの範囲）あるいは、セシウム原子のＤ２遷移共鳴波長（８５２．３ｎｍ±１０ｎｍの範囲）に固定される。さらに、緩和光強度が十分にある場合は、遷移共鳴波長から多少離調をとっても良い。

緩和光１２１は、光学窓１２３を透過して恒温断熱槽１０１中のセルに入射し、セル中の緩和光１２１の光路上のアルカリ金属原子群によって光吸収される。緩和光１２１の偏光としては、直線偏光を用いるのが最も効率的に緩和させることができ望ましい。直線偏光の場合、スピン偏極の向きによらず光の吸収率は一定であり、そして励起したアルカリ金属原子は、自発脱励起、あるいはクエンチャガス原子との衝突脱励起等によって２つの基底準位へほぼ均等に遷移するため、スピン偏極は緩和される。

緩和光１２１は、プローブ光１０４及びポンプ光１１２が構成する交差領域２０２と、プローブ光１０５及びポンプ光１１３が構成する交差領域２０３の間の領域のどこかを通過すればよく、入射方向は実施形態においては、例えば、−ｚ方向、ｚ方向、−ｘ方向、あるいはｘ方向であり、入射位置は多少、上下（例えばｙ方向）してもよい。また、交差領域の数は２つに限ったものではなく、３つ以上構成しても良い。その場合、各交差領域間に緩和光を照射することでスピン偏極が混じり合うのを防ぐことができる。

緩和光１２１の偏光として、非偏光な光を利用する場合は、出来る限り電場の振動方向が時間的にランダムで平均的に円偏光度が０である光を用意する必要がある。また、緩和光１２１として、ポンプ光と同じ向きに伝搬する逆回転の円偏光の光、あるいはポンプ光と逆向きに伝搬する同じ回転方向の円偏光を用いる場合は、新たなスピン偏極を生成しないように、緩和光の強度を適切に調整する必要がある。

〔６〕偏光測定系３００、３０１
偏光測定系３００は、図４に示すように、偏光分離素子３０２と、フォトディテクタ３０３、３０４と、差分回路３０５とを含んで構成される。偏光測定系３０１も偏光測定系３００と同様の構成であるため、偏光測定系３００の構成を用いて説明する。

偏光分離素子３０２に入射するプローブ光１０４は、偏光角θに応じて、透過光と反射光とに分割される。光パワーで比を取れば、透過光と反射光との強度比は、ｃｏｓ^２θ：ｓｉｎ^２θとなる。ここでは、偏光分離素子３０２への入射光がすべて透過してフォトディテクタ３０３に入射する偏光状態、すなわちθ＝０°の場合、を基準にしている。このとき、θ＝９０°の光は全て反射され、フォトディテクタ３０４に入射する。

２つに分割された光のパワー強度をフォトディテクタ３０３、３０４によりそれぞれ測定し、その差を差分回路３０５から出力する。被測定磁場が存在しないときのプローブ光１０４の偏光をθ＝４５°に合わせておくと、被測定磁場が存在しないときにはフォトディテクタ３０３、３０４に同じ光パワーの光が入射することになり、差分回路３０５からの出力は０になる。

一方、被測定磁場が存在するときには、その大きさに応じた偏光面の回転が生じ、フォトディテクタ３０３、３０４には異なる光パワーの光が入射することになり、差分回路３０５からは０ではないこれらの差分が出力される。すなわち、このときの差分回路３０５からの出力は、プローブ光１０４の偏光面の回転角に比例した信号であり、被測定磁場の大きさを反映したものである。

このように、本実施形態によれば、複数の計測領域間に緩和光を照射することで、スピン偏極が混じり合うのを防ぎ、空間的に異なる磁気信号の分離精度を上げることができ、同時に測定することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について、図５を用いて説明する。図２及び図４に示す第１実施形態による光ポンピング磁力計と同様の構成要素については同一の名称で表し、説明を省略し或いは簡潔にする。同一の構成要素についての各実施形態における説明は、各実施形態に特有の構成に反しない範囲で、相互に適用可能である。

図５は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略構成を示す斜視図である。

本実施形態による光ポンピング磁力計４００は、図５に示すように、恒温断熱槽４０１と、プローブ光光学系４０２、４０３と、ポンプ光光学系４１０と、緩和光光学系４２０と偏光測定系４３０、４３１とを有している。

プローブ光４０４は偏光測定系４３０に入射し、またプローブ光４０５は偏光測定系４３１へ入射し、その偏光を測定する。

本実施形態による光ポンピング磁力計の構成と作用は、恒温断熱層、バイアス磁場調整用コイル、プローブ光光学系及び偏光測定系においては、図２及び図４に示す第１実施形態による光ポンピング磁力計と同様である。

次に、本実施形態による光ポンピング磁力計４００のうちポンプ光光学系４１０と緩和光光学系４２０を構成する部分について説明する。

〔１〕ポンプ光光学系４１０
ポンプ光光学系４１０から出射されるポンプ光４１１の偏光は円偏光であり、その波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせる。ポンプ光光学系４１０は、ポンプ光の波長をアルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に固定するための光周波数安定化手段を有している。

セルに入射した円偏光成分を有するポンプ光４１１は、まずプローブ光４０４と交差し、その交差領域中のアルカリ金属原子群を偏極する。ポンプ光光学系４１０は、ポンプ光４１１が、図５に示す座標系において、ｙ方向に沿って恒温断熱槽４０１中のセル内を伝搬するように配置されている。その後、プローブ光４０５との交差領域中のアルカリ金属原子群を偏極する。このように、１本のポンプ光で複数のプローブ光と交差し、各交差領域中のアルカリ金属原子群を偏極する構成となっている。

〔２〕緩和光光学系４２０
緩和光光学系４２０から出射される緩和光４２１の波長は、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に合わせる。本実施形態の一例としては、緩和光光学系４２０は、緩和光４２１の波長をカリウム原子のＤ１遷移共鳴波長（７７０．１ｎｍ）に固定するための光周波数安定化手段を有している。あるいは、カリウム原子のＤ２遷移共鳴波長（７６６．７ｎｍ）に固定してもよい。

緩和光４２１は、不図示の光学窓を透過して恒温断熱槽４０１中のセルに入射し、セル中の緩和光４２１の光路上のアルカリ金属原子群のスピン偏極を緩和させる。緩和光４２１は、プローブ光４０４及びポンプ光４１１が構成する交差領域と、プローブ光４０５及びポンプ光４１１が構成する交差領域の間の領域のどこかを通過すればよく、その入射位置はｙ方向に多少上下しても良く、入射方向は−ｚ方向、あるいはプローブ光と平行方向、つまりｘ方向もしくは−ｘ方向から入射しても良い。また、ポンプ光４１１と交差するプローブ光の本数は２本に限定するものではなく、３本以上交差させても良い。この場合、各交差領域間に緩和光を照射することにより、スピン偏極が混じり合うのを防ぐことができる。

このように、本実施形態によれば、単一のポンプ光によって、複数のプローブ光との交差領域上のアルカリ金属原子群を図５中ｙ方向へ偏極し、ｚ方向成分の磁場を測定する構成において、複数の交差領域間に緩和光を照射することで、スピン偏極が混じり合うのを防ぎ、空間的に異なる磁気信号の分離精度を上げることができる。同時に測定することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について図６を用いて説明する。

図６は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。

本実施形態による光ポンピング磁力計５００は、図６に示すように、恒温断熱槽５０１と、ポンプ光光源５０２、５０３と、直線偏光子５０６、５０７と、光変調部６００、６０１と４分の１波長板５０８、５０９と、プローブ光光学系５１０と緩和光光学系５２０と偏光分離素子５１２とフォトディテクタ５１３、５１４と差分回路５１５と復調器５１６、５１７とを有している。

本実施形態による光ポンピング磁力計の構成と作用は、恒温断熱層、バイアス磁場調整用コイル、プローブ光光学系及び緩和光光学系においては、図５に示す第２実施形態による光ポンピング磁力計と同様である。

プローブ光５１１は偏光分離素子５１２により、その偏光面の角度に応じた強度によって反射光と透過光とに分割される。そして、偏光分離素子５１２の透過光はフォトディテクタ５１３に入射し、偏光分離素子５１２の反射光はフォトディテクタ５１４に入射するようになっている。フォトディテクタ５１３、５１４には、差分回路５１５が接続されている。

次に、本実施形態による光ポンピング磁力計５００の各構成部分のそれぞれについて、より具体的に説明する。

〔１〕ポンプ光光学系
ポンプ光光学系は、図６に示すように、ポンプ光光源５０２、５０３と、直線偏光子５０６、５０７と、光変調部６００、６０１と、４分の１波長板５０８、５０９とを含んで構成される。

ポンプ光光源５０２から出射されるポンプ光５０４及び、ポンプ光光源５０３から出射されるポンプ光５０５の波長は、ポンプ光光源５０２、５０３が持つ光周波数安定化手段によって、アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長に固定される。ポンプ光５０４は、直線偏光子５０６により直線偏光に調整された後、光変調部６００により変調を受け、４分の１波長板５０８によって円偏光に調整される。ポンプ光５０５は、直線偏光子５０７により直線偏光に調整された後、光変調部６０１により変調を受け、４分の１波長板５０９によって円偏光に調整される。恒温断熱槽５０１中のセルに入射したポンプ光５０４、５０５はその光路上のアルカリ金属原子からなる群をそれぞれ偏極する。ポンプ光５０４、５０５は同一の光源からの光をビームスプリッタ等で分割して利用してもよい。

〔１．１〕光変調系（光変調部６００、６０１）
ポンプ光５０４は光変調部６００によって、ポンプ光５０５は光変調部６０１によって、そのポンピングレートに変調を受ける。光変調部６００、６０１における変調方式としては、例えば、ポンプ光強度変調が挙げられる。光変調部６００、６０１の具体的な構成について、図７を用いて以下に説明する。ポンプ光強度変調の一例としては、光チョッパーを利用した方法が挙げられる。光チョッパーは、周期的に光を遮蔽するものであり、光チョッパーを通過した光の光強度は、矩形波で変調されることになる。すなわち、図７に示すように、ポンプ光６０２ａを光チョッパー６０３に入射することで、光強度に矩形波状の変調のかかったポンプ光６０２ｂを得ることができる。光チョッパー６０３における変調周波数は、光チョッパー６０３を制御するための信号発生器６０４により制御することができる。その他の変調手段としては、光周波数変調及び円偏光度変調が考えられる。

プローブ光と交差するポンプ光の本数は２本に限定されるものではなく、変調周波数の互いに異なるポンプ光を３本以上プローブ光と交差させてもよい。

また、ポンプ光光学系と緩和光光学系は図８のような同一の光源を利用する構成も可能である。図８で示すポンプ光・緩和光複合光学系７００は、光源７０１と、直線偏光子７０２と、光分離素子７０３、７０４と、ミラー７０５と、光変調部６００、６０１と、４分の１波長板７０６、７０７とを含んで構成される。

光源７０１から出射されるレーザ光７１０の波長は、光源７０１が持つ光周波数安定化手段によって、アルカリ金属原子からなるＤ１遷移共鳴波長に固定される。レーザ光７１０は、直線偏光子７０２により直線偏光になるよう調整された後、光分離素子７０３によってその一部がポンプ光７１１として分離される。ポンプ光７１１は、光変調部６００により変調を受け、４分の１波長板７０６によって円偏光に調整され、恒温断熱槽５０１に入射する。一方、光分離素子７０３によってその一部が分離されたレーザ光７１０は、光分離素子７０４によって再びその一部が緩和光７１２として分離される。緩和光７１２は恒温断熱槽５０１へ入射する。そして、光分離素子７０４によってその一部が分離されたレーザ光７１０は、ミラー７０５により光変調部６０１に照射される。この光をポンプ光７１２と呼称する。ポンプ光７１２は、光変調部６０１により変調を受け、そして４分の１波長板７０７によって円偏光に調整され、恒温断熱槽５０１に入射する。

光分離素子７０３、７０４としてはハーフミラーやビームスプリッタといった、入射光を反射光と透過光に分離するものが使われる。この際、偏光に反射光と透過光の強度比が依存する偏光ビームスプリッタ等を用い、半波長板と組み合わせポンプ光７１１、７１３及び緩和光７１２の強度を調整する機能を持たせても良い。

〔２〕偏光測定系
偏光測定系は、図６に示すように、偏光分離素子５１２と、フォトディテクタ５１３、５１４と、差分回路５１５と、復調器５１６、５１７とを含んで構成される。

差分回路５１５の出力信号は、復調器５１６、５１７に入力され復調される。復調器としては、例えば、ロックインアンプが挙げられる。このとき、復調器５１６において、光変調部６００の変調周波数と同じ周波数で復調することにより、プローブ光５１１とポンプ光５０４との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。また、復調器５１７においては、光変調部６０１の変調周波数と同じ周波数で復調することにより、プローブ光５１１とポンプ光５０５との交差領域の磁気信号を取り出すことができる。

このように、本実施形態によれば、複数の計測領域間に緩和光を照射することで、スピン偏極が混じり合うのを防ぎ、またプローブ光５１１光路上の空間的に異なる磁気信号の分離精度を上げ同時に測定することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法について図９を用いて説明する。

図９は、本実施形態による光ポンピング磁力計の構成を示す概略図である。

本実施形態による光ポンピング磁力計８００は、図９に示すように、恒温断熱槽８０１と、ポンプ光光源８０２、８０３と、直線偏光子８０６、８０７と、光変調部８０８、８０９と４分の１波長板８１０、８１１と、プローブ光光学系８１２、８１３と、緩和光光学系８２０と、緩和光整形手段９００と、偏光測定系８３０、８３１を有している。

本実施形態による光ポンピング磁力計の構成と作用は、恒温断熱層、バイアス磁場調整用コイル、プローブ光光学系及びポンプ光光学系においては、図６に示す第３実施形態による光ポンピング磁力計と同様である。

次に、本実施形態による光ポンピング磁力計８００の各構成部分のそれぞれについて、より具体的に説明する。

〔１〕緩和光光学系８２０
緩和光光学系８２０から出射される緩和光８２１の偏光は直線偏光であり、その波長は緩和光光学系８２０が持つ光周波数安定化手段によって、アルカリ金属原子からなるＤ１遷移共鳴波長あるいはＤ２遷移共鳴波長に固定される。緩和光８２１は、緩和光光学系８２０の持つビーム拡大手段によって拡大され、緩和光整形手段９００に照射され、その一部のみ切り出される。緩和光整形手段９００によって、切り出された緩和光８２１は恒温断熱槽８０１中のセルへ入射し、プローブ光８１４、８１５間の領域及びポンプ光８０４、８０５の間の領域に照射され、その光路上のアルカリ金属原子群の偏極をそれぞれ緩和する。

〔１．１〕緩和光整形手段９００
緩和光８２１は緩和光整形手段９００によって、そのビームの一部のみをとりだされる。緩和光整形手段９００の具体的な構成について、図１０を用いて以下に説明する。緩和光整形手段９００は緩和光遮蔽部９０１及び緩和光透過部９０２を有している。緩和光遮蔽部９０１は緩和光８２１の波長の光を吸収あるいは反射する機能を持つ材質でできており緩和光８２１はプローブ光８１４、８１５間の領域及びポンプ光８０４、８０５の間の領域を透過するように切り取られる。緩和光透過部９０２は緩和光８２１の波長の光を透過する機能を持つものである。あるいは緩和光遮蔽部９０１のスリットでもよい。緩和光整形手段９００は一枚である必要はなく、複数枚あっても良い。この場合、１枚目がポンプ光８０４、８０５の間の領域に照射するように緩和光８２１を整形し、２枚目がプローブ光８１４、８１５の間の領域に照射するように緩和光８２１を整形するというように機能を分離させても良い。

また、ポンプ光及びプローブ光は２組ずつに限定されるものではなく、３組以上あっても良い。その場合、緩和光整形手段９００はプローブ光間の各領域及びポンプ光間の各領域を照射するように緩和光遮蔽部９０１及び緩和光透過部９０２で構成する。

［第五実施形態］
また本発明の第五実施形態は、上記実施形態に基づく、磁場強度に関する情報を取得する方法である。すなわち、アルカリ金属原子を内包する１つのセル内の領域の磁場強度に関する情報を取得する方法であって、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを該計測領域で交差させて照射して交差領域とし、該交差領域を通過する前記プローブ光を検出することで、該交差領域の磁場強度に関する情報を取得することを特徴とし、該交差領域を２以上設け、さらに、前記セル内に緩和光を照射し、２以上の交差領域の間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させることを特徴とする方法を提供する。具体的には以下の３つのステップを少なくとも有する。
（１）円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを、ポンプ光とプローブ光とが、複数の計測領域で交差させるように照射するステップ
（２）複数の計測領域を通過するプローブ光を検出することで、複数の計測領域の磁場強度に関する情報を取得するステップ
（３）セル内に緩和光を照射し、複数の計測領域の間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させるステップ
なお、本実施形態に係る磁場強度に関する情報を取得する方法は上記以外のステップを適宜有していても良い。

［第六実施形態］
本発明の第六実施形態に係る光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子を内包する１つのセル内で、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを交差領域で交差させ、該交差領域を通過してくる前記プローブ光を検出することで、交差領域の磁場強度に関する情報を取得する光ポンピング磁力計である。そして、セル内の交差領域に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させて、交差領域の一部を計測領域とする緩和光を照射する緩和光光学系を有することを特徴とする。セル内への緩和光を照射する位置を変えることで、緩和光によって区切られる領域の面積を変えることができる。すなわち、緩和光の照射位置を変えることで、交差領域の含まれる領域の体積を変えることができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。

１０１ 恒温断熱槽
１０２、１０３ プローブ光光源
１０４、１０５ プローブ光
１０６、１０７ 直線偏光子
１０８、１０９ ２分の１波長板
１１０、１１１ ポンプ光光源
１１２、１１３ ポンプ光
１１４、１１５ ４分の１波長板
１２０ 緩和光光源
１２１ 緩和光
１２２、１２３ 光学窓
１２４ バイアス磁場調整用コイル
３００、３０１ 偏光測定系

Claims (11)

1. アルカリ金属原子を内包する１つのセル内で、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを第１及び第２の計測領域で交差させ、該第１及び第２の計測領域を通過してくる前記プローブ光を検出することで、該第１及び第２の計測領域の磁場強度に関する情報を取得する光ポンピング磁力計であって、
   前記第１及び第２の計測領域間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させる緩和光を出射する緩和光光学系を有することを特徴とする光ポンピング磁力計。
2. 前記第１の計測領域を通過してくる前記プローブ光と、前記第２の計測領域を通過してくる前記プローブ光とをそれぞれ検出する第１及び第２の検出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
3. 前記第１の計測領域では、第１の変調条件で変調されている第１のポンプ光と前記プローブ光とが、前記第２の計測領域では、前記第１の変調条件とは異なる第２の変調条件で変調されている第２のポンプ光と前記プローブ光とが、それぞれ前記セル内で交差し、且つ前記プローブ光を検出する検出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
4. 前記第１の計測領域では第１のポンプ光と第１のプローブ光とが、前記第２の計測領域では第２のポンプ光と第２のプローブ光とが、それぞれ前記セル内で交差し、且つ前記第１及び第２のプローブ光をそれぞれ検出する第１及び第２の検出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
5. 前記アルカリ金属原子は、カリウム、ルビジウム及びセシウムを含む群から選択される少なくとも１種類の原子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
6. 前記アルカリ金属原子は、カリウム及びルビジウムを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光ポンピング磁力計。
7. 前記緩和光光学系が緩和光整形手段を持つことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
8. 前記緩和光は前記アルカリ金属原子のＤ１遷移共鳴波長またはＤ２遷移共鳴波長の波長を持つことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
9. 前記緩和光の波長が７７０．１ｎｍ±１０ｎｍの範囲、７６６．７ｎｍ±１０ｎｍの範囲、７９５．０ｎｍ±１０ｎｍの範囲、７８０．２ｎｍ±１０ｎｍの範囲、８９４．６ｎｍ±１０ｎｍの範囲あるいは、８５２．３ｎｍ±１０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
10. アルカリ金属原子を内包する１つのセル内で、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを交差領域で交差させ、該交差領域を通過してくる前記プローブ光を検出することで、該交差領域の磁場強度に関する情報を取得する光ポンピング磁力計であって、
    前記セル内の交差領域に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させて、前記交差領域の一部を計測領域とする緩和光を照射する緩和光光学系を有することを特徴とする光ポンピング磁力計。
11. アルカリ金属原子を内包する１つのセル内の領域の磁場強度に関する情報を取得する方法であって、
    円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とを、複数の計測領域で交差させるように照射するステップと、
    該複数の計測領域を通過する前記プローブ光を検出することで、該複数の計測領域の磁場強度に関する情報を取得するステップと、
    前記セル内に緩和光を照射し、前記複数の計測領域の間に存在するアルカリ金属原子のスピン偏極を緩和させるステップと、を有することを特徴とする方法。

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