JP2017215225A

JP2017215225A - 磁場計測装置

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Publication number: JP2017215225A
Application number: JP2016109806A
Authority: JP
Inventors: 高橋　智; Satoshi Takahashi; 智高橋; 長坂　公夫; Kimio Nagasaka; 公夫長坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-12-07

Abstract

【課題】プローブ光の光学ノイズを低減して、精度よく磁場を測定可能な磁場計測装置を提供すること。【解決手段】磁場計測装置１００は、光照射手段としてのレーザー光照射装置１０１と、ガスセル１０２と、入射した直線偏光をプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐する第１光学手段としての無偏光ビームスプリッター１０３と、第２光学手段としての偏光ビームスプリッター１０４と、参照光の強度を、ガスセル１０２を透過した後のプローブ光の強度と同等とする第３光学手段としての光学フィルター１０５と、を備え、偏光ビームスプリッター１０４の第１面１０４ａに入射したプローブ光Ｌｐを第１検出部としてのＰＤ１０６と第２検出部としてのＰＤ１０７とに分岐して入射させると共に、第２面１０４ｂから入射した参照光ＬｒをＰＤ１０６とＰＤ１０７とに分岐して入射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、磁場計測装置に関する。

上記磁場計測装置として、微小な磁場を測定可能な光ポンピング磁力計が開示されている（特許文献１）。

上記特許文献１の光ポンピング磁力計は、セル内に封入されたガス状態の原子群に、ポンプ光を照射して原子群を構成する原子のスピンの向きを揃える。原子のスピンの向きが揃った原子群にプローブ光としての直線偏光を照射する。測定対象としての例えば人体から発せられる磁場の強度によって上記原子のスピンの向きが変化する。照射された直線偏光は上記原子のスピンの影響を受けて偏光回転角が変化することから、偏光回転角を検出することによって、当該磁場の強度を測定可能としたものである。

上記特許文献１の光ポンピング磁力計では、セル内を透過してきた後のプローブ光を反射させる少なくとも１つの反射ミラーを備え、セルを少なくとも２回以上横断してきたプローブ光の偏光回転角度を検出することから、高感度な磁場検出が可能であるとしている。

特開２００９−２３６５９９号公報

上記特許文献１の光ポンピング磁力計は、高感度であるがゆえに、磁場の測定を阻害するノイズを取り除く必要がある。当該ノイズとして、地磁気などの外部磁気ノイズが挙げられる。

上記光ポンピング磁力計では、外部磁気ノイズの影響を低減するために、磁気シールド内にセルを配置すると共に、磁気シールド内部の残留磁気を打ち消すためのヘルムホルツコイルを備えている。

しかしながら、当該ノイズとして、外部磁気ノイズの他に、プローブ光が放出された空間における空気の振動などによる直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズが挙げられる。
上記光ポンピング磁力計では、該光学ノイズに対する対策が施されていないという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］本適用例に係る磁場計測装置は、直線偏光を照射する光照射手段と、入射した光によって励起されるアルカリ金属原子が充填されるガスセルと、前記光照射手段と前記ガスセルとの間の光軸上に配置され、入射した前記直線偏光をプローブ光と参照光とに分岐する第１光学手段と、入射した光の強度を検出する第１検出部及び第２検出部と、前記ガスセルを透過した前記プローブ光が入射する第１面と、前記参照光が入射する第２面とを有する第２光学手段と、前記第２光学手段の前記第２面に入射する前記参照光の強度を、前記ガスセルを透過した後の前記プローブ光の強度と同等とする第３光学手段と、を備え、前記第２光学手段は、前記第１面に入射した前記プローブ光を前記第１検出部と前記第２検出部とに分岐して入射させると共に、前記第２面から入射した前記参照光を前記第１検出部と前記第２検出部とに分岐して入射させることを特徴とする。

本適用例によれば、第３光学手段により、ガスセルを透過したプローブ光の強度と参照光の強度とを同等とする。そして、強度が同等となった参照光を第２光学手段により第１検出部と第２検出部とに分岐して入射させる。第１検出部と第２検出部とには、第２光学手段により分岐されたプローブ光と参照光とがそれぞれ入射することから、プローブ光に含まれる直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズを参照光によって打ち消すことができる。つまり、プローブ光に含まれる直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズを低減して、精度よく磁場測定が可能な磁場計測装置を提供することができる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記ガスセルを透過した前記プローブ光を反射して再び前記ガスセルに入射させるミラーをさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、プローブ光はミラーによって反射して少なくとも２回ガスセルを透過することになるので、高感度な磁場計測装置を提供することができる。また、ミラーを非磁性とすれば、磁場源とガスセルとの間にミラーを配置しても、磁場源の磁場計測に影響を及ぼさない。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記プローブ光が前記ガスセルを１回透過した後に、前記第１面に入射するように、前記ガスセルに対して前記第２光学手段が配置されているとしてもよい。
この構成によれば、光照射手段、第１光学手段、ガスセル、第２光学手段を同一の光学軸上において直線的に配置することができるため、ガスセルを含めた各手段の相対的な位置を容易に位置決めすることができる。言い換えれば、装置構成を簡素化することが可能である。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記第３光学手段を透過した後の前記参照光を反射して前記第２光学手段の前記第２面に導くミラーをさらに備えたことを特徴とする。
この構成によれば、同一の光学軸上において、ガスセルを挟んで第１光学手段と第２光学手段とを離間させて配置しても、ミラーによって参照光を反射させて第２光学手段の第２面に導くことができる。言い換えれば、同一の光学軸上における第１光学手段と第２光学手段との位置決めを容易とすることができる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記第１光学手段は、無偏光ビームスプリッターであることが好ましい。
この構成によれば、無偏光ビームスプリッターによって入射した直線偏光をプローブ光と参照光とにそれぞれ同じ強度で分岐することができる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記第２光学手段は、偏光ビームスプリッターであることが好ましい。
この構成によれば、偏光ビームスプリッターの第１面に入射した直線偏光であるプローブ光を第１検出部と第２検出部とに分岐して入射させると共に、第１面に隣り合う第２面に入射した同じく直線偏光である参照光を第１検出部と第２検出部とに分岐して入射させることができる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記第３光学手段は、光の透過率を変更可能な光学フィルターであることが好ましい。
この構成によれば、光学フィルターに入射した参照光の強度を、ガスセルを透過した後のプローブ光の強度と同等となるように調整して透過させることができる。

第１実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図。原子スピンのアライメント状態を示す図。直線偏光の偏光面の回転を示す図。第２実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図。第３実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図。変形例の磁場計測装置の構成を示す概略図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

（第１実施形態）
＜磁場計測装置＞
本実施形態の光ポンピング方式の磁場計測装置について、図１を参照して説明する。図１は第１実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、本実施形態の磁場計測装置１００は、直線偏光を照射する光照射手段としてのレーザー光照射装置１０１と、ガスセル１０２と、第１光学手段としての無偏光ビームスプリッター１０３と、第２光学手段としての偏光ビームスプリッター１０４と、第３光学手段としての光学フィルター１０５と、入射した光の強度を検出する第１検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）１０６と、同じく入射した光の強度を検出する第２検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）１０７と、ミラー１０８と、を備えている。磁場源Ｍ１は、例えば人体のうち脳や心臓などの臓器であって、ミラー１０８を挟んでガスセル１０２の近傍に配置される。

ガスセル１０２は、光を透過可能な透明な例えばガラスなどの容器であって、入射した光によって励起（ポンピング）されるアルカリ金属原子がガスセル１０２の内部に気体の状態で封入されている。アルカリ金属原子としては、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）などが挙げられ、本実施形態では、他のアルカリ金属原子よりも融点が低く、融点がおよそ２９℃のセシウムが用いられている。なお、図１ではガスセル１０２の形状を球状として表したが、ガスセル１０２の形状はこれに限定されるものでなく、例えば直方体であってもよい。

レーザー光照射装置１０１は、アルカリ金属原子（セシウム）を励起可能な波長範囲の直線偏光であるレーザー光Ｌをガスセル１０２に向かって照射可能となっている。具体的には、アルカリ金属原子におけるＤ１線の超微細構造量子数ＦがＦ−１＝Ｆ’の状態に遷移するように、レーザー光Ｌを調整する。

レーザー光照射装置１０１とガスセル１０２との間の光軸上に配置された無偏光ビームスプリッター１０３は、例えば２つの直角プリズムが接合されたものであって、入射したレーザー光Ｌをプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐するプリズム界面１０３ａを有している。プリズム界面１０３ａには、例えば屈折率が異なる誘電体膜が積層された誘電体多層膜が形成されており、プリズム界面１０３ａに入射して誘電体多層膜を透過した光がプローブ光Ｌｐとなり、プリズム界面１０３ａに入射して誘電体多層膜により反射した光が参照光Ｌｒとなる。無偏光ビームスプリッター１０３において、透過光であるプローブ光Ｌｐの強度、及び反射光である参照光Ｌｒの強度は、入射光であるレーザー光Ｌの強度に対して半分となっている。言い換えれば、入射したレーザー光Ｌの強度に対して、プローブ光Ｌｐ及び参照光Ｌｒの強度がレーザー光Ｌの波長範囲においてそれぞれ半分となるように、プリズム界面１０３ａに誘電体多層膜が形成されている。プリズム界面１０３ａに形成される光学的な膜は、誘電体多層膜に限定されず、光透過性及び光反射性を兼ね備えた金属膜や、誘電体多層膜と該金属膜とが組み合わされたものであってもよい。

プローブ光Ｌｐは、ガスセル１０２に入射して透過し、ガスセル１０２と磁場源Ｍ１との間に配置されたミラー１０８によって反射され、再びガスセル１０２に入射する。ミラー１０８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）、あるいはこれらの合金などの非磁性金属材料からなる。ミラー１０８が非磁性であることから、ガスセル１０２と磁場源Ｍ１との間にミラー１０８が配置されても、磁場源Ｍ１の磁場計測に影響を及ぼさない。

ミラー１０８で反射して再びガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐは偏光ビームスプリッター１０４に入射する。偏光ビームスプリッター１０４は、例えば２つの直角プリズムが接合されたものであって、プローブ光Ｌｐが入射する第１面１０４ａと、第１面１０４ａに隣り合い、参照光Ｌｒが入射する第２面１０４ｂと、直角プリズム同士の接合面であるプリズム界面１０４ｃとを有している。プリズム界面１０４ｃには、入射した直線偏光を後述するｐ波とｓ波とに分離する分離膜が設けられている。該分離膜は、例えば屈折率が異なる誘電体多層膜や、誘電体多層膜と光透過性及び光反射性を兼ね備えた金属膜とを組み合わせたものが挙げられる。

直線偏光であるプローブ光Ｌｐが、第１面１０４ａからプリズム界面１０４ｃに所定の偏光面方向で入射するように、ガスセル１０２に対して偏光ビームスプリッター１０４が配置されている。偏光ビームスプリッター１０４に入射したプローブ光Ｌｐは、偏光ビームスプリッター１０４を透過するｐ波（ｐ偏光成分）と、プリズム界面１０４ｃで反射するｓ波（ｓ偏光成分）とに分岐する。ｐ波及びｓ波も直線偏光であって、ｐ波の直線偏光面は、プリズム界面１０４ｃの入射面と平行となっている。ｓ波の直線偏光面は、ｐ波の直線偏光面と直交している。

同じく直線偏光である参照光Ｌｒが、第２面１０４ｂからプリズム界面１０４ｃに所定の偏光面方向で入射するように、偏光ビームスプリッター１０４に対して無偏光ビームスプリッター１０３が配置されている。偏光ビームスプリッター１０４に入射した参照光Ｌｒもまた、偏光ビームスプリッター１０４を透過するｐ波と、プリズム界面１０４ｃで反射するｓ波とに分岐する。

以降の説明のため、偏光ビームスプリッター１０４によって分岐されたプローブ光Ｌｐのｐ波をｐ₁波と呼び、ｓ波をｓ₁波と呼ぶ。また、偏光ビームスプリッター１０４によって分岐された参照光Ｌｒのｐ波をｐ₂波と呼び、ｓ波をｓ₂波と呼ぶ。

偏光ビームスプリッター１０４に対して、ｐ₁波とｓ₂波とが入射する位置にＰＤ１０６が配置される。また、偏光ビームスプリッター１０４に対して、ｐ₂波とｓ₁波とが入射する位置にＰＤ１０７が配置される。つまり、ＰＤ１０６には、偏光ビームスプリッター１０４におけるプローブ光Ｌｐの透過光であるｐ₁波と、偏光ビームスプリッター１０４における参照光Ｌｒの反射光であるｓ₂波とが入射する。ＰＤ１０７には、偏光ビームスプリッター１０４における参照光Ｌｒの透過光であるｐ₂波と、偏光ビームスプリッター１０４におけるプローブ光Ｌｐの反射光であるｓ₁波とが入射する。

ガスセル１０２を透過してミラー１０８で反射し再びガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐの強度は、ガスセル１０２を少なくとも２回透過することにより、無偏光ビームスプリッター１０３を透過した時点に比べて低下する。それゆえに、本実施形態では、偏光ビームスプリッター１０４の第１面１０４ａに入射するプローブ光Ｌｐの強度Ｗ₁と、偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂに入射する参照光Ｌｒの強度Ｗ₂とが同等となるように、無偏光ビームスプリッター１０３の参照光Ｌｒの射出側と、偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂとの間に、参照光Ｌｒの強度を低下させる光学フィルター１０５が設けられている。

光学フィルター１０５としては、例えばＮＤ（Neutral Density）フィルター（減光フィルター）などを挙げることができる。

無偏光ビームスプリッター１０３を配置して参照光Ｌｒを発生させる点と、発生させた参照光Ｌｒの強度を低下させる光学フィルター１０５を設ける点とについての技術的な説明については後述する。

本実施形態の磁場計測装置１００は、上述したように、光ポンピング方式の磁場計測装置であって、プローブ光Ｌｐが、ガスセル１０２に封入されたアルカリ金属原子を励起させるポンプ光を兼ねるものである。

また、ミラー１０８を設けることにより、プローブ光Ｌｐが少なくとも２回ガスセル１０２を透過するため、ミラー１０８を設けない場合（後述する第２実施形態にて説明）に比べて、高感度な磁場計測装置１００を実現できる。

なお、図１には図示していないが、磁場計測装置１００は、レーザー光照射装置１０１とガスセル１０２との間のレーザー光Ｌの光軸上に、第１光学手段の一例である無偏光ビームスプリッター１０３を適正な位置に配置するための第１位置決め手段と、ガスセル１０２とＰＤ１０６との間のプローブ光Ｌｐの光軸上に第２光学手段の一例である偏光ビームスプリッター１０４を適正な位置に配置するための第２位置決め手段とを備えることが好ましい。

＜磁場測定の原理＞
本実施形態の磁場測定の原理について、図１〜図３を参照して説明する。図２は原子スピンのアライメント状態を示す図、図３は直線偏光の偏光面の回転を示す図である。

図１のレーザー光照射装置１０１と無偏光ビームスプリッター１０３との間の光軸に沿った方向から見て、図２に示すように偏光面が４５度（π／４ラジアン）回転した状態で直線偏光が照射されるようにレーザー光照射装置１０１が設置される。これにより、無偏光ビームスプリッター１０３によって分岐されたプローブ光Ｌｐの偏光面もまた光軸に沿った方向から見て４５度回転した状態でガスセル１０２に入射する。

ガスセル１０２に封入されたガス状のアルカリ金属原子は、ポンプ光を兼ねるプローブ光Ｌｐが照射されることにより励起され、原子スピンがほぼ反平行（逆方向）に向いたアルカリ金属原子がほぼ同数混在する状態となる。この状態はアライメントと呼ばれ、原子スピンは、図２に示すように一方の端が連結された２つの楕円に似た形状となる。図１において磁場源Ｍ１がない、すなわち磁場が印加されない場合は、図２に示すように、直線偏光であるプローブ光Ｌｐの振動方向と、原子スピンのアライメント方位とが一致する。

上述したように、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐは、偏光ビームスプリッター１０４によってｐ₁波とｓ₁波とに分岐される。プローブ光Ｌｐの強度をＡ、ｐ₁波の振幅をＰ、ｓ₁波の振幅をＳ、さらにｓ₁波の強度Ｓ²とｐ₁波の強度Ｐ²との差をＶとすると、磁場が印加されないゼロ磁場の場合、プローブ光Ｌｐの偏光面が回転しないことから、このときのＰ、Ｓ、Ｖは、以下の数式（１）〜数式（３）で示される。

つまり、磁場が印加されない場合、ｓ₁波の強度Ｓ²と、ｐ₁波の強度Ｐ²との差Ｖは、「０」となる。

次に、磁場源Ｍ１が配置され、ガスセル１０２に磁場が印加されると、ガスセル１０２中のアルカリ金属原子の原子スピンが磁場の影響を受け、磁場方向を回転軸として回転する歳差運動を始めることからアライメント方位が変化する。このとき、原子スピンのアライメント方位は、プローブ光Ｌｐの光ポンピングの作用と、光ポンピングの緩和の作用とが働いて方位が一定な定常状態となる。ガスセル１０２に入射した直線偏光であるプローブ光Ｌｐは、原子スピンのアライメントの影響を受け、印加された磁場の強度に応じて偏光面が回転してガスセル１０２から射出される。

例えば、図３に示すように、プローブ光Ｌｐの偏光面（図３に破線で示した）の角度が、４５度から反時計回りに＋θ（反時計回りを「＋」とする）回転した場合（図３で実線で示した）を想定すると、このときのＰ、Ｓは以下の数式（４）、数式（５）によって導かれる。

数式（４）を展開すれば以下の数式（６）となり、数式（５）を展開すれば以下の数式（７）となる。

したがって、このときのＶは以下の数式（８）で示される。

次に、上記のように、プローブ光Ｌｐの偏光面が＋θ回転した場合に対して、印加される磁場の向きが逆方向になると、プローブ光Ｌｐの偏光面は時計回りに−θ回転することになる。よって、このときのＰ，Ｓ，Ｖは以下の数式（９）〜数式（１１）で示される。

つまり、プローブ光Ｌｐが偏光ビームスプリッター１０４により分岐され、ＰＤ１０７に入射したｓ₁波の強度Ｓ²とＰＤ１０６に入射したｐ₁波の強度Ｐ²との差Ｖを求めることで、プローブ光Ｌｐの偏光面の回転角度θが正弦値として示される。回転角度θは磁場の強度に比例することから磁場の強度が導かれる。

上述した磁場測定の原理では、レーザー光Ｌの照射方向に磁場方向が向いていることを前提としている。一方で、図１に示した磁場計測装置１００は、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐを反射するミラー１０８を備えている。ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐはミラー１０８の法線に対して入射角βでミラー１０８に入射する。ミラー１０８で反射したプローブ光Ｌｐはミラー１０８の法線に対して反射角βで反射する。実際には、入射角β及び反射角βが３度〜１０度の範囲内となるように、各構成が配置されている。
したがって、本実施形態の磁場計測装置１００においては、レーザー光Ｌの照射方向と磁場方向とが厳密には合致していないが、入射角β及び反射角βが小さい角度となっているので、磁場計測装置１００における磁場の受感方向をミラー１０８の法線方向（図１に矢印で示す方向）としている。

微小な磁場の強度を測定可能な光ポンピング方式の磁場計測装置１００は、地磁気や周辺環境から発する磁場などの外部磁場（外部磁場ノイズ）の影響を取り除いて磁場の測定を行うことが好ましい。本実施形態では、図１に示していないものの、磁場計測装置１００は、外部磁場の影響を受け難くした磁気シールドルーム内に配置される。あるいは、磁場計測装置１００のうち少なくともガスセル１０２が均一な磁場環境に配置される。均一な磁場環境を生じさせる手段として例えばヘルムホルツコイルなどが用いられ、外部磁場を打ち消す磁場を発生させたヘルムホルツコイルの中心にガスセル１０２を配置する方法が挙げられる。

一方で、磁場の測定に影響を及ぼすのは外部磁場だけでない。例えば、レーザー光Ｌは、偏光保持光ファイバーを用いてレーザー発振器からレーザー光照射装置１０１の射出口に導かれて照射される。レーザー光Ｌには、偏光保持光ファイバーの振動や、レーザー光Ｌが照射された空間における空気の振動などによる直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズが含まれるおそれがある。とりわけ、偏光保持光ファイバーの振動を防止するために、偏光保持光ファイバーの筐体に対する固定を強化すると、固定された筐体からの振動を受け易くなったり、周囲の温度変化に影響されて膨張収縮し易くなったりして、新たな直線偏光回転ノイズを発生させてしまうという課題があった。

本実施形態の磁場計測装置１００は、上記光学ノイズの影響を低減するために、レーザー光Ｌをプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐する無偏光ビームスプリッター１０３と、ガスセル１０２を透過した後のプローブ光Ｌｐの強度に対して参照光Ｌｒの強度を同等とするための光学フィルター１０５と、を備え、光学フィルター１０５を透過した後の参照光Ｌｒを偏光ビームスプリッター１０４に入射させてｐ₂波とｓ₂波とに分岐させ、ｓ₂波をＰＤ１０６に入射させ、ｐ₂波をＰＤ１０７に入射させる構成としている。以降、上記光学ノイズを低減する方法について、数式を示して具体的に説明する。

ここでは、外部磁場（外部磁場ノイズ）の影響が取り除かれて、上記光学ノイズが存在する状態を前提として説明する。先に説明した磁場測定の原理において、図３に示したθは、上記光学ノイズが存在する状態では、磁場源Ｍ１の磁場により偏光面が回転した回転角度α（以降、本来の回転角度αと呼ぶ）と、レーザー光Ｌ（プローブ光Ｌｐ）の直線偏光回転ノイズにより偏光面が回転した回転角度ω（以降、直線偏光回転ノイズの回転角度ωと呼ぶ）とを含んでいることになる。回転角度α及び回転角度ωはそれぞれ回転方向に起因して＋（プラス）と−（マイナス）とがある。したがって、回転方向を考慮すると、回転角度αと回転角度ωの組み合わせは４つ存在する。

本来の回転角度を＋α、直線偏光回転ノイズの回転角度を＋ωとすると、図３に示したθは、θ＝α＋ωとなる。ガスセル１０２を透過した後のプローブ光Ｌｐの強度をＷ₁とし、光学フィルター１０５を透過した後の参照光Ｌｒの強度をＷ₂とすると、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗとなっている。したがって、これを磁場測定の原理における数式（４）、数式（５）に当てはめることで、偏光ビームスプリッター１０４のプローブ光Ｌｐの透過光（透過成分）であるｐ₁波の強度をＰ₁ ²とし、偏光ビームスプリッター１０４のプローブ光Ｌｐの反射光（反射成分）であるｓ₁波の強度をＳ₁ ²とすると、Ｐ₁ ²、Ｓ₁ ²は、以下の数式（１２）、数式（１３）によって導かれる。

同じく、偏光ビームスプリッター１０４の参照光Ｌｒの透過光（透過成分）であるｐ₂波の強度をＰ₂ ²とし、偏光ビームスプリッター１０４の参照光Ｌｒの反射光（反射成分）であるｓ₂波の強度をＳ₂ ²とすると、ｐ₂波及びｓ₂波は磁場源Ｍ１の磁場の影響を受けずに、直線偏光回転ノイズの影響を受けることから、Ｐ₂ ²、Ｓ₂ ²は、以下の数式（１４）、数式（１５）によって導かれる。

図１に示すように、ＰＤ１０６には、ｐ₁波とｓ₂波とが入射することから、ＰＤ１０６に入射する直線偏光の強度をＰ₃ ²とすると、Ｐ₃ ²＝Ｐ₁ ²＋Ｓ₂ ²となる。また、ＰＤ１０７には、ｓ₁波とｐ₂波が入射することから、ＰＤ１０７に入射する直線偏光の強度をＳ₃ ²とすると、Ｓ₃ ²＝Ｓ₁ ²＋Ｐ₂ ²となる。すなわち、Ｐ₃ ²、Ｓ₃ ²は、以下の数式（１６）、数式（１７）によって導かれる。

したがって、この場合のＳ₃ ²とＰ₃ ²との差をＶ₁とすると、Ｖ₁は以下の数式（１８）によって導かれる。

回転角度ωは、非常に小さな値でありα≫２ωであることから、ω≒０とすることができる。したがって、上記数式（１８）にω≒０を当てはめると以下の数式（１９）となる。

ガスセル１０２を透過しない参照光Ｌｒを偏光ビームスプリッター１０４に入射させて分岐し、分岐したｓ₂波をＰＤ１０６へ入射させ、分岐したｐ₂波をＰＤ１０７に入射させることで、ＰＤ１０６とＰＤ１０７とに入射した直線偏光の強度の差Ｖ₁を求めると、Ｖ₁は本来の回転角度αの正弦値として得られる。つまり、直線偏光回転ノイズの回転角度ωの影響が除かれ、本来の回転角度αに基づく磁場の測定が可能となる。

上記第１実施形態の磁場計測装置１００は、レーザー光照射装置１０１から照射されたレーザー光Ｌをプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐する無偏光ビームスプリッター１０３と、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐの強度に対して参照光Ｌｒの強度を同等とする光学フィルター１０５とを備えている。このような磁場計測装置１００によれば、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐを偏光ビームスプリッター１０４に入射させて分岐し、分岐したｐ₁波をＰＤ１０６へ入射させ、分岐したｓ₁波をＰＤ１０７に入射させる。また、ガスセル１０２を透過しない参照光Ｌｒを偏光ビームスプリッター１０４に入射させて分岐し、分岐したｓ₂波をＰＤ１０６へ入射させ、分岐したｐ₂波をＰＤ１０７に入射させる。ＰＤ１０６とＰＤ１０７とに入射した直線偏光の強度の差Ｖ₁を求めると、直線偏光であるプローブ光Ｌｐに直線偏光回転ノイズが含まれていても、Ｖ₁は本来の回転角度αの正弦値として得られる。つまり、直線偏光回転ノイズの回転角度ωの影響が除かれ、本来の回転角度αに基づく磁場の測定が可能となり、直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズを低減して、精度よく磁場源Ｍ１の磁場を測定することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の磁場計測装置について、図４を参照して説明する。図４は第２実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図である。第２実施形態の磁場計測装置は、上記第１実施形態の磁場計測装置１００に対して、プローブ光Ｌｐがガスセル１０２を１回透過した後に、第２光学手段である偏光ビームスプリッター１０４に入射する構成としたものである。したがって、上記第１実施形態の磁場計測装置１００と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態の磁場計測装置１５０は、直線偏光を照射する光照射手段としてのレーザー光照射装置１０１と、ガスセル１０２と、第１光学手段としての無偏光ビームスプリッター１０３と、第２光学手段としての偏光ビームスプリッター１０４と、第３光学手段としての光学フィルター１０５と、第１検出部としてのＰＤ１０６と、第２検出部としてのＰＤ１０７と、２つの非磁性のミラー１５１，１５２と、を備えている。

レーザー光照射装置１０１と磁場源Ｍ１とを結ぶ光軸上（直線上）に、無偏光ビームスプリッター１０３、ガスセル１０２、偏光ビームスプリッター１０４がこの順で並ぶように配置されている。

レーザー光照射装置１０１から照射されたレーザー光Ｌは、無偏光ビームスプリッター１０３のプリズム界面１０３ａに入射し、光軸に沿って無偏光ビームスプリッター１０３を透過するプローブ光Ｌｐと、プリズム界面１０３ａで光軸に対して直交する方向に反射する参照光Ｌｒとに分岐される。

無偏光ビームスプリッター１０３を透過したプローブ光Ｌｐは、ガスセル１０２に入射し、ガスセル１０２を１回透過した後に、偏光ビームスプリッター１０４の第１面１０４ａに入射する。一方、無偏光ビームスプリッター１０３で反射した参照光Ｌｒは、光学フィルター１０５を透過した後に、ミラー１５１とミラー１５２とによって反射して、偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂに入射する。

第１面１０４ａからプリズム界面１０４ｃに入射した直線偏光であるプローブ光Ｌｐは、偏光ビームスプリッター１０４を光軸に沿って透過するｐ₁波と、プリズム界面１０４ｃで反射するｓ₁波とに分岐される。ｐ₁波は、光軸に沿って進行してＰＤ１０６に入射する。ｓ₁波は、プリズム界面１０４ｃで光軸に対して直交する方向に反射してＰＤ１０７に入射する。

第２面１０４ｂからプリズム界面１０４ｃに入射した直線偏光である参照光Ｌｒは、光軸に対して直交する方向に偏光ビームスプリッター１０４を透過するｐ₂波と、プリズム界面１０４ｃで光軸に沿った方向に反射するｓ₂波とに分岐される。ｐ₂波は、光軸に直交する方向に沿って進行してＰＤ１０７に入射する。ｓ₂波は、プリズム界面１０４ｃで光軸に沿った方向に反射してＰＤ１０６に入射する。すなわち、ＰＤ１０６には、ｐ₁波とｓ₂波とが入射し、ＰＤ１０７にはｓ₁波とｐ₂波とが入射する。

本実施形態の磁場計測装置１５０では、ガスセル１０２に対するレーザー光Ｌの照射方向と、磁場源Ｍ１の磁場方向とが合致しており、上述した磁場測定の原理を的確に当てはめることができる。また、ガスセル１０２を透過しない参照光Ｌｒを偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂから入射させてｐ₂波とｓ₂波とに分岐させて、ｓ₂波をＰＤ１０６に入射させ、ｐ₂波をＰＤ１０７に入射させる。したがって、上記第１実施形態と同様に、プローブ光Ｌｐに含まれる直線偏光回転ノイズを除いて、本来のプローブ光Ｌｐの回転角度αに基づいて、磁場源Ｍ１の磁場強度を精度よく測定することができる。なお、偏光ビームスプリッター１０４に入射する参照光Ｌｒの強度は、参照光Ｌｒが光学フィルター１０５を透過することで、ガスセル１０２を透過した後に偏光ビームスプリッター１０４に入射するプローブ光Ｌｐの強度と同等となるように調整される。

上記第１実施形態の磁場計測装置１００では、プローブ光Ｌｐがガスセル１０２を少なくとも２回透過する構成とすることで、本実施形態の磁場計測装置１５０よりも高感度に磁場源Ｍ１の磁場強度を測定可能である。一方で、上記第１実施形態の磁場計測装置１００において、無偏光ビームスプリッター１０３により分岐された参照光Ｌｒを的確に偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂに入射させるには、無偏光ビームスプリッター１０３と偏光ビームスプリッター１０４との相対的な位置を精度よく調整する必要がある。これに対して、本実施形態の磁場計測装置１５０は、ガスセル１０２を挟んで無偏光ビームスプリッター１０３と偏光ビームスプリッター１０４とを直線上に配置すればよいことから、相対的な位置の調整が容易である。

上記第１実施形態の磁場計測装置１００は、ガスセル１０２に対して、磁場源Ｍ１を近くに配置することができる点において、磁場強度の測定上、本実施形態の磁場計測装置１５０よりも優れている。本実施形態の磁場計測装置１５０では、ガスセル１０２と磁場源Ｍ１との間に、偏光ビームスプリッター１０４と、ＰＤ１０６とが配置されることから、磁場強度の測定に影響を及ぼさないように、ＰＤ１０６は非磁性であることが好ましい。

また、本実施形態の磁場計測装置１５０において、光学フィルターの符号は、上記第１実施形態の磁場計測装置１００と同じ符号１０５を用いたが、実際には、上記第１実施形態の磁場計測装置１００では、プローブ光Ｌｐがガスセル１０２を少なくとも２回透過することから、ガスセル１０２を透過した後のプローブ光Ｌｐの強度は、本実施形態の磁場計測装置１５０に比べて上記第１実施形態の磁場計測装置１００の方が低下する。したがって、第２光学手段としての偏光ビームスプリッター１０４にプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとを強度が同等な状態で入射させるには、第３光学手段としての光学フィルター１０５は、光の透過率を変化させることが可能な構成であることが好ましい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の磁場計測装置について、図５を参照して説明する。図５は第３実施形態の磁場計測装置の構成を示す概略図である。第３実施形態の磁場計測装置は、上記第１実施形態の磁場計測装置１００と同じ構成を有するものであるが、無偏光ビームスプリッター１０３と偏光ビームスプリッター１０４との相対的な位置関係を異ならせたものである。したがって、上記第１実施形態の磁場計測装置１００と同じ構成には同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の磁場計測装置１００Ｂは、直線偏光を照射する光照射手段としてのレーザー光照射装置１０１と、ガスセル１０２と、第１光学手段としての無偏光ビームスプリッター１０３と、第２光学手段としての偏光ビームスプリッター１０４と、第３光学手段としての光学フィルター１０５と、入射した光の強度を検出する第１検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）１０６と、同じく入射した光の強度を検出する第２検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）１０７と、ミラー１０８と、を備えている。

レーザー光照射装置１０１から照射され、無偏光ビームスプリッター１０３に入射したレーザー光Ｌは、プローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐される。無偏光ビームスプリッター１０３を透過したプローブ光Ｌｐは、受感方向に対して入射角度βでガスセル１０２に入射する。磁場源Ｍ１とガスセル１０２との間にミラー１０８が配置されていることから、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐは、ミラー１０８によって反射され、再びガスセル１０２に入射する。すなわち、プローブ光Ｌｐは、ガスセル１０２を２回透過する。

ガスセル１０２を２回透過したプローブ光Ｌｐは、偏光ビームスプリッター１０４に入射する。偏光ビームスプリッター１０４に入射したプローブ光Ｌｐは、ｐ₁波とｓ₁波とに分岐され、ｐ₁波は偏光ビームスプリッター１０４を透過してＰＤ１０６に入射する。ｓ₁波は偏光ビームスプリッター１０４のプリズム界面１０４ｃで反射されてＰＤ１０７に入射する。

一方、無偏光ビームスプリッター１０３のプリズム界面１０３ａで反射した参照光Ｌｒは、光学フィルター１０５を透過した後に、偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂに入射する。光学フィルター１０５を透過した参照光Ｌｒの強度Ｗ₂は、偏光ビームスプリッター１０４の第１面１０４ａに入射する直前のプローブ光Ｌｐの強度Ｗ₁とほぼ同等となっている。

偏光ビームスプリッター１０４に入射した参照光Ｌｒは、偏光ビームスプリッター１０４を透過するｐ₂波と、偏光ビームスプリッター１０４のプリズム界面１０４ｃで反射したｓ₂波とに分岐される。ｐ₂波はＰＤ１０７に入射し、ｓ₂波はＰＤ１０６に入射する。

本実施形態では、ＰＤ１０６に入射するｐ₁波の光軸とｓ₂波の光軸とが同じであると共に、ｐ₁波の位相とｓ₂波の位相とが同じになっている。また、ＰＤ１０７に入射するｐ₂波の光軸とｓ₁波の光軸とが同じであると共に、ｐ₂波の位相とｓ₁波の位相とが同じになっている。言い換えれば、ＰＤ１０６に入射するｐ₁波とｓ₂波とにおいて、その光軸と位相とが同じになるように、またＰＤ１０７に入射するｐ₂波とｓ₁波とにおいて、その光軸と位相とが同じになるように、無偏光ビームスプリッター１０３と偏光ビームスプリッター１０４とがレーザー光Ｌ（プローブ光Ｌｐ）の光軸上に配置されている。

次に、このような磁場計測装置１００Ｂにおけるレーザー光Ｌが照射された空間の空気の振動などによる直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズの低減方法について、数式（２０）〜数式（２７）を参照して説明する。

上記第１実施形態で説明したように、磁場測定における本来の回転角度をαとし、直線偏光回転ノイズの回転角度をωとすると、図３に示したθはθ＝α＋ωとなる。これを上記第１実施形態で説明した磁場測定の原理における数式（６）、数式（７）に当てはめると、ｐ₁波の振幅Ｐ₁、ｓ₁波の振幅Ｓ₁、ｐ₂波の振幅Ｐ₂、ｓ₂波の振幅Ｓ₂は、以下の数式（２０）〜数式（２３）によって導かれる。

ＰＤ１０６に入射した直線偏光の振幅Ｐ₄は、Ｐ₄＝Ｐ₁＋Ｓ₂であり、ＰＤ１０７に入射した直線偏光の振幅Ｓ₄は、Ｓ₄＝Ｓ₁＋Ｐ₂であることから、Ｐ₄、Ｓ₄は以下の数式（２４）、数式（２５）で導かれる。

この場合のＰＤ１０７に入射した直線偏光の強度であるＳ₄ ²と、ＰＤ１０６に入射した直線偏光の強度であるＰ₄ ²との差をＵ₁とすると、Ｕ₁は、以下の数式（２６）で導かれる。

上記第１実施形態において説明したように、本来の回転角度αと直線偏光回転ノイズの回転角度ωとの関係は、α≫２ωであり、且つ、αの値も極小さいものとして（α＋２ω）≒０として近似することが可能であることから、数式（２６）に（α＋２ω）≒０を適用すると、以下の数式（２７）が導かれる。

数式（２７）に示すように、本来の回転角度をαとし、直線偏光回転ノイズの回転角度をωとすると、Ｕ₁は回転角度αの正弦値として得られる。つまり、直線偏光回転ノイズに係る回転角度ωの影響を除いて、本来の回転角度αに基づく磁場の測定が可能となる。

直線偏光回転ノイズに係る回転角度ωの影響が除かれることから、回転角度ωの回転方向（±）は無視できる。また、本来の回転角度αの回転方向（±）に関わらず磁場の測定が可能である。

上記第３実施形態の磁場計測装置１００Ｂは、レーザー光照射装置１０１から照射されたレーザー光Ｌをプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐する無偏光ビームスプリッター１０３と、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐの強度に対して参照光Ｌｒの強度を同等とする光学フィルター１０５とを備えている。このような磁場計測装置１００Ｂによれば、ガスセル１０２を透過したプローブ光Ｌｐを偏光ビームスプリッター１０４に入射させて分岐し、分岐したｐ₁波をＰＤ１０６へ入射させ、分岐したｓ₁波をＰＤ１０７に入射させる。また、ガスセル１０２を透過しない参照光Ｌｒを偏光ビームスプリッター１０４に入射させて分岐し、分岐したｓ₂波をＰＤ１０６へ入射させ、分岐したｐ₂波をＰＤ１０７に入射させる。また、ＰＤ１０６に入射するｐ₁波とｓ₂波とにおいて、その光軸と位相とが同じになるように、また、ＰＤ１０７に入射するｐ₂波とｓ₁波とにおいて、その光軸と位相とが同じになるように、無偏光ビームスプリッター１０３と偏光ビームスプリッター１０４とがレーザー光Ｌ（プローブ光Ｌｐ）の光軸上に配置されている。したがって、ＰＤ１０６とＰＤ１０７とに入射した直線偏光の強度の差Ｕ₁を求めると、直線偏光であるプローブ光Ｌｐに直線偏光回転ノイズが含まれていても、Ｕ₁は本来の回転角度αの正弦値として表される。つまり、直線偏光回転ノイズの回転角度ωの影響が除かれて、本来の回転角度αに基づく磁場の測定が可能となる。すなわち、直線偏光回転ノイズを含む光学ノイズを低減して、精度よく磁場源Ｍ１の磁場を測定することができる。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う磁場計測装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）上記第２実施形態の磁場計測装置１５０において、非磁性のミラー１５１，１５２の配置は、これに限定されない。図６は変形例の磁場計測装置の構成を示す概略図である。例えば、図６に示す変形例の磁場計測装置１５０Ｂは、上記第２実施形態の磁場計測装置１５０に対して、１つの非磁性のミラー１５１を用いた例を示すものである。具体的には、磁場計測装置１５０Ｂは、レーザー光照射装置１０１と、ガスセル１０２と、無偏光ビームスプリッター１０３と、偏光ビームスプリッター１０４と、光学フィルター１０５と、ＰＤ１０６と、ＰＤ１０７と、１つの非磁性のミラー１５１と、を備えている。レーザー光Ｌは無偏光ビームスプリッター１０３によってプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとに分岐される。分岐された参照光Ｌｒは光学フィルター１０５を透過した後に、ミラー１５１で反射して、偏光ビームスプリッター１０４の第２面１０４ｂに入射する構成となっている。つまり、分岐された参照光Ｌｒがミラー１５１に入射するように、レーザー光照射装置１０１とガスセル１０２との間の光軸上におけるプリズム界面１０３ａの向きが設定されるよう無偏光ビームスプリッター１０３を回転させている。変形例の磁場計測装置１５０Ｂでは、１つのミラー１５１を用いているので、複数のミラーを用いる場合に比べて装置構成が簡素化される。なお、非磁性のミラーの数は、１つあるいは２つに限定されず、３つ以上のミラーを用いて参照光Ｌｒを第２面１０４ｂに導いてもよい。

（変形例２）上記各実施形態の磁場計測装置において、第２光学手段である偏光ビームスプリッター１０４にプローブ光Ｌｐと参照光Ｌｒとを入射させる光学手段は、非磁性のミラーに限定されない。プローブ光Ｌｐ、参照光Ｌｒのそれぞれの光路に例えばプリズムを挿入して、第１面１０４ａにプローブ光Ｌｐを入射させ、第２面１０４ｂに参照光Ｌｒを入射させてもよい。

１００，１５０…磁場計測装置、１０１…光照射手段としてのレーザー光照射装置、１０２…ガスセル、１０３…第１光学手段としての無偏光ビームスプリッター、１０４…第２光学手段としての偏光ビームスプリッター、１０４ａ…第１面、１０４ｂ…第２面、１０５…第３光学手段としての光学フィルター、１０６…第１検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）、１０７…第２検出部としてのフォトディテクタ（ＰＤ）、１０８，１５１，１５２…非磁性のミラー、Ｌｐ…プローブ光、Ｌｒ…参照光、Ｍ１…磁場源。

Claims

直線偏光を照射する光照射手段と、
入射した光によって励起されるアルカリ金属原子が充填されるガスセルと、
前記光照射手段と前記ガスセルとの間の光軸上に配置され、入射した前記直線偏光をプローブ光と参照光とに分岐する第１光学手段と、
入射した光の強度を検出する第１検出部及び第２検出部と、
前記ガスセルを透過した前記プローブ光が入射する第１面と、前記参照光が入射する第２面とを有する第２光学手段と、
前記第２光学手段の前記第２面に入射する前記参照光の強度を、前記ガスセルを透過した後の前記プローブ光の強度と同等とする第３光学手段と、を備え、
前記第２光学手段は、前記第１面に入射した前記プローブ光を前記第１検出部と前記第２検出部とに分岐して入射させると共に、前記第２面から入射した前記参照光を前記第１検出部と前記第２検出部とに分岐して入射させることを特徴とする磁場計測装置。
前記ガスセルを透過した前記プローブ光を反射して再び前記ガスセルに入射させるミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁場計測装置。
前記プローブ光が前記ガスセルを１回透過した後に、前記第１面に入射するように、前記ガスセルに対して前記第２光学手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場計測装置。
前記第３光学手段を透過した後の前記参照光を反射して前記第２光学手段の前記第２面に導くミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁場計測装置。
前記第１光学手段は、無偏光ビームスプリッター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磁場計測装置。
前記第２光学手段は、偏光ビームスプリッターである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磁場計測装置。
前記第３光学手段は、光の透過率を変更可能な光学フィルターであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁場計測装置。