JP2021196338A - 光励起磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】計測箇所の間隔を狭めることができる光励起磁気センサを提供すること。【解決手段】光励起磁気センサ１は、計測対象に沿って配置され、アルカリ金属の蒸気が封入されたセル２と、ポンプ光を出射するポンプレーザ７と、計測対象に沿った第１の方向に導かれるポンプ光をセル２に入射させることに係る一又は複数のポンプ光用ミラーと、プローブ光を出射するプローブレーザ８と、プローブ光を複数に分割する分割部１２と、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光をセル２に入射させることに係る一又は複数のプローブ光用ミラーと、セル２の内部においてポンプ光と直交した各プローブ光を、セル２の外部において検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき、各プローブ光に対応するスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を導出し、直交する領域に対応する計測箇所に係る磁場を導出する導出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光励起磁気センサに関する。

従来、脳磁計として、微小な脳磁場を計測するために超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）が用いられている。近年では、ＳＱＵＩＤに代わり光励起磁気センサを用いた脳磁計が研究されている。光励起磁気センサは、光ポンピングによって励起されたアルカリ金属の原子のスピン偏極を用いることで微小な脳磁場を計測する。例えば、特許文献１は光ポンピング磁力計を利用した脳磁計を開示している。

特許５８２３１９５号公報

光励起磁気センサを用いた脳磁計は、例えば頭皮に沿って１００個以上の光励起磁気センサが配置される。しかしながら、従来の光励起磁気センサのフットプリントは２０×２０ｍｍ^２程度のサイズであるため、複数の光励起磁気センサを並べると計測箇所の間隔（ピッチ）を狭めることができない。

そこで、本発明は、計測箇所の間隔を狭めることができる光励起磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光励起磁気センサは、計測対象に沿って配置され、アルカリ金属の蒸気が封入されたセルと、アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザと、ポンプレーザから出射されたポンプ光を反射し、計測対象に沿った第１の方向に導かれるポンプ光をセルに入射させることに係る一又は複数のポンプ光用ミラーと、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射するプローブレーザと、プローブ光を複数に分割する分割部と、分割部によって分割された各プローブ光を反射し、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光をセルに入射させることに係る一又は複数のプローブ光用ミラーと、セルの内部においてポンプ光と直交した各プローブ光を、セルの外部において検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出し、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化から、各プローブ光とポンプ光とが直交する領域に対応する計測箇所に係る磁場を導出する導出部と、を備える。

本発明の一態様に係る光励起磁気センサでは、アルカリ金属の蒸気が封入されたセルにおいて、計測対象に沿った第１の方向に導かれるポンプ光が入射すると共に、分割部により複数に分割された、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光が入射する。そして、セルを通過した各プローブ光に対応するスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を導出することにより、セルの内部においてポンプ光と各プローブ光とが直交する領域に対応する磁場が導出される。このように、本発明の一態様に係る光励起磁気センサでは、プローブ光が複数に分割されるため、ポンプ光と各プローブ光とが直交する領域ごとにプローブレーザを用意する必要がなく、プローブレーザの構成が簡易になる。また、このような光励起磁気センサでは、プローブ光が複数に分割されて、単一の筐体の内部において複数のチャンネルが計測されるため、プローブ光を分割しない場合と比べて、計測箇所の間隔を狭めることができる。以上のように、本発明の一態様によれば、計測箇所の間隔を狭めることができる光励起磁気センサを提供することができる。

プローブレーザは、高さが幅よりも小さいプローブ光を出射してもよい。このように、幅が大きいプローブ光が出射されることにより、ポンプ光とプローブ光とが直交する領域が大きくなり、光励起磁気センサの計測精度を向上させることができる。

アルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、ポンプレーザは、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射し、プローブレーザは、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射してもよい。このような構成によれば、ポンプ光がルビジウムの原子を励起させると、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起する。このようなカリウムとルビジウムのスピン交換相互作用を用いることにより、カリウムの原子のみを励起させる場合と比較して、カリウムの原子を均一に励起させることができる。また、アルカリ金属の中でも磁場の感度が高いカリウムが用いられることにより、光励起磁気センサの計測精度を向上させることができる。

ポンプ光と各プローブ光とが、セルの内部における、磁場が入射する面の付近において直交してもよい。このような構成によれば、ポンプ光と各プローブ光とが、磁場をより強く受ける位置で直交するため、光励起磁気センサの計測精度を向上させることができる。

ポンプ光用ミラーのうちの少なくとも１つ、及びプローブ光用ミラーのうちの少なくとも１つは、接着剤によってセルに接着されていてもよい。このような構成によれば、ポンプ光用ミラー及びプローブ光用ミラーがセルに固定され、セルとの間にスペースが生じない。これにより、各ミラーを安定的且つコンパクトに配置させることができる。

分割部は、セルを挟んで計測対象の反対側に配置され、プローブレーザは、第１の方向の逆の方向に導かれるプローブ光が分割部に入射するようにプローブ光を出射し、分割部は、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った方向に、分割した各プローブ光を出力し、２つのプローブ光用ミラーのうち一方は、分割部により分割された各プローブ光を計測対象に向かう方向に反射し、他方は、一方によって反射された各プローブ光を第２の方向にさらに反射し、各プローブ光をセルに入射させてもよい。このような構成によれば、セルの面に沿うようにプローブ光の光路を設定することが可能になる。プローブ光の光路がセルの面に沿って設定されて省スペース化が図られることにより、光励起磁気センサを小型化することができる。

アルカリ金属の蒸気が封入されると共にセルを挟んで計測対象の反対側に配置されており、アルカリ金属の原子を励起する、第１の方向に導かれる参照用第１光が入射し、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するための、第２の方向に導かれる複数の参照用第２光が入射する参照用第１部材と、参照用第１部材の内部において参照用第１光と直交した複数の参照用第２光を、参照用第１部材の外部において検出する参照用第２部材と、を更に備え、セルにおいて各プローブ光とポンプ光とが直交する各領域は、参照用第１部材においていずれかの参照用第２光と参照用第１光とが直交する領域と、計測対象に対して垂直な方向において重なっており、導出部は、検出部によって検出された各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出するに際して、各プローブ光の検出部における検出結果と、計測対象に対して垂直な方向において各プローブ光と領域が重なっている参照用第２光の参照用第２部材における検出結果とを考慮したノイズ除去処理を行う、一次微分軸型グラジオメータとして構成されてもよい。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が各プローブ光の検出部における検出結果と、参照用第２光の参照用第２部材における検出結果とのそれぞれに示されるため、両者の出力結果の差分を取得することによってコモンモードノイズを除去することができる。これにより、光励起磁気センサの計測精度を向上させることができる。

ポンプレーザは、プローブレーザによるプローブ光の出射方向と同一の方向にポンプ光を出射してもよい。このような構成によれば、一箇所又は近接した箇所にポンプ光導入口及びプローブ光導入口が配置され、光励起磁気センサの構成を簡素化することができる。

ポンプレーザは、プローブレーザによるプローブ光の出射方向と直交する方向にポンプ光を出射してもよい。ポンプ光とプローブ光とはセルの内部において直交するところ、ポンプレーザ及びプローブレーザの出射方向が互いに直交していることにより、ポンプ光ミラー及びプローブ光ミラーを含むミラーの構成を簡素化することができる。

本発明によれば、計測箇所の間隔を狭めることができる光励起磁気センサを提供することができる。

光励起磁気センサの構成を示す図である。 セルの形状を示す概略図である。 ポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。 ４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータにおけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。 ４×４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータを示す概略図である。 光励起磁気センサを用いた脳磁計を示す概略図である。 ポンプ光の別の光路を示す概略図である。 プローブ光の別の光路を示す概略図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、光励起磁気センサ１の構成を示す図である。光励起磁気センサ１は光ポンピングを利用して磁場を計測する装置である。本明細書において、光励起磁気センサ１は脳磁計測に用いられるものとして説明するが、用途はこれに限られない。図１のｘ軸及びｙ軸は頭皮（計測対象）に対し平行であり、ｚ軸は頭皮に対し垂直である。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、それぞれ異なる角度から光励起磁気センサ１を見たときの構成を示す。すなわち、図１（ａ）は光励起磁気センサ１を側面から見た図であり、図１（ｂ）は光励起磁気センサ１を正面から見た図である。

光励起磁気センサ１は、セル２と、ヒータ３と、熱電対５と、ケース６と、ポンプレーザ７と、プローブレーザ８と、ファイバコネクタ９と、ミラー１０と、ミラー１１と、分割部１２と、ミラー１３と、ミラー１４と、ミラー１５と、偏光ビームスプリッタ１６と、ミラー１７と、第１のフォトダイオード１８と、第２のフォトダイオード１９と、ピークフレーム２０と、プリント基板２１と、ピーク支柱２２と、ヒートシンク２３と、を備える。

図１（ａ）に示されるように、セル２は、頭皮に沿って配置され、アルカリ金属の蒸気が封入される。セル２は、例えば、石英、サファイア、シリコン、コバールガラス、ホウケイ酸ガラス等の材料により構成され得る。セル２は、後述するポンプ光及びプローブ光に対して光透過性を有する。ここで、図２を参照して、セル２の詳細を説明する。

図２は、セル２の形状を示す概略図である。セル２は、略直方体且つ有底筒状の形状を有する。ｘ軸方向に対して垂直な方向のセル２の断面は、例えば正方形である。セル２の一端であるポンプ光入射面２ａは、ｘ軸の正の方向に導かれたポンプ光が入射する平面である。セル２の側面であるプローブ光入射面２ｂは、ｙ軸の正の方向に導かれた複数のプローブ光が入射する平面である。セル２の側面であるプローブ光出射面２ｃは、ｙ軸の正の方向に導かれた複数のプローブ光がセル２の内部を通過した後出射する平面である。セル２の上面２ｄは、後述するヒータ３等が取り付けられる平面である。セル２の下面である磁場入射面２ｅは、脳から発生するｚ軸の正の方向の磁場が入射する平面である。セル２の他端は平面であってもよく、ｘ軸の正の方向に徐々に縮径される封じ切り部２ｆが形成されていてもよい。

セル２は、アルカリ金属の蒸気及び封入ガスを収容する。セル２に収容されるアルカリ金属は、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、及びセシウム（Ｃｓ）の少なくとも１種類以上とされてもよい。セル２に収容されるアルカリ金属は、カリウム及びルビジウムであってもよく、カリウムのみであってもよい。カリウムは、スピン破壊衝突（spin-destruction collision）緩和レートが光励起磁気センサで用いられるアルカリ金属の中でも比較的小さい。カリウムのスピン破壊衝突緩和レートは、例えばセシウム及びルビジウム等よりも小さい。従って、単一のアルカリ金属を採用する場合、カリウムのみを用いた光励起磁気センサは、セシウムのみ又はルビジウムのみを用いた光励起磁気センサよりも感度が高い。

封入ガスは、アルカリ金属の蒸気のスピン偏極の緩和を抑制する。また、封入ガスは、アルカリ金属蒸気を保護するとともにノイズ発光を抑制する。封入ガスは、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスであってもよい。封入ガスは、例えばヘリウム及び窒素とされてもよい。

図１（ａ）に戻り、セル２には、ヒータ３、及び熱電対５が取り付けられている。ヒータ３は、ヒータ電源（不図示）から供給される電流に応じて発熱する。熱電対５は、セル２の内部温度を計測する。ヒータ３は、セル２の内部温度を制御することによりアルカリ金属の蒸気密度を制御する。ヒータ３は、例えばセル２においてアルカリ金属としてカリウム及びルビジウムが収容されている場合、セル２の内部温度が１８０℃になるように加熱する。ヒータ３は、例えばセル２の上面２ｄに取り付けられる。熱電対５は、例えばセル２のプローブ光入射面２ｂ又はプローブ光出射面２ｃであって、プローブ光の光路を遮らない位置に取り付けられる。

ポンプレーザ７は、アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を出射する。ポンプレーザ７は、ポンプ光を任意のサイズに成形してもよい。セル２に収容されたアルカリ金属の原子は、ポンプ光により励起され、スピンの方向が揃う（スピン偏極）。ポンプ光の波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じて設定される。

ポンプレーザ７は、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射してもよい。この場合、ポンプ光によりルビジウムの原子が励起状態となる。そして、カリウムとルビジウムのスピン交換相互作用によって、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起状態となる。

プローブレーザ８は、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射する。プローブレーザ８は、プローブ光を任意のサイズに成形してもよい。プローブレーザ８は、高さが幅よりも小さいプローブ光を出射してもよい。プローブ光は、アルカリ金属の蒸気を通過する際に、アルカリ金属原子のスピン偏極の状態の影響を受けて、磁気旋光角が変化する。この磁気旋光角の変化が検出されることにより、スピン偏極の状態が導出可能となる。プローブ光の波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じて設定される。プローブ光の波長は、例えばセル２においてアルカリ金属としてカリウムのみが収容されている場合、ポンプ光の波長（例えば７７０．１ｎｍ）から離調し、例えば７７０ｎｍ程度とされる。プローブ光の波長がポンプ光の波長から離調することによって、プローブ光がカリウムに吸収されることが抑制される。

プローブレーザ８は、セル２においてアルカリ金属としてカリウム及びルビジウムが収容されている場合、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射してもよい。このように２種類のアルカリ金属を用いる場合、励起に用いるルビジウムの密度をプローブに用いるカリウムよりも低くすることが好ましい。ルビジウムの密度が小さいと、ポンプ光はポンプ光入射端から奥深くまで到達し、セルがｘ軸方向に細長くてもルビジウムを均一に励起することができる。よって、均一な感度を得ることができる。

ファイバコネクタ９は、ポンプレーザ７から出射されたポンプ光、及びプローブレーザ８から出射されたプローブ光を光励起磁気センサ１の筐体内部に導入するポンプ光導入口及びプローブ光導入口を有するコネクタである。また、ファイバコネクタ９は、ポンプ光及びプローブ光をそれぞれ任意のサイズに成形してもよい。ファイバコネクタ９は、例えばコリメートレンズによって、ポンプ光及びプローブ光のそれぞれを平行状態に調整してもよい。

ポンプレーザ７は、プローブレーザ８によるプローブ光の出射方向と同一の方向にポンプ光を出射してもよい。例えば、ポンプレーザ７及びプローブレーザ８は、それぞれポンプ光及びプローブ光をｘ軸の負の方向に出射する。ポンプレーザ７により出射されたポンプ光及びプローブレーザ８により出射されたプローブ光は、ファイバコネクタ９に導かれる。この場合、ファイバコネクタ９は、ポンプ光導入口がプローブ光導入口に対しｚ軸の正の方向に位置するように配置される。ファイバコネクタ９のポンプ光及びプローブ光の出射方向はこれに限られない。

ミラー１０は、ポンプレーザ７から出射されたポンプ光を反射するポンプ光用ミラーである。ミラー１０は、ファイバコネクタ９のポンプ光導入口に対し、ｘ軸の負の方向に配置される。ミラー１０には、ファイバコネクタ９を介してポンプ光が入射する。ミラー１０は、ポンプレーザ７からｘ軸の負の方向に出射されたポンプ光を、ｚ軸の負の方向（頭皮に向かう方向）に反射する。ミラー１０は、光学接着剤によって、ピークフレーム２０に接着されてもよい。

ミラー１１は、ミラー１０によってｚ軸の負の方向（頭皮に向かう方向）に反射されたポンプ光を、頭皮に沿った第１の方向（ｘ軸の正の方向）に反射することにより、第１の方向（ｘ軸の正方向）に導かれるポンプ光をセル２に入射させるポンプ光用ミラーである。ミラー１１は、ミラー１０に対しｚ軸の負の方向に配置される。ミラー１１は、耐熱光学接着剤によって、セル２のポンプ光入射面２ａに接着されてもよい。

分割部１２は、プローブ光を複数に分割する。分割部１２は、例えばビームスプリッタ１２ＢＳ及びミラー１２Ｍによって構成される。ビームスプリッタ１２ＢＳは、入射した光成分の一部を反射し、残りの光成分を透過する。ミラー１２Ｍは、入射した光を反射する。ビームスプリッタ１２ＢＳには、ファイバコネクタ９を介してプローブ光が入射する。ミラー１２Ｍには、ビームスプリッタ１２ＢＳを透過したプローブ光が入射する。

分割部１２は、セル２を挟んで頭皮の反対側に配置されてもよい。プローブレーザ８は、第１の方向の逆の方向（ｘ軸の負の方向）に導かれるプローブ光が分割部１２に入射するようにプローブ光を出射してもよい。分割部１２は、第１の方向に直交する方向であって頭皮に沿った方向（ｙ軸の負の方向）に、分割した各プローブ光を出力してもよい。例えば、ビームスプリッタ１２ＢＳ及びミラー１２Ｍは、ファイバコネクタ９のプローブ光導入口に対し、ｘ軸の負の方向に配置される。この場合、ファイバコネクタ９はｘ軸の負の方向にプローブ光を導く。ミラー１２Ｍはビームスプリッタ１２ＢＳに対しｘ軸の負の方向に位置する。ビームスプリッタ１２ＢＳは、入射したプローブ光の一部を第１の方向に直交する方向であって頭皮に沿った方向（ｙ軸の負の方向）に出力し、プローブ光の残りをｘ軸の負の方向に透過する。ミラー１２Ｍは、入射したプローブ光をｙ軸の負の方向に反射する。ビームスプリッタ１２ＢＳ及びミラー１２Ｍは、光学接着剤によって、ピークフレーム２０に接着されてもよい。

分割した各プローブ光の数は、光励起磁気センサ１が磁場を計測できるチャンネル（ｃｈ）数に対応する。また、チャンネル数に応じて、プローブ光の光路上の各構成の数も異なり得る。例えばプローブ光を４つのプローブ光に分割する（４チャンネル）場合、分割部１２はビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、１２ＢＳｃ、及びミラー１２Ｍによって構成される。分割部１２は、４つのプローブ光がそれぞれ同程度の光成分、すなわち分割前（分割部１２に導かれる前）のプローブ光の２５％の光成分を有するようにプローブ光を分割する。例えばビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、及び１２ＢＳｃをｘ軸の負の方向で直列に配置して、この順にプローブ光を透過させて分割する場合、ビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、及び１２ＢＳｃの透過率はそれぞれ異なる。例えば、ビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、及び１２ＢＳｃの透過率はそれぞれ、７５％、６６．６％、及び５０％とされてもよい。この場合、ビームスプリッタ１２ＢＳａは、入射した光成分のうち、２５％をｙ軸の負の方向に出力して、残りの７５％をｘ軸の負の方向に出力する。ビームスプリッタ１２ＢＳｂは、ビームスプリッタ１２ＢＳａから透過した光成分のうち、３３．３％をｙ軸の負の方向に出力して、残りの６６．６％をｘ軸の負の方向に出力する。ビームスプリッタ１２ＢＳｃは、ビームスプリッタ１２ＢＳｂから透過した光成分のうち、５０％をｙ軸の負の方向に出力して、残りの５０％をｘ軸の負の方向に出力する。ミラー１２Ｍは、ビームスプリッタ１２ＢＳｃを透過した光成分をｙ軸の負の方向に反射する。このように分割することによって、４つのプローブ光はそれぞれ、分割前（分割部１２に導かれる前）のプローブ光の２５％の光成分を有する。

図１（ｂ）では、ミラー１０及びミラー１１を省略している。図１（ｂ）に示されるように、ミラー１３は、分割部１２によって分割された各プローブ光を反射するプローブ光用ミラーである。ミラー１３は、分割部１２により分割された各プローブ光を頭皮に向かう方向に反射する。ミラー１３は、分割部１２に対しｙ軸の負の方向に配置される。ミラー１３は、分割部１２によってｙ軸の負の方向に出力された各プローブ光をｚ軸の負の方向（頭皮に向かう方向）に反射する。

ミラー１４は、第１の方向に直交する方向であって頭皮に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光をセル２に入射させるプローブ光用ミラーである。第２の方向とは、例えばｙ軸の正の方向である。ミラー１４は、ミラー１３によって反射された各プローブ光を第２の方向にさらに反射し、各プローブ光をセル２に入射させる。ミラー１４は、ミラー１３に対しｚ軸の負の方向に配置される。ミラー１４には、ミラー１３において反射された各プローブ光が入射する。ミラー１４は、ミラー１３によってｚ軸の負の方向に導かれた各プローブ光をｙ軸の正の方向（第２の方向）に反射する。ミラー１４において反射された各プローブ光はそれぞれ、セル２のプローブ光入射面２ｂに対し垂直に入射する。ミラー１４は、耐熱光学接着剤によって、セル２のプローブ光入射面２ｂに接着されてもよい。

ミラー１５は、入射したプローブ光を反射する。ミラー１５は、セル２に対しｙ軸の正の方向に配置される。ミラー１５には、セル２の内部を通過し、セル２のプローブ光出射面２ｃから出射された各プローブ光が入射する。ミラー１５は、セル２のプローブ光出射面２ｃを経て入射した各プローブ光をｚ軸の正の方向（頭皮から離れる方向）に反射する。ミラー１５は、耐熱光学接着剤によって、セル２のプローブ光出射面２ｃに接着されてもよい。

ミラー１３、ミラー１４、及びミラー１５はそれぞれ、１つのミラーとして構成されてもよいし、複数のミラーとして構成されてもよい。例えばチャンネル数が４つの場合、ミラー１３は４つのミラー１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、及び１３ｄ（図３（ｂ）参照）によって構成されてもよい。同様に、ミラー１４は４つのミラーによって構成されてもよい。同様に、ミラー１５は４つのミラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、及び１５ｄによって構成されてもよい。各ミラーは、４つのプローブ光のそれぞれの光路に対応して配置される。

偏光ビームスプリッタ１６は、入射した光に含まれる第１の磁気旋光角度を有する第１の光成分を透過し、そのほかの磁気旋光角度を有する第２の光成分を透過面とは異なる面から出力することによって分離する。例えば、第１の磁気旋光角度は、プローブレーザ８から出射されたプローブ光が有する磁気旋光角度に対して４５度傾いた角度である。第２の光成分は、第１の磁気旋光角度に対して９０度傾いた角度である。よって、セル２に磁場が与えられない場合、第１、第２の磁気旋光角度を有するプローブ光の光量は等しい。また、磁場が与えられた場合、アルカリ金属原子のスピン偏極が変化し、プローブ光がセル２の内部を通過する際にその偏波面が変化するので磁場強度に応じて光量のバランスが変化する。偏光ビームスプリッタ１６は、ミラー１５に対しｚ軸の正の方向に配置される。偏光ビームスプリッタ１６には、ミラー１５が反射した各プローブ光が入射する。偏光ビームスプリッタ１６は、入射した各プローブ光に含まれる第１の光成分をｚ軸の正の方向に透過する。また、偏光ビームスプリッタ１６は、各プローブ光に含まれる第２の光成分をｙ軸の負の方向に出力する。

ミラー１７は、入射した光を反射する。ミラー１７は、偏光ビームスプリッタ１６に対しｙ軸の負の方向に配置される。ミラー１７には、偏光ビームスプリッタ１６から出力された第２の光成分が入射する。ミラー１７は、入射した第２の光成分をｚ軸の正の方向に反射する。

第１のフォトダイオード１８及び第２のフォトダイオード１９は、セル２の内部においてポンプ光と直交した各プローブ光を、セル２の外部において検出する検出部である。第１のフォトダイオード１８は、チャンネルの数（分割部１２によるプローブ光の分割数）と同一の数のフォトダイオードで構成される。第１のフォトダイオード１８は、偏光ビームスプリッタ１６に対しｚ軸の正の方向に配置される。第１のフォトダイオード１８には、偏光ビームスプリッタ１６を透過した第１の光成分が入射する。第１のフォトダイオード１８は、第１の光成分の強度に応じた信号を生成して出力する。第２のフォトダイオード１９は、チャンネルの数と同一の数のフォトダイオードで構成される。第２のフォトダイオード１９は、ミラー１７に対しｚ軸の正の方向に配置される。第２のフォトダイオード１９は、ミラー１７において反射された第２の光成分が入射する。第２のフォトダイオード１９は、第２の光成分の強度に応じた第２の光信号を生成して出力する。

第１のフォトダイオード１８及び第２のフォトダイオード１９（検出部）は、導出部（不図示）と電気的に接続されている。導出部の機能は、例えば図６に示される制御装置２６が有していてもよい。導出部は、第１のフォトダイオード１８及び第２のフォトダイオード１９の検出結果に基づき、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出し、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化から、各プローブ光とポンプ光とが直交する領域に対応する脳の位置（計測箇所）に係る磁場を導出する。

また、例えばチャンネル数が４つの場合、偏光ビームスプリッタ１６は、４つの偏光ビームスプリッタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、及び１６ｄによって構成されてもよい。同様に、ミラー１７は、４つのミラーによって構成されてもよい。また、第１のフォトダイオード１８は、４つの第１のフォトダイオード１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び１８ｄによって構成されてもよい。さらに、第２のフォトダイオード１９は、４つの第２のフォトダイオードによって構成されてもよい。この場合、第１のフォトダイオード１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び１８ｄと、４つの各第２のフォトダイオードとがそれぞれ一対となる。

ピークフレーム２０は、ｚ軸の負の方向にケース６を接着し固定する板状の台座である。ピークフレーム２０は、ポンプ光及びプローブ光の光路のための窓を設けてもよい。

ピーク支柱２２は、ピークフレーム２０とプリント基板２１との間の空間を一定に保つための柱である。

ヒートシンク２３は、プリント基板２１に対しｚ軸の正の方向に取り付けられる放熱用の部品である。ヒートシンク２３は、光励起磁気センサ１の筐体の内部温度（セル２を除く）を放熱し、外部温度（室温）に近付けるように調整する。

図３は、ポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。図３では、光励起磁気センサ１の構成を簡略化して示している。また、図３では、光励起磁気センサ１が４チャンネルである場合を示す。図３（ａ）は光励起磁気センサ１を側面から見た図であり、図３（ｂ）は光励起磁気センサ１を上方から見た図であり、図３（ｃ）は光励起磁気センサ１を正面から見た図である。

まず、ポンプ光の光路について、図３（ａ）を参照して説明する。図３（ａ）に示されるように、ポンプレーザ７は、ポンプ光ＬＰをｘ軸の負の方向に出射する。ミラー１０は、ファイバコネクタ９を介して入射したポンプ光ＬＰをｚ軸の負の方向に反射する。続いて、ミラー１１は、ミラー１０において反射されたポンプ光ＬＰをｘ軸の正の方向（第１の方向）に反射する。このようにして、ポンプ光ＬＰは、ポンプ光入射面２ａからセル２に入射して、セル２の内部を第１の方向に通過する。

次に、プローブ光の光路について説明する。図３（ａ）に示されるように、プローブレーザ８から出射されたプローブ光ＬＢは、ファイバコネクタ９を介してｘ軸の負の方向に導かれる。

図３（ｂ）はポンプ光ＬＰの図示を省略している。図３（ｂ）に示されるように、分割部１２は、セル２に対しｚ軸の正の方向（上方）に配置される。分割部１２には、プローブレーザ８によってｘ軸の負の方向に出射されたプローブ光ＬＢが入射する。ビームスプリッタ１２ＢＳａは、プローブ光ＬＢの２５％の光成分をプローブ光ＬＢａとしてｙ軸の負の方向に出力し、残りの７５％の光成分をｘ軸の負の方向に透過する。ビームスプリッタ１２ＢＳｂは、ビームスプリッタ１２ＢＳａから透過されたプローブ光のうち、３３．３％の光成分をプローブ光ＬＢｂとしてｙ軸の負の方向に出力し、残りの６６．６％の光成分をｘ軸の負の方向に透過する。続いて、ビームスプリッタ１２ＢＳｃは、ビームスプリッタ１２ＢＳｂから透過されたプローブ光のうち、５０％の光成分をプローブ光ＬＢｃとしてｙ軸の負の方向に出力し、残りの５０％の光成分をｘ軸の負の方向に透過する。最後に、ミラー１２Ｍは、ビームスプリッタ１２ＢＳｃにより透過されたプローブ光をプローブ光ＬＢｄとしてｙ軸の負の方向に反射する。このようにして、プローブ光ＬＢは、複数のプローブ光ＬＢａ、ＬＢｂ、ＬＢｃ、及びＬＢｄに分割される。各プローブ光の光成分は、分割前のプローブ光ＬＢのうちの２５％の光成分となる。各プローブ光は、ｙ軸の負の方向に配置されたミラー１３（ミラー１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、及び１３ｄ）に入射する。

図３（ｃ）に示されるように、ミラー１３（ミラー１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、及び１３ｄ）は、分割部１２から出力された各プローブ光をｚ軸の負の方向に反射する。ミラー１４（４つのミラー）は、ミラー１３において反射された各プローブ光をｙ軸の正の方向（第２の方向）に反射する。各プローブ光は、セル２のプローブ光入射面２ｂから入射し、セル２の内部を第２の方向に通過する。

各プローブ光は、セル２の内部を通過すると、セル２のプローブ光出射面２ｃからセル２の外側に出射される。ミラー１５（ミラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、及び１５ｄ（図１参照））は、セル２を介して入射した各プローブ光をｚ軸の正の方向に反射する。各プローブ光は、ミラー１５から見てｚ軸の正の方向に配置された偏光ビームスプリッタ１６に入射する。

偏光ビームスプリッタ１６は、入射した各プローブ光に含まれる第１の光成分をｚ軸の正の方向に透過し、第２の光成分をｙ軸の負の方向に出力する。各プローブ光に含まれる第１の光成分はそれぞれ、第１のフォトダイオード１８（第１のフォトダイオード１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び１８ｄ（図１（ａ）参照））に入射する。各プローブ光に含まれる第２の光成分はそれぞれ、ミラー１７（４つの各ミラー）においてｚ軸の正の方向に反射される。そして、各プローブ光に含まれる第２の光成分はそれぞれ、第２のフォトダイオード１９（４つの各第２のフォトダイオード）に入射する。

図３（ａ）に示されるように、領域ＡＲは、ポンプ光ＬＰとプローブ光とがセル２の内部において直交する４チャンネル分の領域を示す。具体的には、ポンプ光ＬＰは、セル２の内部をｘ軸の正の方向（第１の方向）に進む。各プローブ光は、セル２の内部においてｙ軸の正の方向（第２の方向）に進む。第１の方向のポンプ光ＬＰと第２の方向の各プローブ光とは、それぞれがセル２の内部において直交する。光励起磁気センサ１による磁気の計測領域は、セル２の内部においてポンプ光とプローブ光とが直交する領域ＡＲとなる。

また、ポンプ光ＬＰと各プローブ光とが、セル２の内部における、磁場が入射する面の付近において直交してもよい。具体的には、ポンプ光ＬＰと各プローブ光との直交領域が、セル２の磁場入射面２ｅ（図２参照）に近付くように、セル２、ミラー１１及びミラー１４のそれぞれの位置が調整されてもよい。

図４は、４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータにおけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。図４（ａ）及び（ｂ）において、光励起磁気センサ１は、参照用セル２ｒと、参照用ミラー１０ｒと、参照用ミラー１１ｒと、参照用ミラー１３ｒと、参照用ミラー１４ｒと、参照用ミラー１５ｒと、参照用偏光ビームスプリッタ１６ｒと、参照用ミラー１７ｒと、参照用第１のフォトダイオード１８ｒと、参照用第２のフォトダイオード１９ｒと、をさらに備える。これらの各構成は、計測領域のセル２、ミラー１０、ミラー１１、ミラー１３、ミラー１４、ミラー１５、偏光ビームスプリッタ１６、ミラー１７、第１のフォトダイオード１８、及び第２のフォトダイオード１９にそれぞれ対応する（機能が一致する）。光励起磁気センサ１は、図示されていないその他の構成についても、対となる構成を備えていてもよい。

光励起磁気センサ１は、参照用セル２ｒ（参照用第１部材）と、参照用第１のフォトダイオード１８ｒ及び参照用第２のフォトダイオード１９ｒ（参照用第２部材）と、をさらに備える一次微分軸型グラジオメータとして構成されてもよい。参照用第１部材は、アルカリ金属の蒸気が封入されると共にセル２を挟んで頭皮の反対側に配置されており、アルカリ金属の原子を励起する、第１の方向に導かれる参照用第１光が入射し、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するための、第２の方向に導かれる複数の参照用第２光が入射する。

参照用第２部材は、参照用第１部材の内部において参照用第１光と直交した複数の参照用第２光を、参照用第１部材の外部において検出してもよい。セル２において各プローブ光とポンプ光とが直交する各領域は、参照用第１部材においていずれかの参照用第２光と参照用第１光とが直交する領域と、頭皮に対して垂直な方向において重なっていてもよい。導出部（例えば制御装置２６）は、第１のフォトダイオード１８及び第２のフォトダイオード１９によって検出された各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出するに際して、各プローブ光の第１のフォトダイオード１８及び第２のフォトダイオード１９における検出結果と、頭皮に対して垂直な方向において各プローブ光と領域が重なっている参照用第２光の参照用第１のフォトダイオード１８ｒ及び参照用第２のフォトダイオード１９ｒにおける検出結果とを考慮したノイズ除去処理を行ってもよい。また、参照用セル２ｒを用いずとも、セル２の隣り合うチャンネルからの信号に共通する部分をコモンモードノイズとして除去する平面グラジオメータ構成としてもよい。

図５は、４×４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータを示す概略図である。４×４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータは、４つの４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータを１つの筐体でモジュール化したものであり、１６チャンネル分の計測結果が得られる。

光励起磁気センサ１は、コイル電源（不図示）から供給される電流に応じて、セル２が配置される領域にバイアス磁場Ｂを発生させるバイアス磁場形成用コイル２４を備えてもよい。バイアス磁場形成用コイル２４は、例えば光励起磁気センサ１を周回するコイルシステムとすることができる。バイアス磁場Ｂの方向は、例えば、セル２の内部を通過するポンプ光の光路と同一方向（ｘ軸の正の方向）である。バイアス磁場Ｂの強度を調整することによって、光励起磁気センサ１の磁場の感度のピーク周波数を調整できる。ピーク周波数は、光励起磁気センサ１が計測する対象に応じて変更され得る。例えば光励起磁気センサ１を脳磁計測に用いる場合、磁場の感度のピーク周波数を脳磁場の周波数帯域である数〜数百Ｈｚに合わせることが望ましい。ここで、例えば一次微分軸型グラジオメータの周囲に巻いたコイルが７ｎＴのバイアス磁場Ｂを形成すると、光励起磁気センサ１のピーク周波数を５０Ｈｚに調整できる。

図６は、光励起磁気センサ１を用いた脳磁計を示す概略図である。光励起磁気センサ１は、例えば４×４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータとされてもよい。脳磁計は、光励起磁気センサ１と、非磁性フレーム２５と、制御装置２６と、ポンプレーザ７と、プローブレーザ８と、アンプ２７と、ヒーターコントローラ２８と、を備える。複数の光励起磁気センサ１は、例えば頭皮に沿って所定の間隔で配置される。脳磁計は、例えば１２個の４×４ｃｈの一次微分軸型グラジオメータを頭皮に沿って所定の間隔で配置した場合、１９２チャンネル分の計測領域を取得できる。

非磁性フレーム２５は、脳磁場の計測対象である被験者の頭皮の全域を覆うフレームであり、グラファイト等の非磁性体材料により構成される。非磁性フレーム２５は、例えば被験者の頭皮の全域を囲み、被験者の頭部に装着されるヘルメット型のフレームとすることができる。非磁性フレーム２５には、被験者の頭皮に近接するように複数の光励起磁気センサ１が固定されている。

制御装置２６は、アンプ２７から出力された信号を利用して、光励起磁気センサ１が検出した磁場に関する情報を得る装置である。制御装置２６は、導出部として構成されてもよい。なお、制御装置２６は、ポンプレーザ７及びプローブレーザ８の出射タイミング、出射時間等の動作を制御してもよい。

制御装置２６は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかる制御装置２６としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートフォン、タブレット端末などが挙げられる。制御装置２６は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。

ポンプレーザ７から出射されたポンプ光は、ファイバ分岐により、複数の光励起磁気センサ１のそれぞれに入射してもよい。また、プローブレーザ８から出射されたプローブ光は、ファイバ分岐により、複数の光励起磁気センサ１のそれぞれに入射してもよい。

アンプ２７は、光励起磁気センサ１からの出力結果の信号を増幅して、制御装置２６に出力する機器又は回路である。

ヒーターコントローラ２８は、光励起磁気センサ１のセルを加熱するためのヒータ３、及びセル２の温度を計測する熱電対５と接続される調温装置である。ヒーターコントローラ２８は、熱電対５からセル２の温度情報を受信し、当該温度情報に基づいてヒータ３の加熱を調整することにより、セル２の温度を調整する。

図７は、ポンプ光の別の光路を示す概略図である。ポンプレーザ７は、プローブレーザ８によるプローブ光の出射方向（図３（ａ）参照）と直交する方向にポンプ光を出射してもよい。例えば、ポンプレーザ７は、ポンプ光をｚ軸の負の方向に出射してもよい。ミラー１１には、ファイバコネクタ９を介して、ポンプレーザ７から出射されたポンプ光が入射する。ミラー１１は、入射したポンプ光をｘ軸の正の方向（第１の方向）に反射する。ポンプ光は、セル２のポンプ光入射面２ａに垂直に入射する。このようにして、ポンプ光は、ミラー１１のみによってセル２のポンプ光入射面２ａに導かれる。このような構成によれば、ミラー１０が不要となる。

図８は、プローブ光の別の光路を示す図である。プローブレーザ８は、頭皮に向かう方向にプローブ光を出射してもよい。図８において、プローブ光は予めファイバ分岐等により分割されてもよい。この場合、ファイバコネクタ９は、チャンネル数分のプローブ光導入口を有してもよい。ミラー１４には、ファイバコネクタ９から出射された複数のプローブ光のそれぞれが入射する。ミラー１４は、入射した複数のプローブ光のそれぞれをｙ軸の正の方向（第１の方向）に反射する。複数のプローブ光はそれぞれ、セル２のプローブ光入射面２ｂに垂直に入射する。このようにして、プローブ光は、ミラー１４のみによってセル２のプローブ光入射面２ｂに導かれる。このような構成によれば、ファイバコネクタ９のプローブ光導入口は複数必要となるが、分割部１２及びミラー１３が不要となる。

［実施例］
光励起磁気センサ１が４チャンネル分の計測領域を確保する際のサイズの例を示す。セル２の形状は、ｘ軸の方向の長さが５０ｍｍ、ｘ軸の方向に垂直な断面の外形が６×６ｍｍ^２、ｘ軸の方向に垂直な断面の内側が４×４ｍｍ^２、ガラス厚が１ｍｍとされてもよい。ポンプレーザ７又はファイバコネクタ９は、例えばポンプ光の高さが３．５ｍｍ、幅が３．５ｍｍとなるように成形してもよい。また、プローブレーザ８又はファイバコネクタ９は、例えばプローブ光の高さが２ｍｍ、幅が８ｍｍとなるように成形してもよい。そして、ｘ軸の方向において、隣り合うチャンネルの間隔は２ｍｍとされてもよい。プローブ光の幅が８ｍｍであり、隣のチャンネルとの間隔が２ｍｍであるため、セル２のｘ軸の方向の長さが５０ｍｍ程度あれば４チャンネル分の幅が確保される。このような４チャンネルの光励起磁気センサ１では、３．５×２×８ｍｍ^３の計測領域を４つ得ることができる。このように、１つの筐体で複数のチャンネルを有する光励起磁気センサ１を第１の方向に複数並べた場合、隣り合う光励起磁気センサ１の計測箇所との間隔を狭めることができる。上述したポンプ光及びプローブ光は、任意のサイズに成形され得る。

また、例えば、ミラー１３、ミラー１４、及びミラー１５はそれぞれ、プローブ光の高さ方向を反射する幅がプローブ光の高さと略同一の幅（例えば２ｍｍ）とされてもよい。このような幅を有するミラー１３、ミラー１４、及びミラー１５を用いることによって、第２の方向に対して、光励起磁気センサ１の構成を小型化することができる。例えば、ミラー１４（幅が２ｍｍ）、セル２（ｘ軸の方向に垂直な断面の外形が６×６ｍｍ^２）、及びミラー１５（幅が２ｍｍ）の幅を合計すると１０ｍｍとなる。

［作用効果］
次に、上述した実施形態に係る光励起磁気センサ１の作用効果について説明する。

本実施形態に係る光励起磁気センサ１は、計測対象に沿って配置され、アルカリ金属の蒸気が封入されたセル２と、アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザ７と、ポンプレーザ７から出射されたポンプ光を反射し、計測対象に沿った第１の方向に導かれるポンプ光をセル２に入射させることに係る一又は複数のポンプ光用ミラーと、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射するプローブレーザ８と、プローブ光を複数に分割する分割部１２と、分割部１２によって分割された各プローブ光を反射し、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光をセル２に入射させることに係る一又は複数のプローブ光用ミラーと、セル２の内部においてポンプ光と直交した各プローブ光を、セル２の外部において検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出し、各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化から、各プローブ光とポンプ光とが直交する領域に対応する計測箇所に係る磁場を導出する導出部と、を備える。

本実施形態に係る光励起磁気センサ１では、アルカリ金属の蒸気が封入されたセル２において、計測対象に沿った第１の方向に導かれるポンプ光が入射すると共に、分割部１２により複数に分割された、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った第２の方向に導かれる各プローブ光が入射する。そして、セル２を通過した各プローブ光に対応するスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を導出することにより、セル２の内部においてポンプ光と各プローブ光とが直交する領域に対応する磁場が導出される。このように、本実施形態に係る光励起磁気センサ１では、プローブ光が複数に分割されるため、ポンプ光と各プローブ光とが直交する領域ごとにプローブレーザ８を用意する必要がなく、プローブレーザ８の構成が簡易になる。また、このような光励起磁気センサ１では、プローブ光が複数に分割されて、単一の筐体の内部において複数のチャンネルが計測されるため、プローブ光を分割しない場合と比べて、計測箇所の間隔を狭めることができる。以上のように、本実施形態によれば、計測箇所の間隔を狭めることができる光励起磁気センサ１を提供することができる。

プローブレーザ８は、高さが幅よりも小さいプローブ光を出射してもよい。このように、幅が大きいプローブ光が出射されることにより、ポンプ光とプローブ光とが直交する領域が大きくなり、光励起磁気センサ１の計測精度を向上させることができる。

アルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、ポンプレーザ７は、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射し、プローブレーザ８は、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射してもよい。このような構成によれば、ポンプ光がルビジウムの原子を励起させると、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起する。このようなカリウムとルビジウムのスピン交換相互作用を用いることにより、カリウムの原子のみを励起させる場合と比較して、カリウムの原子を均一に励起させることができる。この効果は、ルビジウムの密度をカリウムの密度より低くすることで強調される。また、アルカリ金属の中でも磁場の感度が高いカリウムが用いられることにより、光励起磁気センサ１の計測精度を向上させることができる。

ポンプ光と各プローブ光とが、セル２の内部における、磁場が入射する面の付近において直交してもよい。このような構成によれば、ポンプ光と各プローブ光とが、磁場をより強く受ける位置で直交するため、光励起磁気センサ１の計測精度を向上させることができる。

ポンプ光用ミラーのうちの少なくとも１つ、及びプローブ光用ミラーのうちの少なくとも１つは、接着剤によってセル２に接着されていてもよい。このような構成によれば、ポンプ光用ミラー及びプローブ光用ミラーがセル２に固定され、セル２との間にスペースが生じない。これにより、各ミラーを安定的且つコンパクトに配置させることができる。

分割部１２は、セル２を挟んで計測対象の反対側に配置され、プローブレーザ８は、第１の方向の逆の方向に導かれるプローブ光が分割部１２に入射するようにプローブ光を出射し、分割部１２は、第１の方向に直交する方向であって計測対象に沿った方向に、分割した各プローブ光を出力し、２つのプローブ光用ミラーのうち一方は、分割部１２により分割された各プローブ光を計測対象に向かう方向に反射し、他方は、一方によって反射された各プローブ光を第２の方向にさらに反射し、各プローブ光をセル２に入射させてもよい。このような構成によれば、セル２の面に沿うようにプローブ光の光路を設定することが可能になる。プローブ光の光路がセル２の面に沿って設定されて省スペース化が図られることにより、光励起磁気センサ１を小型化することができる。

アルカリ金属の蒸気が封入されると共にセル２を挟んで計測対象の反対側に配置されており、アルカリ金属の原子を励起する、第１の方向に導かれる参照用第１光が入射し、アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するための、第２の方向に導かれる複数の参照用第２光が入射する参照用第１部材と、参照用第１部材の内部において参照用第１光と直交した複数の参照用第２光を、参照用第１部材の外部において検出する参照用第２部材と、を更に備え、セル２において各プローブ光とポンプ光とが直交する各領域は、参照用第１部材においていずれかの参照用第２光と参照用第１光とが直交する領域と、計測対象に対して垂直な方向において重なっており、導出部は、検出部によって検出された各プローブ光に対応する磁気旋光角の変化を導出するに際して、各プローブ光の検出部における検出結果と、計測対象に対して垂直な方向において各プローブ光と領域が重なっている参照用第２光の参照用第２部材における検出結果とを考慮したノイズ除去処理を行う、一次微分軸型グラジオメータとして構成されてもよい。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が各プローブ光の検出部における検出結果と、参照用第２光の参照用第２部材における検出結果とのそれぞれに示されるため、両者の出力結果の差分を取得することによってコモンモードノイズを除去することができる。これにより、光励起磁気センサ１の計測精度を向上させることができる。

ポンプレーザ７は、プローブレーザ８によるプローブ光の出射方向と同一の方向にポンプ光を出射してもよい。このような構成によれば、一箇所又は近接した箇所にポンプ光導入口及びプローブ光導入口が配置され、光励起磁気センサ１の構成を簡素化することができる。

ポンプレーザ７は、プローブレーザ８によるプローブ光の出射方向と直交する方向にポンプ光を出射してもよい。ポンプ光とプローブ光とはセル２の内部において直交するところ、ポンプレーザ７及びプローブレーザ８の出射方向が互いに直交していることにより、ポンプ光ミラー及びプローブ光ミラーを含むミラーの構成を簡素化することができる。

１…光励起磁気センサ、２…セル、７…ポンプレーザ、８…プローブレーザ、１２…分割部。

Claims (9)

1. 計測対象に沿って配置され、アルカリ金属の蒸気が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザと、
   前記ポンプレーザから出射された前記ポンプ光を反射し、前記計測対象に沿った第１の方向に導かれる前記ポンプ光を前記セルに入射させることに係る一又は複数のポンプ光用ミラーと、
   前記アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射するプローブレーザと、
   前記プローブ光を複数に分割する分割部と、
   前記分割部によって分割された各プローブ光を反射し、前記第１の方向に直交する方向であって前記計測対象に沿った第２の方向に導かれる前記各プローブ光を前記セルに入射させることに係る一又は複数のプローブ光用ミラーと、
   前記セルの内部において前記ポンプ光と直交した前記各プローブ光を、前記セルの外部において検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づき、前記各プローブ光に対応する前記磁気旋光角の変化を導出し、前記各プローブ光に対応する前記磁気旋光角の変化から、前記各プローブ光と前記ポンプ光とが直交する領域に対応する計測箇所に係る磁場を導出する導出部と、を備える、
   光励起磁気センサ。
2. 前記プローブレーザは、高さが幅よりも小さいプローブ光を出射する、請求項１記載の光励起磁気センサ。
3. 前記アルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、
   前記ポンプレーザは、前記ルビジウムの原子を励起して、前記ルビジウムの原子のスピン偏極を前記カリウムの原子に移すためのポンプ光を出射し、
   前記プローブレーザは、前記カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射する、
   請求項１又は２記載の光励起磁気センサ。
4. 前記ポンプ光と前記各プローブ光とが、前記セルの内部における、磁場が入射する面の付近において直交する、請求項１〜３のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
5. 前記ポンプ光用ミラーのうちの少なくとも１つ、及び前記プローブ光用ミラーのうちの少なくとも１つは、接着剤によって前記セルに接着されている、請求項１〜４のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
6. 前記分割部は、前記セルを挟んで前記計測対象の反対側に配置され、
   前記プローブレーザは、前記第１の方向の逆の方向に導かれる前記プローブ光が前記分割部に入射するように前記プローブ光を出射し、
   前記分割部は、前記第１の方向に直交する方向であって前記計測対象に沿った方向に、分割した前記各プローブ光を出力し、
   ２つの前記プローブ光用ミラーのうち一方は、前記分割部により分割された前記各プローブ光を前記計測対象に向かう方向に反射し、他方は、前記一方によって反射された前記各プローブ光を前記第２の方向にさらに反射し、前記各プローブ光を前記セルに入射させる、
   請求項１〜５のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
7. 前記アルカリ金属の蒸気が封入されると共に前記セルを挟んで前記計測対象の反対側に配置されており、前記アルカリ金属の原子を励起する、前記第１の方向に導かれる参照用第１光が入射し、前記アルカリ金属の原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するための、前記第２の方向に導かれる複数の参照用第２光が入射する参照用第１部材と、
   前記参照用第１部材の内部において前記参照用第１光と直交した前記複数の参照用第２光を、前記参照用第１部材の外部において検出する参照用第２部材と、を更に備え、
   前記セルにおいて前記各プローブ光と前記ポンプ光とが直交する各領域は、前記参照用第１部材においていずれかの前記参照用第２光と前記参照用第１光とが直交する領域と、前記計測対象に対して垂直な方向において重なっており、
   前記導出部は、前記検出部によって検出された前記各プローブ光に対応する前記磁気旋光角の変化を導出するに際して、前記各プローブ光の前記検出部における検出結果と、前記計測対象に対して垂直な方向において前記各プローブ光と領域が重なっている前記参照用第２光の前記参照用第２部材における検出結果とを考慮したノイズ除去処理を行う、
   一次微分軸型グラジオメータとして構成された、請求項１〜６のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
8. 前記ポンプレーザは、前記プローブレーザによる前記プローブ光の出射方向と同一の方向に前記ポンプ光を出射する、請求項１〜７のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
9. 前記ポンプレーザは、前記プローブレーザによる前記プローブ光の出射方向と直交する方向に前記ポンプ光を出射する、請求項１〜７のいずれか一項記載の光励起磁気センサ。
   
   
   
   

Images