JP5365367B2 - 磁気センサー - Google Patents

Description

本発明は、光ポンピング法を用いて心磁や脳磁に代表される生体等から発生する微小な磁場を測定する磁気センサー等に関するものである。

微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計を用いた磁気センサーが考案されている。これは、気体原子を光ポンピングした後、磁場と相互作用させて原子の磁化状態を検出することにより、磁場を測定する方法である。この方式によれば、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device；超伝導量子干渉計）等で必要となる大掛かりな冷却機構が必要なくなり、構成の簡素化とコストダウンを図ることが可能となる（例えば、非特許文献１，２を参照）。

図７に最も構成がシンプルな光ポンピング原子磁力計を示す。図７において、ＩＴＯ等の透明なヒーター１０１，１０２の間にガスセル１０３が配置されており、これらをレーザー光１０５が透過する。ガスセル１０３内には、セシウム、ルビジウム、カリウムに代表されるアルカリ金属原子のガス（蒸気）と、ヘリウム、アルゴン、窒素に代表されるバッファーガスとが適当な量で封入されている。レーザー光１０５の伝搬する方向と直交する磁場Ｂ_０が測定対象となる磁場である。レーザー光１０５の透過光量はフォトディテクター１０４で検出する。

Ｂ_０＝０のときのアルカリ金属原子は、円偏光のレーザー光１０５を吸収して光ポンピングし、レーザー光１０５の伝搬方向に平行な磁気モーメントを持つ原子の数Ｎ_＋（ポピュレーション）が、反平行な磁気モーメントを持つ原子の数Ｎ₋よりも多くなる、いわゆるスピン偏極の状態となる。光ポンピングの繰り返しによりＮ_＋が飽和すると、原子がポンピング光１０５を吸収し難くなり、透過率が大きくなる。一方、磁場Ｂ_０が有限の値を持つ場合には、原子の磁気モーメントは磁場Ｂ_０を軸とするラーモア歳差運動を生じるため、実質的にＮ_＋とＮ₋との差が小さくなる。その結果、原子は光１０５を吸収し易くなり、透過率が低下する。

薮崎 努、「レーザー光による原子物理」、岩波書店（２００７）、ｐ．２９−５７ M. Kitano, T. Yabuzaki, and T. Ogawa, "Symmetry-recovering crises of chaos in polarization-related optical bistability", Phys. Rev. A 29, 1288-1296 (1984)

しかしながら、心磁や脳磁のように生体から発生する磁場は１００ｐＴレベル以下とかなり微弱であり、レーザー光１０５の出力光量ノイズやフォトディテクター１０４以降の電気的ノイズ等が存在する中では、生体からの磁気信号のみを分離して検出することは非常に難しい。

本発明の一態様は、微小な磁場を高感度で検出することが可能な磁気センサーを提供するものである。

本発明の一態様における磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、最外郭電子が1つである原子又はイオンを囲み、前記磁場の中に配置されたセルと、前記セルに対してパルス状の第１の直線偏光を入射させる光源と、前記セルを透過した前記第１の直線偏光である第２の直線偏光の一部を楕円偏光又は円偏光に変換して前記セルに入射させる円偏光入射手段と、前記第１の直線偏光の偏光面である第１の偏光面と前記第２の直線偏光の偏光面である第２の偏光面との回転角を検出する偏光計と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、まず、セルに楕円偏光又は円偏光を入射しない状態では、セル内の前記原子又は前記イオンは磁場によって僅かに磁化（スピン偏極）し、微小な初期磁化を有する状態となる。この状態でセルに第１の直線偏光を入射すると、第１の直線偏光は初期磁化によるファラデー効果によって偏光面が僅かに回転する。この偏光面の回転角（ファラデー回転角）は極めて小さいものであるが、円偏光入射手段によってセルに楕円偏光又は円偏光を入射すると、前記原子又は前記イオンは楕円偏光又は円偏光を吸収し、スピン偏極（磁化）が生じ、ファラデー回転角が増大される。

ここで、楕円偏光又は円偏光をセル内に入射し続けると、前記原子又は前記イオンの磁化は指数関数的に増加し、やがて飽和レベルに収束していく。磁化の増加速度は初期磁化により異なるため、その増加速度を測定することで、初期磁化の大きさ、すなわち、磁場の大きさを測定することができる。

この際、楕円偏光又は円偏光の光強度を一定としてセル内に入射し続けると、前記原子又は前記イオンの磁化が急激に飽和レベルに達してしまうので、本発明の磁気センサーでは、パルス状に射出される第１の直線偏光の一部を楕円偏光又は円偏光に変換し、これをセルに入射している。この構成によれば、前記原子又は前記イオンの磁化は、間欠的に入射する楕円偏光又は円偏光によって徐々に増幅されるようになるため、磁化の時間変化（動特性）を正確に測定することができる。そのため、この磁化の時間変化を所定の理論式に当てはめて解析することで、初期磁化の大きさ、すなわち磁場の大きさを電気回路で増幅することなく正確に得ることが可能となる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記円偏光入射手段は、光強度が周期的に変化する楕円偏光又は円偏光を前記セルに入射するものとされ、前記円偏光入射手段から前記セルに入射する楕円偏光又は円偏光の最大の光強度をＩ_ｍａｘ、前記円偏光入射手段から前記セルに入射する楕円偏光又は円偏光の最小の光強度をＩ_ｍｉｎ、前記磁場がゼロのときに前記セル内の前記原子又は前記イオンにスピン偏極を生じさせることが可能な最小の楕円偏光又は円偏光の光強度をＩ_ｃとしたときに、前記Ｉ_ｃ，Ｉ_ｍａｘ，Ｉ_ｍｉｎが、Ｉ_ｍａｘ＞Ｉ_ｃ＞Ｉ_ｍｉｎなる関係を満たすことが望ましい。

この構成によれば、セルに入射する楕円偏光又は円偏光の光強度Ｉ_０をＩ_ｃよりも大きくすると、前記原子又は前記イオンの磁化を指数関数的に増大させることができ、セルに入射する楕円偏光又は円偏光の光強度Ｉ_０をＩ_ｃよりも小さくすると、前記原子又は前記イオンの磁化を初期磁化に戻すことができる。そして、この前記原子又は前記イオンの磁化を指数関数的に増大させる時間と初期磁化に戻す時間とを調節することにより、磁化の動特性（時間変化）がより良く制御され、これにより、正確な初期磁化の測定が可能となる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記偏光計の出力を前記第２の直線偏光のパルスの周期に合わせてサンプルホールドし、該サンプルホールドされた出力の時間変化に基づいて前記磁場の大きさを演算する演算装置を有することが望ましい。

この構成によれば、演算による誤差を小さくすることができ、これにより正確な磁場の測定が可能となる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記円偏光入射手段は、前記セルを透過した前記第２の直線偏光の光軸上に配置され、前記第２の直線偏光に１／８波長の位相差を生じさせる１／８波長板と、前記１／８波長板を透過した前記第２の直線偏光である光を反射し、前記１／８波長板及び前記セルに入射させる第1反射板と、を有することが望ましい。

この構成によれば、簡単な構成で容易にパルス状の楕円偏光又は円偏光をセルに入射することができる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記第1反射板は、前記１／８波長板を透過した前記光の一部を透過して前記偏光計に入射させることが望ましい。

この構成によれば、簡単な構成で容易に第１の直線偏光と第２の直線偏光の偏光面の回転角を測定することができる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記円偏光入射手段は、前記第１反射板で反射され前記１／８波長板及び前記セルを透過した光の光軸上に配置された第２反射板を有し、前記第１反射板と前記第２反射板とにより、前記光を共振させる光共振器が構成されていることが望ましい。

この構成によれば、磁化の増幅過程を高速にすることができる。そのため、磁化の時間変化をより詳細に測定することができ、これにより正確な磁場の測定が可能となる。

本発明の磁気センサーにおいては、前記第２反射板は、前記光源から前記セルに入射する前記第１の直線偏光の光路上に配置され、前記第１の直線偏光の一部を透過して前記セルに入射させると共に、前記第１反射板で反射され前記１／８波長板及び前記セルを透過した光の一部を反射し前記セルに入射させることが望ましい。

この構成によれば、簡単な構成で容易に光共振器構造を実現することができる。

第１実施形態の磁気センサーの概略構成図である。 スピン偏極の光強度依存性を示す図である。 光強度と磁化の時間変化を示す図である。 光強度を一定とした場合の磁化の時間変化を示す図である。 パルス状の円偏光を入射したときの磁化の時間変化を示す図である。 第２実施形態の磁気センサーの概略構成図である。 従来の磁気センサーの一例を示す概略構成図である。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第1実施形態の磁気センサー１０の概略構成図である。磁気センサー１０は、光ポンピング法を用いた磁気センサーであり、光源１、セル２、１／８波長板３、第１反射板４、偏光計５、演算装置６を有するものである。なお、以下の説明では、外部磁場Ｂの方向をＺ軸とし、Ｚ軸と直交する平面内の２方向をＸ軸及びＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。

光源１は、第１の直線偏光Ｅ_Ｉを射出するレーザー光源である。光源１はセル２に対して外部磁場Ｂと平行な方向にパルス状の光Ｅ_Ｉを入射する。光源１から射出される光Ｅ_Ｉは、実質的に直線偏光のみから構成されていることが望ましいが、当該直線偏光成分を有していれば、他の偏光成分を含むことを除外するものではない。

セル２の内部には、セシウム、ルビジウム、カリウム等のアルカリ金属原子のガス（蒸気）が封入されている。本実施形態では、最外郭電子が１つである原子（アルカリ金属原子）をセル２で囲んでいるが、最外郭電子が１つであるイオンをセル２に封入しても同様の効果が得られる。セル２の内部にはアルカリ金属原子の他にヘリウム、アルゴン、窒素等のバッファーガスを封入しても良い。バッファーガスは、アルカリ金属原子同士が衝突したり、アルカリ金属原子がセル２の内壁に衝突することを防止するものである。セル２は、光源１から射出された光Ｅ_Ｉを透過しうる材料から構成されていれば良く、ガラスやプラスチック等の透光性材料が使用可能である。

１／８波長板３及び第１反射板４は、セル２を透過した第１の直線偏光Ｅ_Ｉである第２の直線偏光Ｅ_Ｔの一部を楕円偏光又は円偏光Ｅ_Ｒに変換してセル２に入射する円偏光入射手段を構成する。１／８波長板３は複屈折を示す結晶でできており、その２つの光学主軸をＸ軸とＹ軸とすると、Ｘ方向とＹ方向に振動する波の間に４５°（１／８波長）の位相差を生じさせるものとなっている。

セル２を透過した第２の直線偏光Ｅ_Ｔは１／８波長板３を透過して第１反射板４に入射し、一部が第１反射板４を透過して偏光計５に入射する。そして、残りの一部が第１反射板４で反射されて１／８波長板３に再度入射する。セル２を透過した第２の直線偏光Ｅ_Ｔは入射光強度が一定の周期で増減するパルス状の直線偏光であるため、１／８波長板３からセル２に再入射する光Ｅ_Ｒ（すなわち円偏光入射手段からセル２に射出される光Ｅ_Ｒ）も入射光強度が一定の周期で増減するパルス状の光となる。

光Ｅ_Ｒは１／８波長板３を２回通過するので、前述の直交した偏光の２つの波の位相差は９０°（１／４波長）となる。１／８波長板３に入射する光Ｅ_Ｔの偏光がＸ軸に沿う方向であれば偏光の変化は少ないが、少しでも傾いていれば、セル２に帰還される光Ｅ_Ｒは楕円偏光となる。

楕円偏光は振幅の違う左右円偏光の和で表すことができ、角運動量を持っている。したがって、この楕円偏光をセル２内の原子が吸収すると、光ポンピングが生じ、原子のスピン偏極が作られる。１／８波長板３及び第１反射板４は、厳密には、セル２を透過した光Ｅ_Ｔの一部を楕円偏光又は円偏光に変換してセル２に入射するものであるが、楕円偏光も円偏光と同様に光ポンピングを行う機能を有するため、本明細書では両者を区別しないで円偏光と表示する場合がある。

上記構成の磁気センサー１０においては、セル２にレーザー照射を行わない状態では、セル２の内部に封入されているアルカリ金属原子は外部磁場Ｂにより僅かに磁化（スピン偏極）する。この磁化の初期値（初期磁化）をＭ_ｉとする。

ここで光源１からＸ方向に振動する直線偏光のビームＥ_Ｉを出力し、セル２を透過させる。セル２に入射する光Ｅ_Ｉの強度をＩ_０とする。セル２を透過した光Ｅ_Ｔは初期磁化Ｍ_ｉによるファラデー効果により偏光面が僅かに回転し、Ｙ方向成分を生じる。その後、１／８波長板３を透過し、第１反射板４で反射した後、再び１／８波長板３を透過する。この過程で、Ｘ方向成分とＹ方向成分とでπ／２（１／４波長）の位相差が生じ、楕円偏光Ｅ_Ｒとなり、再びセル２に入射する。

楕円偏光は振幅の異なる左右円偏光の和で表すことができるため、セル２内のアルカリ金属原子が楕円偏光Ｅ_Ｒを吸収すると、スピン偏極が助長され、ファラデー回転角が大きくなる。いわゆるスピン偏極（ファラデー回転角）の正帰還が生じる。ただし、初期磁化Ｍ_ｉは最終的には飽和磁化Ｍ_０に収束する。偏光計５でセル２を透過する前後の光Ｅ_Ｉ，Ｅ_Ｔの偏光面の回転角を測定すると、スピン偏極を検出することができる。演算装置６は、偏光計５で検出された偏光面の回転角に基づいて外部磁場Ｂの大きさを検出する。

入射光強度Ｉ_０とスピン偏極との関係を図２に示す。外部磁場Ｂ＝０において、入射光強度Ｉ_０が小さいときには、セル２内のアルカリ金属原子は個々のスピンがランダムな方向を向いており、全体としてスピン偏極はできていない。しかし、入射光強度Ｉ_０を増加させていくと、ある所定の臨界値Ｉ_ｃに達したときに対称性の破れが生じ、スピン偏極が生じる。

光Ｅ_Ｔの偏光方向が１／８波長板３のＸ軸と完全に一致しており、右手系と左手系が全く対称である場合には、どちらの極性のスピン偏極が生じるかは偶然が支配するところとなるが、外部磁場Ｂが存在し、初期磁化Ｍ_ｉが有限の値を持つ場合には、初期磁化Ｍ_ｉの極性が最終的なスピン偏極の極性を決めることになる。

ここで、入射光強度Ｉ_０が臨界値Ｉ_ｃよりも大きい場合のスピン偏極の動特性を考える。スピン偏極の指標として磁化Ｍ（ｔ）を導入する。磁化Ｍ（ｔ）の導出方法については、非特許文献２を参照されたい。

先程と同じように、入射光強度Ｉ_０がゼロのときの磁化（初期磁化）をＭ_ｉ、飽和磁化をＭ_０とし、Ｍ（ｔ）＜＜Ｍ_０とすると、光Ｅ_Ｒの入射を開始してｔ秒後の磁化Ｍ（ｔ）は次の式で与えられる。

αは、入射光強度Ｉ_０、磁化の緩和時間、第１反射板４の反射率、セル２の長さＷ等で決まる定数である。式（１）によれば、磁化Ｍ（ｔ）は時間ｔと共に指数関数的に増大する。そのため、図１の光学系には初期磁化Ｍ_ｉを増幅する効果があることが解る。

そこで、この磁化増幅効果を用いて微小な磁場を増幅することを考える。入射光強度Ｉ_０を一定値としてセル２に光Ｅ_Ｒを入射し続けると、スピン偏極は急速にどちらかの極性に偏ってしまうため、入射光強度Ｉ_０を変調し、１周期毎に臨界値Ｉ_ｃ未満の状態、すなわち初期磁化Ｍ_ｉに戻すことを考える。このときの入射光強度Ｉ_０（ｔ）と磁化Ｍ（ｔ）の挙動を図３に示す。

図３（ａ）において、光Ｅ_Ｒは、入射光強度Ｉ_０が一定の周期ｔ_ｐで時間軸に対して増減を繰り返すパルス状の光としてセル２に入射される。入射光強度Ｉ_０の最大値Ｉ_ｍａｘは臨界値Ｉ_ｃよりも大きく、入射光強度Ｉ_０の最小値Ｉ_ｍｉｎは、臨界値Ｉ_ｃよりも小さい。

図３（ｂ）に示すように、入射光強度Ｉ_０を臨界値Ｉ_ｃよりも大きくすると、磁化の正帰還が始まり、磁化が指数関数的に増大する。所定の時間経過後、入射光強度Ｉ_０を臨界値Ｉ_ｃよりも小さくすると（この時間位置をＴ_ｉ（ｉ＝ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２，ｎ＋３…）で示す）、正帰還が止まり、緩和過程を経て初期磁化の状態に戻る。時間Ｔ_ｉの位置で偏光計５の出力をサンプルホールドすると、増幅された磁場信号を取り出すことができる。演算装置６は、このサンプルホールドされた出力の時間変化に基づいて外部磁場Ｂの大きさを演算する。

なお、図３（ｂ）は、非特許文献２に記載された以下の理論式（２）に基づいて行ったシミュレーション結果を示す図である。

図３では、式（２）に基づいてｚ方向磁化ｍ_ｚ（ｔ）に対する微分方程式を数値計算により解くことにより、磁化の時間的変化を得ている。初期磁化ｍ_ｚ（０）は１．０Ｅ−５、２．０Ｅ−５、及び４．０Ｅ−５の３水準とし、計算に用いる定数は表１の値とした。

例えば、入射光強度０．０１４Ｗを連続的に照射した場合の結果を図４に示す。初期的には磁化は指数関数的に増加し、初期値により増加速度が異なる。ただし、時間が経つにつれて飽和レベルに収束していく。

次に、照射時間０．１４ｓｅｃ経過した後、急激に停止した場合（例えば、入射光強度をゼロとした場合）の結果を図５に示す。光の照射が無くなった瞬間に磁化の増幅は停止し、緩和過程に入る。この過程では、磁化はほぼ指数関数的に減衰する。曲線のピークレベルはほぼ初期磁化ｍ_ｚ（０）に比例する。ただし、ｍ_ｚ（０）＝４．０Ｅ−５の場合は、飽和レベルに近づくため、その影響を受けて比例関係に誤差を持つ。

図３に示すようにパルス状の光を周期的に照射することにより、測定磁場の時間変化を計測することが可能となる。増幅された磁化のピークは初期磁化を反映したレベルとなり、これを検出することにより、微小な磁場を感度良く計測することができる。

［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２実施形態の磁気センサー２０を示す概略構成図である。本実施形態の磁気センサー２０において第１実施形態の磁気センサー１０と異なる点は、光源１とセル２との間に第２反射板７を配置し、セル２内に複数回円偏光を透過させるようにした点である。そのため、本実施形態の磁気センサー２０において第１実施形態の磁気センサー１０と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

第２反射板７は、第１反射板４で反射され１／８波長板３及びセル２を透過した光Ｅ_Ｒの光軸上に配置されている。第１反射板４と第２反射板７との間隔は、第１反射板４と第２反射板７によって光共振器が構成されるように、その光学的距離（ｌ，Ｌ等）が設定されている。

図６では、第２反射板７は光源１からセル２に入射する光Ｅ_Ｉの光軸上に配置されているため、第２反射板７は光Ｅ_Ｉの一部を透過してセル２に入射させると共に、第１反射板４で反射され１／８波長板３及びセル２を透過した光Ｅ_Ｒの一部を反射してセル２に入射させるように構成されている。

磁気センサー２０における磁化の増幅過程は図２〜図５で説明したものと同様であるが、磁気センサー２０では、第１反射板４と第２反射板７との間を往復する光によって磁化の増幅が高速に行われるため、図３で示したパルスの周期ｔ_ｐを短くすることができる。そのため、磁化の時間変化を測定する場合の時間分解能が高くなり、より精度の高い磁場の測定が可能となる。

１…光源、２…セル、３…１／８波長板、４…第1反射板、５…偏光計、６…演算装置、７…第２反射板、１０，２０…磁気センサー、Ｂ…外部磁場、Ｅ_Ｉ…第１の直線偏光、Ｅ_T…第２の直線偏光、Ｅ_R…楕円偏光又は円偏光、Ｉ_ｍａｘ…楕円偏光又は円偏光の入射光強度の最大値、Ｉ_ｍｉｎ…楕円偏光又は円偏光の入射光強度の最小値、Ｉ_ｃ…スピン偏極が生じ始める楕円偏光又は円偏光の入射光強度の臨界値

Claims (6)

1. 光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、
   最外郭電子が１つである原子又はイオンを囲み、前記磁場の中に配置されたセルと、
   前記セルに対してパルス状の第１の直線偏光を入射させる光源と、
   前記セルを透過した前記第１の直線偏光である第２の直線偏光の一部を楕円偏光又は円偏光に変換して前記セルに入射させる円偏光入射手段と、
   前記第１の直線偏光の偏光面である第１の偏光面と前記第２の直線偏光の偏光面である第２の偏光面との回転角を検出する偏光計と、を有し、
   前記円偏光入射手段は、光強度が周期的に変化する楕円偏光又は円偏光を前記セルに入射するものとされ、前記円偏光入射手段から前記セルに入射する楕円偏光又は円偏光の最大の光強度をＩ _ｍａｘ 、前記円偏光入射手段から前記セルに入射する楕円偏光又は円偏光の最小の光強度をＩ _ｍｉｎ 、前記磁場がゼロのときに前記セル内の前記原子又は前記イオンにスピン偏極を生じさせることが可能な最小の楕円偏光又は円偏光の光強度をＩ _ｃ としたときに、前記Ｉ _ｃ ，Ｉ _ｍａｘ ，Ｉ _ｍｉｎ が、Ｉ _ｍａｘ ＞Ｉ _ｃ ＞Ｉ _ｍｉｎ なる関係を満たすことを特徴とする磁気センサー。
2. 前記偏光計の出力を前記第２の直線偏光のパルスの周期に合わせてサンプルホールドし、該サンプルホールドされた出力の時間変化に基づいて前記磁場の大きさを演算する演算装置を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記円偏光入射手段は、前記セルを透過した前記第２の直線偏光の光軸上に配置され、前記第２の直線偏光に１／８波長の位相差を生じさせる１／８波長板と、前記１／８波長板を透過した前記第２の直線偏光である光を反射し、前記１／８波長板及び前記セルに入射させる第１反射板と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサー。
4. 前記第１反射板は、前記１／８波長板を透過した前記光の一部を透過して前記偏光計に入射させることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサー。
5. 前記円偏光入射手段は、前記第１反射板で反射され前記１／８波長板及び前記セルを透過した光の光軸上に配置された第２反射板を有し、前記第１反射板と前記第２反射板とにより、前記光を共振させる光共振器が構成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
6. 前記第２反射板は、前記光源から前記セルに入射する前記第１の直線偏光の光路上に配置され、前記第１の直線偏光の一部を透過して前記セルに入射させると共に、前記第１反射板で反射され前記１／８波長板及び前記セルを透過した光の一部を反射し前記セルに入射させることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサー。

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