JP5682344B2 - 磁気測定装置および生体状態測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場を測定する技術に関する。

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）。

特開２００９−２３６５９８号公報

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．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．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)）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態に係る磁気センサー１の構成を示す。 ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す。 歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す。 プローブ過程を説明する図。 第２実施形態に係る磁気センサー２の構成を示す。 往路のレーザービームにおける歳差運動過程を示す。 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。 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。 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。 第３実施形態に係る磁気センサー３の構成を示す。 ポンプ過程における角運動量の存在確率分布を示す。 歳差運動過程における角運動量の存在確率分布を示す。 レーザービームＡの偏光面の回転作用を示す図。 レーザービームＢの偏光面の回転作用を示す図。 第４実施形態に係る磁気センサー４の構成を示す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｅ_ｉ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。

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。

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、ｔ_‖Ｅ_ｉｃｏｓαおよびｔ_⊥Ｅ_ｉｓｉｎαである。ｔ_‖＞ｔ_⊥であるから、電場ベクトルＥ_ｏは、電場ベクトルＥ_ｉ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。

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。

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Ｅ_ｏの第１検出軸成分はＥ_ｏｃｏｓ（π／４−φ）であり、第２検出軸成分はＥ_ｏｓｉｎ（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。

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。

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。

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。

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。

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（φ_ａｏ＝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（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Ｅ_ａｈ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Ｅ_ａｏを基準として角φ_ａｈ回転している。

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Ｅ_ｂｈ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Ｅ_ｂｏを基準として角φ_ｂｈ回転している。

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。図８および図９から明らかなように、電場Ｅ_ａｈおよび電場Ｅ_ｂｈ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。

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。

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。

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。

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Ｅ_ａｉおよびＥ_ｂｉ）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。

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Ｅ_ａｉおよびＥ_ｂｉ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。

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Ｅ_ａｏは、入射光の電場Ｅ_ａｉを基準として角φ_ａｏ回転している。

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Ｅ_ｂｏは、入射光の電場Ｅ_ｂｉを基準として角φ_ｂｏ回転している。

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。図１３および図１４から明らかなように、電場Ｅ_ａｏおよび電場Ｅ_ｂｏ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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

1. 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、
   前記セルに光を出射する光源と、
   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、
   前記ミラーで反射された光を、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、
   前記第１偏光成分を検出する第１光検出器と、
   前記第２偏光成分を検出する第２光検出器と
   を有し、
   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
   ことを特徴とする磁気測定装置。
2. 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１に記載の磁気測定装置。
3. 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又は２に記載の磁気測定装置。
   に記載の磁気測定装置。
4. 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、
   前記セルに光を出射する光源と、
   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、
   前記第１偏光成分を検出する第１光検出器と、
   前記第２偏光成分を検出する第２光検出器と
   を有し、
   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
   ことを特徴とする磁気測定装置。
5. 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。
6. 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、
   前記セルに光を出射する光源と、
   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、
   前記ミラーで反射された光を、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、
   前記第１偏光成分を検出する第１光検出器と、
   前記第２偏光成分を検出する第２光検出器と
   を有し、
   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
   ことを特徴とする磁気測定装置。
7. 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５のいずれか一項に記載の磁気測定装置。
8. 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。

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