JP5849640B2 - 磁場測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を利用した磁場測定装置に関する。

光を利用した磁場測定装置は、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発生する微小な磁場を測定するもので、医療画像診断装置などへの応用が期待されている。磁場の測定には、アルカリ金属原子などのガスを封入した素子を用いる。この素子にポンプ光を照射することで素子内の原子のエネルギーが磁場に応じて励起され、この素子を透過したプローブ光の偏光面は磁気光学効果により回転する。磁場測定装置は、この偏光面の回転角度を磁場情報として測定する。
これらの磁場測定装置の感度を向上させる研究が行われている。特許文献１には、検出信号強度を増大させることによって、より高感度な磁場検出を可能にする光ポンピング磁力計が開示されている。

特開２００９−２３６５９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された磁力計では、測定すべき磁場方向以外の方向に外乱となる磁場（以下、外乱磁場ともいう）が存在すると、感度が低下するという問題がある。また、外乱磁場の方向は予測できないことがあり、磁場の測定中に変動することもある。

本発明は、測定すべき磁場方向以外の方向に存在する外乱磁場の影響を抑制するように、その外乱磁場に応じて磁場を測定することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る磁場測定装置は、内部に気体原子が封入されたガスセルと、直線偏光を含む照射光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して、決められた測定方向に沿って照射する照射部と、前記測定方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を検知する検知部と、前記検知部が検知した方向と前記直線偏光の電場の振動方向とが合うように、前記照射光を調節する調節部と、前記照射部により照射され、前記気体原子を透過した照射光の偏光面の回転角度を計測する計測部とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、測定すべき磁場方向以外の方向に存在する外乱磁場の影響を抑制するように、その外乱磁場に応じて磁場を測定することができる。

好ましくは、前記照射部は、前記照射光を光ファイバーによってガスセルに導くとよい。
この構成によれば、光ファイバーによって照射光をガスセルに導かない場合に比較して、照射部の大きさや配置についての制約を減らすことができる。

また、本発明に係る磁場測定装置は、内部に気体原子が封入されたガスセルと、決められた測定方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を検知する検知部と、円偏光成分を含むポンプ光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して、前記測定方向に垂直な方向に沿って照射するポンプ光照射部と、直線偏光を含むプローブ光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して、前記測定方向、および前記ポンプ光が照射される方向の両方に垂直な方向に沿って照射するプローブ光照射部と、前記プローブ光照射部により照射され、前記気体原子を透過したプローブ光の偏光面の回転角度を計測する計測部と、前記検知部によって検知された方向に沿って前記ポンプ光が照射されるように、前記ポンプ光照射部、前記プローブ光照射部、および前記計測部の各位置を調整する調整部とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、測定すべき磁場方向以外の方向に存在する外乱磁場の影響を抑制するように、その外乱磁場に応じて磁場を測定することができる。

好ましくは、前記ポンプ光照射部は、前記ポンプ光を光ファイバーによってガスセルに導き、前記プローブ光照射部は、前記プローブ光を光ファイバーによってガスセルに導くとよい。
この構成によれば、光ファイバーによってポンプ光およびプローブ光をガスセルに導かない場合に比較して、ポンプ光照射部およびプローブ光照射部の大きさや配置についての制約を減らすことができる。

また、本発明に係る磁場測定装置は、内部に気体原子が封入されたガスセルと、磁場が最も強い方向を検知方向として検知する検知部と、直線偏光を含む照射光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して、前記検知部によって検知された検知方向に垂直な方向である測定方向に沿って照射する照射部と、前記照射部により照射され、前記気体原子を透過した照射光の偏光面の回転角度を計測する計測部と前記検知方向と前記直線偏光の電場の振動方向とが合うように、前記照射光を調節するとともに、前記ガスセル、前記照射部、および前記計測部の位置を調整する調整部とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、外乱磁場に応じてその影響を受け難い方向を測定すべき磁場方向と定め、その磁場を測定することができる。

また、本発明に係る磁場測定装置は、内部に気体原子が封入されたガスセルと、磁場が最も強い方向を検知方向として検知する検知部と、円偏光成分を含むポンプ光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して照射するポンプ光照射部と、直線偏光を含むプローブ光を、前記ガスセルに封入された気体原子に対して、前記ポンプ光が照射される方向に垂直な方向に沿って照射するプローブ光照射部と、前記プローブ光照射部により照射され、前記気体原子を透過したプローブ光の偏光面の回転角度を計測する計測部と、前記検知部によって検知された検知方向に沿って前記ポンプ光が照射されるように、前記ポンプ光照射部、前記プローブ光照射部、および前記計測部の各位置を調整する調整部とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、外乱磁場に応じてその影響を受け難い方向を測定すべき磁場方向と定め、その磁場を測定することができる。

第１実施形態に係る磁場測定装置の全体構成を示す図である。 磁気シールドの外観を示す図である。 ワンビーム方式の測定装置により磁場を測定する原理を説明するための図である。 第１実施形態に係る磁場測定装置の特徴を有していない測定装置による磁場の測定を説明するための図である。 第１実施形態に係る磁場測定装置による磁場の測定を説明するための図である。 第２実施形態に係る磁場測定装置の全体構成を示す図である。 外乱磁場方向に沿ってポンプ光が照射されるように、ポンプ光照射部などの位置が調整させられる様子を示した図である。 ツービーム方式の測定装置により磁場を測定する原理を説明するための図である。 第２実施形態に係る磁化ベクトルの軌跡を説明する図である。 第２実施形態に係る磁場測定装置の特徴を有していない測定装置による磁場の測定を説明するための図である。 第２実施形態に係る磁場測定装置による磁場の測定を説明するための図である。

１．第１実施形態
１−１．構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁場測定装置９の全体構成を示す図である。磁場測定装置９は、ポンプ光の照射をプローブ光の照射によって兼ねる、いわゆるワンビーム方式の測定装置である。照射部１は、光源１１と変換部１２とを備える。光源１１は、後述するガスセル２に封入された原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数のレーザーを発生させるレーザー発生装置である。変換部１２は偏光板などを備え、光源１１が発生させたレーザーを所定方向の直線偏光成分を有する照射光に変換する。光源１１により発生し変換部１２により変換された照射光は、例えば光ファイバーなどにより導かれてガスセル２に照射される。なお、上述の照射光は、光ファイバーなどを介さずに直接、照射部１などから照射されてもよいが、光ファイバーなどにより照射光を導くことにより、照射部１の大きさや配置などの制約が少なくなる。

ガスセル２は、カリウム（Ｋ）やセシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属原子が封入されたガラス製のセル（素子）である。ガスセル２は、照射部１から照射された上述の照射光を透過させる。ガスセル２を透過した上述の照射光は、光ファイバーなどにより偏光分離器３に導かれる。なお、ガスセル２の材質はガラスに限られず、照射光を透過する材質であれば、樹脂などであってもよい。また、ガスセル２を透過した上述の照射光は、光ファイバーなどを介さずに直接、照射部１などから照射されてもよい。

偏光分離器３は、ガスセル２を透過した上述の照射光を偏光方向に基づいて分離する。具体的には、偏光分離器３は、変換部１２により変換される前の照射光に含まれる上述の直線偏光成分と同じ向きの直線偏光成分を透過させ、この直線偏光成分の偏光方向に垂直な方向の偏光成分を有する光を反射させる。

受光部４は、透過光受光素子４１と反射光受光素子４２とを有する。偏光分離器３を透過した透過光は、透過光受光素子４１により受光され、偏光分離器３を反射した反射光は、反射光受光素子４２により受光される。透過光受光素子４１および反射光受光素子４２は、いずれも受光した光の量に応じた信号を発生し、信号処理回路５に供給する。信号処理回路５は、透過光受光素子４１および反射光受光素子４２にから上述の信号をそれぞれ受け取る。そして、信号処理回路５は、受け取った各信号に基づいて、照射部１により照射された照射光に含まれる直線偏光成分がガスセル２を透過して回転した回転量、すなわち、偏光面の回転角度を計測する。偏光分離器３、受光部４、および信号処理回路５は、照射部１により照射され、気体原子を透過した照射光の偏光面の回転角度を計測する計測部として機能する。磁場測定装置９は、この計測部が計測した回転角度によって、ガスセル２の内部における決められた方向の磁場を測定する。この方向を「測定方向」という。表示装置６は、液晶などを使用したディスプレイ装置であり、信号処理回路５により計測された偏光面の回転角度を表示する。

追従機構７は、外乱磁場を検知する検知部７１と、検知部７１による検知結果に応じて変換部１２を動かす調節部７２とを有する。検知部７１は、フラックスゲート方式や磁気抵抗効果方式、磁気インピーダンス方式などを利用した磁気センサーなどである。また、検知部７１は、上述した照射部１、ガスセル２、偏光分離器３、受光部４、信号処理回路５などと同様な構成を別途備えた光ポンピング式の磁気センサーなどであってもよい。検知部７１は、磁場測定装置９により測定される測定方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を、外乱磁場の方向（以下、外乱磁場方向という）として検知する。

調節部７２は、検知部７１が検知した外乱磁場方向と、変換部１２を通ってガスセル２に照射される照射光に含まれる直線偏光の電場の振動方向とが合うように、変換部１２を動かして調節する。この変換部１２は、光源１１から照射されるレーザーに対して垂直に配置された偏光板などを備えており、この偏光板はレーザーに対する向きを保ったまま、この偏光板を通過する直線偏光成分の偏光面が外乱磁場方向に沿うように調節部７２によって回転させられる。なお、図１に表された磁場測定装置９の各構成の位置は、それらの実際の配置を示すものではない。

図２は、照射部１、ガスセル２、および検知部７１の外観を示す図である。以下、図において、磁場測定装置９の各構成の配置を説明するため、各構成が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、内側が白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。また、内側が白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表している。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。同様に、ｙ、ｚ成分についても、ｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

なお、以下の説明において、或る方向が或る軸に沿っているとは、その「或る方向」がその「或る軸」と完全に平行である場合を含むが、これに限定されず、同様の効果を生じさせるのであれば、平行と見なすことができる場合も含む。平行と見なすことができる場合とは、例えば両者の成す角が±２度の範囲に入っているといった場合である。

図２に示すように、照射部１からガスセル２に向けて光を照射する方向は＋ｘ方向である。したがって、磁場測定装置９により測定されるガスセル２内の磁場の測定方向は＋ｘ方向である。そして、検知部７１は、測定方向である＋ｘ方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を外乱磁場方向として検知する。したがって、外乱磁場方向は、ｙｚ平面に沿った方向であって、ｘ軸方向の成分を有さない。

この磁場測定装置９は、検知部７１により検知された外乱磁場方向と、照射部１により照射される照射光に含まれる直線偏光の電場の振動方向とが合うように、変換部１２が調節される点に特徴を有する。

１−２．動作
図３は、いわゆるワンビーム方式の測定装置により磁場を測定する原理を説明するための図である。ワンビーム方式の測定装置において、ガスセルに封入された気体原子に直線偏光が照射されると、気体原子が光ポンピングされ、エネルギーが変化した際に生じる磁気モーメントの確率分布は、球形の原点対称な分布から変化する。例えば、超微細構造準位Ｆ→Ｆ´＝Ｆ−１のエネルギー遷移のときにおいて、気体原子の磁気モーメントの確率分布はその直線偏光の振動の向きに沿って伸びる領域Ｒ₁に応じた形状となる。この確率分布をアライメントという。すなわち、図３（ａ）に示すように、例えば電場の振動方向が＋ｙ方向に平行な矢印Ｄ₀方向に沿っている直線偏光を、＋ｘ方向に向けて照射すると、この直線偏光が透過する気体原子には、ｙ軸方向に沿った領域Ｒ₁に分布するアライメントが生じる。気体原子を透過すると、線形二色性により直線偏光の偏光面は回転する。図３（ｂ）には、−ｘ方向に直線偏光の電場の振動方向を見たときの偏光面の回転角度αが示されている。この回転角度αが、＋ｘ方向の磁場の強さと相関があるため、この回転角度αを計測することにより、ガスセル２の内部におけるｘ軸方向の磁場の強さが測定される。つまり、ワンビーム方式において、測定方向を示す矢印Ｄ_M方向は、光を照射する方向（図３では＋ｘ方向）となる。

ここで、本発明に係る磁場測定装置９の上述した特徴を説明するために、この特徴を有していない測定装置の動作を説明する。図４は、磁場測定装置９の特徴を有していない測定装置による磁場の測定を説明するための図である。この測定装置は、磁場測定装置９と共通の構成を備えているが、変換部１２が調節されないため、照射光に含まれる直線偏光の電場の振動方向と、外乱磁場方向とが合わない。例えば、この測定装置において外乱磁場方向である矢印Ｄ_E方向は図４に示す＋ｙ方向である。また、測定方向である矢印Ｄ_M方向が＋ｘ方向であるため、直線偏光成分を有する照射光は＋ｘ方向に向けて照射される。照射される直線偏光は、その電場の振動方向が、外乱磁場方向（＋ｙ方向）に合わないようになっている。具体的には、上記の振動方向は、図４に示す矢印Ｄ₀方向であり、これはｚ軸方向に平行である。したがって、ガスセル中の気体原子には、図４（ａ）に破線で示した領域Ｒａにアライメントが発生する。このアライメントは、ｚ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、ｚ軸方向に沿って伸びている。

ガスセル中の気体原子に発生した上述のアライメントは、外乱磁場方向に沿った外乱磁場を受けると、その外乱磁場方向に伸びる軸を中心に回転する。すなわち、アライメントは回転し、図４（ａ）に実線で示す領域Ｒｂに応じた姿勢となる。図４（ｂ）には、＋ｙ方向に向かって見たアライメントが示されている。このように、本来、領域Ｒａに発生していたアライメントは、＋ｙ方向の外乱磁場に影響され、矢印Ｄ₄方向に回転し、領域Ｒｂに応じた姿勢となる。

図４（ｃ）には、気体原子を透過した照射光を受光する側、すなわち、＋ｘ方向の側から、気体原子の存在する側、すなわち、−ｘ方向の側を見たときのアライメントが示されている。−ｘ方向に向かって見て、外乱磁場による回転後のアライメントの形状を示す領域Ｒｂは、回転前のアライメントの形状を示す領域Ｒａに比べて長さが短くなっている。すなわち、領域Ｒａのｚ軸方向の長さは、Ｌ₀であるのに対し、領域Ｒｂのｚ軸方向の長さは、Ｌ₀よりも短いＬ₁である。したがって、この測定装置において、気体原子を透過した照射光を受光する側から見たアライメントは、外乱磁場に影響されて小さくなる。その結果、この測定装置の感度は、外乱磁場の影響によって低下する。

一方、図５は、本発明に係る磁場測定装置９による磁場の測定を説明するための図である。磁場測定装置９は、照射光に含まれる直線偏光の電場の振動方向と、外乱磁場方向とが合うように調節部７２によって変換部１２が調節される。測定方向である矢印Ｄ_M方向が＋ｘ方向であるため、直線偏光成分を含む照射光は＋ｘ方向に向けて照射される。照射される直線偏光は、その電場の振動方向が図５に示す矢印Ｄ₀方向である。この矢印Ｄ₀方向は、外乱磁場方向である矢印Ｄ_E方向（＋ｙ方向）に合うようになっている。したがって、ガスセル中の気体原子には、図５（ａ）に示した領域Ｒ₁にアライメントが発生する。このアライメントは、ｙ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、ｙ軸方向に沿って伸びている。なお、このアライメントはｘ軸を中心にラーマ回転しており、そのため、回転対称はｙ軸からずれている。しかし、その変位は外乱磁場の大きさに比較して僅かであるため、このアライメントは、ｙ軸を中心としてほぼ回転対称の形状と見なせる。

ガスセル２内の気体原子に発生した上述のアライメントは、外乱磁場方向に沿った外乱磁場を受けると、その外乱磁場方向に伸びる軸を中心に回転する。すなわち、アライメントは図５（ａ）に示す矢印Ｄ₅方向に回転する。図５（ｂ）には、＋ｙ方向に向かって見たアライメントが示されている。上述したとおり、領域Ｒ₁に発生したアライメントは、ｙ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、ｙ軸方向に沿って伸びているので、ｙ軸を中心とする弧の軌跡に沿った矢印Ｄ₅方向に回転しても、その形状はほとんど変化しない。したがって、図５（ｃ）に示すように、−ｘ方向に向かって見て、アライメントの形状の長さは、外乱磁場によって回転する前後でほとんど変わらない。すなわち、回転前のアライメントの長さＬ₀は、回転後のアライメントの長さＬ₁とほぼ同じである。したがって、この磁場測定装置９の感度は、外乱磁場に影響され難い。

なお、上述した第１実施形態において、外乱磁場方向は、測定方向の成分を有さないとしたが、外乱磁場方向が測定方向の成分を有していてもよい。この場合、例えば、この外乱磁場方向が測定方向の成分を有さないように、測定方向そのものを変えてもよい。この場合、磁場測定装置９の照射部１および計測部などを動かすとともに、磁場測定装置９によって測定される物体（例えば、測定対象である人体など）を動かせばよい。

２．第２実施形態
２−１．構成
図６は、本発明の第２実施形態に係る磁場測定装置９Ａの全体構成を示す図である。磁場測定装置９Ａは、ポンプ光の照射装置とプローブ光の照射装置とを分離した、いわゆるツービーム方式の測定装置である。磁場測定装置９Ａは、照射部１に代えてプローブ光照射部１Ａを具備している点と、追従機構７Ａを具備している点と、ポンプ光照射部８を具備している点が、第１実施形態の磁場測定装置９と異なり、他の構成は共通している。なお、図６に表された磁場測定装置９Ａの各構成の位置は、それらの実際の配置を示すものではない。
以下、磁場測定装置９Ａについて、主に磁場測定装置９と異なる点を説明する。

プローブ光照射部１Ａは、光源１１Ａおよび変換部１２Ａを備える。光源１１Ａは光源１１であってもよく、変換部１２Ａは変換部１２であってもよいが、プローブ光照射部１Ａによって照射されるプローブ光の波長は、不必要なポンピングを避けるためにガスセル２に封入された気体原子の共鳴周波数から離れていることが望ましい。また、プローブ光に含まれる成分は、全成分に占める直線偏光の割合が高いほど望ましい。ただし、プローブ光は、直線偏光成分を有していれば、他の偏光成分を含有していてもよい。光源１１Ａにより発生し変換部１２Ａにより変換されたプローブ光は、例えば光ファイバーなどにより導かれてガスセル２に照射される。なお、プローブ光は、光ファイバーなどを介さずに直接、ガスセル２に照射されてもよい。

ポンプ光照射部８は、光源８１および変換部８２を備える。光源８１は、ガスセル２に封入された原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数のレーザーを発生させるレーザー発生装置である。すなわち、光源８１は、ガスセル２に封入された気体原子を励起できる波長に同調するレーザーを発生する。変換部８２は、円偏光フィルターなどを備え、光源８１が発生させたレーザーを、円偏光成分を有するポンプ光に変換する。光源８１により発生し変換部８２により変換されたポンプ光は、例えば光ファイバーなどにより導かれてガスセル２に照射される。ポンプ光は、プローブ光とガスセル２の内部で交差するように照射される。なお、ポンプ光は、光ファイバーなどを介さずに直接、ガスセル２に照射されてもよい。

追従機構７Ａは、外乱磁場を検知する検知部７１Ａと、検知部７１Ａによる検知結果に応じて、プローブ光照射部１Ａから照射されるプローブ光の照射方向、ポンプ光照射部８から照射されるポンプ光の照射方向、偏光分離器３および受光部４の受光の方向が決定されるように、プローブ光照射部１Ａ、ポンプ光照射部８、偏光分離器３および受光部４の位置を調整する調整部７２Ａとを有する。

検知部７１Ａは、磁場測定装置９Ａにより測定される測定方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を、外乱磁場方向として検知する。この検知部７１Ａは、検知部７１と共通する構成であってもよい。

調整部７２Ａは、検知部７１Ａが検知した外乱磁場方向に沿ってポンプ光が照射されるように、プローブ光照射部１Ａ、ポンプ光照射部８、偏光分離器３および受光部４のそれぞれの位置を調整する。図７は、この調整の様子を示した図である。図７においてプローブ光照射部１Ａによるプローブ光の照射方向は＋ｘ方向であり、ポンプ光照射部８によるポンプ光の照射方向は＋ｙ方向である。

ここで、親指、人差し指、中指をそれぞれ直角に曲げた右手により表される右手系において、ポンプ光の照射方向を親指の向きに、プローブ光の照射方向を人差し指の方向にそれぞれ合わせると、ツービーム方式の測定装置では、中指の方向の磁場が測定される。つまりここで測定方向は、図７に示したように矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）であり、ポンプ光は上記の測定方向に垂直な方向である＋ｙ方向に照射され、プローブ光は、上記の測定方向（−ｚ方向）、およびポンプ光が照射される方向（＋ｙ方向）の両方に垂直な＋ｘ方向に照射される。

そして検知部７１Ａは、測定方向である−ｚ方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を外乱磁場方向として検知する。したがって、外乱磁場方向は、ｘｙ平面に沿った方向であって、ｚ軸方向の成分を有さない。

このとき、図示しない調整部７２Ａにより、ガスセル２、光源１１Ａ、変換部１２Ａ、光源８１、変換部８２、偏光分離器３、透過光受光素子４１および反射光受光素子４２は、矢印Ｄ₇方向に沿って回転する。その結果、ポンプ光照射部８によるポンプ光の照射方向は回転させられ、検知部７１Ａが検知した外乱磁場方向に近づく。矢印Ｄ₇方向は、ｚ軸を中心とした回転の方向であり、ｘｙ平面に沿っている。つまり、この矢印Ｄ₇方向は、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）に垂直なｘｙ平面に沿った方向である。

なお、光ファイバーなどにより導かれてポンプ光やプローブ光がガスセル２に照射されたり、ガスセル２を透過したプローブ光が光ファイバーなどにより導かれて偏光分離器３に受光されたりする場合、これらの光ファイバーは、プローブ光照射部１Ａ、ポンプ光照射部８、偏光分離器３に含まれる。この場合、調整部７２Ａは、これらの光ファイバーのうちガスセル２に向いている部分の位置や方向・姿勢などを調整してもよい。要するに、調整部７２Ａは、検知部７１Ａによって検知された外乱磁場方向に沿ってポンプ光が照射されるように、磁場測定装置９Ａに含まれる構成の位置を調整して、ポンプ光の照射方向、プローブ光の照射方向、およびプローブ光の受光方向を調整すればよい。

この磁場測定装置９Ａは、検知部７１Ａが検知した外乱磁場方向に沿ってポンプ光が照射されるように、ポンプ光の照射方向、プローブ光の照射方向、およびプローブ光の受光方向が調整される点に特徴を有する。

２−２．動作
図８は、いわゆるツービーム方式の測定装置により磁場を測定する原理を説明するための図である。ツービーム方式の測定装置において、ガスセルに封入された気体原子にポンプ光が照射されると、気体原子が光ポンピングされ、エネルギーが変化した際に生じる磁気モーメントの確率分布は、そのポンプ光の入射方向に沿って伸びる領域Ｒ₂に応じた形状となる。この確率分布をオリエンテーションという。そして、オリエンテーションが形成されることにより生じる磁化の向きを表すベクトル（以下、磁化ベクトルＭという）は、オリエンテーションの向きとなる。この場合、ポンプ光の照射方向が磁化ベクトルＭの方向となる。

図８に示すように、例えば矢印Ｄ₈方向の円偏光成分を有するポンプ光を矢印Ｄ_p方向（＋ｙ方向）に向けて照射すると、このポンプ光が透過する気体原子には、＋ｙ方向に伸びる領域Ｒ₂に分布するオリエンテーションが形成され、＋ｙ方向の磁化ベクトルＭが生じる。そして、電場の振動方向が矢印Ｄ₀方向に沿っている直線偏光成分を有するプローブ光を矢印Ｄ_r方向（＋ｘ方向）に向けて照射すると、矢印Ｄ_p方向（＋ｙ方向）、および矢印Ｄ_r方向（＋ｘ方向）にそれぞれ垂直な矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）を中心にオリエンテーションがラーマ回転する。これにより、磁化ベクトルＭはｚ軸を中心に回転するが、このとき以下の２つの現象が生じる

［現象ａ］オリエンテーション（磁化ベクトルＭ）をポンプ光の方向に戻そうとする現象。
［現象ｂ］オリエンテーションを光ポンピング前の球状の原点対称に緩和させる現象。
これにより磁化ベクトルＭは、ｘｙ平面上において渦巻き状の軌跡を描く。図９は、磁化ベクトルＭの軌跡を説明する図である。例えば、図８に示した構成において、磁化ベクトルＭは、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）に見たｘｙ平面上において図９（ａ）に示す軌跡Ｔ_Mを描く。そして、上述したプローブ光の偏光面は、ファラデー効果によりオリエンテーションを透過して回転する。したがって、この偏光面の回転角度を計測することにより、ガスセル２の内部における矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）の磁束密度が求まる。

例えば、磁化ベクトルＭが図９（ａ）に示す軌跡Ｔ_Mを描くとき、＋ｘ方向の磁化の期待値＜Ｍ_X＞は、特定の値として現れる。横軸に磁束密度Ｂを、縦軸に磁化の期待値＜Ｍ_X＞をそれぞれ表すと、図９（ｂ）に示すような出力波形が得られる。この波形における原点近傍の線形的に変化している部分（図中ΔＢの範囲）の出力を読み取ることによって測定すべき磁束密度Ｂがわかる。
なお、磁化の期待値＜Ｍ_X＞と磁束密度Ｂとの関係式は以下のようになる。

ここで、Γ_gは緩和速度であり、緩和時間Ｔの逆数で与えられる。そして緩和時間Ｔは、縦緩和時間Ｔ₁および横緩和時間Ｔ₂により、１／Ｔ＝１／Ｔ₁＋１／Ｔ₂で表される。また、ラーモア角周波数をω_L［ｒａｄ／ｓ］とし、磁気回転比をγ［ｒａｄ／ｓＴ］とし、磁束密度をＢ［Ｔ］とすると、ω_L＝γＢが成り立つ。磁化Ｍは、磁気モーメントの単位体積あたりの総和であるから比例定数Ｃは原子密度ｎに比例するパラメータと考える。

ここで、本発明に係る磁場測定装置９Ａの上述した特徴を説明するために、この特徴を有していない測定装置の動作を説明する。図１０は、磁場測定装置９Ａの特徴を有していない測定装置による磁場の測定を説明するための図である。この測定装置は、磁場測定装置９Ａと共通の構成を備えているが、ポンプ光の入射方向である矢印Ｄ_p方向が、外乱磁場方向に合うようにポンプ光照射部８などの位置が調整されない。例えば、この測定装置において外乱磁場方向である矢印Ｄ_E方向は図１０に示す＋ｙ方向に沿っているが、円偏光成分を有するポンプ光は−ｘ方向に向けて照射されている。つまり、照射されるポンプ光の入射方向である矢印Ｄ_p方向（−ｘ方向）は、外乱磁場方向（＋ｙ方向）に合わないようになっている。したがって、ガスセル中の気体原子には、図１０（ａ）に破線で示した領域Ｒｃにオリエンテーションが発生する。このオリエンテーションは、ｘ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、−ｘ方向に沿って伸びている。なお、ポンプ光が矢印Ｄ_p方向（−ｘ方向）に照射され、プローブ光が矢印Ｄ_r方向（＋ｙ方向）に照射されているため、測定方向は、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）となっている。

ガスセル中の気体原子に発生した上述のオリエンテーションは、外乱磁場方向に沿った外乱磁場を受けると、その外乱磁場方向に伸びる軸を中心に回転する。すなわち、オリエンテーションは回転し、図１０（ａ）に実線で示す領域Ｒｄに応じた姿勢となる。図１０（ｂ）には、＋ｙ方向に向かって見たオリエンテーションが示されている。このように、本来、破線で示す領域Ｒｃに発生していたオリエンテーションは、＋ｙ方向の外乱磁場に影響され、矢印Ｄ₁₀方向に回転し、領域Ｒｄに応じた姿勢となる。

ここで、図１０に示す例では、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）の磁束密度を測定するために、矢印Ｄ_r方向（＋ｙ方向）に向けてプローブ光を照射する。すなわち、ガスセルの−ｙ方向からプローブ光が照射され、ガスセルの＋ｙ方向に透過したプローブ光の偏光面の回転角度が計測部（偏光分離器３、受光部４、信号処理回路５）によって計測される。図１０（ｂ）に示したように、＋ｙ方向に沿って見るとオリエンテーションはｙ軸方向に沿った外乱磁場を受け、領域Ｒｃから領域Ｒｄに回転しているので、磁化ベクトルＭも−ｚ方向に回転している。そのため、磁化ベクトルＭは上述した図９（ａ）と異なる軌跡を描くこととなり、磁化の期待値も異なる値となるため、出力波形は外乱磁場の影響が加味された波形となる。したがって、この場合の測定は、外乱磁場に影響を受け易い。

一方、図１１は、本発明に係る磁場測定装置９Ａによる磁場の測定を説明するための図である。磁場測定装置９Ａにおいて外乱磁場方向は、図１１に示すｙ軸方向に沿っており、円偏光成分を有するポンプ光は＋ｙ方向に向けて照射される。つまり、ポンプ光の入射方向である矢印Ｄ_p方向（＋ｙ方向）は、外乱磁場方向である矢印Ｄ_E方向（＋ｙ方向）に合うようになっている。したがって、ガスセル中の気体原子には、図１１（ａ）に示した領域Ｒ₂にオリエンテーションが発生する。このオリエンテーションは、ｙ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、ｙ軸方向に沿って伸びている。なお、ここでは、矢印Ｄ_r方向（＋ｘ方向）に向けてプローブ光が照射され、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）の磁場が測定される。

ガスセル２内の気体原子に発生した上述のオリエンテーションは、外乱磁場方向に沿った外乱磁場を受けると、その外乱磁場方向に伸びる軸を中心に回転する。すなわち、オリエンテーションは図１１（ａ）に示す矢印Ｄ₉方向に回転する。図１１（ｂ）には、＋ｙ方向に向かって見たオリエンテーションが示されている。上述したとおり、領域Ｒ₂に発生したオリエンテーションは、ｙ軸を中心としてほぼ回転対称の形状であり、ｙ軸方向に沿って伸びているので、ｙ軸を中心とする弧の軌跡に沿った矢印Ｄ₁₁方向に回転しても、その形状はほとんど変化しない。したがって、図１１（ｃ）に示すように、矢印Ｄ_M方向（−ｚ方向）に見たｘｙ平面上において、オリエンテーションの形成によって生じる磁化ベクトルＭの方向は、外乱磁場によってオリエンテーションが回転する前後で変わらない。したがって、この場合、直線偏光成分を有するプローブ光を矢印Ｄ_r方向（＋ｘ方向）に向けて照射すると、磁化ベクトルＭは図９（ａ）に示したような軌跡を描き、磁束密度が求まる。すなわち、この磁場測定装置９Ａの感度は、外乱磁場に影響され難い。

なお、上述した第２実施形態において、外乱磁場方向は、測定方向の成分を有さないとしたが、外乱磁場方向が測定方向の成分を有していてもよい。この場合、この外乱磁場方向が測定方向の成分を有さないように、測定される物体の位置も調整して、測定方向そのものを変えてもよい。

１…照射部、１Ａ…プローブ光照射部、１１，１１Ａ…光源、１２，１２Ａ…変換部、２…ガスセル、３…偏光分離器、４…受光部、４１…透過光受光素子、４２…反射光受光素子、５…信号処理回路、６…表示装置、７，７Ａ…追従機構、７１，７１Ａ…検知部、７２…調節部、７２Ａ…調整部、８…ポンプ光照射部、８１…光源、８２…変換部、９…磁場測定装置（第１実施形態）、９Ａ…磁場測定装置（第２実施形態）。

Claims (6)

1. 内部に気体原子が封入されたガスセルと、
   直線偏光を含む照射光を前記ガスセルに対して照射する照射部と、
   前記照射光の前記ガスセルに対する照射方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を検知する検知部と、
   前記磁場が最も強い方向と前記直線偏光の電場の振動方向とが合うように、前記照射光を調節する調節部と、
   前記ガスセルを通過した前記照射光の偏光面の回転角度を計測する計測部と
   を具備することを特徴とする磁場測定装置。
2. 前記照射部は、前記照射光を光ファイバーによって前記ガスセルに導く
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
3. 内部に気体原子が封入されたガスセルと、
   測定方向に垂直な方向の中から磁場が最も強い方向を検知する検知部と、
   円偏光成分を含むポンプ光を、前記ガスセルに対して、前記測定方向に垂直な方向に沿って照射するポンプ光照射部と、
   直線偏光を含むプローブ光を、前記ガスセルに対して、前記測定方向、および前記ポンプ光が照射される方向の両方に垂直な方向に沿って照射するプローブ光照射部と、
   前記ガスセルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角度を計測する計測部と、
   前記磁場が最も強い方向に沿って前記ポンプ光が照射されるように、前記ポンプ光照射部、前記プローブ光照射部、および前記計測部の各位置を調整する調整部と
   を具備することを特徴とする磁場測定装置。
4. 前記ポンプ光照射部は、前記ポンプ光を光ファイバーによって前記ガスセルに導き、
   前記プローブ光照射部は、前記プローブ光を光ファイバーによって前記ガスセルに導く
   ことを特徴とする請求項３に記載の磁場測定装置。
5. 内部に気体原子が封入されたガスセルと、
   磁場が最も強い方向を検知方向として検知する検知部と、
   直線偏光を含む照射光を、前記ガスセルに対して、前記検知方向に垂直な方向に沿って照射する照射部と、
   前記ガスセルを通過した前記照射光の偏光面の回転角度を計測する計測部と
   前記検知方向と前記直線偏光の電場の振動方向とが合うように、前記照射光を調節するとともに、前記ガスセル、前記照射部、および前記計測部の位置を調整する調整部と
   を具備することを特徴とする磁場測定装置。
6. 内部に気体原子が封入されたガスセルと、
   磁場が最も強い方向を検知方向として検知する検知部と、
   円偏光成分を含むポンプ光を、前記ガスセルに対して照射するポンプ光照射部と、
   直線偏光を含むプローブ光を、前記ガスセルに対して、前記ポンプ光が照射される方向に垂直な方向に沿って照射するプローブ光照射部と、
   前記ガスセルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角度を計測する計測部と、
   前記検知方向に沿って前記ポンプ光が照射されるように、前記ポンプ光照射部、前記プローブ光照射部、および前記計測部の各位置を調整する調整部と
   を具備することを特徴とする磁場測定装置。

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