JP6063927B2

JP6063927B2 - 磁場計測装置

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Publication number: JP6063927B2
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Inventors: 龍三川畑; 神鳥　明彦; 明彦神鳥; 長部　太郎; 太郎長部; 聖一鈴木; 雄大鎌田
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Filing date: 2013-03-26
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Description

本発明は、光ポンピングによる磁気光学効果を利用した磁場計測技術に関する。

光ポンピングによる磁気光学効果を利用した光ポンピング磁場計測装置では、センサーとしてアルカリ金属ガス（例えば、カリウム、ルビジウム、セシウムなど）が封入されたガラスセルを用いる。このガラスセルに静磁場を印加し、ガラスセル内のアルカリ金属のエネルギー準位をゼーマン分裂させ、直線偏光、円偏光、楕円偏光などの偏光状態を操作した光や、強度変調光、位相変調光などの強度や位相を操作した光をガラスセルに照射することで生じた光と磁気との相互作用を利用して当該ガラスセルに入った磁気を検出する。

特開２００７−１６７６１６号公報（特許文献１）に記載された磁場計測装置ではレーザー光を空間に放出してガラスセルに入射している。また、磁気シールド（パーマロイなどの高透磁率をもつ素材で製作された磁気シールドルームもしくは、磁気シールドケース）内にガラスセルを収めた構成をとる。

また、特開２０１１−８９８６８号公報（特許文献２）には光ファイバーの一部にアルカリ金属原子を封入したファイバーセルを使用する磁場計測装置の記載がある。この磁場計測装置では、光源であるレーザーと、ガラスセルが内蔵された光ファイバーとを密着一体化することにより不用な外部磁界の影響を回避して、被測定ポイント或いは被測定領域の磁界を正確に測定することを狙いとしている。

Rev. Sci. Instrum. 77, 113106 (2006)（非特許文献１）に記載された光ポンピング磁場計測装置では、ガラスセル中のアルカリ金属原子のガス密度を増加させるために、ガラスセルが設置された磁気シールドケース内に熱風を流し込むことでガラスセルの保温を行う構成である。

特開２００７−１６７６１６号公報特開２０１１−８９８６８号公報

Rev. Sci. Instrum. 77 (2006)113106 Appl. Phys. B 31 (1983)97 Appl. Opt.37 (1998) 3295

特許文献１に記載の磁場計測装置では、レーザー光の光路は近距離ではない。それゆえ、レーザー光の光路調整が容易でない点や、光路長が長いため一旦調整しても光路のズレが生じやすく再調整が必要となる場合がある。

一方、特許文献２に記載の磁場計測装置は、光源であるレーザーと、ガラスセルが内蔵された光ファイバーが一体になっており、上記の光路調整、光路ズレ、空気の流れによる光路の影響などを解決した構造として効果的である。しかしながら、ガラスセルを室温よりも高い温度に保温してガラスセル内のアルカリ金属ガス密度を高めて使用する際に、光ファイバー内部にガラスセルが含まれる構造ではガラスセルを保温することで光ファイバーに温度ムラが生じてしまう。光ファイバーは温度変化によって、光ファイバー内部を通過するレーザー光の偏光が崩れることや、レーザー光強度の変動が生じる。このようなレーザー光の状態が変化すると、ガラスセル内のアルカリ金属ガスを効率良く励起することができない。また、特許文献２ではガラスセルが内蔵された光ファイバー部分を巻きつける使い方が記載されているが、光ファイバーを曲げて使用する際でも上記のレーザー光の状態が変化する。

さらに、非特許文献１に記載の磁場計測装置は、アルカリ金属のガス密度を増加するためにガラスセルを熱風で加熱している。ここで採用された熱風循環による加熱は電熱ヒーターによる加熱に比べて磁気雑音が生じない。しかしながら、熱風による空気の流れの影響でレーザー光が揺らぎ、磁気計測信号が変動することで雑音が生じてしまう課題がある。実際に、エアコンのような空調調節装置がある室内で光ポンピング磁気センサーを使用する際に、光路に空調による空気の流れのムラがある場合でも影響が生じることがある。

そこで、本発明は、磁気センサー部のガラスセルへ導入するレーザー光の光軸が安定して調整が容易であり、しかもそのレーザー光の偏光の崩れの要因を排除し、磁気雑音の混入も排除して安定な動作を実現した光ポンピング磁場計測装置を提供することを目的とする。

本発明の代表的実施例にしたがう磁場計測装置は、スピン偏極したアルカリ金属の磁気光学特性を利用した光ポンピング磁気センサーを主要機能部とする。また、その磁気センサー部に励起光を照射するための光源部、磁気センサー部に静磁場およびＲＦ磁場を印可するためのコイル部、信号制御処理部を有し、コイル部と磁気センサー部は磁気シールドに覆われている。光源部で生成した励起光は空間で周波数安定化、光強度調節、偏波調節される構成を有し、光強度と偏波が最適に調節された周波数安定化励起光は偏波保持光ファイバーを介して磁気センサー部に導かれ、磁気センサー部はレンズ、偏光光学素子、ガラスセル、光検出器が非磁性筐体内に一体で収められた構造を具備することを特徴とする。

別の実施例では、光検出器は磁気センサー部にではなく、磁気シールド外部に有し、ガラスセルを通過した励起光はマルチモード光ファイバーを介して当該光検出器に導かれる点にある。また、更に別の実施例では、磁気シールド外に設置された恒温水循環装置と磁気センサー部とを断熱チューブで接続する構成を有し、磁気センサー部のガラスセルの、励起光が通過しない側面のみに前記恒温水循環装置で生成した温水を流す保温機構を有する。

本発明によれば、ガラスセルに入射するレーザー光の偏光の崩れや光強度変動を防ぎ、レーザー光に影響が生じないガラスセル保温機構を備えた装置構成で、光ポンピング磁気センサーの安定な動作を実現できる。

本発明の第１の実施例である光ポンピング磁気センサーを用いた磁場計測装置の全体構成を示すブロック図である。第１の実施例の磁気センサー部を示す斜視図である。本発明の第２の実施例の磁気センサー部を示す斜視図である。第２の実施例の磁場計測装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施例の磁場計測装置の磁気センサー部を示す斜視図である。第３の実施例である磁場計測装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施例の磁場計測装置の磁気センサー部を示す斜視図である。第４の実施例である磁場計測装置の全体構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の第１の実施例（実施例１）の磁場計測装置の概要構成を示す。磁場計測装置は、光源部１０５、コイル部１０８、磁気センサー部１０７、信号制御処理部１１２から構成される。光源はランプを使用することは可能であるが、安定かつ高性能であるレーザーを使用することが好ましい。したがって本実施例の光源部１０５ではレーザー１００を使用している。

光ポンピング磁気センサーを動作させるために必要なレーザーは、磁気センサー部内にあるガラスセルに入ったアルカリ金属の励起遷移（Ｄ１線、Ｄ２線）の周波数付近で発振すること、シングルモードでレーザー発振して発振周波数が安定していること、レーザー自身の線幅がアルカリ金属原子の自然幅程度以下であること、アルカリ金属原子を十分に励起するだけでのレーザー光出力があることなどの条件満たす必要がある。小型で安価な利点から、レーザー１００は半導体レーザーである。また、特にレーザー素子の外部に回折格子を配置した外部共振器型半導体レーザーの使用が好ましい。

外部共振器型半導体レーザーの場合の詳細を述べる。外部共振器型半導体レーザーでは、レーザー素子に付属して設けた共振器構造によりレーザーの発振周波数線幅を１ＭＨｚ以下に狭窄化でき、さらにレーザー発振周波数を回折格子の角度変化によって選択できる。通常半導体レーザー素子からのレーザー光は広がって出力されるため、コリメートレンズを通して平行光にしてから回折格子に入射する。そして、回折格子からの反射光である０次回折光をレーザー素子外部に取り出し、１次回折光をレーザー素子に戻すことで外部共振器を構成する。外部共振器に依存した発振波長λは、
λ＝２ｄsinθ ・・・（数１）
で決定される。ここで、ｄは回折格子のピッチを、θは回折角を表す。回折格子の角度調整は、回折格子もしくは回折格子にレーザー光を導くミラーに取り付けられた圧電素子によって行う。さらに、温度変化によるレーザー発振周波数のドリフトを最小限に抑えるために、半導体レーザー素子の近傍に配置したサーミスターで温度をモニターし、半導体レーザー素子のマウント下に設置したペルチェ素子で温度安定化を行う。

以上のような構造を持つレーザー１００は金属性の筐体に収められ、筐体側面に設けた孔からレーザー光が取り出される、周波数安定化制御部１０２、光強度調整部１０３を具備する。レーザー１００から出力されたレーザー光は光アイソレータを通し、ビームスプリッターに入射して２つに分かれる。一つのレーザー光はレーザー周波数安定化の制御信号に、もう一つのレーザー光は磁場計測装置の励起光として使用する。周波数安定化制御部１０２からの周波数安定化制御信号はレーザー制御回路１０１に入力されて、これにより周波数安定化されたレーザー光出力が得られる。

周波数安定化制御についてより詳細に述べる。外部共振器型半導体レーザーの発振周波数は半導体レーザー素子の温度や注入電流、圧電素子の電圧などを変化させて制御するが、通常のこれらの物理量はドリフトするため、外部共振器型半導体レーザーの発振周波数もドリフトが生じる。そこで周波数安定化制御部１０２が必要となる。ビームスプリッターで分離されたレーザー光はアルカリ金属のみが封入された参照ガラスセルを通過させて得られるアルカリ金属原子の吸収信号を周波数安定化するための基準として使用する。ガラスセル内のアルカリ金属原子の吸収線は熱運動によって常温でも数百ＭＨｚの不均一広がりがあるため、自然幅が数ＭＨｚのアルカリ金属原子の超微細構造を観測できない。そのため、吸収線を得るために参照ガラスセルに入射するレーザー光を２つに分離し、対向するように分離されたレーザー光は当該ガラスセルに入射する。その際に、片方のレーザー光（ポンプ光）の光強度は強く、もう片方のレーザー光（プローブ光）は弱くしておく。光強度が強いポンプ光によってアルカリ金属原子を励起して飽和させておき、プローブ光の周波数を掃引することで飽和が起こっているアルカリ金属原子の共鳴周波数ではプローブ光の吸収の減少による窪みが観測される。この窪みの線幅はアルカリ金属原子の自然幅に相当し、窪みのピークもしくはスロープにレーザー発振周波数をロックすることで周波数安定化を行う。窪みのピークにする場合には、レーザー周波数掃引する際に圧電素子の電圧信号に変調をかけて、その変調成分を位相検出回路で検波して得られる分散型のエラー信号を積分回路に通し、圧電素子及び半導体レーザー素子の注入電流にフィードバックをかける。また、窪みのスロープにロックをかける際には、スロープの傾きをエラー信号として積分回路に通し、圧電素子及び半導体レーザー素子の注入電流にフィードバックをかける。

ビームスプリッターで分離されたもう一方のレーザー光は磁場計測のための励起光となる。詳細には、励起光は光強度調節部１０３により最適なレーザーパワーに調節され、さらに偏波調節部１０４を介して取り出される。光強度調節部１０３としては例えばＮＤフィルタが用いられる。偏波調節部１０４としてλ／２波長板もしくはポラライザーが用いられる。外気や振動などの環境の影響を抑えるために、光源部１０５は金属製筐体内に収めてある。この金属製筐体は孔を有し、その孔に偏波保持光ファイバー１０６が金属筐体に接続できるようにファイバーコネクタが取り付けられる。光強度調節部１０３および偏波調節部１０４を経た励起光は金属製筐体の外へ偏波保持光ファイバー１０６を通して取出される。

光源部１０５の金属筐体と磁気センサー部１０７は上記の偏波保持光ファイバー１０６で接続されており、励起光は偏波保持光ファイバー１０６を介して磁気センサー部１０７へ導かれる。磁気センサー部１０７の構造は図２に示される。センサー部１０７は、コリメートレンズ１２３、偏光子１２４、λ/4波長板１２５、ガラスセル１２６、集光レンズ１２７、光検出器１２８を有し、セラミックや樹脂材などの非磁性材で一体化された構造である。磁気センサー部１０７の非磁性筐体１２９にはファイバーコネクタ１２２が取り付けられ、これにより偏波保持光ファイバー１０６が固定される。偏波保持光ファイバー１０６から照射した励起光はコリメートレンズ１２３で平行光にされ、偏光子１２４で直線偏光の状態が調整され、さらにλ／４波長板１２５で円偏光に変換されて磁気センサー用ガラスセル１２６に入射する。ガラスセル１２６は、アルカリ金属（カリウム、ルビジウム、セシウムなど）と非磁性ガスの緩衝ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素など）が同封されているものや、ガラスセル内壁が飽和炭化水素（パラフィン）でコーティングされてアルカリ金属が封入されたものを使用する。非磁性筐体１２９内部のコリメートレンズ１２３、偏光子１２４、λ/4波長板１２５、ガラスセル１２６、集光レンズ１２７、光検出器１２８は全て同一軸上に配置されており、振動による光路のズレに強い構造となっている。ガラスセル１２６を通過したレーザー光は集光レンズ１２７を介して光検出器１２８に導かれ、その光量が検出される。

本実施例では光検出器１２８はガラスセル１２６近傍に設置されてガラスセル１２６と一体構造であるため検出のロスが少ない。光検出器１２８から生じる磁気雑音を防ぐためにパッケージがセラミックやプラスチックなどの非磁性材で製作された光検出器を使用する。

図１にもどって実施例の磁場計測装置の構造を再び説明する。コイル部１０８は静磁場とRF磁場を磁気センサー部１０７の内部のガラスセル１２６に印可するための静磁場コイル１０９とRFコイル１１０から構成されているである。環境磁気雑音を低減するため、コイル部１０８と磁気センサー部１０７と計測対象である磁場発生源は磁気シールド１１１の中の磁気シールド空間に設置する。磁気シールド１１１は、具体的には高透磁率であるパーマロイから製作された磁気シールドルームもしくは磁気シールドケースである。例えば、磁場計測の測定対象がヒトのように大きい場合は磁気シールドルームが利用され、測定対象のサイズで磁気シールド１１１のサイズも決まる。磁気センサー部１０７が動作するために、ガラスセル１２６に静磁場を印加して当該ガラスセル内のアルカリ金属のエネルギー遷移をゼーマン分裂させる。安定化電源１１８で精密に制御した電流を静磁場コイル１０９に供給することで、当該静磁場コイル１０９からガラスセル１２６に静磁場を印加する。また、ＲＦコイル１１０によってガラスセル１２６の磁気光学特性を変化させるためにアルカリ金属原子の電子スピンが歳差運動する周波数のＲＦ磁場を当該ガラスセル１２６に印加する。その際に、ガラスセル１２６を通過するレーザー光の進行方向と静磁場印加方向との成す角度が４５度もしくは１３５度となる場合が、磁気計測信号の信号対雑音比が最大となり最適である。また、RF磁場の印加方向は静磁場印加方向に直交する方向もしくは、レーザー光の進行方向と平行となる方向とする。静磁場コイルは３種のヘルムホルツコイルから成り、磁気シールド内の残留磁気雑音を補正できる構成は好ましい。

磁気センサー部１０７の光検出器１２８の出力は磁気シールド１１１の外にある信号制御処理部１１２と電磁シールド線１２１で接続されている。信号制御処理部１１２は、カレントアンプ回路１１３、アンプフィルタ回路１１４、位相検波回路１１５、ＡＤ変換回路１１６、ＰＣ１１７、安定化電源１１８、ループフィルタ回路１１９、発振回路１２０から構成される。光検出器１２８から出力された電流信号はカレントアンプ回路１１３によって電圧信号に変換され、アンプフィルタ回路１１４で測定に必要なゲインと帯域に調整する。アンプフィルタ回路１１４の出力はRF磁場の信号源である発振回路１２０からの信号を参照にして、位相検波回路１１５で検波する。検波された位相信号をループフィルタ回路１１９で位相遅れによって発振しないように制御し、ループフィルタ回路１１９の出力を発振回路１２０に入力することで発振周波数を電圧制御によってフィードバック制御する。フィードバック制御時の位相検波回路１１５１１６１１７１１８１１９の出力変化によって、ガラスセル１２６に入った測定対象からの磁場を検知できる。

本実施例では、ポンプ光とプローブ光で得られる飽和吸収信号を用いたレーザーの周波数安定化を安価かつコンパクトな構成で実現している。これはレーザーの周波数安定化の代表的な方法であるが、その他に、例えば非特許文献２（Appl. Opt.37 (1998) 3295）に示される電気光学位相変調器を用いた側波帯が生じたレーザー光の安定かつ高フィネス光共振器への入射時の共振情報を用いた安定化方法（Pound-Drever-Hall法）や、非特許文
献３（Appl. Opt.37 (1998) 3295）に示されるゼーマン分裂生じさせたアルカリ金属蒸気に対する右円偏光と左円偏光の差分信号を用いた周波数安定化方法（Dichroic-Atomic-Vapor-Laser-Lock）などの手法を用いてもよい。上記記載の光ポンピング磁気センサーの動作に必要なレーザー条件を満たせば、レーザー素子の制御温度とレーザー素子への注入電流の調整のみの最もシンプルな周波数安定化も使用できる。また、上記説明でレーザーとして安価かつコンパクトな構成を考慮して半導体レーザーを述べたが、使用する磁気センサー用ガラスセル１２６内のアルカリ金属の吸収波長を含めば半導体レーザー以外のレーザーでもあっても使用できる。実際に高い周波数安定度は外部共振器型半導体レーザーが得られやすいが、半導体内部に回折格子機構を搭載した分布帰還型半導体レーザーは音響ノイズや振動ノイズに強い構造であるため、実用面でより使いやすい。

光源部１０５と磁気センサー部１０７との偏波保持光ファイバー１０６による接続は、磁気センサー部１０７に入る環境磁気雑音を低減するためにパーマロイでできた磁気シールド１１１の中で行われている。この偏波保持光ファイバー１０６は励起光の光強度や偏波状態の変化を生じさせないように、配置を固定して使用する。また、偏波保持光ファイバー１０６は可能な限り短い長さで使用することが好ましい。磁気センサー部内の光検出器１２８は、当該光検出器１２８からの磁気雑音を考慮してセラミックやプラスチック材製のものを使用する。光検出器１２８は電磁シールド線１２１で磁気シールド外にあるカレントアンプ１１３と接続されているが、カレントアンプ内のオペアンプと並列に接続されたコンデンサ容量とシールド線を含む光検出器の端子間容量とのマッチングを考慮して、シールド線は可能な限り短くするのが好ましい。また、電磁シールド線１２１はシールドされたツイストペア線を使用するとより電磁雑音に強い。

本発明の第２の実施例（実施例２）では、磁気センサー部の構成が上述の実施例１と異なる。図３は、実施例２の磁気センサー部１３１の構成を示す。図２に示した実施例１の磁気センサー部１０７と比較すると光検出器１２８が省かれており、磁気センサー用ガラスセル１２６を経たレーザー光が集光レンズ１２７によりマルチモード光ファイバー１３０の端面に集められ、マルチモード光ファイバー１３０により磁気センサー部１３１の外に取出される点が異なる。マルチモード光ファイバー１３０は非磁性ファイバーコネクタ１５２により非磁性筐体１２９に取り付けられている。励起光を導入する偏波保持光ファイバー１０６からガラスセル１２６までの構造は図２の実施例１の磁気センサー部１０７と同様である。

実施例２の磁場計測装置の全体構成を図４に示す。信号制御処理部１３２は光検出器１３３を備える。この光検出器１３３にマルチモード光ファイバー１３０が接続されており、磁気センサー部１３１から取出された光がマルチモード光ファイバー１３０を介して検出される。光検出器１３３にはカレントアンプ１１３で接続されている。信号制御処理部１３２内のカレントアンプ１１３以降の構成は実施例１の信号制御処理部１１２（図１）と同様である。また光源部１０５の動作と、コイル部１０８の動作と、光源部１０５から磁気センサー部１３１への接続も実施例１と同様である。よって図４では、図１の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図１と同一の符号を付している。

以上の構成で分かるように、実施例２では、磁気シールド外に光検出器１３３を設置し、磁気センサー部内の磁気センサー用ガラスセル１２６を通過した励起光は集光レンズ１２７を介してマルチモード光ファイバー１３０を用いて光検出器１３３に導く。磁気センサー部１３１内の磁気センサー用ガラスセル１２６を通過したレーザー光の検出構成箇所以外は実施例１と同様である。よって図３では、図２の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図２と同一の符号を付している。実施例２の磁場計測装置では、励起光の検出は光ファイバーを使用するため、実施例１に比べて光検出器から生じる磁気雑音は一切無い利点があるが、光ファイバーの結合効率が１００％ではないため検出信号のロスがある。そこで、結合効率を高めるためにコア径ができるだけ大きいマルチモード光ファイバー１３０を用いる。マルチモード光ファイバー１３０では、一般に偏波面保存の機能はない。しかし、ガラスセル１２６への入射光では問題である偏光の崩れは、検出光の光量検出では問題とならないだめ、マルチモード光ファイバー１３０を使用することで問題は生じない。

マルチモード光ファイバー１３０は、磁気シールド外にある光検出器１３３に接続されてマルチモード光ファイバー１３０を通過した光が検出される。光検出器１３３はカレントアンプ１１３で接続されているが、この間の接続をシールド線による接続とするのではなく光検出器１３３とカレントアンプ１１３を一体にして使用するのが電磁ノイズに強い構成で好ましい。

本発明の第３の実施例（実施例３）では、実施例１の磁気センサー部１０７に保温機構を備えた構成である。図５は、本実施例３の磁気センサー部１３４の構成を示す。図２に示した実施例１の磁気センサー部１０７と比較すると、磁気センサー用ガラスセル１２６のガラス壁の外面に、温水が流入するチャンバー１３８、１３９を備えている点が異なる。磁気センサー用非磁性筐体１２９にはチャンバー１３８につながる温水流入口１３５が設けられる。チャンバー１３８は接続部１３７を介してチャンバー１３９に繋がり、さらにチャンバー１３９は温水流出口１３６に繋がって温水が流通する構造となっている。励起光を導入する偏波保持光ファイバー１０６から磁気センサー用ガラスセル１２６を通過したレーザー光を検出する磁気センサー用光検出器１２８までの構造は実施例１の磁気センサー部１０７と同様である。よって図５では、図２の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図２と同一の符号を付している。

実施例３の磁場計測装置の全体構成を図６に示す。信号制御処理部１１２内の構成、光源部１０５から磁気センサー部１３４への接続、コイル部１０８の動作は実施例１（図１）と同様である。よって図６では、図１の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図１と同一の符号を付している。

磁気センサー部１３４に設けた温水用流入口１３５は断熱チューブ１４１を介して、また温水用流出口１３６は断熱チューブ１４２を介して磁気シールド１１１の外に設置した恒温水循環装置１４０と接続する。恒温水循環装置１４０は内部の水槽に内蔵されたヒーターで水を加熱して温水とする。ヒーターの温度をＰＩＤ制御によって希望温度にすることで温水の温度を精度良く制御する。恒温水循環装置１４０からの温水は断熱チューブ１４１、温水流入口１３５を通ってチャンバー１３８を流れ、更に接続部１３７を通ってチャンバー１３９を流れ、温水用流出口１３６から恒温水循環装置１４０に戻る。センサー部１３４内にある磁気センサー用ガラスセル１２６の温度を適切な温度に保つた保温機構のチャンバー１３８、１３９はガラスセル１２６のセル窓部分を除く側面部（レーザー光が通過しない部分）に設けられており、水流で励起光が乱される事が無い構造となっている。

本発明の第４の実施例（実施例４）では、実施例２の磁気センサー部１３１に保温機構を備えた構成である。図７は、本実施例４の磁気センサー部１４３の構成を示す。図３に示した実施例２の磁気センサー部１３１と比較すると、磁気センサー用非磁性筐体１２９に温水流入口１３５を、当該磁気センサー用非磁性筐体１２９内部に磁気センサー用ガラスセル１２６の側面に温水流入路を設けた点が異なる。励起光を導入する偏波保持光ファイバー１０６から磁気センサー用ガラスセル１２６を通過したレーザー光を取り出すマルチモード光ファイバー１３０までの構造は実施例２の磁気センサー部１３１と同様である。よって図７では、図２の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図２と同一の符号を付している。

実施例４の磁場計測装置の全体構成を図８に示す。信号制御処理部１３２内の構成、光源部１０５から磁気センサー部１４３への接続、コイル部１０８の動作は実施例２（図４）と同様である。よって図８では、図４の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図４と同一の符号を付している。また、磁気センサー用ガラスセル１２６の保温のために、実施例３と同様に磁気センサー部１４３に設けた温水用流入口１３５と温水用流出口１３６は断熱チューブ１４１と断熱チューブ１４２を介して，磁気シールド１１１の外に設置した恒温水循環装置１４０と接続する。磁気センサー部１４３への温水の循環は上記記載の実施例３と同様である。よって図７と図８では、図３と図４の各要素ブロックと同じ要素ブロックは図３と図４と同一の符号を付している。

本発明によれば、光ポンピング磁気センサーのガラスセルへの励起光の偏光の崩れや光強度変動を逃れた高精度でかつ調整の容易な磁場測定装置が得られ、生体磁場など微少な磁場の計測の分野における貢献が見込まれる。

１００レーザー
１０１レーザー制御回路
１０２周波数安定化制御部
１０３光強度調節部
１０４偏波調節部
１０５光源部
１０６偏波保持光ファイバー
１０７光検出器を内蔵した磁気センサー部
１０８コイル部
１０９静磁場コイル
１１０ＲＦコイル
１１１磁気シールド
１１２信号制御処理部
１１３カレントアンプ回路
１１４アンプフィルタ回路
１１５位相検波回路
１１６ＡＤ変換回路
１１７ＰＣ
１１８安定化電源
１１９ループフィルタ回路
１２０発振回路
１２１電磁シールド線
１２２、１５２非磁性ファイバーコネクタ
１２３コリメートレンズ
１２４偏光子
１２５ λ／４波長板
１２６ガラスセル
１２７集光レンズ１２８光検出器
１２９非磁性筐体
１３０マルチモード光ファイバー
１３１光検出器を内蔵していない磁気センサー部
１３２光検出器装備の信号制御処理部
１３３マルチモード光ファイバー接続用光検出器
１３４保温機構を備えた磁気センサー部
１３５温水用流入口
１３６温水用流出口
１３７温水流入接続部
１３８、１３９温水用チャンバー
１４０恒温水循環装置
１４１、１４２断熱チューブ
１４３保温機構を備えた磁気センサー部

Claims

アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有し、スピン偏極したアルカリ金属の磁気光学特性を利用して磁場を検出する磁気センサー部と、
前記磁気センサー部に導入する周波数安定化した励起光を発生する光源部と、
前記磁気センサー部と同一の磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサー部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、
前記磁気センサー部のガラスセルを透過した光の検出信号をロックイン検波し、そのロックイン検波出力により前記コイル部から発生する前記静磁場の強度と前記ＲＦ磁場の周波数を制御するとともに、前記磁気シールド空間に設置された計測対象の磁場強度を反映した計測信号を得る信号処理装置を有し、
前記磁気センサー部は、前記光源部からの前記周波数安定化した励起光が偏波保持光ファイバーを介して導入されるコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通した励起光を前記ガラスセルに伝達する偏光光学素子と、前記ガラスセルとが非磁性筐体に一体で収められて成り、
前記非磁性筐体にはファイバーコネクタが取り付けられ、これにより前記偏波保持光ファイバーが固定されており、
前記磁気センサー部は、前記ガラスセルを透過した光量を検出して電気信号を発する光検出素子を更に有し、当該光検出素子は前記非磁性筐体の中に収められることを特徴とする磁場計測装置。
アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有し、スピン偏極したアルカリ金属の磁気光学特性を利用して磁場を検出する磁気センサー部と、
前記磁気センサー部に導入する周波数安定化した励起光を発生する光源部と、
前記磁気センサー部と同一の磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサー部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、
前記磁気センサー部のガラスセルを透過した光の検出信号をロックイン検波し、そのロックイン検波出力により前記コイル部から発生する前記静磁場の強度と前記ＲＦ磁場の周波数を制御するとともに、前記磁気シールド空間に設置された計測対象の磁場強度を反映した計測信号を得る信号処理装置を有し、
前記磁気センサー部は、前記光源部からの前記周波数安定化した励起光が偏波保持光ファイバーを介して導入されるコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通した励起光を前記ガラスセルに伝達する偏光光学素子と、前記ガラスセルとが非磁性筐体に一体で収められて成り、
前記非磁性筐体にはファイバーコネクタが取り付けられ、これにより前記偏波保持光ファイバーが固定されており、
前記磁気センサー部のガラスセルの励起光が通過しない側面に温水を循環させる保温機構を更に有することを特徴とする磁場計測装置。
アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有し、スピン偏極したアルカリ金属の磁気光学特性を利用して磁場を検出する磁気センサー部と、
前記磁気センサー部に導入する周波数安定化した励起光を発生する光源部と、
前記磁気センサー部と同一の磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサー部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、
前記磁気センサー部のガラスセルを透過した光の検出信号をロックイン検波し、そのロックイン検波出力により前記コイル部から発生する前記静磁場の強度と前記ＲＦ磁場の周波数を制御するとともに、前記磁気シールド空間に設置された計測対象の磁場強度を反映した計測信号を得る信号処理装置を有し、
前記磁気センサー部は、前記光源部からの前記周波数安定化した励起光が偏波保持光ファイバーを介して導入されるコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通した励起光を前記ガラスセルに伝達する偏光光学素子と、前記ガラスセルとが非磁性筐体に一体で収められて成り、
前記非磁性筐体にはファイバーコネクタが取り付けられ、これにより前記偏波保持光ファイバーが固定されており、
前記光源部は、前記励起光をλ／２波長板もしくはポラライザーを用いた偏波調節部を介して、前記偏波保持光ファイバーに導入することを特徴とする磁場計測装置。
前記光源部は、前記励起光を光強度調節部を介して、前記偏波調節部に導入することを特徴とする請求項３に記載の磁場計測装置。
前記偏光光学素子は、前記コリメートレンズ側に配置された偏光子と、前記偏光子の前記コリメートレンズと反対側に配置されたλ／４波長板からなることを特徴とする請求項４に記載の磁場計測装置。
前記非磁性筐体に収められた、前記コリメートレンズ、前記偏光子、前記λ／４波長板、前記ガラスセル、前記ガラスセルの後段に設けられた集光レンズ、および、前記集光レンズの後段に設けられた光検出器が、同一軸上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の磁場計測装置。