JP6222974B2 - 光ポンピング磁力計および磁気センシング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光ポンピング磁力計、磁気センシング方法に関する。
高感度な磁気検出方法としてアルカリ金属蒸気の電子スピンを利用した光ポンピング磁力計が提案されている。
非特許文献１（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，８０，６４５）では、セシウムを含むガラスセルのラーモア周波数の変動を利用して磁場を検出する光ポンピング磁力計が開示されている。
この光ポンピング磁力計ではセシウム蒸気の電子スピンが励起コイルから印加される振動磁場によって運動し、スピン偏極の向きに応じて通過するレーザ光の吸収率が変化する。透過レーザ光の強度をフォトディテクタで検出し、振動磁場と同じ周波数で変化する信号を得る。フォトディテクタの信号と振動磁場を発生させるために励起コイルへと供給される電気信号の位相差に着目してラーモア周波数の変動を読み出し、測定物から生ずる磁場を測定するものである。
非特許文献１（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，８０，６４５）では、セシウムを含むガラスセルのラーモア周波数の変動を利用して磁場を検出する光ポンピング磁力計が開示されている。
この光ポンピング磁力計ではセシウム蒸気の電子スピンが励起コイルから印加される振動磁場によって運動し、スピン偏極の向きに応じて通過するレーザ光の吸収率が変化する。透過レーザ光の強度をフォトディテクタで検出し、振動磁場と同じ周波数で変化する信号を得る。フォトディテクタの信号と振動磁場を発生させるために励起コイルへと供給される電気信号の位相差に着目してラーモア周波数の変動を読み出し、測定物から生ずる磁場を測定するものである。
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，８０，６４５
上記した従来例の光ポンピング磁力計では、アルカリ金属蒸気の電子スピンの横緩和時間Ｔ２が位相差とラーモア周波数の変動の比例係数となるので横緩和時間が大きいほど測定物から生ずる磁場に対する磁力計の応答は向上する。
しかしながら、上記従来例のものにおいては、アルカリ金属蒸気の電子スピンの横緩和時間と比べて被測定物から生ずる磁場の変動周期が短い変動磁場を計測する際に、横緩和時間を増大させても磁力計の応答が向上しないという課題を有している。
しかしながら、上記従来例のものにおいては、アルカリ金属蒸気の電子スピンの横緩和時間と比べて被測定物から生ずる磁場の変動周期が短い変動磁場を計測する際に、横緩和時間を増大させても磁力計の応答が向上しないという課題を有している。
本発明は、上記課題に鑑み、ラーモア周波数の変動によって磁場を計測する際に、
アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場に対し磁力計の応答を向上させ、高感度に磁気信号を計測することが可能となる光ポンピング磁力計および磁気センシング方法の提供を目的とする。
アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場に対し磁力計の応答を向上させ、高感度に磁気信号を計測することが可能となる光ポンピング磁力計および磁気センシング方法の提供を目的とする。
本発明の光ポンピング磁力計は、ラーモア周波数の変動によって磁場を計測する光ポンピング磁力計であって、
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるため、前記セルに円偏光ポンピング光を照射する手段と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出すための直線偏光プローブ光を出射する手段と、
前記直線偏光プローブ光の偏光面の回転変位を検出するプローブ光検出系と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加コイルと、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加コイルと、
前記プローブ光検出系の出力信号と前記振動磁場印加コイルへ入力する駆動電流の位相差を含む情報を検出する手段と、
を備え、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場印加コイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調が、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の磁気センシング方法は、ラーモア周波数の変動によって磁場を計測する磁気センシング方法であって、
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるための円偏光ポンピングを行う工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを静磁場を軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程で得られる出力信号と前記振動磁場印加工程において振動磁場を生成する入力信号の位相差を含む情報を検出する工程と、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場を印加するコイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプログラムは、上記した磁気センシング方法の各工程をコンピュータに実行させることを特徴とする。
また、本発明の記録媒体は、上記したプログラムを記録した前記コンピュータが読み取り可能であることを特徴とする。
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるため、前記セルに円偏光ポンピング光を照射する手段と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出すための直線偏光プローブ光を出射する手段と、
前記直線偏光プローブ光の偏光面の回転変位を検出するプローブ光検出系と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加コイルと、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加コイルと、
前記プローブ光検出系の出力信号と前記振動磁場印加コイルへ入力する駆動電流の位相差を含む情報を検出する手段と、
を備え、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場印加コイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調が、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の磁気センシング方法は、ラーモア周波数の変動によって磁場を計測する磁気センシング方法であって、
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるための円偏光ポンピングを行う工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを静磁場を軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程で得られる出力信号と前記振動磁場印加工程において振動磁場を生成する入力信号の位相差を含む情報を検出する工程と、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場を印加するコイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプログラムは、上記した磁気センシング方法の各工程をコンピュータに実行させることを特徴とする。
また、本発明の記録媒体は、上記したプログラムを記録した前記コンピュータが読み取り可能であることを特徴とする。
本発明によれば、ラーモア周波数の変動によって磁場を計測する際に、
アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場に対し磁力計の応答を向上させ、高感度に磁気信号を計測することが可能となる光ポンピング磁力計および磁気センシング方法を実現することができる。
アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場に対し磁力計の応答を向上させ、高感度に磁気信号を計測することが可能となる光ポンピング磁力計および磁気センシング方法を実現することができる。
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したラーモア周波数の変動によって磁場を計測する光ポンピング磁力計の構成例について、図１を用いて説明する。
本実施例ではアルカリ金属原子はカリウムとし、カリウムのＤ１遷移を利用して光ポンピングを行う。
なお、光ポンピングはカリウムのＤ２遷移を利用してもよい。
また、アルカリ金属原子はカリウムに限らず、ルビジウムやセシウムであってもよい。
ガラスセル２２内にはカリウム原子、カリウム原子とガラスセル２２のガラス壁との衝突を緩和するバッファガスとしてヘリウム、クエンチのための窒素が封入されている。バッファガスはヘリウムに限らずネオンやアルゴンでもよい。
実施例１として、本発明を適用したラーモア周波数の変動によって磁場を計測する光ポンピング磁力計の構成例について、図１を用いて説明する。
本実施例ではアルカリ金属原子はカリウムとし、カリウムのＤ１遷移を利用して光ポンピングを行う。
なお、光ポンピングはカリウムのＤ２遷移を利用してもよい。
また、アルカリ金属原子はカリウムに限らず、ルビジウムやセシウムであってもよい。
ガラスセル２２内にはカリウム原子、カリウム原子とガラスセル２２のガラス壁との衝突を緩和するバッファガスとしてヘリウム、クエンチのための窒素が封入されている。バッファガスはヘリウムに限らずネオンやアルゴンでもよい。
ガラスセル内に十分な量のカリウム金属蒸気を得るために、ガラスセル２２は電流源１６により供給される電流によって発熱するヒーター１５により１００℃程度まで加熱される。
ガラスセル２２およびヒーター１５は断熱性能が高い部材からなる恒温槽２１に納められている。
恒温槽２１はポンプレーザ光およびプローブレーザ光を透過させるための窓が設けられている。
光ポンピングレーザ光源１は、カリウムのＤ１遷移に共鳴する波長で真空中において波長は７７０．１０８ｎｍで直線偏光であるポンプレーザ光を出射する。
ポンプレーザ光は１／４波長板３で円偏光ポンピング光に変換され、レンズ５１を介して光ファイバ６１に結合し、レンズ７１にてコリメートされてカリウム原子を含むガラスセル２２へと照射される。
ポンプレーザ光の作用によりガラスセル２２内ではカリウム原子のスピン偏極が生ずる。プローブレーザ光源２の波長はカリウムのＤ１遷移の共鳴波長よりも短波長側にシフトしており波長は７６９．９ｎｍである。
ガラスセル２２およびヒーター１５は断熱性能が高い部材からなる恒温槽２１に納められている。
恒温槽２１はポンプレーザ光およびプローブレーザ光を透過させるための窓が設けられている。
光ポンピングレーザ光源１は、カリウムのＤ１遷移に共鳴する波長で真空中において波長は７７０．１０８ｎｍで直線偏光であるポンプレーザ光を出射する。
ポンプレーザ光は１／４波長板３で円偏光ポンピング光に変換され、レンズ５１を介して光ファイバ６１に結合し、レンズ７１にてコリメートされてカリウム原子を含むガラスセル２２へと照射される。
ポンプレーザ光の作用によりガラスセル２２内ではカリウム原子のスピン偏極が生ずる。プローブレーザ光源２の波長はカリウムのＤ１遷移の共鳴波長よりも短波長側にシフトしており波長は７６９．９ｎｍである。
また、プローブレーザ光源２は直線偏光であるプローブレーザ光（直線偏光プローブ光）を出射する。プローブレーザ光は１／２波長板４を通過し、レンズ５２を介して光ファイバ６２へと結合する。１／２波長板４はプローブレーザ光の直線偏光の方位を調整するために設けられている。プローブレーザ光は光ファイバ６２を伝搬し、レンズ７２にてコリメートされて出射される。
プローブレーザ光が恒温槽２１に設けられた窓を通りガラスセル２２を通過する際、ガラスセル２２内のスピン偏極したカリウム原子の電子スピン偏極によりファラデー効果が生じ、プローブレーザ光の直線偏光面は回転変位する。
なお、コイル１７（静磁場印加コイル）は、電流源１８から供給される電流によりガラスセル２２に対してポンプレーザ光の進行方向と平行に一様な強度１．４２９μＴの静磁場を印加する。
プローブレーザ光が恒温槽２１に設けられた窓を通りガラスセル２２を通過する際、ガラスセル２２内のスピン偏極したカリウム原子の電子スピン偏極によりファラデー効果が生じ、プローブレーザ光の直線偏光面は回転変位する。
なお、コイル１７（静磁場印加コイル）は、電流源１８から供給される電流によりガラスセル２２に対してポンプレーザ光の進行方向と平行に一様な強度１．４２９μＴの静磁場を印加する。
ここで、静磁場に対応するラーモア周波数を定義する。
ラーモア周波数はある静磁場中に置かれたスピン偏極が静磁場の向きを回転軸として歳差運動するときの周波数であり、磁場の大きさに比例する。
１．４２９μＴの静磁場に対するカリウム原子のスピン偏極のラーモア周波数は１０ｋＨｚとなる。
但し、本実施例のように、次に説明する励起コイル１９（振動磁場印加コイル）によってさらに振動磁場を印加する光ポンピング磁力計においては、実際のスピンの歳差運動の周波数はラーモア周波数ではなく振動磁場と同じ周波数となる。なお、本実施例ではカリウム原子の電子スピンのラーモア周波数は１０ｋＨｚとしているが、これに限るものではない。
ラーモア周波数はある静磁場中に置かれたスピン偏極が静磁場の向きを回転軸として歳差運動するときの周波数であり、磁場の大きさに比例する。
１．４２９μＴの静磁場に対するカリウム原子のスピン偏極のラーモア周波数は１０ｋＨｚとなる。
但し、本実施例のように、次に説明する励起コイル１９（振動磁場印加コイル）によってさらに振動磁場を印加する光ポンピング磁力計においては、実際のスピンの歳差運動の周波数はラーモア周波数ではなく振動磁場と同じ周波数となる。なお、本実施例ではカリウム原子の電子スピンのラーモア周波数は１０ｋＨｚとしているが、これに限るものではない。
励起コイル１９は信号発生器２０から供給される駆動電流により静磁場に対して図１紙面垂直方向から振動磁場をガラスセル２２に印加する。
ガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンは印加された振動磁場の周波数と同じ周波数で運動するため、プローブレーザ光の直線偏光面の回転は振動磁場の周波数と同じ周波数で変動する。
励起コイル１９から印加される振動磁場の周波数あるいは信号発生器２０から供給される駆動電流の周波数については後述する。
ガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンは印加された振動磁場の周波数と同じ周波数で運動するため、プローブレーザ光の直線偏光面の回転は振動磁場の周波数と同じ周波数で変動する。
励起コイル１９から印加される振動磁場の周波数あるいは信号発生器２０から供給される駆動電流の周波数については後述する。
ここで、プローブ光検出系について説明すると、偏光ビームスプリッタ８によりガラスセル２２を通過したプローブレーザ光のＰ波偏光は透過、Ｓ波偏光は反射される。
偏光ビームスプリッタ８を透過したプローブレーザ光のＰ波偏光はレンズ９１を介して光ファイバ１０１へ結合し、光ファイバ１０１の終端のフォトディテクタ１１１にて電気信号に変換される。
また、偏光ビームスプリッタ８にて反射されたプローブレーザ光のＳ波偏光はレンズ９２を介して光ファイバ１０２に結合し、光ファイバ１０２の終端のフォトディテクタ１１２にて電気信号に変換される。
フォトディテクタ１１１とフォトディテクタ１１２の電気信号は差動増幅装置１３によって差分および増幅され位相検出器２３へ入力される。
また信号発生器２０の駆動電流の一部を分岐して位相検出器２３へと電圧入力される。
偏光ビームスプリッタ８を透過したプローブレーザ光のＰ波偏光はレンズ９１を介して光ファイバ１０１へ結合し、光ファイバ１０１の終端のフォトディテクタ１１１にて電気信号に変換される。
また、偏光ビームスプリッタ８にて反射されたプローブレーザ光のＳ波偏光はレンズ９２を介して光ファイバ１０２に結合し、光ファイバ１０２の終端のフォトディテクタ１１２にて電気信号に変換される。
フォトディテクタ１１１とフォトディテクタ１１２の電気信号は差動増幅装置１３によって差分および増幅され位相検出器２３へ入力される。
また信号発生器２０の駆動電流の一部を分岐して位相検出器２３へと電圧入力される。
位相検出器２３は差動増幅装置１３の出力と信号発生器２０の出力の位相差に比例した電気信号を出力し、ＡＤ変換器を介してパーソナルコンピュータ２４にてデジタル演算処理が行われた後に被測定磁場信号を出力する。
本実施例では位相検出器２３の位相差に比例した電気信号の出力を用いているが、信号発生器２０の駆動電流を参照信号として差動増幅装置１３の出力の９０°位相シフト成分を用いても磁場を測定することもできる。
例えば、２位相ロックインアンプにおいて正弦成分に比例した出力を用いてもよい。
本実施例では位相検出器２３の位相差に比例した電気信号の出力を用いているが、信号発生器２０の駆動電流を参照信号として差動増幅装置１３の出力の９０°位相シフト成分を用いても磁場を測定することもできる。
例えば、２位相ロックインアンプにおいて正弦成分に比例した出力を用いてもよい。
なお、ベース１４上に恒温槽２１、ガラスセル２２、ヒーター１５、レンズ７１、レンズ７２、偏光ビームスプリッタ８、レンズ９１、レンズ９２、が固定されている。そして、ベース１４の移動または運搬に際しプローブレーザおよび光ポンプレーザ光の光軸がずれないようになっている。
また、光ファイバ６１および光ファイバ６２はプローブレーザ光およびポンプレーザ光の偏光面揺らぎを抑制する目的で偏波面保持光ファイバであってもよい。その場合、本実施例では光ポンピングレーザ光源１から出射したポンプレーザ光を１／４波長板３を用いて円偏光に変換しているが、ポンプレーザ光を光ファイバ６１へ結合しレンズ７１にてコリメートされた後に１／４波長板３を配置して円偏光に変換する。
同様にプローブレーザ光源２から出射したプローブレーザ光を１／２波長板４を用いて直線偏光の方位を調整しているが、プローブレーザ光を光ファイバ６２へ結合しレンズ７２にてコリメートされた後に１／２波長板４を配置して直線偏光の方位を調整する。
また、光ファイバ６１および光ファイバ６２はプローブレーザ光およびポンプレーザ光の偏光面揺らぎを抑制する目的で偏波面保持光ファイバであってもよい。その場合、本実施例では光ポンピングレーザ光源１から出射したポンプレーザ光を１／４波長板３を用いて円偏光に変換しているが、ポンプレーザ光を光ファイバ６１へ結合しレンズ７１にてコリメートされた後に１／４波長板３を配置して円偏光に変換する。
同様にプローブレーザ光源２から出射したプローブレーザ光を１／２波長板４を用いて直線偏光の方位を調整しているが、プローブレーザ光を光ファイバ６２へ結合しレンズ７２にてコリメートされた後に１／２波長板４を配置して直線偏光の方位を調整する。
つぎに、本発明による光ポンピング磁力計の応答、被測定磁場の周波数およびＴ２の関
係について詳細に説明した後、応答向上の効果について発明者らが行った実験結果を基に説明する。
ここで、静磁場から定まるカリウム原子の電子スピンのラーモア周波数と励起コイル１９（振動磁場印加コイル）へ入力される振動磁場の駆動電流の周波数の差を離調と定義する。
図２は、プローブレーザ光がガラスセル２２を通過する際に生ずる直線偏光面の回転変位と励起コイル１９から印加される振動磁場との位相差と離調の関係を表している。
離調がゼロ近傍においては離調と位相差は比例する。プローブレーザ光の直線偏光面の回転変位はカリウム原子の電子スピンの運動に起因するため、カリウム原子の電子スピンに対してブロッホ方程式を解くことにより、離調と位相差の関係を導くこともできる。
例えば、パルスおよびフーリェ変換ＮＭＲ（吉岡書店、１９８３年発行）の１４２ページに示されているブロッホ方程式の解であるＭｘ’およびＭｙ’を利用する。Ｍｘ’およびＭｙ’は直交座標系における巨視的磁化のｘ成分およびｙ成分であり、Ｍｘ’／Ｍｙ’はその値が微小の場合は位相値として近似できる。
以上のことから、離調がゼロ近傍の場合の離調と位相差の関係は、次の（数式１）のように比例関係であらわされる。
（数式１）
但し、ｄｐは位相差、ｗ０はカリウム原子の電子スピンのラーモア角周波数、ｗは振動磁場の角周波数、Ｔ２はガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンの横緩和時間である。
上記（数式１）よりＴ２が大きいほど、離調に対して大きな位相差が生じることが分かる。
また、静磁場の印加方向に加わる被測定磁場によりラーモア周波数は変動し、結果として離調が変動するためＴ２が大きいほど被測定磁場に対する光ポンピング磁力計の応答が向上する。
ガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンのＴ２は、
ガラスセル２２のサイズおよび形状、ガラスセル２２に照射されるポンプレーザ光の強度、バッファガスをガラスセル２２へ封入する量、ガラスセル２２を加熱することで発生するカリウム原子ガスの量などに依存することが知られている。
係について詳細に説明した後、応答向上の効果について発明者らが行った実験結果を基に説明する。
ここで、静磁場から定まるカリウム原子の電子スピンのラーモア周波数と励起コイル１９（振動磁場印加コイル）へ入力される振動磁場の駆動電流の周波数の差を離調と定義する。
図２は、プローブレーザ光がガラスセル２２を通過する際に生ずる直線偏光面の回転変位と励起コイル１９から印加される振動磁場との位相差と離調の関係を表している。
離調がゼロ近傍においては離調と位相差は比例する。プローブレーザ光の直線偏光面の回転変位はカリウム原子の電子スピンの運動に起因するため、カリウム原子の電子スピンに対してブロッホ方程式を解くことにより、離調と位相差の関係を導くこともできる。
例えば、パルスおよびフーリェ変換ＮＭＲ（吉岡書店、１９８３年発行）の１４２ページに示されているブロッホ方程式の解であるＭｘ’およびＭｙ’を利用する。Ｍｘ’およびＭｙ’は直交座標系における巨視的磁化のｘ成分およびｙ成分であり、Ｍｘ’／Ｍｙ’はその値が微小の場合は位相値として近似できる。
以上のことから、離調がゼロ近傍の場合の離調と位相差の関係は、次の（数式１）のように比例関係であらわされる。
（数式１）
但し、ｄｐは位相差、ｗ０はカリウム原子の電子スピンのラーモア角周波数、ｗは振動磁場の角周波数、Ｔ２はガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンの横緩和時間である。
上記（数式１）よりＴ２が大きいほど、離調に対して大きな位相差が生じることが分かる。
また、静磁場の印加方向に加わる被測定磁場によりラーモア周波数は変動し、結果として離調が変動するためＴ２が大きいほど被測定磁場に対する光ポンピング磁力計の応答が向上する。
ガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンのＴ２は、
ガラスセル２２のサイズおよび形状、ガラスセル２２に照射されるポンプレーザ光の強度、バッファガスをガラスセル２２へ封入する量、ガラスセル２２を加熱することで発生するカリウム原子ガスの量などに依存することが知られている。
図３は、被測定磁場の周波数と光ポンピング磁力計の応答について実験により得られた結果を表している。
図３のＴ２は実測結果でありガラスセル２２の温度を変えてカリウム原子ガスの量を変化させた結果、２つの異なるＴ２が得られた。
また、ラーモア周波数が１０ｋＨｚに対して振動磁場は１０ｋＨｚとしており離調はゼロとした。
被測定磁場の周波数が３ＨｚにおいてＴ２が３．３ｍｓと１１．９ｍｓのときの光ポンピング磁力計の応答を比較すると約４倍向上した。
しかしながら、被測定磁場の周波数が上がるにつれてＴ２が３．３ｍｓのときに対する１１．９ｍｓのときの光ポンピング磁力計の応答の比は小さくなった。
特に、周波数が５０Ｈｚ以上では顕著な応答の向上は見られなかった。
図３のＴ２は実測結果でありガラスセル２２の温度を変えてカリウム原子ガスの量を変化させた結果、２つの異なるＴ２が得られた。
また、ラーモア周波数が１０ｋＨｚに対して振動磁場は１０ｋＨｚとしており離調はゼロとした。
被測定磁場の周波数が３ＨｚにおいてＴ２が３．３ｍｓと１１．９ｍｓのときの光ポンピング磁力計の応答を比較すると約４倍向上した。
しかしながら、被測定磁場の周波数が上がるにつれてＴ２が３．３ｍｓのときに対する１１．９ｍｓのときの光ポンピング磁力計の応答の比は小さくなった。
特に、周波数が５０Ｈｚ以上では顕著な応答の向上は見られなかった。
また、図３のプロットから被測定磁場の周波数が３Ｈｚときの光ポンピング磁力計の応答に対して半分となる周波数はＴ２が３．３ｍｓでは５０Ｈｚであり、Ｔ２が１１．９ｍｓでは２０Ｈｚである。
このことは次の文献に示される関係から理解することができる。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ， Ｖｏｌ．２２， Ｎｏ．１ Ｐ７７より、
Ｔ２とカットオフ周波数ｆｃの関係は次の（数式２）のように表すことができる。
（数式２）
すなわち、Ｔ２が長いほどカットオフ周波数が小さくなり光ポンピング磁力計において大きな応答が得られる被測定磁場の周波数範囲が狭くなる。
ゆえにＴ２に対して短い周期、あるいは（数式２）であらわされるカットオフ周波数ｆｃに対して高い周波数で変動する被測定磁場においては離調がゼロのままＴ２を長くしても、光ポンピング磁力計の応答が向上しない。
このことは次の文献に示される関係から理解することができる。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ， Ｖｏｌ．２２， Ｎｏ．１ Ｐ７７より、
Ｔ２とカットオフ周波数ｆｃの関係は次の（数式２）のように表すことができる。
（数式２）
すなわち、Ｔ２が長いほどカットオフ周波数が小さくなり光ポンピング磁力計において大きな応答が得られる被測定磁場の周波数範囲が狭くなる。
ゆえにＴ２に対して短い周期、あるいは（数式２）であらわされるカットオフ周波数ｆｃに対して高い周波数で変動する被測定磁場においては離調がゼロのままＴ２を長くしても、光ポンピング磁力計の応答が向上しない。
図４は、Ｔ２が１１．９ｍｓであるときの離調に対する光ポンピング磁力計の応答について実験によって得られた結果をプロットしたものである。
なお、図４は本実施例のものによる効果を明らかにするために振動磁場の周波数を変化させているが、本実施例のものを実施する場合は振動磁場の周波数は固定する。
図４は被測定磁場の周波数が５０Ｈｚと１００Ｈｚであり、Ｔ２が１１．９ｍｓのときの（数式２）から得られるカットオフ周波数１３．４Ｈｚよりも高い。
離調を大きくしていくと、光ポンピング磁力計の応答が向上しそれぞれの被測定磁場の周波数が離調と一致した５０Ｈｚおよび１００Ｈｚのときに応答が最大となった。
また、離調がゼロのときよりも光ポンピング磁力計の応答が５０Ｈｚの被測定磁場の周波数に対して最大で２倍、１００Ｈｚの被測定磁場に対して最大で４倍向上した。
なお、図４は本実施例のものによる効果を明らかにするために振動磁場の周波数を変化させているが、本実施例のものを実施する場合は振動磁場の周波数は固定する。
図４は被測定磁場の周波数が５０Ｈｚと１００Ｈｚであり、Ｔ２が１１．９ｍｓのときの（数式２）から得られるカットオフ周波数１３．４Ｈｚよりも高い。
離調を大きくしていくと、光ポンピング磁力計の応答が向上しそれぞれの被測定磁場の周波数が離調と一致した５０Ｈｚおよび１００Ｈｚのときに応答が最大となった。
また、離調がゼロのときよりも光ポンピング磁力計の応答が５０Ｈｚの被測定磁場の周波数に対して最大で２倍、１００Ｈｚの被測定磁場に対して最大で４倍向上した。
離調と被測定磁場の周波数が一致したときに光ポンピング磁力計の応答が最大となることは、カリウム原子の電子スピンに対してブロッホ方程式を解くことにより導くこともできる。
例えば、振動磁場の角周波数ｗで回転する直交座標系におけるブロッホ方程式はパルスおよびフーリェ変換ＮＭＲ（吉岡書店、１９８３年発行）の１４１ページに示されているが、行列形式として、次の（数式３）のように表すことができる。
（数式３）
Ｍはスピンによる磁化をあらわす３次元ベクトルでｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を有する。Ｍ０は磁化の平衡値で、Ａは作用行列であり、次の（数式４）のように表すことができる。（数式４）
ｄｗは角周波数であらわされた離調であり、Ｔ１は縦緩和時間、ｗ１は振動磁場の強度Ｈ１とカリウム原子の電子スピンの磁気回転比γによって決まる角周波数であり、次の（数式５）のように表すことができる。
（数式５）
静磁場はｚ方向に、そして振動磁場はｘ方向に印加されている。なお光ポンピング磁力計では振動磁場の強度は０．１ｎＴ程度であり、またカリウム原子の電子スピンの大きさは７ＧＨｚ／Ｔであるため、ｗ１の大きさは０．７Ｈｚ程度となる。
例えば、振動磁場の角周波数ｗで回転する直交座標系におけるブロッホ方程式はパルスおよびフーリェ変換ＮＭＲ（吉岡書店、１９８３年発行）の１４１ページに示されているが、行列形式として、次の（数式３）のように表すことができる。
（数式３）
Ｍはスピンによる磁化をあらわす３次元ベクトルでｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を有する。Ｍ０は磁化の平衡値で、Ａは作用行列であり、次の（数式４）のように表すことができる。（数式４）
ｄｗは角周波数であらわされた離調であり、Ｔ１は縦緩和時間、ｗ１は振動磁場の強度Ｈ１とカリウム原子の電子スピンの磁気回転比γによって決まる角周波数であり、次の（数式５）のように表すことができる。
（数式５）
静磁場はｚ方向に、そして振動磁場はｘ方向に印加されている。なお光ポンピング磁力計では振動磁場の強度は０．１ｎＴ程度であり、またカリウム原子の電子スピンの大きさは７ＧＨｚ／Ｔであるため、ｗ１の大きさは０．７Ｈｚ程度となる。
さらに、静磁場方向に被測定磁場が加わることにより、作用行列Ａおよび磁化Ｍは時間に依存して変動する。ここで作用行列Ａを時間に依存する項Ａｅ（ｔ）と時間に依存しない項Ａｉで、次の（数式６）のように表すことができる。
（数式６）
同様に磁化Ｍを時間に依存する項Ｍｅ（ｔ）と時間に依存しない項Ｍｉで、次の（数式７）のように表すことができる。
（数式７）
上記（数式６）および（数式７）を（数式３）に代入し、時間に依存する項は、次の（数式８）のように表すことができる。
（数式８）
Ｔ１とＴ２が等しいときに作用行列Ａの固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３は、次の（数式９）のようになる。但し、ｊは虚数をあらわす。
（数式９）
また、固有値に対応する固有ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、Ｍｅ（ｔ）を表すと、次の（数式１０）のようになる。
（数式１０）
Ｔｋ（ｔ）はそれぞれの固有ベクトル成分の大きさをあらわす係数で時間の関数である。（数式１０）を（数式９）に代入して、さらに固有ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と内積をとることで、それぞれの成分はｋ＝１，２，３として、次の（数式１１）のようになる。
（数式１１）
ここで被測定磁場は角周波数ｗｍで振動し、振幅がＨｓであるｚ方向の磁場とする。Ａｅ（ｔ）は、次の（数式１２）のように表すことができる。
（数式１２）
Ｕは、ｗｅ＝γＨｓを用いて、次の（数式１３）のように表すことができる。
（数式１３）
作用行列Ａの要素の中でｚ方向の静磁場が寄与する項、すなわち離調ｄｗの要素に対して作用行列の時間変化Ａｅ（ｔ）がゼロでない要素をもつことがわかる。さらにｋ＝１、２、３として、次の（数式１４）のようになる。
（数式１４）
以上より（数式１１）の微分方程式の解は、次の（数式１５）のようになる。
（数式１５）
上記（数式９）より固有値の実部は負であるため（数式１５）の第１項は時間とともに減衰する。
ゆえにＡｅ（ｔ）の変動の影響としては（数式１５）の第２項のみが残り、次の（数式１６）のようになる。
（数式１６）
但し、ｄ１、ｄ２、ｄ３は位相であり、固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３および角周波数ｗｍで決定される。作用行列Ａの固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３を（数式１６）へ代入し、かつｗ１は０．７Ｈｚ程度であることからｄｗに対して無視すると、次の（数式１７）のようになる。（数式１７）
ｄ’２,ｄ’３およびｄ’’２,ｄ’’３はそれぞれｄ１およびｄ２の実部と虚部である。（数式１７）よりｄｗに対して変動する第２項について着目する。ｋ＝２、３に対して位相ｄｋの実部および虚部は（数式９）および（数式１５）より、次の(数式１８)のようにあらわされる。
(数式１８)
（数式１８）から離調ｄｗが角周波数ｗｍに等しいときｄ”２およびｄ”３は極大となる。さらにｄ”２およびｄ”３が最大のとき、（数式１７）の双曲線関数も最大となるために、磁化の時間に対する変動をあらわすＭｅ（ｔ）は最大となる。
よってＡｅ（ｔ）の変動の角周波数ｗｍと角周波数での離調ｄｗが一致したときに磁化の変動の振幅は最大となる。
Ａｅ（ｔ）の変動は角周波数ｗｍで振動する被測定磁場により生じたので、被測定磁場の角周波数と角周波数での離調ｄｗが一致したときにカリウム原子の電子スピンの変動が最大となり、被測定磁場に対する光ポンピング磁力計の応答が最大となる。
（数式６）
同様に磁化Ｍを時間に依存する項Ｍｅ（ｔ）と時間に依存しない項Ｍｉで、次の（数式７）のように表すことができる。
（数式７）
上記（数式６）および（数式７）を（数式３）に代入し、時間に依存する項は、次の（数式８）のように表すことができる。
（数式８）
Ｔ１とＴ２が等しいときに作用行列Ａの固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３は、次の（数式９）のようになる。但し、ｊは虚数をあらわす。
（数式９）
また、固有値に対応する固有ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、Ｍｅ（ｔ）を表すと、次の（数式１０）のようになる。
（数式１０）
Ｔｋ（ｔ）はそれぞれの固有ベクトル成分の大きさをあらわす係数で時間の関数である。（数式１０）を（数式９）に代入して、さらに固有ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と内積をとることで、それぞれの成分はｋ＝１，２，３として、次の（数式１１）のようになる。
（数式１１）
ここで被測定磁場は角周波数ｗｍで振動し、振幅がＨｓであるｚ方向の磁場とする。Ａｅ（ｔ）は、次の（数式１２）のように表すことができる。
（数式１２）
Ｕは、ｗｅ＝γＨｓを用いて、次の（数式１３）のように表すことができる。
（数式１３）
作用行列Ａの要素の中でｚ方向の静磁場が寄与する項、すなわち離調ｄｗの要素に対して作用行列の時間変化Ａｅ（ｔ）がゼロでない要素をもつことがわかる。さらにｋ＝１、２、３として、次の（数式１４）のようになる。
（数式１４）
以上より（数式１１）の微分方程式の解は、次の（数式１５）のようになる。
（数式１５）
上記（数式９）より固有値の実部は負であるため（数式１５）の第１項は時間とともに減衰する。
ゆえにＡｅ（ｔ）の変動の影響としては（数式１５）の第２項のみが残り、次の（数式１６）のようになる。
（数式１６）
但し、ｄ１、ｄ２、ｄ３は位相であり、固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３および角周波数ｗｍで決定される。作用行列Ａの固有値ｒ１、ｒ２、ｒ３を（数式１６）へ代入し、かつｗ１は０．７Ｈｚ程度であることからｄｗに対して無視すると、次の（数式１７）のようになる。（数式１７）
ｄ’２,ｄ’３およびｄ’’２,ｄ’’３はそれぞれｄ１およびｄ２の実部と虚部である。（数式１７）よりｄｗに対して変動する第２項について着目する。ｋ＝２、３に対して位相ｄｋの実部および虚部は（数式９）および（数式１５）より、次の(数式１８)のようにあらわされる。
(数式１８)
（数式１８）から離調ｄｗが角周波数ｗｍに等しいときｄ”２およびｄ”３は極大となる。さらにｄ”２およびｄ”３が最大のとき、（数式１７）の双曲線関数も最大となるために、磁化の時間に対する変動をあらわすＭｅ（ｔ）は最大となる。
よってＡｅ（ｔ）の変動の角周波数ｗｍと角周波数での離調ｄｗが一致したときに磁化の変動の振幅は最大となる。
Ａｅ（ｔ）の変動は角周波数ｗｍで振動する被測定磁場により生じたので、被測定磁場の角周波数と角周波数での離調ｄｗが一致したときにカリウム原子の電子スピンの変動が最大となり、被測定磁場に対する光ポンピング磁力計の応答が最大となる。
ここまで、光ポンピング磁力計のスピンによる磁化に関するブロッホ方程式を解くことで本発明の効果を示した。
ブロッホ方程式は、印加されている静磁場の方向を回転軸に対して振動磁場の周波数で回転している回転座標系で考えた。
ここに時間に依存する摂動として、静磁場と同じ方向を向いて角周波数ｗｍで振動する被測定磁場を加えた。
ブロッホ方程式の時間に依存する一次の摂動解を求めるために、時間依存のない作用行列の固有ベクトルで展開をして、固有ベクトルごとの摂動解の挙動を調べた。
その結果、（数式１７）、（数式１８）であらわされるように、被測定磁場の角周波数ｗｍと離調の角周波数ｄｗとが一致するときに、固有ベクトルＬ２とＬ３に対応して磁化が角周波数ｗｍで振動する摂動解において、磁化ベクトルの振幅が最大となることを数式によって示すことができた。
ブロッホ方程式は、印加されている静磁場の方向を回転軸に対して振動磁場の周波数で回転している回転座標系で考えた。
ここに時間に依存する摂動として、静磁場と同じ方向を向いて角周波数ｗｍで振動する被測定磁場を加えた。
ブロッホ方程式の時間に依存する一次の摂動解を求めるために、時間依存のない作用行列の固有ベクトルで展開をして、固有ベクトルごとの摂動解の挙動を調べた。
その結果、（数式１７）、（数式１８）であらわされるように、被測定磁場の角周波数ｗｍと離調の角周波数ｄｗとが一致するときに、固有ベクトルＬ２とＬ３に対応して磁化が角周波数ｗｍで振動する摂動解において、磁化ベクトルの振幅が最大となることを数式によって示すことができた。
図５は、振動磁場の離調を５０Ｈｚと１００Ｈｚおよび離調なしの場合の光ポンピング磁力計の応答と被測定磁場の周波数に対して計算した結果をプロットした図である。
前記のように被測定磁場の周波数と離調が一致したときに光ポンピング磁力計の応答が最も良いが、離調なしのときの磁力計の応答よりも離調時の応答が向上するという周波数領域では、図５より被測定磁場の周波数に対して±２０％以内の範囲で離調することが好ましい。
例えば、被測定磁場の周波数が５０Ｈｚのときでは離調の範囲は４０Ｈｚから６０Ｈｚが好ましく、１００Ｈｚのときは離調の範囲は８０Ｈｚから１２０Ｈｚが好ましい。
以上のように、離調を所定の範囲内に設定するには、静磁場または振動磁場を調整することによって設定可能である。
具体的には、静磁場の調整は、コイル１７に入力する電流値の調整により行うことができる。
また、振動磁場の調整は、励起コイル１９に入力する電流の周波数の調整により行うことができる。
前記のように被測定磁場の周波数と離調が一致したときに光ポンピング磁力計の応答が最も良いが、離調なしのときの磁力計の応答よりも離調時の応答が向上するという周波数領域では、図５より被測定磁場の周波数に対して±２０％以内の範囲で離調することが好ましい。
例えば、被測定磁場の周波数が５０Ｈｚのときでは離調の範囲は４０Ｈｚから６０Ｈｚが好ましく、１００Ｈｚのときは離調の範囲は８０Ｈｚから１２０Ｈｚが好ましい。
以上のように、離調を所定の範囲内に設定するには、静磁場または振動磁場を調整することによって設定可能である。
具体的には、静磁場の調整は、コイル１７に入力する電流値の調整により行うことができる。
また、振動磁場の調整は、励起コイル１９に入力する電流の周波数の調整により行うことができる。
以上のことから、被測定磁場の周波数成分のうち１００Ｈｚを検出する場合は、離調が１００Ｈｚとなるように信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０．１ｋＨｚまたは９．９ｋＨｚに設定する。
あるいは、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が９．９ｋＨｚ、または１０．１ｋＨｚとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、静磁場強度が１．４１μＴまたは１．４５μＴとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、被測定磁場の周波数成分のうち１００Ｈｚを検出する場合において離調が８０Ｈｚから１２０Ｈｚの範囲内であってもよい。
信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０．０８ｋＨｚから１０．１２ｋＨｚまたは９．８８ｋＨｚから９．１２ｋＨｚの範囲内で設定する。
あるいは、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が１０．０８ｋＨｚから１０．１２ｋＨｚ、または９．８８ｋＨｚから９．９２ｋＨｚとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、静磁場強度が１．４４０μＴから１．４４６μＴの範囲、または１．４１１μＴから１．４１７μＴの範囲となるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
あるいは、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が９．９ｋＨｚ、または１０．１ｋＨｚとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、静磁場強度が１．４１μＴまたは１．４５μＴとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、被測定磁場の周波数成分のうち１００Ｈｚを検出する場合において離調が８０Ｈｚから１２０Ｈｚの範囲内であってもよい。
信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０．０８ｋＨｚから１０．１２ｋＨｚまたは９．８８ｋＨｚから９．１２ｋＨｚの範囲内で設定する。
あるいは、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が１０．０８ｋＨｚから１０．１２ｋＨｚ、または９．８８ｋＨｚから９．９２ｋＨｚとなるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
また、静磁場強度が１．４４０μＴから１．４４６μＴの範囲、または１．４１１μＴから１．４１７μＴの範囲となるように、電流源１８から電流をコイル１７に供給し、信号発生器２０の駆動電流の周波数を１０ｋＨｚに設定してもよい。
本実施例では、被測定磁場の周波数が５０Ｈｚおよび１００Ｈｚにおいて本発明による効果を示したが、これらの周波数に効果が限られるものではない。
図６は、振動磁場の離調を１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、４０Ｈｚ，５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚ、７００Ｈｚ、９００Ｈｚおよび離調なしの場合の光ポンピング磁力計の応答と被測定磁場の周波数に対して計算した結果をプロットした図である。被測定磁場の周波数が１００Ｈｚ以上であっても、被測定磁場の周波数と同じ大きさの離調を与えることで離調なしの光ポンピング磁力計の応答を向上させることが可能である。
また、被測定磁場として単一周波数の振動磁場を例示して説明してきたが、４０Ｈｚから６０Ｈｚの帯域内に広がったパワースペクトルを有する一般的な変動磁場に対して、５０Ｈｚの離調を与えて測定をしてもよい。
また、上記の光ポンピング磁力計を複数有するように構成し、これらの複数の光ポンピング磁力計における夫々の離調が、被測定磁場に対して所定の範囲内で互いに異なっているようにすることで、互いに異なる周波数の磁場の測定を行うようにしてもよい。
図６は、振動磁場の離調を１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、４０Ｈｚ，５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚ、７００Ｈｚ、９００Ｈｚおよび離調なしの場合の光ポンピング磁力計の応答と被測定磁場の周波数に対して計算した結果をプロットした図である。被測定磁場の周波数が１００Ｈｚ以上であっても、被測定磁場の周波数と同じ大きさの離調を与えることで離調なしの光ポンピング磁力計の応答を向上させることが可能である。
また、被測定磁場として単一周波数の振動磁場を例示して説明してきたが、４０Ｈｚから６０Ｈｚの帯域内に広がったパワースペクトルを有する一般的な変動磁場に対して、５０Ｈｚの離調を与えて測定をしてもよい。
また、上記の光ポンピング磁力計を複数有するように構成し、これらの複数の光ポンピング磁力計における夫々の離調が、被測定磁場に対して所定の範囲内で互いに異なっているようにすることで、互いに異なる周波数の磁場の測定を行うようにしてもよい。
また、以上では、光ポンピング磁力計について説明したが、上記した原理を用いて次のような磁力計の応答を向上させ、高感度に磁気信号を計測することが可能となる磁気セン
シング方法を実現することができる。
シング方法を実現することができる。
すなわち、アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるための円偏光ポンピングを行う工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを静磁場を軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程で得られる出力信号と前記振動磁場印加工程において振動磁場を生成する入力信号の位相差を含む情報を検出する工程と、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場を印加するコイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定する工程と、
を有する磁気センシング方法を実現するようにすることができる。
その際、上記した磁気センシング方法の各工程をプログラムし、あるいはこのプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録させ、コンピュータに実行させるようにすることができる。
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを静磁場を軸とした回転運動させるための振動磁場を印加する振動磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程で得られる出力信号と前記振動磁場印加工程において振動磁場を生成する入力信号の位相差を含む情報を検出する工程と、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場を印加するコイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、
前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、前記光ポンピング磁力計の応答性を向上させるように、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定する工程と、
を有する磁気センシング方法を実現するようにすることができる。
その際、上記した磁気センシング方法の各工程をプログラムし、あるいはこのプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録させ、コンピュータに実行させるようにすることができる。
［実施例２］
実施例２として、本発明による光ポンピング磁力計を生体磁気計測に適用した構成例を、図７を用いて説明する。
本実施例の生体磁気計測では、図７に示すように、磁気センサ部２１１および磁気センサ部２１２により被験者の頭部２５１から脳活動などによって生ずる微小磁場を計測する。磁気センサ部２１１および磁気センサ部２１２と被験者は地磁気や外部環境磁場を遮蔽するための磁気シールド２３１内に配置されている。
センサ電装部２２１は光ファイバやケーブルにより、磁気シールド２３１内に設けられた開口を介して磁気センサ部２１１と接続されている。
また、振動磁場を印加するための駆動電流を発生させる信号発生器２０１とセンサ電装部２２１が接続されている。
同様に、センサ電装部２２２は磁気センサ部２１２と接続され、信号発生器２０２とセンサ電装部２２２が接続されている。
センサ電装部２２１とセンサ電装部２２２の出力はＡＤ変換器を介してパーソナルコンピュータ２４に取り込まれ、磁気測定結果を出力する。
実施例２として、本発明による光ポンピング磁力計を生体磁気計測に適用した構成例を、図７を用いて説明する。
本実施例の生体磁気計測では、図７に示すように、磁気センサ部２１１および磁気センサ部２１２により被験者の頭部２５１から脳活動などによって生ずる微小磁場を計測する。磁気センサ部２１１および磁気センサ部２１２と被験者は地磁気や外部環境磁場を遮蔽するための磁気シールド２３１内に配置されている。
センサ電装部２２１は光ファイバやケーブルにより、磁気シールド２３１内に設けられた開口を介して磁気センサ部２１１と接続されている。
また、振動磁場を印加するための駆動電流を発生させる信号発生器２０１とセンサ電装部２２１が接続されている。
同様に、センサ電装部２２２は磁気センサ部２１２と接続され、信号発生器２０２とセンサ電装部２２２が接続されている。
センサ電装部２２１とセンサ電装部２２２の出力はＡＤ変換器を介してパーソナルコンピュータ２４に取り込まれ、磁気測定結果を出力する。
つぎに、センサ電装部２２１と磁気センサ部２１１の構成について説明をする。ここでの、微小磁場の検出原理は実施例１と同じである。
図８に、センサ電装部２２１と磁気センサ部２１１との接続関係を示す。
なお、センサ電装部２２２と磁気センサ部２１２との接続関係も同様に示されている。
光ポンピングレーザ光源１から出力されるポンプレーザ光は１／４波長板３およびレンズ５１、光ファイバ６１を介して磁気センサ部２１１へ入射する。
プローブレーザ光源２は１／２波長板４およびレンズ５２、光ファイバ６２を介して磁気センサ部２１１へ入射する。
電流源１８はコイル１７と接続されており、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が１０ｋＨｚとなるように一様な静磁場強度１．４２９μＴを印加する。
なお、磁気センサ部２１１およびセンサ電装部２２１は被験者頭部２５１内から生ずる微小磁場のうちコイル１７により印加される静磁場方向の成分を検出する。
図８に、センサ電装部２２１と磁気センサ部２１１との接続関係を示す。
なお、センサ電装部２２２と磁気センサ部２１２との接続関係も同様に示されている。
光ポンピングレーザ光源１から出力されるポンプレーザ光は１／４波長板３およびレンズ５１、光ファイバ６１を介して磁気センサ部２１１へ入射する。
プローブレーザ光源２は１／２波長板４およびレンズ５２、光ファイバ６２を介して磁気センサ部２１１へ入射する。
電流源１８はコイル１７と接続されており、カリウム原子の電子スピンのラーモア周波数が１０ｋＨｚとなるように一様な静磁場強度１．４２９μＴを印加する。
なお、磁気センサ部２１１およびセンサ電装部２２１は被験者頭部２５１内から生ずる微小磁場のうちコイル１７により印加される静磁場方向の成分を検出する。
励起コイル１９は信号発生器２０１から供給される駆動電流により振動磁場を印加する。
磁気センサ部２１１から出射されるプローブレーザ光の一部は光ファイバ１０１を介しフォトディテクタ１１１にて電気信号に変換される。
また、磁気センサ部２１２から出射されるプローブレーザ光の一部は光ファイバ１０２を介しフォトディテクタ１１２にて電気信号に変換される。
フォトディテクタ１１１とフォトディテクタ１１２の電気信号は差動増幅器１３を介して位相検出器２３へ入力される。
また、信号発生器２０１の駆動電流の一部は位相検出器２３へ入力され、差動増幅器１３の出力との位相差に比例した電気信号は電装部２２１の出力として図７のパーソナルコンピュータ２４へ出力される。
磁気センサ部２１１から出射されるプローブレーザ光の一部は光ファイバ１０１を介しフォトディテクタ１１１にて電気信号に変換される。
また、磁気センサ部２１２から出射されるプローブレーザ光の一部は光ファイバ１０２を介しフォトディテクタ１１２にて電気信号に変換される。
フォトディテクタ１１１とフォトディテクタ１１２の電気信号は差動増幅器１３を介して位相検出器２３へ入力される。
また、信号発生器２０１の駆動電流の一部は位相検出器２３へ入力され、差動増幅器１３の出力との位相差に比例した電気信号は電装部２２１の出力として図７のパーソナルコンピュータ２４へ出力される。
図９に、磁気センサ部２１１の構成を示す。なお、磁気センサ部２１２の構成についても同様に示されている。
ガラスセル２２は恒温槽２１内に納められており、図８の電流源１６と接続されているヒーター１５により約１００℃程度まで加熱される。
ポンプレーザ光はレンズ７１を介してガラスセル２２へ照射される。プローブレーザ光はレンズ７２を介してミラー２５で反射され、ガラスセル２２を通過しミラー２６で反射されて偏光ビームスプリッタ８に入射する。
プローブレーザ光は偏光ビームスプリッタ８にてＰ波偏光は透過しレンズ９１を介して光ファイバ１０１へ結合する。また偏光ビームスプリッタにて反射されたＳ波偏光はミラー２７で反射されてレンズ９２を介して光ファイバ１０２へ結合する。
なお、ベース１４上に、恒温槽２１、ガラスセル２２、ヒーター１５、レンズ７１、レンズ７２、偏光ビームスプリッタ８、レンズ９１、レンズ９２、ミラー２５、ミラー２６、ミラー２７が固定されている。そして、磁気センサ部２１１の移動または運搬に伴い、プローブレーザ光およびポンプレーザ光の光軸がずれないようになっている。
ガラスセル２２は恒温槽２１内に納められており、図８の電流源１６と接続されているヒーター１５により約１００℃程度まで加熱される。
ポンプレーザ光はレンズ７１を介してガラスセル２２へ照射される。プローブレーザ光はレンズ７２を介してミラー２５で反射され、ガラスセル２２を通過しミラー２６で反射されて偏光ビームスプリッタ８に入射する。
プローブレーザ光は偏光ビームスプリッタ８にてＰ波偏光は透過しレンズ９１を介して光ファイバ１０１へ結合する。また偏光ビームスプリッタにて反射されたＳ波偏光はミラー２７で反射されてレンズ９２を介して光ファイバ１０２へ結合する。
なお、ベース１４上に、恒温槽２１、ガラスセル２２、ヒーター１５、レンズ７１、レンズ７２、偏光ビームスプリッタ８、レンズ９１、レンズ９２、ミラー２５、ミラー２６、ミラー２７が固定されている。そして、磁気センサ部２１１の移動または運搬に伴い、プローブレーザ光およびポンプレーザ光の光軸がずれないようになっている。
センサ電装部２２１へ接続されている信号発生器２０１の駆動電流は１０ｋＨｚであって、ガラスセル２２内のカリウム原子の電子スピンのラーモア周波数と一致している。
また、センサ電装部２２２へ接続されている信号発生器２０２の駆動電流を１０．０３ｋＨｚとする。すなわち磁気センサ部２１１では振動磁場に対するラーモア周波数の離調はゼロであり、磁気センサ部２１２では離調は３０Ｈｚである。このときの磁気センサ部２１１と磁気センサ部２１２の磁力計の応答と微小磁場の周波数の関係を図１０に示している。
なお、横緩和時間は１１．９ｍｓである。磁気センサ部２１１のみでは２５Ｈｚ以上の周波数に対しては低い周波数（１０Ｈｚ）の応答の半分以下まで減少している。
しかしながら、被験者頭部２５１から生ずる微小磁場の周波数成分が２５Ｈｚ未満の周波数帯は磁気センサ部２１１を用い、微小磁場の周波数成分が２５Ｈｚ以上の周波数帯は磁気センサ部２１２を用いて同時に測定することで、周波数４０Ｈｚまで低い周波数（１０Ｈｚ）の応答の半分以上の応答で微小磁場を測定できる。
また、センサ電装部２２２へ接続されている信号発生器２０２の駆動電流を１０．０３ｋＨｚとする。すなわち磁気センサ部２１１では振動磁場に対するラーモア周波数の離調はゼロであり、磁気センサ部２１２では離調は３０Ｈｚである。このときの磁気センサ部２１１と磁気センサ部２１２の磁力計の応答と微小磁場の周波数の関係を図１０に示している。
なお、横緩和時間は１１．９ｍｓである。磁気センサ部２１１のみでは２５Ｈｚ以上の周波数に対しては低い周波数（１０Ｈｚ）の応答の半分以下まで減少している。
しかしながら、被験者頭部２５１から生ずる微小磁場の周波数成分が２５Ｈｚ未満の周波数帯は磁気センサ部２１１を用い、微小磁場の周波数成分が２５Ｈｚ以上の周波数帯は磁気センサ部２１２を用いて同時に測定することで、周波数４０Ｈｚまで低い周波数（１０Ｈｚ）の応答の半分以上の応答で微小磁場を測定できる。
磁気センサ部２１１とセンサ電装部２２１の出力および磁気センサ部２１２とセンサ電装部２２２の出力は、パーソナルコンピュータ２４内でＦＦＴ周波数解析される。
そして、周波数成分が２５Ｈｚ未満の場合はセンサ電装部２２１、周波数成分２５Ｈｚ以上の場合はセンサ電装部２２２の出力を、被験者頭部２５１から生ずる微小磁場の測定結果として出力する。
本実施例では振動磁場に対するラーモア周波数の離調が異なる２つの磁気センサ部を用いているが、これに限らず３つ以上であってもよい。
そして、周波数成分が２５Ｈｚ未満の場合はセンサ電装部２２１、周波数成分２５Ｈｚ以上の場合はセンサ電装部２２２の出力を、被験者頭部２５１から生ずる微小磁場の測定結果として出力する。
本実施例では振動磁場に対するラーモア周波数の離調が異なる２つの磁気センサ部を用いているが、これに限らず３つ以上であってもよい。
１：光ポンピングレーザ光源
２：プローブレーザ光源
３：１／４波長板
４：１／２波長板
８：偏光ビームスプリッタ
１１１：フォトディテクタ
１１２：フォトディテクタ
１３：差動増幅装置
１４：ベース
１５：ヒーター
１６：電流源
１７：コイル
１８：電流源
１９：励起コイル
２０：信号発生器
２１：恒温槽
２２：ガラスセル
２３：位相検出器
２４：パーソナルコンピュータ
２：プローブレーザ光源
３：１／４波長板
４：１／２波長板
８：偏光ビームスプリッタ
１１１：フォトディテクタ
１１２：フォトディテクタ
１３：差動増幅装置
１４：ベース
１５：ヒーター
１６：電流源
１７：コイル
１８：電流源
１９：励起コイル
２０：信号発生器
２１：恒温槽
２２：ガラスセル
２３：位相検出器
２４：パーソナルコンピュータ
Claims (15)
- 磁場を計測する光ポンピング磁力計であって、
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるため、前記セルに円偏光ポンピング光を照射する手段と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出すための直線偏光プローブ光を出射する手段と、
前記直線偏光プローブ光の偏光面の回転変位を検出するプローブ光検出系と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加コイルと、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを、前記静磁場を軸とした回転運動をさせるための振動磁場を印加する振動磁場印加コイルと、
前記プローブ光検出系の出力信号と前記振動磁場印加コイルへ入力する駆動電流の位相差を含む情報を検出する手段と、
を備え、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場印加コイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定可能に構成されていることを特徴とする光ポンピング磁力計。 - 前記静磁場の調整が、前記静磁場印加コイルに入力する電流値の調整により行われることを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
- 前記振動磁場の調整が、前記振動磁場印加コイルに入力する電流の周波数の調整により行われることを特徴とする請求項１に記載の光ポンピング磁力計。
- 前記離調が、被測定磁場に対して±２０％以内の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
- 前記被測定磁場が、アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
- 前記短い周期で変動する磁場が、被験者の頭部から生じる微小磁場であることを特徴とする請求項５に記載の光ポンピング磁力計。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計を複数有し、該複数の光ポンピング磁力計における夫々の離調が、被測定磁場に対して所定の範囲内で互いに異なっていることを特徴とする光ポンピング磁力計。
- 磁場を計測する磁気センシング方法であって、
アルカリ金属原子集団を有するセルと前記セル内の前記アルカリ金属原子集団のスピン偏極を生じさせるための円偏光ポンピングを行う工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程と、
前記アルカリ金属原子集団に静磁場を印加する静磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを、前記静磁場を軸とした回転運動をさせるための振動磁場を印加する振動磁場印加工程と、
前記アルカリ金属原子集団のスピンを読み出す工程で得られる出力信号と前記振動磁場を印加する工程において振動磁場を生成する入力信号の位相差を含む情報を検出する工程と、
前記静磁場から定まるラーモア周波数と前記振動磁場を印加するコイルへ入力される前記駆動電流の周波数の差である離調を、前記静磁場または前記振動磁場を調整することによって、被測定磁場に対して所定の範囲内に設定する工程と、
を有することを特徴とする磁気センシング方法。 - 前記静磁場の調整を、前記静磁場印加コイルに入力する電流値の調整により行うことを特徴とする請求項８に記載の磁気センシング方法。
- 前記振動磁場の調整を、前記振動磁場印加コイルに入力する電流の周波数の調整により行うことを特徴とする請求項８に記載の磁気センシング方法。
- 前記離調が、被測定磁場に対して±２０％以内の範囲に設定されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
- 前記被測定磁場が、アルカリ金属原子の電子スピンの横緩和時間よりも短い周期で変動する磁場であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
- 前記短い周期で変動する磁場が、被験者の頭部から生じる微小磁場であることを特徴とする請求項１２に記載の磁気センシング方法。
- 請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の磁気センシング方法の各工程をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
- 請求項１４に記載のプログラムを記録した前記コンピュータが読み取り可能であることを特徴とする記録媒体。
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