JP6463423B2

JP6463423B2 - 光ポンピング磁力計

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Publication number: JP6463423B2
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Inventors: 市原　直; 直市原; 水谷　夏彦; 夏彦水谷; 哲生小林; 周路田上
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Description

本発明は、磁場強度を計測するセンシング方法に関し、具体的には原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計に関する。

光ポンピング磁力計は、ポンプ光によって偏極した原子集団のスピン偏極が測定対象磁場により回転するものをプローブ光の偏光面の回転として測定するものである。

このような光ポンピング磁力計として、特許文献１には、アルカリ金属ガスが内包されたセルと、ポンプ光用光源と、プローブ光用光源とを有し、微弱な磁場を検出できるようにした光ポンピング磁力計が記載されている。

この特許文献１では、プローブ光はポンプ光の光路と垂直な方向に入射させている。

また、非特許文献１では、デバイス配置の自由度を高めるため、１軸の楕円偏光の光をセルに入射する光ポンピング磁力計が示されている。

また、特許文献２においては、磁力計目的ではなく、^３Ｈｅを偏極させることを目的として、ＲｂとＫのスピン交換相互作用を利用してＲｂの偏極をＫに移すことにより、Ｒｂを光ポンピングしてＫを偏極し、最終的に^３Ｈｅを偏極させる手法が報告されている。このスピン交換相互作用を用いても、光ポンピングと同様にＫを十分に偏極することができる。

米国特許第７，０３８，４５０号米国特許第６，３１８，０９２号

Ｖ．ＳｈａｈａｎｄＭ．Ｖ．Ｒｏｍａｌｉｓ ¨Ｓｐｉｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｒｅｌａｘａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｒｙｕｓｉｎｇｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ¨ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ８０，０１３４１６（２００９）

しかしながら、上記従来例の光ポンピング磁力計においては、つぎのような課題を有している。

上記特許文献１のものでは、ポンプ光とプローブ光が直交に配置されていたため、デバイス配置の自由度が制限されてしまうという問題があった。

特に、複数のセルをアレイ状に配置しようとした場合、ポンプ光とプローブ光の光軸とセルが干渉してしまうという問題があった。

また、上記非特許文献１に記載の技術では、プローブ光を楕円偏光にすることで円偏光であるポンプ光と直線偏光であるプローブ光を同軸に重ね合わせたものと同じ作用を持たせた配置を取っている。

しかし、プローブ光の偏光面の回転角を測定する際に、ポンプ光として作用する成分とプローブ光として作用する成分を分離することは困難であり、ポンプ光として作用する成分による光のショットノイズが信号から分離できず、その結果、雑音レベルが上昇するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、ポンプ光とプローブ光とが同一光軸をなすようにした構成のもとで、ポンプ光とプローブ光とを分離することができ、デバイス配置の自由度を高めることが可能となる光ポンピング磁力計の提供を目的とする。

本発明の原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計は、
第１のアルカリ金属原子群と、該第１のアルカリ金属原子群とスピン交換相互作用をする第２のアルカリ金属原子群と、が内包されたセルと、
前記第１のアルカリ金属原子群をスピン偏極させる第１の波長を有するポンプ光を前記セルに入射させるポンプ光光学系と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長を有し、前記第２のアルカリ金属原子群のスピン偏極を測定するプローブ光を、前記ポンプ光と同一光軸をなすように前記セルに入射させるプローブ光光学系と、
前記セルを通過した前記ポンプ光と前記プローブ光を、波長の違いにより弁別する波長弁別手段と、
前記セルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ポンプ光とプローブ光とが同一光軸をなすようにした構成のもとで、ポンプ光とプローブ光とを分離することができ、デバイス配置の自由度を高めることが可能となる光ポンピング磁力計を実現することができる。

本発明の実施形態における光ポンピング磁力計の概念図。本発明の実施形態における原子集団のスピン偏極の挙動を表した概念図。本発明の実施形態におけるバランス型偏光検出系の模式図。本発明の実施例１における光ポンピング磁力計の模式的断面図。本発明の実施例１における偏光検出系の中にダイクロイックミラーを配置した構成例の概念図。本発明の実施例２における光ポンピング磁力計の模式的断面図。本発明の実施例２における原子集団のスピン偏極の挙動を表した概念図。

本発明の実施形態における原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計について図面を参照して説明する。

本実施形態における光ポンピング磁力計は、図１に示すように、セル１０１と、ポンプ光用光源（ポンプ光光学系）１０２と、プローブ光用光源（プローブ光光学系）１０３と、ダイクロイックミラー１０４、１０５と、偏光検出系（検出手段）１０６と、を備える。セル１０１には、第１のアルカリ金属原子群と、該第１のアルカリ金属原子群とスピン交換相互作用をする第２のアルカリ金属原子群とによる、２種類の異なるアルカリ金属原子群（原子集団）が内包されている。

その際、前記第１のアルカリ金属原子群として、カリウム原子（Ｋ）、ルビジウム原子（Ｒｂ）あるいはセシウム原子（Ｃｓ）を用いることができる。

また、前記第２のアルカリ金属原子群として、カリウム原子（Ｋ）、ルビジウム原子（Ｒｂ）あるいはセシウム原子（Ｃｓ）を用いることができる。

ここで、ポンプ光用光源１０２から出射されるポンプ光１０７の偏光は円偏光である。

一方、プローブ光用光源１０３から出射されるプローブ光１０８の偏光は直線偏光である。

第１のアルカリ金属原子群としてルビジウム原子（Ｒｂ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてカリウム原子（Ｋ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である７９５．０ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である７６９ｎｍ以上、７７１ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

また、第１のアルカリ金属原子群としてセシウム原子（Ｃｓ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてカリウム原子（Ｋ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である８９４．６ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である７６９ｎｍ以上、７７１ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

また、第１のアルカリ金属原子群としてカリウム原子（Ｋ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてルビジウム原子（Ｒｂ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である７７０．１ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である７９４ｎｍ以上、７９６ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

また、第１のアルカリ金属原子群としてカリウム原子（Ｋ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてセシウム原子（Ｃｓ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である７７０．１ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である８９３ｎｍ以上、８９６ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

また、第１のアルカリ金属原子群としてセシウム原子（Ｃｓ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてルビジウム原子（Ｒｂ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である８９４．６ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である７９４ｎｍ以上、７９６ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

また、第１のアルカリ金属原子群としてルビジウム原子（Ｒｂ）を用い、第２のアルカリ金属原子群としてセシウム原子（Ｃｓ）を用いた際、
ポンプ光として、第１の波長である７９５．０ｎｍの波長を有する光を用い、プローブ光として、第２の波長である８９３ｎｍ以上、８９６ｎｍ以下の波長を有する光を用いることができる。

ダイクロイックミラー１０４は、第２のアルカリ金属原子群のスピン偏極を測定するプローブ光を、ポンプ光と同一光軸をなすようにセル１０１に入射させるように配置されている。

セル１０１を通過したプローブ光１０８は、ダイクロイックミラー（波長弁別手段）１０５を透過し、偏光検出系１０６へ入射する。

また、セル１０１を通過したポンプ光１０７は、ダイクロイックミラー１０５により遮断され、検出器１０６へは入らないように構成されている。

上記構成において、円偏光のポンプ光１０７は、セル１０１内のルビジウム原子のスピンの方向を揃え、スピン偏極する。

この際ポンプ光１０７の波長は、ルビジウム原子のＤ１遷移波長にあわせておく。カリウム原子とルビジウム原子は絶えず互いのスピンを交換している。

そのため、光ポンピングによりルビジウム原子が偏極されスピンの向きが揃うと、このスピン交換相互作用により同一方向にカリウム原子のスピンの向きが揃う。

原子集団のスピン偏極は、磁場に応じたトルクを受けて歳差運動を行う。磁場中で光ポンピングを受けているスピンの運動方程式として、光ブロッホ方程式を用いることで、スピンの挙動を記述できることが知られている。

Ｋ原子集団，Ｒｂ原子集団のスピンベクトル、

を、下記（式１）によって表す。

このスピンの挙動は、ポンプ光１０７との相互作用、磁場Ｂとの相互作用、及びルビジウム原子、カリウム原子間のスピン交換相互作用によって決定される。そのスピンの挙動は下記（式２）で示されるブロッホ方程式に従う。

ここで、（式２）の上下両式右辺第１項は外部磁場によるルビジウム原子集団及びカリウム原子集団のスピンの振る舞いを表している。γ_ｅは電子の磁気回転比である。Ｑ_Ｒｂ，Ｑ_Ｋはスローダウンファクターと呼ばれる量であり、スピン偏極率に依存する。ベクトルＢは磁場ベクトルを表している。

この項は、スピン偏極の向きがベクトルＢを回転軸として歳差運動を行うことを示している。

両式右辺第２項は、スピン偏極の緩和を表している。

Ｒ^Ｒｂ _ｒｅｌ、Ｒ^Ｋ _ｒｅｌはＲｂ原子、Ｋ原子それぞれのスピン緩和レートであり、スピン偏極が緩和する大きさを表している。また、（式２）上式に存在するＲ^Ｒｂ _ＯＰはポンピングレートと呼ばれる量であり、ポンプ光１０７によるＲｂ原子に対する光ポンピングの大きさを表している。

ポンプ光はまた同時にスピン偏極の緩和にも寄与する。上式右辺第２項に存在するＲ^Ｒｂ _ＯＰの項にはその寄与も含まれている。

両式右辺第３項はＫ原子及びＲｂ原子間のスピンの交換を表している。

γ^Ｒｂ _ＳＥはＲｂ原子群がＫ原子群からうけるスピン交換相互作用の大きさを表し、γ^Ｋ _ＳＥはＫ原子群がＲｂ原子群からうけるスピン交換相互作用の大きさを表している。この２つの間には（式３）のような関係がある。

ここで、［Ｋ］、［Ｒｂ］はセル内で蒸気になっているＫ原子及びＲｂ原子の個数密度を表している。

この相互作用により光ポンピングにより誘起されたＲｂ原子のスピン偏極がＫ原子に移り、Ｋ原子も偏極される。

（式２）上式右辺第４項は、ベクトルσはポンプ光１０７の円偏光ベクトルであり、ポンプ光１０７の伝播方向を向いたベクトルである。

その大きさは右回り円偏光の場合に＋１、左回り円偏光の場合に−１の値となり、楕円偏光の場合は絶対値が１より小さい値となる。

光ポンピング磁力計には、測定対象の磁場の周波数に応じて２つの動作状態が存在する。以下では、磁場によるスピンの挙動を表した図２を参照しながら、この２つの動作状態について説明する。

まず、ＤＣ磁場測定について説明する。

ここで言うＤＣ磁場とは、測定対象磁場の周波数がおおよそ１０Ｈｚ以下の場合を意味している。

このとき、セル内の磁場を、およそｎＴ（ナノテスラ）以下となるように調整する。

（式２）において、スピン偏極の時間変化がゼロという定常解によってこの状況をよく記述できる。

図２（Ａ）はほぼゼロ磁場に近い環境下のセルにポンプ光２０１を入射した状況を表している。プローブ光は省略してある。ポンプ光２０１によって偏極したＲｂ原子スピン２０２ａはＫ原子スピン２０２ｂとスピン交換相互作用をおこし、Ｋ原子スピン２０２ｂもまたポンプ光２０１の方向に偏極する。図２（Ｂ）はその状況にポンプ光２０１と直交した方向（図２（Ｂ）中ｙ方向）に測定対象磁場２０５を印加した場合を表している。この測定対象磁場２０５より、Ｋ原子スピン２０２ｂが回転する。プローブ光２０３により、磁場により回転したＫ原子集団のスピン２０２ｂのｘ成分Ｓ^Ｋ _ｘを測定する。このような測定では、ポンプ光２０１と直交方向、つまり図２（Ｂ）中ｙ方向あるいはｚ方向の磁場に関して感度を有する。

つぎに、ＡＣ磁場測定について説明する。

ここで言うＡＣ磁場とは、測定対象磁場の周波数がおおよそ１０Ｈｚ以上の場合に該当する。すなわち、ラーモア周波数も１０Ｈｚ以上にあわせるのである。ポンプ光方向にバイアス磁場を印加して、光ポンピング磁力計を共鳴動作させ振動磁場を測定することもできる。

図２（Ｃ）は磁力計にｘ方向にバイアス磁場２０４を印加し、Ｋ原子集団のスピン２０２ｂが、バイアス磁場２０４の方向を回転軸としてバイアス磁場２０４の大きさＢ_ｘで定まるラーモア周波数ｆで歳差運動をしているところを表す。

バイアス磁場２０４の大きさＢｘとラーモア周波数ｆの間には（式４）のような関係がある。

ここで、バイアス磁場２０４と直交する方向に測定対象である周波数ｆの振動磁場を加える。

このとき、Ｋ原子スピン２０２ｂの挙動は、ラーモア歳差運動する定常解によって記述され、（式２）に回転波近似を用いて解くことが出来る。

この測定では、振動磁場成分のうち回転磁場成分を測定しているため、バイアス磁場２０４と直交方向、つまり図２（Ｃ）中ｙ方向あるいはｚ方向の磁場に関して感度を有する。

プローブ光１０８が、その伝播方向と平行方向にスピン偏極した媒質中を通過する場合、磁気光学効果によって、プローブ光１０８の偏光面が回転する。

この偏光面の回転角（ファラデー回転角）は、プローブ光１０８の伝播方向と平行な方向のスピン偏極の大きさで決まる。

したがって、ＤＣ磁場測定、ＡＣ磁場測定の磁力計におけるファラデー回転角は、磁場ベクトルＢの強度を反映した大きさとなる。

偏光測定系１０６は、プローブ光１０８におけるファラデー回転角を測定する。このような測定系として、バランス型偏光測定系やクロスニコル型偏光測定系などを利用することができる。

偏光測定では光子数の平方根に比例する光のショットノイズと呼ばれる原理的なノイズが存在する。

ダイクロイックミラー１０５でポンプ光１０７の光を遮蔽することによりポンプ光由来の光のショットノイズを取り除くことができる。

これを図３を用いて詳しく説明する。

図３は偏光測定方法のうち、バランス型偏光測定系の模式図である。

バランス型偏光測定系は、半波長板３０２、偏光ビームスプリッタ３０３、２つのフォトダイオード３０４ａ、３０４ｂ及び差動回路３０５を有している。

直線偏光のプローブ光３０１を入射すると、半波長板３０２はプローブ光３０１の偏光面を回転させる。

また、偏光ビームスプリッタ３０３は、プローブ光３０１を、偏光ビームスプリッタ３０３の軸に沿ってｐ偏光の成分と、それと直交するｓ偏光の成分とに分割する。

偏光ビームスプリッタ３０３によって２つに分割された光は、それぞれフォトダイオード３０４ａ，３０４ｂに入射し、それぞれの光の強度に応じた光電流に変換される。

差動回路３０５は、そのふたつの光電流の差分値を電圧に変換して出力する。測定磁場がゼロの時に２つのフォトダイオード３０４ａ，３０４ｂに、同じ強度の光が入射するように半波長板３０２の向きを調整しておく。

この場合、差動回路３０５の出力信号はゼロとなる。

次に、測定磁場によりプローブ光３０１の偏光面が回転すると偏光ビームスプリッタ３０３により分割される光の強度の比率は変化する。

そのため、差動回路３０５の出力信号によって、ファラデー回転角を測定することができる。

プローブ光３０１が完全に直線偏光の場合、この出力信号の磁場に対する傾きは偏光ビームスプリッタ３０３に入射する光子数に比例する。

一方、出力信号に対して、光のショットノイズが原理的なノイズとして寄与する。

このショットノイズは偏光ビームスプリッタ３０３に入射する光子数の平方根に比例する。このため、ショットノイズに対するＳＮ比は光子数が多くなるほど大きくなる。

しかし、円偏光のポンプ光は出力信号に寄与しないため、ポンプ光がこのバランス型偏光検出系に入っても磁場に対する応答信号は増大しない。だが、円偏光のポンプ光も光のショットノイズとしては同じように寄与する。

このため、ポンプ光が混入するとポンプ光に由来する光のショットノイズの分ノイズだけが大きくなるが信号は増大せず、ＳＮ比は低下する。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光ポンピング磁力計の構成例について、図４を用いて説明する。

本実施例のアルカリ金属ハイブリッド光ポンピング磁力計は、図４に示すように、２種類の異なるアルカリ金属原子群、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）が内包されたセル４０１と、ポンプ光用光源４０２と、プローブ光用光源４０３を備える。

更に、ダイクロイックミラー４０４、４０５と、偏光測定系４０６と、光ターミネータ４０９と、直線偏光子４１１ａ、４１１ｂと、四分の一波長板４１２と恒温断熱槽４２１と、３軸ヘルムホルツコイル４２２と、光学窓４２３ａ，４２３ｂを備える。

セル４０１は、ガラスなどプローブ光やポンプ光に対して透明な材料から構成されている。

セル４０１内にはアルカリ金属原子群としてルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）を封じており、気密となっている。

また、その他にバッファガス及びクエンチャガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ_２）とを封入しておく。

バッファガスは偏極アルカリ金属原子の拡散を抑えるので、セル壁との衝突によるスピン緩和を抑制し偏極率を高めるために有効である。

また、Ｎ_２ガスは励起状態にあるＲｂからエネルギーを奪い、Ｒｂの発光を抑えるクエンチャガスであり、光ポンピングの効率を上げるために有効である。

Ｋ原子は自原子同士、及びＨｅ原子との衝突によるスピン偏極破壊における散乱断面積がアルカリ金属原子の中で最も小さく、Ｒｂ原子がその次に小さい。

そのため、緩和時間が長く信号に対する応答が大きい磁気センサを作るためには、アルカリ金属原子の組み合わせとしてはＫ原子とＲｂ原子が好ましい。

セル４０１の周囲には恒温断熱槽４２１が設置されている。

測定時には、セル４０１内のアルカリ金属ガスの密度を高めるために、セル４０１を最大摂氏２００度程度まで加熱する。

加熱方式としては、恒温断熱槽４２１に加熱された不活性な気体を外部から流し込み、セル４０１を加熱する。この熱が外に逃げないようにする役割を恒温断熱槽４２１は担っている。

恒温断熱槽４２１には、ポンプ光４０７及びプローブ光４０８の光路上に光学窓４２３ａおよび４２３ｂが設置されポンプ光、プローブ光の光路を確保している。

恒温断熱槽４２１の周囲には、３軸ヘルムホルツコイル４２２が、不図示の磁気シールド内に設置されている。

この磁気シールドは外部環境から侵入する磁場を低減している。３軸ヘルムホルツコイル４２２はセル４０１周囲の磁場環境を操作するために用いられる。

ＤＣ動作時には、セル４０１周囲をゼロ磁場にするために用い、ＡＣ動作時には測定周波数とラーモア周波数が一致し共鳴するようにバイアス磁場を発生させるために使用する。バイアス磁場はポンプ光と同じ方向（図中ｘ方向）に印加する。また磁場の不均一を補正するために更にシムコイルを追加しても良い。

ポンプ光用光源４０２から、出射されるポンプ光４０７の波長はＲｂ原子のＤ１遷移共鳴に合わせる。ポンプ光４０７の波長として、Ｒｂ原子のＤ２遷移の共鳴波長、７８０．２ｎｍも利用可能ではあるが、Ｄ１遷移共鳴波長、７９５．０ｎｍの方が、偏極率が高くなるため好ましい。

このポンプ光の偏光は、直線偏光子４１１ａにより直線偏光に成形された後、四分の一波長板４１２によって円偏光に変換される。

この際、右回り円偏光と左回り円偏光のどちらに変換しても良い。

プローブ光用光源４０３から、出射されるプローブ光４０８の波長は信号応答が最大になるようカリウム原子のＤ１遷移共鳴から数ＧＨｚ程度離調をとる。

信号応答を最大にする離調の値はセル４０１のバッファガス圧及び温度に依存する。

プローブ光の偏光は、直線偏光子４１１ｂにより直線偏光になる。

ダイクロイックミラー４０４は、ポンプ光４０７及びプローブ光４０８の光路上に置き、二つの光を重ね合わせてセル４０１に同一方向から入射するように配置されている。

ここでは、ダイクロイックミラー４０４はポンプ光４０７の波長の光を反射し、プローブ光４０８の波長を透過するよう設計されているものを利用する。

ポンプ光およびプローブ光を重ね合わせてセルに照射できれば、ハーフミラーでも代替できる。

しかし、ハーフミラーの場合はポンプ光とプローブ光を重ね合わせる際にそれぞれの光の光強度が半減してしまうというデメリットを持っている。

セル出射側ダイクロイックミラー４０５もまた、ポンプ光４０７の波長を反射しプローブ光４０８の波長の光は透過するよう設計されているものを利用する。

ダイクロイックミラー４０５は、ポンプ光とプローブ光を分けプローブ光のみを偏光測定系４０６に導ければよい。

一方、反射されたポンプ光４０７は光ターミネータ４０９により吸収される。また、ダイクロイックミラー４０５にてポンプ光４０７を１８０度反射し再度セルに入射することで偏極率を稼ぐことが出来る場合がある。

この場合ポンプ光４０７の強度が強い場合、この配置ではポンプ光源４０２にポンプ光４０７が帰らないようにアイソレータなど利用する必要がある。

また、特定の波長帯の光のみ透過させるシャープカットフィルターも利用できる。

その場合ポンプ光の終端処理は必要ないため配置は吸収と透過の波長特性を保つ範囲で任意の角度で置くことが出来る。

偏光測定系４０６は、プローブ光４０８における偏光を測定し、その回転角より測定対象磁場を読み出す。

このような偏光測定系として、図３のバランス型検出系を利用できる。また、偏光測定系とダイクロイックミラーの組み合わせは図５のような形態も考えられる。

図５は、偏光測定系（検出手段）の中にダイクロイックミラー（波長弁別手段）を配置した構成例の概念図を表している。

この構成例では、ダイクロイックミラーが、偏光ビームスプリッタ（偏光子）及びフォトダイオード（光受光素子）を備えて構成されている偏光測定系の中に配置されている。

そして、偏光子を通過したポンプ光とプローブ光が、ダイクロイックミラーを透過するように構成されている。

具体的には、半波長板５０２、偏光ビームスプリッタ５０３、２つのフォトダイオード５０４ａ、５０４ｂ及び差動回路５０５に加えて、２枚のダイクロイックミラー５０６ａ、５０６ｂを有している。

このダイクロイックミラーは偏光ビームスプリッタの直後に存在し、ポンプ光５００を反射し、プローブ光５０１を透過させる。

この構成例では、ダイクロイックミラーの点数は増えるが、偏光ビームスプリッタ５０３の後ろに置くことでプローブ光５０１の偏光面に対するダイクロイックミラーの影響を気にしなくても良くなる効果がある。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の１軸型光ポンピング磁力計のＡＣ磁場計測の構成例について、図６を用いて説明する。

本実施例のアルカリ金属ハイブリッド光ポンピング磁力計は、図６に示すように、２種類の異なるアルカリ金属原子群、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）が内包されたセル６０１と、ポンプ光用光源６０２と、プローブ光用光源６０３を備える。

更に、ダイクロイックミラー６０４、６０５と、偏光検出系６０６とターミネータ６０９と、光チョッパー６１０と直線偏光子６１１ａ，６１１ｂと、四分の一波長板６１２と、恒温断熱槽６２１と、３軸ヘルムホルツコイル６２２と、光学窓６２３ａ、６２３ｂを備える。

以下の本実施例の説明では、実施例１と重複する部分の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。

光チョッパー６１０はポンプ光６０７を測定対象振動磁場の周波数と同期するようにｏｎ状態とｏｆｆ状態を交互に繰り返すｏｎ／ｏｆｆ動作を行う。

ここでｏｎ状態とはセル６０１にポンプ光６０７を入射させている状態のことであり、ｏｆｆ状態とは、セル６０１にポンプ光が入らないよう遮蔽、もしくはポンプ光の光量を大きく減らしている状態を表している。

チョッパー６１０は羽が回転し光を遮断したり通過させたりするものであり、ポンプ光６０７とプローブ光６０８を重ね合わせる前に置き、ポンプ光６０７のみをチョッピングする。

チョッパー６１０のかわりに、ポンプ光源６０２の駆動電流に変調を掛け、強度を変化させるようにすることもできる。

また、ポンプ光６０７に周波数変調をかけ、Ｄ１線共鳴からずらして光ポンピングを止める、あるいはＥＯ変調器などを用いてリタデーション変調をかけ円偏光状態から直線偏光状態にかえ光ポンピングを止めるようにすることもできる。

セル６０１内には、第１のアルカリ金属原子群及び第２のアルカリ金属原子群として、核スピンの等しい２種のアルカリ金属原子群が内包されている。具体的には、アルカリ金属原子群として^８７Ｒｂと^３９Ｋを封じておく。この２種の原子の核スピンＩは、３／２で一致しており、磁気回転比が７ＧＨｚ／Ｔで等しい。

２種類の原子の核スピンが等しくない場合、磁気回転比が異なり、静磁場の下で２種の原子スピンは異なる周期で回転する。常にスピンを交換している２種の原子が異なる周期で回転すると、スピン交換は回転の位相を緩和して、Ｔ_２緩和を促進する。

磁力計がスピン偏極ベクトルの中で静磁場中で周期振動する成分を使って磁場を読み出す場合には、Ｔ_２緩和時間が短くなると測定対象磁場に対する応答が小さくなり、得られる出力信号は小さくなる。

この問題をさけるため、この実施例では２種の原子の核スピンが等しい方が好ましい。

３軸ヘルムホルツコイル６２２は、実施例１の場合と同様、セル６０１周囲の磁場環境を操作するために用いられるが、バイアス磁場の印加方向が異なり、ポンプ光と直交方向（図６中ｙ方向あるいはｚ方向）に印加する。

図７は、本実施例の原子スピンの挙動を描いた概念図を示している。

ポンプ光７０１はチョッパーによって測定対象振動磁場７０３の周波数と同じ周波数でｏｎ／ｏｆｆを繰り返している。

バイアス磁場７０５はポンプ光７０１と直交する方向（図７中ｚ方向）に印加する。

ポンプ光７０１がセルに入射されている時は、Ｒｂ原子スピン７１１及びＫ原子スピン７１２は図７（Ａ）のようにｘ方向に偏極される。

ポンプ光がｏｆｆ状態のとき、Ｋ原子スピン７１２は図７（Ｂ）のようにｘ−ｙ平面内で回転運動をする。このとき、バイアス磁場７０５の大きさは、回転運動のラーモア周波数が測定対象振動磁場７０３の周波数と一致するように選定する。

ｘ−ｙ面内で回転するＫ原子スピン７１２は同じ周波数で振動する測定対象磁場と共鳴し、スピンはトルクを受けてｚ方向の成分を生じる。

これに伴って、ｘ−ｙ面内で回転しているスピンのｘ−ｙ面内成分の大きさは小さくなる。

この変化量は、測定対象磁場の振幅に応じて決まるので、プローブ光で読み出す。これにより、変調を掛けやすくなる利点がある。

１０１：セル
１０２：ポンプ用光源
１０３：プローブ用光源
１０４：ダイクロイックミラー
１０５：ダイクロイックミラー
１０６：偏光測定系
１０７：ポンプ光
１０８：プローブ光

Claims

原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計であって、第１のアルカリ金属原子群と、該第１のアルカリ金属原子群とスピン交換相互作用をする第２のアルカリ金属原子群と、が内包されたセルと、
前記第１のアルカリ金属原子群をスピン偏極させる第１の波長を有するポンプ光を前記セルに入射させるポンプ光光学系と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長を有し、前記第２のアルカリ金属原子群のスピン偏極を測定するプローブ光を、前記ポンプ光に重ね合わせて前記セルに入射させるプローブ光光学系と、
前記セルを通過した前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出手段と、
測定対象である振動磁場の周波数と同期するように前記ポンプ光に変調をかける変調手段とを有し、
前記ポンプ光と直交する方向にバイアス磁場を印加することにより、前記振動磁場を測定するものであり、
前記バイアス磁場は、前記第２のアルカリ金属原子群の回転運動のラーモア周波数と前記振動磁場の周波数とが一致するような大きさの静磁場であることを特徴とする光ポンピング磁力計。
前記変調手段が前記ポンプ光に前記測定対象である振動磁場と同期するチョッピングをかける手段を含み構成さ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。
前記変調手段は、測定対象である振動磁場の周波数と同じ周波数で前記ポンプ光に変調をかけることを特徴とする請求項１または２に記載の光ポンピング磁力計。
前記セルを通過した前記ポンプ光と前記プローブ光を、波長の違いにより弁別する波長弁別手段を有し、
前記波長弁別手段を透過した前記プローブ光が、前記検出手段に入射するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
前記波長弁別手段が、偏光子及び光受光素子を備えて構成されている前記検出手段の中に配置され、
前記偏光子を通過した前記プローブ光が、前記波長弁別手段を透過するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光ポンピング磁力計。
前記セルには、前記第１のアルカリ金属原子群及び前記第２のアルカリ金属原子群として、核スピンの等しい２種のアルカリ金属原子群が内包されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がルビジウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がカリウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として７９５．０ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として７６９ｎｍ以上、７７１ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項６に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がカリウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がルビジウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として７７０．１ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として７９４ｎｍ以上、７９６ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項６に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がセシウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がカリウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として８９４．６ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として７６９ｎｍ以上、７７１ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がカリウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がセシウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として７７０．１ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として８９３ｎｍ以上、８９６ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がセシウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がルビジウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として８９４．６ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として７９４ｎｍ以上、７９６ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。
前記第１のアルカリ金属原子群がルビジウム原子で構成され、
前記第２のアルカリ金属原子群がセシウム原子で構成され、
前記ポンプ光が、前記第１の波長として７９５．０ｎｍの波長を有し、
前記プローブ光が、前記第２の波長として８９３ｎｍ以上、８９６ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ポンピング磁力計。