JP7365268B2 - 光励起磁気センサ及び光励起磁気測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光励起磁気センサ及び光励起磁気測定方法に関する。

光ポンピングを利用する光励起磁気センサは、光ポンピングによって励起されたアルカリ金属の原子のスピン偏極を検出することで微小な磁気を測定する。光励起磁気センサは、超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）に代わる新たな磁気測定の技術として注目されている。例えば、特許文献１は、光ポンピングを利用した磁力計を開示する。

特開２０１４－２１５１５１号公報

光励起磁気センサは、蒸気状のアルカリ金属の原子にポンプ光を照射することによって、アルカリ金属を励起状態とする。励起状態のアルカリ金属はスピン偏極状態にあり、磁気を受けると、磁気に応じてアルカリ金属原子のスピン偏極軸の傾きが変化する。このスピン偏極軸の傾きは、ポンプ光とは別に照射されるプローブ光によって検出する。

励起状態のアルカリ金属が受ける磁気の変化は、スピン偏極軸の回転角の変化として現れる。スピン偏極軸の回転角の変化は、プローブ光の偏光角度の変化として検出できるので、光励起磁気センサは、検出した偏光角度の変化を信号強度として出力する。磁気強度の変化が大きいほど、スピン偏極軸の回転角の変化が大きくなるので、結果的に信号強度も大きくなる。

さらに、光励起磁気センサが出力する信号強度は、磁気の強度だけでなく、磁気の周波数成分の影響も受ける。つまり、磁気の強度が同じであっても、磁気の周波数が異なると光励起磁気センサが出力する信号強度は増減する。そうすると、磁気の周波数によって、信号強度が十分であることもあり得るし、信号強度が十分でない場合も生じ得る。その結果、十分なＳ／Ｎ比をもって測定可能な磁気の周波数の帯域が制限されてしまう。

そこで、本発明は、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することが可能な光励起磁気センサ及び光励起磁気測定方法を提供する。

本発明の一形態である光励起磁気センサは、アルカリ金属が封入されたセルと、アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、セルを通過した後のプローブ光に基づいて、セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、第１光源の光軸に沿う静磁場をセルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、静磁場発生部の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号と、静磁場の強度を第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号と、を出力する。

この装置の静磁場発生部は、セルが配置された領域に静磁場を発生させる。蒸気化されるとともにポンプ光によって励起されたアルカリ金属の原子は、静磁場の強度に応じて歳差運動の周波数が決まる。その結果、第１の強度に応じた歳差運動が発生し、当該歳差運動の周波数に対応する磁気を良好に検出できる。さらに、制御部は、静磁場の強度を、第１の強度から第２の強度に切り替える。そうすると、第２の強度に応じて歳差運動の周波数が変化するので、良好に検出できる磁気も変化する。従って、制御部が、静磁場の強度を切り替えて測定を行うことにより、良好に検出できる磁気の周波数帯域が切り替わるので、結果として測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

一形態において、制御部は、第１の制御信号と第２の制御信号とを交互に出力してもよい。この態様によれば、簡易な制御によって、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

一形態において、制御部は、静磁場の強度を第１の強度及び第２の強度とは異なる第３の強度に設定する第３の制御信号を出力し、制御部は、第１の制御信号、第２の制御信号及び第３の制御信号の順に出力する動作を繰り返してもよい。この態様によれば、測定可能な磁気の周波数帯域をさらに拡大することができる。

一形態において、制御部は、静磁場の強度を第１の強度及び第２の強度とは異なる第３の強度に設定する第３の制御信号を出力し、制御部は、第１の制御信号、第２の制御信号、第３の制御信号、第２の制御信号、第１の制御信号の順に出力する動作を繰り返してもよい。この態様によっても、測定可能な磁気の周波数帯域をさらに拡大することができる。

一形態において、制御部は、第１の制御信号を出力した状態で得た出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含むか否かを判定する第１の動作と、第２の制御信号を出力した状態で得た出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含むか否かを判定する第２の動作と、を繰り返し、第１の動作において出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含む場合には、第１の動作から第２の動作への切り替えを行うことなく第１の動作を継続し、第２の動作において出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含む場合には、第２の動作から第１の動作への切り替えを行うことなく第２の動作を継続してもよい。この態様によれば、磁気パルスが確認された静磁場の状態を継続することにより、磁気パルスの測定に適した静磁場をセルが配置された領域に発生する。従って、磁気パルスの測定感度をさらに高めることができる。

本発明の別の形態である光励起磁気測定方法は、アルカリ金属が封入されたセルにアルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を照射するとともにセルに原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を照射する工程と、セルを配置した領域に第１の強度を有する静磁場を発生させた状態で、セルを通過した後のプローブ光に基づく出力信号を取得する工程と、セルを配置した領域に第１の強度とは異なる第２の強度を有する静磁場を発生させた状態で、セルを通過した後のプローブ光に基づく出力信号を取得する工程と、を有する。

この方法では、静磁場の強度を切り替えて測定を行うことにより、良好に検出できる磁気の周波数帯域が切り替わる。その結果、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

本発明によれば、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる光励起磁気センサ及び光励起磁気測定方法が提供される。

図１は、実施形態の光励起磁気センサの構成を示す図である。 図２は、図１に示す光励起磁気センサの動作を説明するための図である。 図３は、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大できる理由を説明するための図である。 図４（ａ）は磁気パルスの周波数と共振周波数とがずれているときに得られる出力信号の例示である。図４（ｂ）は磁気パルスの周波数と共振周波数とが近似しているときに得られる出力信号の例示である。 図５は、実施形態の光励起磁気測定方法の主要な工程を示すフロー図である。 図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、図１に示す光励起磁気センサの具体的な動作を説明するための図である。 図７（ａ）は変形例１の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。図７（ｂ）は変形例２の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。 図８（ａ）は変形例３の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。図８（ｂ）は変形例４の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。図８（ｃ）は変形例５の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。 図９は変形例６の光励起磁気センサの動作を説明するための図である。 図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は実施例１の結果を示すグラフである。 図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は実施例２の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２に示すように、光励起磁気センサ１は、セル２と、ポンプ光源３（第１光源）と、プローブ光源４（第２光源）と、信号出力ユニット５（信号出力部）と、コイルユニット６（静磁場発生部）と、コンピュータ１０（制御部）と、を有する。

セル２は、ガラス製の封入容器である。セル２を構成するガラス材料として、例えば、石英、サファイア、シリコン、コバールガラス、ホウケイ酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラス）を採用してよい。特に、コバールガラスは、パイレックス（登録商標）ガラスと比較すると、ヘリウム（Ｈｅ）の透過係数が一桁低い。従って、厚さを薄くでき、小型化に資する。このような材料によれば、後述するポンプ光ＬＰ及びプローブ光ＬＢを良好に透過することができる。つまり、セル２は、ポンプ光ＬＰ及びプローブ光ＬＢに対して光透過性を有する材料を採用してよい。

セル２には、ヒータ７が取り付けられている。ヒータ７は、ヒータ電源９から供給される電流に応じて、発熱する。ヒータ７は、セル２に収容したアルカリ金属の蒸気を生成する。また、ヒータ７は、セル２の内部温度を制御することによりアルカリ金属の蒸気密度を制御する。また、ヒータ７は、セル２の側面２ａに取り付けられている。この側面２ａは、ポンプ光ＬＰ及びプローブ光ＬＢが入射されない面である。

セル２は、アルカリ金属の蒸気及び封入ガスを収容する。セル２に収容されるアルカリ金属は、カリウム（Ｋ）である。また、アルカリ金属として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）を採用してもよい。また、アルカリ金属は、これらを少なくとも１種類以上含めばよい。例えば、アルカリ金属として、カリウムのみを採用してもよい。カリウムは、スピン破壊衝突（ｓｐｉｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）緩和レートが光励起磁気センサで用いられるアルカリ金属の中でも比較的小さく、例えばセシウムやルビジウムよりも小さい。従って、カリウムを封入したセルを用いた光励起磁気センサは、セシウムやルビジウムを用いた光励起磁気センサよりも感度が高い。つまり、原子番号の小さなアルカリ金属ほど高感度化には好ましい。また、アルカリ金属として、カリウムとそのほかのアルカリ金属とを併せて採用してもよい。

封入ガスは、アルカリ金属蒸気を制御する。より具体的には、封入ガスは、アルカリ金属蒸気のスピン偏極の緩和を抑制する。さらに、封入ガスは、アルカリ金属蒸気を保護するとともにノイズ発光を抑制する。封入ガスとしては、不活性ガスが好ましい。例えば、不活性ガスの原料として、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）を採用してよい。

ポンプ光源３は、ポンプ光ＬＰを生成する。ポンプ光源３は、例えばレーザ装置である。ポンプ光ＬＰの波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じる。例えば、アルカリ金属としてカリウムを採用し、Ｄ１吸収線を用いた場合には、ポンプ光ＬＰの波長は、７７０．１ナノメートルである。セル２に収容されたアルカリ金属の蒸気は、ポンプ光ＬＰを吸収することにより、所定のスピン状態を形成する。ポンプ光源３は、ポンプ光学系１１を介して、ポンプ光軸ＡＰの方向にポンプ光ＬＰを出射する。ポンプ光学系１１は、例えば１／４波長板を含む。ポンプ光軸ＡＰは、セル２の側面２ｂに交差する。この側面２ｂは、ヒータ７が設けられた側面２ａとは相違する。

プローブ光源４は、プローブ光ＬＢを生成する。プローブ光源４は、例えばレーザ装置である。プローブ光ＬＢの波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じる。例えば、アルカリ金属としてカリウムを採用した場合には、プローブ光ＬＢの波長は、ポンプ光ＬＰの波長である７７０．１ナノメートルから、若干、離調する。この離調によって、プローブ光ＬＢがアルカリ金属に吸収されることを抑制する。プローブ光ＬＢは、アルカリ金属の蒸気を通過するとき、アルカリ金属原子のスピン偏極の状態の影響を受ける。より詳細には、プローブ光ＬＢは、アルカリ金属の蒸気を通過する前後において、偏光角Ｚ１から偏光角Ｚ２に変化する（図２参照）。この偏光角の変化を検出することにより、スピン偏極の状態を知ることができる。プローブ光源４は、プローブ光学系１２を介して、プローブ光軸ＡＢの方向にプローブ光ＬＢを出射する。プローブ光学系１２は、例えば１／２波長板を含む。プローブ光軸ＡＢは、ポンプ光軸ＡＰと交差（例えば直交）する。プローブ光軸ＡＢは、セル２の側面２ｃに交差する。この側面２ｃは、ヒータ７が設けられた側面２ａ及びポンプ光軸ＡＰが交差する側面２ｂとは相違する。

信号出力ユニット５は、セル２を通過したプローブ光ＬＢの強度を取得する。取得した強度は、コンピュータ１０に出力される。セル２を通過したプローブ光ＬＢは、励起されたアルカリ金属原子の状態を示す情報を含む。より具体的には、セル２を通過したプローブ光ＬＢは、アルカリ金属原子の励起状態における所望の特性、例えば、励起状態にあるアルカリ金属原子のスピン偏極およびスピン偏極軸の変位に関する情報を含む。信号出力ユニット５は、偏光ビームスプリッタ５ａと、第１のフォトダイオード５ｂと、第２のフォトダイオード５ｃと、差動アンプ５ｄと、を有する。偏光ビームスプリッタ５ａは、プローブ光ＬＢに含まれる第１の偏光角度を有する第１の光成分を第１のフォトダイオード５ｂに出力する。第１のフォトダイオード５ｂは、第１の光成分の強度に応じた信号を発生するとともに、当該信号は差動アンプ５ｄに入力される。

偏光ビームスプリッタ５ａは、そのほかの偏光角度を有する第２の光成分を第２の出力面から出力する。例えば、第１の偏光角度は、プローブ光源４から出射されたプローブ光ＬＢが有する偏光角度である。つまり、第１の偏光角度は、セル２を通過する前のプローブ光ＬＢが有する。そして、第２の光成分は、プローブ光ＬＢがアルカリ金属の蒸気を通過することにより生じる。つまり、第２の光成分は、励起されたアルカリ金属原子の状態（所望の特性）を示す情報を示す。第２の光成分は、第２のフォトダイオード５ｃに入射する。第２のフォトダイオード５ｃは、第２の光成分の強度に応じた第２の光信号を発生するとともに、当該信号は差動アンプ５ｄに入力される。

差動アンプ５ｄは、第１のフォトダイオード５ｂ及び第２のフォトダイオード５ｃから光信号の入力を受け、光信号の差分に応じた出力信号を生成する。当該出力信号は、コンピュータ１０に入力される。

コイルユニット６は、セル２が配置される領域に静磁場ＳＭ（図２参照）を発生させる。コイルユニット６は、一対のコイル６Ａ、６Ｂを有する。一対のコイル６Ａ、６Ｂは、セル２を挟むように配置され、これら一対のコイル６Ａ、６Ｂの間のセル２の配置領域に静磁場ＳＭを発生させる。静磁場ＳＭの方向は、例えば、一方のコイル６Ａから他方のコイル６Ｂに向かう。コイルユニット６が生じる静磁場ＳＭの向きを静磁場軸ＡＳＭとして規定すると、静磁場軸ＡＳＭは、ポンプ光軸ＡＰと同じ方向を向いている。つまり、静磁場軸ＡＳＭは、ポンプ光軸ＡＰに対して平行である。また、静磁場軸ＡＳＭは、プローブ光軸ＡＢに対して交差している。静磁場ＳＭの方向は、時間の経過とともに変化しない。なお、本実施形態における「静磁場」との意味は、時間の経過に応じてその強度が段階的及び／又は連続的に変化することを許容する。

なお、静磁場発生部は、強度が切り替え可能な機能を奏するものであれば、コイル６Ａ、６Ｂに限定されない。

コイルユニット６は、コイル電源１３から供給される直流電流に応じて、静磁場ＳＭを発生させる。コイルユニット６が生じる静磁場ＳＭの強度は、コイル電源１３から供給される電流に応じる。コイル電源１３は、コンピュータ１０から出力される制御信号に応じて、所定の電流をコイルユニット６へ出力する。コイルユニット６が生じる静磁場ＳＭの強度については、後に詳細に説明する。

コンピュータ１０は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかるコンピュータ１０としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。コンピュータ１０は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。

コンピュータ１０は、機能的構成要素として、信号処理部１０ａと、コイル制御部１０ｂと、を有する。信号処理部１０ａは、差動アンプ５ｄから入力された差分信号を利用して、セル２が受けた磁気に関する情報を得る。この磁気に関する情報とは、光励起磁気センサ１が測定対象とする磁気であり、コイルユニット６が発生するものは含まない。コイル制御部１０ｂは、コイル電源１３からコイルユニット６に供給する電流の大きさを制御するための制御信号を出力する。コイル制御部１０ｂは、あらかじめ設定されたシーケンスに基づいて制御信号を出力してもよい。また、コイル制御部１０ｂは、信号処理部１０ａの処理結果を利用して、制御信号を出力してもよい。なお、コンピュータ１０は、ポンプ光源３の動作及びプローブ光源４の動作を制御することとしてもよい。

以下、図２等を参照しながら、コイルユニット６を備えた光励起磁気センサ１の測定原理について説明する。アルカリ金属の原子１０１は、ポンプ光ＬＰを吸収すると回転軸１０２が所定の方向を向く。さらに、原子１０１は、外部から与えられる静磁場ＳＭに起因する歳差運動を生じる。この歳差運動は、ラーモア歳差運動として知られている。そして、ラーモア歳差運動の角周波数は、ラーモア周波数と呼ばれる。

例えば、セル２に入力される、測定対象が発生する磁気ＥＭの周波数が、ラーモア周波数に近いとき、共振現象が生じる。図３は、セル２に入力される磁気ＥＭの周波数と信号出力ユニット５が出力する信号強度との関係を示す。横軸は磁気ＥＭの周波数を示す。縦軸は、信号出力ユニット５が出力する信号強度を感度として示す。グラフＧ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｇ３ｃは、それぞれ原子１０１のラーモア周波数が異なる。つまり、コイルユニット６が発生する静磁場ＳＭの強度が異なる。例えば、グラフＧ３ａは、静磁場ＳＭの強度を第１の強度としたときの周波数特性である。グラフＧ３ｂは、静磁場ＳＭの強度を第２の強度としたときの周波数特性である。グラフＧ３ｃは、静磁場ＳＭの強度を第３の強度としたときの周波数特性である。そして、第２の強度は、第１の強度よりも大きく、第３の強度は第２の強度よりも大きい。静磁場ＳＭの強度が異なると、ピークである共振周波数が異なる。例えば、静磁場ＳＭの強度が大きくなると、共振周波数は高くなる。図３のグラフＧ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｇ３ｃに示す関係は、共振周波数をピークとするローレンツ分布として説明できる。そして、この関係は、コイルユニット６が発生する静磁場ＳＭの強度によって制御することが可能である。なぜならば、磁気の周波数に対する原子１０１の共振周波数は、静磁場ＳＭの強度に比例するからである。

例えば、静磁場ＳＭの強度を第２の強度に固定した場合（グラフＧ３ｂ）では、０．４以上の感度を有する周波数は、６０Ｈｚ～１４０Ｈｚ程度であり、帯域ＦＢ２でいえば８０Ｈｚ程度である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、信号出力ユニット５が出力する出力信号の一例である。横軸は時間であり、縦軸は出力信号の強度を示す。磁気ＥＭの入力がない期間Ｔ１、Ｔ２には、出力信号Ｇ４ａは所定のノイズを含む。そして、パルス状の磁気ＥＭが入力されると、信号成分Ｐ１が現れる。ここで、パルス状の磁気ＥＭの周波数が共振周波数から遠いとき、信号成分Ｐ１の感度は弱い（図３のグラフＧ３ｂの点Ｎ１参照）。従って、信号成分Ｐ１は、ノイズに埋もれる。換言すると、ノイズ強度と信号成分の強度との比率であるＳ／Ｎ比は小さくなる。

ところで、信号成分Ｐ１がノイズに埋もれるようなデータにおいては、複数回の測定を行った後に平均化処理を行うことにより、信号成分Ｐ１の強調（Ｓ／Ｎ比の向上）を図ることも考えられる。パルス状の磁気ＥＭがおおむね決まった周期及び条件で現れる場合は、複数のデータを取得できるので、平均化処理によって対応することも可能である。しかし、パルス状の磁気ＥＭの出現が突発的で予測できないような場合には、平均化のための複数のデータを得ることは極めて難しい。

一方、図４（ｂ）に示すように、パルス状の磁気ＥＭの周波数が、共振周波数に近いとき、信号成分Ｐの強度は強い（図３のグラフＧ３ｂの点Ｎ２参照）。従って、信号成分Ｐ２は、ノイズに埋もれない。換言すると、ノイズ強度と信号成分の強度との比率であるＳ／Ｎ比は大きくなる。つまり、本実施形態の光励起磁気センサ１では、平均化処理を要することなく、Ｓ／Ｎ比を高めた測定を行うことが可能である。

上述したように、静磁場ＳＭの強度を第２の強度に固定した場合（グラフＧ３ｂ）では、帯域ＦＢ２は８０Ｈｚ程度であった。そこで、静磁場ＳＭの強度を第１～第３の強度に順次切り替える。そうすると、０．４以上の感度を有する帯域が拡大される。具体的には、帯域は、第１の強度とした場合（グラフＧ３ａ）の帯域ＦＢ１（０Ｈｚ～９０Ｈｚ）と、第２の強度とした場合（グラフＧ３ｂ）の帯域ＦＢ２（６０Ｈｚ～１４０Ｈｚ）と、第３の強度とした場合（グラフＧ３ｃ）の帯域ＦＢ３（１１０Ｈｚ～１９０Ｈｚ）と、の和集合であり、全体として１９０Ｈｚ程度である。従って、静磁場ＳＭの強度を第１の強度、第２の強度及び第３の強度に順次切り替えることによって、感度を所定値（例えば０．４以上）に維持することができる。本実施形態では、感度（強度）をあらかじめ設定した値以上に維持されることを「測定可能」と規定する。そして、あらかじめ設定した値以上に感度を維持できる周波数の範囲を、「測定可能な磁気の周波数帯域」と規定する。

次に、図５を参照しながら、光励起磁気センサ１によって行われる光励起磁気測定方法ついて説明する。まず、セル２を準備する（工程Ｓ１）。具体的には、所定のアルカリ金属及び封入ガスをセル２に封入する。そして、当該セル２をコイル６Ａ、６Ｂの間に配置する。そして、測定対象物を基準として光励起磁気センサ１を所定の位置に配置する（工程Ｓ２）。

装置の配置が完了すると、コンピュータ１０は、ヒータ電源９に対して電流を出力させる制御信号を提供する（工程Ｓ３）。その結果、ヒータ７に電流が提供されるので、ヒータ７の温度が上昇する。そして、セル２の内部に、アルカリ金属の蒸気が発生する。次に、コンピュータ１０は、ポンプ光源３を制御して、ポンプ光ＬＰの照射を開始する（工程Ｓ４）。

次に、静磁場ＳＭを発生させる（工程Ｓ５）。具体的には、コンピュータ１０は、静磁場ＳＭの強度を制御するための制御信号を出力する。図６（ａ）のグラフＧ６ａは、コイルユニット６が発生させる静磁場ＳＭの強度の一例である。換言すると、グラフＧ６ａは、コイル制御部１０ｂがコイル電源１３に出力する制御信号の一例であるともいえる。図６（ａ）の横軸は、時間を示す。図６（ａ）の縦軸は、静磁場ＳＭの強度を示す。コイルユニット６が生じる静磁場ＳＭの強度は、電流の大きさに比例するので、図６（ａ）の縦軸は、コイルユニット６に提供される電流の大きさを示しているともいえる。

次に、コンピュータ１０は、プローブ光源４を制御して、プローブ光ＬＢの照射を開始する（工程Ｓ６）。その結果、信号出力ユニット５は、出力信号をコンピュータ１０に出力する。コンピュータ１０は、信号処理部１０ａにおいて、出力信号を可視化等する処理を行う。

次に、コンピュータ１０は、静磁場ＳＭの強度を切り替える（工程Ｓ７）。図６（ａ）のグラフＧ６ａに示すように、コイル制御部１０ｂは、一定の時間間隔（０．０５）ごとに、静磁場ＳＭの強度を段階的に切り替える。静磁場ＳＭの強度の増加分は、それぞれのステップにおいて一定（０．１）である。そして、コイル制御部１０ｂは、静磁場ＳＭの強度が最大（１）に達したのちに、静磁場ＳＭの強度を最小値（０．１）に設定し、再び段階的に増加させる。コイル制御部１０ｂは、静磁場ＳＭの強度を最小値（０．１）から最大値（１）までステップ状に増加させる動作を繰り返す。

例えば、測定対象から磁気パルスが出力されたとする。この磁気パルスは、図６（ｂ）のグラフＧ６ｂによって示す。図６（ｂ）では、磁気パルスが入力されている時間帯だけを示し、強度は一定値とする。さらに、磁気パルスの周波数も不明であるとする。

図６（ｃ）のグラフＧ６ｃは、出力信号を示す。この状況において、コイル制御部１０ｂは、電流を大きくし、静磁場ＳＭの強度を高める。そうすると、静磁場ＳＭの強度が０．１のときには、出力信号の強度はゼロである。つまり、静磁場ＳＭの強度が０．１のときには、歳差運動のラーモア周波数が、磁気パルスの周波数と大幅にずれているので感度が低く、出力として現れないことがわかる（図４（ａ）参照）。そして、静磁場ＳＭの強度が次第に高まると、ラーモア周波数も高まっていく。そして、静磁場ＳＭが強度（０．５）となったとき、出力信号の強度は最大となる。静磁場ＳＭの強度が０．５のときには、歳差運動のラーモア周波数が、磁気パルスの周波数に最も近いために感度が高く、強い出力として現れることがわかる（図４（ｂ）参照）。

光励起磁気センサ１は、コイルユニット６が静磁場ＳＭを発生させる。ヒータ７によって蒸気化されるとともにポンプ光ＬＰによって励起されたアルカリ金属の原子１０１は、静磁場ＳＭの強度に応じて歳差運動の周波数が決まる。その結果、第１の強度に応じた歳差運動が発生し、当該歳差運動の周波数に対応する磁気を良好に検出できる。そして、コンピュータ１０は、静磁場ＳＭの強度を、第１の強度から第２の強度に切り替える。そうすると、第２の強度に応じて歳差運動の周波数が変化するので、良好に検出できる磁気も変化する。従って、コンピュータ１０が、静磁場ＳＭの強度を切り替えながら測定を行うことにより、良好に検出できる磁気の周波数帯域が切り替わるので、結果として測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

本発明の光励起磁気センサ及び光励起磁気測定方法は、上記の態様に限定されない。例えば、コンピュータ１０により行われるセル２に与える静磁場ＳＭの強度履歴は、図６（ａ）に示す態様に限定されない。

＜変形例１＞
実施形態では、静磁場ＳＭの強度を一定の時間間隔で変化させた。例えば、図７（ａ）のグラフＧ７ａに示すように、静磁場ＳＭの強度を変化させる時間間隔は、一定でなくてもよい。第１の強度（０．１）から第４の強度（０．４）までは、第１の時間間隔（０．０５）とする。そして、第４の強度（０．４）から第７の強度（０．７）までは、第２の時間間隔（０．１）とする。図７（ａ）の例では、第２の時間間隔は、第１の時間間隔の２倍である。この制御によっても、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

＜変形例２＞
図７（ｂ）に示すように、静磁場ＳＭの強度の変化幅は、一定でなくてもよい。第１の強度（０．１）から第４の強度（０．４）までは、第１の強度幅（０．１）で増加させる。そして、第４の強度（０．４）から第７の強度（１）までは、第２の強度幅（０．２）で増加させる。図７（ｂ）の例では、第２の強度幅は、第１の強度幅の２倍である。この制御によっても、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

なお、図示は省略するが、変形例１に示す時間間隔を変化させる態様と、変形例２に示す強度幅を変化させる態様と、を組み合わせてもよい。

＜変形例３＞
図８（ａ）のグラフＧ８ａに示すように、コンピュータ１０は、セル２の配置領域に発生する静磁場ＳＭの強度を、第１の強度（０．２）と第２の強度（０．８）とに交互に切り替えてもよい。具体的には、コイル制御部１０ｂは、第１の電流を出力させる第１の制御信号を第１の期間に提供する。この制御によって、静磁場ＳＭの強度が第１の強度に設定される。次に、コイル制御部１０ｂは、第２の電流を出力させる第２の制御信号を第２の期間に提供する。この制御によって、静磁場ＳＭの強度が第２の強度に切り替わる。この場合には、静磁場ＳＭの強度を矩形波状に変化させるものともいえる。この制御によっても、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

＜変形例４＞
実施形態では、静磁場ＳＭの強度はステップ状に変化させた。換言すると、静磁場ＳＭの強度変化は、不連続であった。例えば、図８（ｂ）のグラフＧ８ｂに示すように、コンピュータ１０は、静磁場ＳＭの強度を、連続的に変化させてもよい。具体的には、静磁場ＳＭの強度を、第１の強度（０．１）から第２の強度（１）まで時間の経過とともに連続的に変化させる。この変化は、図８（ｂ）に示すように一次関数として示される直線的であってもよいし、２次関数などのように曲線的であってもよい。例えば、コイル制御部１０ｂは、コイルユニット６に提供する電流の大きさを連続的に増加させる。この制御によって、静磁場ＳＭの強度が第１の強度（０．１）から第２の強度（１）に連続的に増加する。そして、静磁場ＳＭの強度は、第２の強度（１）に達した後に第１の強度（０．１）まで連続的に減少させてもよい。例えば、コイル制御部１０ｂは、コイルユニット６に提供する電流の大きさを連続的に減少させる。この制御によって、静磁場ＳＭの強度が第２の強度（１）から第１の強度（０．１）に連続的に減少する。つまり、静磁場ＳＭの強度は、第１の強度（０．１）から第２の強度（１）に増加させたのちに、第２の強度（１）から第１の強度（０．１）まで減少させる。この動作を一つの単位として繰り返すこととしてもよい。この場合には、静磁場ＳＭの強度を三角波状に変化させるものともいえる。この制御によっても、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

＜変形例５＞
また、静磁場ＳＭの強度を連続的に変化させる態様では、図８（ｃ）のグラフＧ８ｃに示すように、静磁場ＳＭの強度を第１の強度（０．１）から第２の強度（１）に増加させる動作を一つの単位として繰り返してもよい。この場合には、静磁場ＳＭの強度をノコギリ波状に変化させるものともいえる。この制御によっても、測定可能な磁気の周波数帯域を拡大することができる。

＜変形例６＞
また、図９に示すように、コンピュータ１０は、測定の結果に基づいて静磁場ＳＭの強度を設定することとしてもよい。つまり、磁界パルスが検出された状態に注目して、強度を変化させる範囲を段階的に制限してもよい。具体的には、コンピュータ１０は、第１のフェーズＰＨ１として、静磁場ＳＭの強度を第１の強度（０．２）から第５の強度（１）まで変化させる。この第１のフェーズＰＨ１は磁気パルスが検出されるまで繰り返し実行する。例えば、出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含むか否かを判定し、第３の強度（０．６）において磁気パルスが検出されたとする。そうすると、コンピュータ１０は、第２のフェーズＰＨ２に移行する。第２のフェーズＰＨ２では、コンピュータ１０は、強度変化の幅を第１のフェーズＰＨ１より狭くする。例えば、静磁場ＳＭの強度は、第３の強度（０．６）を中心として最小を第２の強度（０．４）とし、最大を第４の強度（０．８）とする。そしてこの幅において、強度の変化幅を第１のフェーズＰＨ１よりも小さく設定する。例えば、強度の変化幅を第１のフェーズＰＨ１の１／２とする。そして、この第２のフェーズＰＨ２において、さらに磁気パルスの検出を行う。第２のフェーズＰＨ２も第１のフェーズＰＨ１と同様に、所定の条件が満たされるまで繰り返し行うこととしてよい。そして、第３の強度（０．６）と第４の強度（０．８）との中間の強度（０．７）において、注目する磁気パルスが検出されたとする。そうすると、コンピュータ１０は、さらに第３のフェーズＰＨ３に移行する。第３のフェーズＰＨ３では、コンピュータ１０は、静磁場ＳＭの強度を、第４の強度と第５の強度との中間の強度（０．７）に設定する。第３のフェーズＰＨ３では、磁気パルスが得られる最も適した条件が明らかになっているといえるので、静磁場ＳＭの強度を変化させなくてもよい。この制御によっても、測定可能な周波数帯域を拡大することができる。さらに、注目する磁気パルスの測定精度を高めることもできる。

＜実施例１＞
実施例１では、３つの周波数成分を含む入力信号Ｇ１０ａ（図１０（ａ））を設定し、静磁場ＳＭの強度Ｇ１０ｂを３段階に変化させながら、出力信号Ｇ１０ｃ（図１０（ｂ））を得た。さらに、出力信号Ｇ１０ｃを周波数応答の特性から得られる倍率を用いて補正出力信号Ｇ１０ｄ（図１０（ｃ））を得た。入力信号Ｇ１０ａに対して出力信号Ｇ１０ｃは、静磁場ＳＭの強度Ｇ１０ｂを変化させるごとに異なる波形を示した。また、出力信号Ｇ１０ｃのピークの時間は、入力信号Ｇ１０ａの時間に対応するように見受けられたが、出力信号Ｇ１０ｃのピークの強度は、入力信号Ｇ１０ａの強度とはずれていた。そこで、出力信号Ｇ１０ｃに対してフーリエ変換を行い、周波数成分に分解したのちに、それぞれの成分に対して周波数応答の特性（図３参照）から得られる倍率を用いて補正した。その結果、補正出力信号Ｇ１０ｄに示すように、おおむね入力信号Ｇ１０ａと同等とみなせる波形を復元できた。

＜実施例２＞
実施例２では、入力信号Ｇ１１ａ（図１１（ａ））が含む周波数成分と、静磁場ＳＭの強度に基づく共振周波数とのずれが大きい場合について、出力信号Ｇ１１ｃ（図１１（ｂ））及び補正出力信号Ｇ１１ｄ（図１１（ｃ））を確認した。出力信号Ｇ１１ｃ及び補正出力信号１１ｄを得る処理の流れは、実施例１と同様である。その結果、入力信号Ｇ１１ａの周波数と共振周波数とのずれが極端に大きい場合には、出力信号Ｇ１１ｃには、入力信号Ｇ１１ａに対応する成分をほとんど検出できない。しかし、静磁場ＳＭの強度を変化させると共に補正を行うことによって、入力信号Ｇ１１ａにある程度対応する信号を得ることができた。

１…光励起磁気センサ、２…セル、３…ポンプ光源（第１光源）、４…プローブ光源（第２光源）、５…信号出力ユニット（信号出力部）、６…コイルユニット（静磁場発生部）、１０…コンピュータ（制御部）、ＬＢ…プローブ光、ＬＰ…ポンプ光、ＳＭ…静磁場。

Claims (6)

1. アルカリ金属が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、
   前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、
   前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づいて、前記セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、
   前記第１光源の光軸に沿う静磁場を前記セルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、
   前記静磁場発生部の動作を制御すると共に前記セルが受けた磁気に関する情報を得る制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号を出力すると共に前記第１の制御信号を出力しているときに前記信号出力部が出力する信号を利用して前記セルが受けた磁気に関する情報を得る動作と、前記静磁場の強度を前記第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号を出力すると共に前記第２の制御信号を出力しているときに前記信号出力部が出力する信号を利用して前記セルが受けた磁気に関する情報を得る動作と、を行う、光励起磁気センサ。
2. アルカリ金属が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、
   前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、
   前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づいて、前記セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、
   前記第１光源の光軸に沿う静磁場を前記セルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、
   前記静磁場発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号と、前記静磁場の強度を前記第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号と、を出力し、
   前記制御部は、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とを交互に出力する、光励起磁気センサ。
3. アルカリ金属が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、
   前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、
   前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づいて、前記セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、
   前記第１光源の光軸に沿う静磁場を前記セルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、
   前記静磁場発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号と、前記静磁場の強度を前記第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号と、を出力し、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を前記第１の強度及び前記第２の強度とは異なる第３の強度に設定する第３の制御信号を出力し、
   前記制御部は、前記第１の制御信号、前記第２の制御信号及び前記第３の制御信号の順に出力する動作を繰り返す、光励起磁気センサ。
4. アルカリ金属が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、
   前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、
   前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づいて、前記セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、
   前記第１光源の光軸に沿う静磁場を前記セルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、
   前記静磁場発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号と、前記静磁場の強度を前記第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号と、を出力し、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を前記第１の強度及び前記第２の強度とは異なる第３の強度に設定する第３の制御信号を出力し、
   前記制御部は、前記第１の制御信号、前記第２の制御信号、前記第３の制御信号、前記第２の制御信号、前記第１の制御信号の順に出力する動作を繰り返す、光励起磁気センサ。
5. アルカリ金属が封入されたセルと、
   前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を発生する第１光源と、
   前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を発生する第２光源と、
   前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づいて、前記セルが受けた磁気に関する出力信号を得る信号出力部と、
   前記第１光源の光軸に沿う静磁場を前記セルを配置した領域に発生させる静磁場発生部と、
   前記静磁場発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記静磁場の強度を第１の強度に設定する第１の制御信号と、前記静磁場の強度を前記第１の強度とは異なる第２の強度に設定する第２の制御信号と、を出力し、
   前記制御部は、
   前記第１の制御信号を出力した状態で得た前記出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含むか否かを判定する第１の動作と、前記第２の制御信号を出力した状態で得た前記出力信号が磁気パルスを示す信号成分を含むか否かを判定する第２の動作と、を繰り返し、
   前記第１の動作において前記出力信号が前記磁気パルスを示す信号成分を含む場合には、前記第１の動作から前記第２の動作への切り替えを行うことなく前記第１の動作を継続し、前記第２の動作において前記出力信号が前記磁気パルスを示す信号成分を含む場合には、前記第２の動作から前記第１の動作への切り替えを行うことなく前記第２の動作を継続する、光励起磁気センサ。
6. アルカリ金属が封入されたセルに前記アルカリ金属の原子を励起するためのポンプ光を照射するとともに前記セルに前記原子の励起状態における所望の特性を検出するためのプローブ光を照射する工程と、
   前記セルを配置した領域に第１の強度を有する静磁場を発生させた状態で、前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づく出力信号を取得する工程と、
   前記セルを配置した領域に前記第１の強度とは異なる第２の強度を有する静磁場を発生させた状態で、前記セルを通過した後の前記プローブ光に基づく出力信号を取得する工程と、を有する、光励起磁気測定方法。

Images