JPWO2013072967A1 - 磁場計測装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

ガスセル内の圧力制御をより容易とし、または、特別な工程を用いずにガスセルの内圧を検査しうる磁場計測装置を提供するため、磁場計測装置において、磁場計測装置の加工層を、第１の空洞部（２００）、および第１の空洞部に対し第１分離壁（４００）を介して設けられる第２の空洞部（２０１）とを有する構造とする。または、磁場計測装置の製造方法において、アルカリ金属を発生させる工程の後に、第１分離壁を破壊する工程を有する（図１７、図２０）。

Description

本発明は、磁場計測装置の構造、特に光ポンピング磁力計のガスセルの構造と、当該装置の製造方法に関する。

小型に集積化した高感度の光ポンピング磁力計が開発されており、本技術分野の背景技術として、非特許文献１がある。

非特許文献１に記載されている光ポンピング磁力計のガスセルは、貫通穴(ｃａｖｉｔｙ)を形成したシリコン基板の両面をガラス基板で接合し、当該貫通穴にアルカリ金属ガス原子を発生する塩化ルビジウム（ＲｂＣｌ）と、緩衝ガスである窒素ガスを発生するアジ化バリウム（ＢａＮ_６）を封止した、ガラス・シリコン・ガラスの３層構造からなる。

このガスセルを用いた磁力計は、以下のように動作する。ガスセル内に封止したアルカリ金属ガス原子に、円偏光したポンプ光を照射する事によって、光ポンピング法でアルカリ金属ガス原子をスピン偏極させる。次に、ポンプ光と直行する方向に直線偏光したプローブ光を照射し、ファラデー回転と呼ばれる磁気光学効果によって、プローブ光の偏光面を回転させる。偏光面は、プローブ光の光路に垂直な方向の静磁場強度に比例した角度だけ回転するため、ガスセルを通過したプローブ光の偏光面の角度を光検出器で検出する事で磁場強度を計測する事ができる。

また、同様のガスセルを用いて実現できる磁力計として、光磁気二重共鳴型光ポンピング磁力計、もしくはＭｘ型光ポンピング磁力計と呼ばれる磁力計がある。光磁気二重共鳴型光ポンピング磁力計は、以下のように動作する。ガスセル内に封止したアルカリ金属ガス原子に、円偏光したレーザ光を照射する事によって、光ポンピング法でアルカリ金属ガス原子をスピン偏極させる。スピン偏極したアルカリ金属ガス原子は、ガスセル内の静磁場強度に比例した周波数で歳差運動する。この時、歳差運動の周波数と同じ周波数のＲＦ磁場をガスセルに印加すると、ガスセルを通過する光は光磁気二重共鳴により共鳴ピークを示す。この共鳴ピークを光検出器で検出し、印加しているＲＦ磁場の周波数（歳差運動の周波数に相当）から換算する事で、静磁場強度を計測する事ができる。

上記のように、光ポンピング磁力計では、いずれの磁場計測方法においても、アルカリ金属ガスのスピン偏極状態とそれに対応して生じる光学情報の変化を利用して、磁場計測を行っている。そのため、光ポンピング磁力計では、アルカリ金属ガス原子のスピン偏極状態を長く保持する事が重要である。係る課題を解決するため、非特許文件１では、ガスセル内に、アルカリ金属ガス原子に加え、窒素ガス等の非磁性ガスや希ガス等（緩衝ガスと呼ばれる）を封止する方法が記載されている。アルカリ金属ガス原子がスピン偏極状態を保持する時間は、封止した緩衝ガスの圧力に依存する。

また、光ポンピング磁力計では、ガスセル内を通過する光を検出する事で磁場計測を行っている。そのため、光が通過する領域の光透過率が悪化し、検出する信号レベルが低下しないように、ルビジウム等のアルカリ金属固体やアジ化バリウム等のガスセル内に封止した化合物が、当該領域に付着する事を防がなければならない。係る課題を解決するため、非特許文献１では、当該ガスセル内に３ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの２つの貫通穴と当該貫通穴間を連結する１ｍｍ×０．１ｍｍ×１ｍｍの細い通路を形成し、一方の貫通穴に塩化ルビジウム、およびアジ化バリウムを封止する事によって、磁場計測用の光が通過するもう一方の貫通穴に未反応残留物やアルカリ金属が拡散しにくい構造が記載されている。

W.Clark Griffith, Svenja Knappe, and John Kitching, "Femtotesla atomic magnetometry in a microfabricated vapor cell", Optics Express 18, 27167-27172 (2010)

非特許文献１記載のガスセルでは、貫通穴に封止した塩化ルビジウムとアジ化バリウムを密閉後に加熱し、化学反応させる事でルビジウムガスと窒素ガスを発生させている。しかしながら、化学反応の生成物として緩衝ガスを発生させるプロセスでは、ガスセル内の定量的な圧力制御が困難であり、製造した磁力計の磁場計測性能がばらつく事が考えられる。そのため、製造仕様の圧力からずれて製造されたガスセルにおいても、レーザ等の光学系部品やコイル等の磁気系部品を組み合わせて磁力計を構築するまで磁場計測性能が検査できない、もしくはガスセル毎に別途構築した性能評価システム等の測定系で検査する等の手間のかかる工程を追加する必要があるという課題がある。ガスセル内の圧力を直接計測する方法としては、ガスセルの破壊検査を行う事が考えられるが、破壊工程や検査工程が必要な事に加えて、検査後にはガスセルとして使用できなくなり、上述の課題を解決するものではない。

また、アジ化バリウム等の未反応残留物やガス化されないアルカリ金属固体が磁場計測用の光が通過する領域に付着すると、当該光の通過が妨げられるため、前記の磁場計測に必要な偏光面の回転角や共鳴ピークに関する信号検出感度が悪化し、磁場計測性能が低下するという課題もある。

係る課題に対し非特許文献１のように、アルカリ金属固体や化合物を封止する貫通穴と光が通過する貫通穴を細い通路で分離しても、細い通路を介して発生する拡散を完全に防止する事はできない。そのため、磁力計の磁場計測感度が高くなった時に、磁場計測用の光が通過する領域に拡散した微量のアルカリ金属固体や化合物による磁場計測感度の悪化は防止できない。

さらに、当該構造を用いた場合においても、特にアルカリ金属ガス、および緩衝ガスを発生させる加熱等の処理時に、アルカリ金属ガス、および緩衝ガスを発生させる物質を封止している貫通穴の温度を、光が通過するもう一方の貫通穴の温度より低くなるように制御する必要もある。これは、アルカリ金属ガス発生時に室温の飽和蒸気圧以上にガス化したアルカリ金属ガス原子が、より温度の低い領域で固体化し、付着するためである。

以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、ガスセル内の圧力制御をより容易とし、または、特別な工程を用いずにガスセルの内圧を検査しうる磁場計測装置またはその製法を提供することにある。あるいは、本発明の別の目的は、より高感度に磁場を検出しうる磁場計測装置またはその製法を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、第１に、磁場計測装置であって、第１の封止部材と、第２の封止部材と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層と、を有し、加工層は、アルカリ金属ガスが封入される第１の空洞部と、第１の空洞部に対し第１分離壁を介して設けられる第２の空洞部とを有することを特徴とする。

第２に、磁場計測装置の製造方法であって、第１の封止部材と、第２の封止部材と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、加工層に、第１分離壁を介して設けられる第１の空洞部と第２の空洞部とを有する磁場計測装置の製造方法であって、
（ａ）第１の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生させる工程と、
（ｂ）工程（ａ）の後に、第１の空洞部の内部の圧力により第１分離壁に発生する応力を破壊限界応力よりも高くすることで、第１分離壁の一部を破壊する工程と、を有することを特徴とする。

第３に、磁場計測装置の製造方法であって、第１の封止部材と、第２の封止部材と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、加工層は、第１加工部材と第２加工部材が積層された構造からなり、第１加工部材の内部および第２加工部材の内部に第１の空洞部が設けられ、第１加工部材の内部に第１分離壁を介して第２の空洞部が設けられる磁場計測装置の製造方法であって、
（ａ）第２の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生させる工程と、
（ｂ）工程（ａ）の後に、第１分離壁を破壊する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ガスセル内の圧力制御をより容易とし、または、特別な工程を用いずにガスセルの内圧を検査しうる磁場計測装置またはその製法を提供しうる。あるいは、より高感度に磁場を検出しうる磁場計測装置またはその製法を提供しうる。

本発明の第１の実施例に係る光ポンピング磁力計ガスセルの模式的上面図である。 第１の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)は、第１の実施例に係るガスセル内の圧力検査システムである。 (ａ)(ｂ)(ｃ)(ｄ)(ｅ)は、第１の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 (ａ)(ｂ)は、第１の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ)は、第１の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ)(ｄ)は、第１の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ)(ｄ)(ｅ)(ｆ)は、第１の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 第１の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 第１の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)は、第１の実施例に係るガスセル内の圧力検査システムである。 第１の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 第１の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ)は、第１の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 第２の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 第２の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ−１)(ｃ−２)は、第２の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 第２の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 第２の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 (ａ)(ｂ)(ｃ)は、第２の実施例に係るガスセルの作製フロー図である。 第３の実施例に係るガスセルの模式的上面図である。 第３の実施例に係るガスセルの模式的断面図である。 第３の実施例に係る磁気計測装置の概略図である。 第３の実施例に係る磁気計測装置の概略図である。

以下に、本発明に係る磁場計測装置およびその製造方法について、実施の形態および図面を参照しつつ説明する。

＜基本構成＞
図１は、本実施例１に係る磁場計測装置（ガスセル）の模式的上面図であり、図２はそのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。図１、２において、分かり易さのため、空洞２００の一部を２００ａと表記した。また、図１においては、分かり易さのため封止部材１０２を省略している（以下、模式的上面図において同じ）。空洞２００ａは特に、基板１００の未加工部分の下部の領域、および空洞２０１の下部の領域を示している。

図２のガスセルは、加工層１１０を封止部材１０２および１０３によって封止した構造をもつ。加工層１１０は、空洞部２００および２０１が設けられる領域であり、図２の構造においては特に、加工部材１００および１０１の２層構造からなる。

図２のガスセルは、その上で、下から順に封止部材１０３、加工部材１０１、加工部材１００、封止部材１０２を配置した、封止部材・加工部材・加工部材・封止部材の４層からなる構成である。封止部材１０２、および封止部材１０３は、磁場計測用レーザの波長帯の光に対して透明な材料であればよく、例えばガラス等を用いる。加工部材１００、および加工部材１０１は、少なくとも１つ以上の貫通穴、もしくは未貫通穴、もしくはその両方が加工されており、例えばシリコン基板等を用いる。加工部材１００と加工部材１０１に形成された貫通穴によって、空洞部２００が構成されており、この空洞部２００は封止部材１０２、および封止部材１０３を用いて封止されている。これに対し、加工部材１００に形成された未貫通穴によって空洞部２０１が構成され、この空洞部２０１は封止部材１０２を用いて封止されている。

空洞２００には、アルカリ金属源３００が封止されている。アルカリ金属源３００は、固体または液体である。各空洞内は、封止部材１０２と１０３によって密閉されており、その雰囲気は、例えば真空、窒素ガス、ヘリウム等の希ガス、もしくはその混合ガス雰囲気下となっている。また、空洞２００内と２０１内の雰囲気が異なっていてもよい。図１、および図２では、空洞２００、および２０１の形状は四角形であるが、他の多角形や曲線で構成された形状でも構わない。空洞２００と２０１は、加工部材１００の未貫通部（分離壁４００）によって分離され、互いに分離壁４００を介して設けられている。

図１、２に係るガスセルは、磁場計測用のレーザ光を封止部材１０２、空洞２００、および封止部材１０３を介して、空洞２００内に封止されているアルカリ金属ガスに照射することで、磁場を計測することが可能である。

図３は、ガスセルの空洞２００内の圧力を検査するための検査システムを模式的に表した図である。図３に係るガスセルは、圧力検査用のレーザ光を封止部材１０２と空洞２０１、あるいは封止部材１０３と空洞２００を介して分離壁４００に照射することで、空洞２００内の圧力を検査することが可能である。その理由を以下で述べる。

以下では、一例として空洞２００内、および空洞２０１内が真空封止されている場合について説明する。空洞２００内に封止されるアルカリ金属源３００は、アルカリ金属ガスを発生させる物質であればよい。例えば、アルカリ金属源３００としてアルカリ金属を含む化合物等を用い、熱処理や光照射、化学反応等を行う事で、空洞２００内にアルカリ金属ガスを発生させることができる。当該ガス発生後、空洞２００内はアルカリ金属ガス、あるいはアルカリ金属ガスと緩衝ガスが充満し、空洞２０１内は真空に保たれた状態となっている。

そのため、空洞２００と空洞２０１を分離している分離壁４００には、空洞２００内で発生した当該ガスの圧力や分離壁４００の形状や壁厚に応じて、応力がかかる。その結果、分離壁４００は、空洞２００から空洞２０１方向にたわみ、変形や破損が生じる。

分離壁４００にたわみが発生する場合、空洞２００内で発生させる当該ガス量を増加させれば、空洞２００内の圧力が上昇し、分離壁４００にかかる応力も増加するため、たわみが大きくなる。たわみ量は、構造力学の四辺支持等分布荷重モデルを用いて計算する事ができ、分離壁４００にかかる荷重に比例する。本実施例の場合には、空洞２００と空洞２０１の圧力差に比例して、たわみ量が変化する。例えば、分離壁４００が短辺２ｍｍ、長辺４ｍｍ、壁厚１００μｍの直方体形状で、空洞２００内が１００ｋＰａ、空洞２０１内が真空に保たれている場合、分離壁４００には、約２４ＭＰａの最大曲げ応力がかかり、約１．４μｍのたわみが生じると予測される。そのため、分離壁４００のたわみ量を測定する事によって、空洞２００内の圧力を検査する事が可能である。たわみ量の測定は、例えば、封止部材１０２を介して分離壁４００にレーザ光を照射し、反射してきたレーザ光の光路長を光路長測定システム５００で測定する事で、評価する事ができる（図３）。なお、レーザ光は、封止部材１０３を介して、反対側から照射しても構わない。

また、空洞２００内が特定の圧力以上になった場合、分離壁４００が破損するように分離壁形状や壁厚を設計しておけば、分離壁４００の破損の有無で空洞２００内の圧力を検査する事も考えられる。例えば、分離壁４００が短辺２ｍｍ、長辺４ｍｍ、壁厚１０μmの直方体形状で、空洞２００内が１００ｋPa、空洞２０１内が真空に保たれている場合、分離壁４００には、約２．４ＧＰａの最大曲げ応力がかかると考えられるため、当該空洞間の圧力差によって分離壁４００の破壊強度相当の応力を印加する事が可能である。

以上をまとめると、本実施例に係る磁場計測装置は、第１の封止部材（１０２）と、第２の封止部材（１０３）と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層（１１０）と、を有し、加工層は、アルカリ金属ガスが封入される第１の空洞部（２００）と、第１の空洞部に対し第１分離壁（４００）を介して設けられる第２の空洞部（２０１）とを有することを特徴とする。

係る構造によって、ガスセル作製後に磁場計測性能の測定やガスセルの破壊検査を行わずに、容易に空洞内の圧力を検査する事ができる。

また、図２の構造はさらに、加工層が第１加工部材（１００）と第２加工部材（１０１）が積層された構造からなり、第２の空洞部は第１加工部材の内部に設けられ第１の封止部材によって封止されるのに対し、第１の空洞部は第１加工部材および第２加工部材の内部に設けられ、第１の封止部材および第２の封止部材で封止されることを特徴とする。

係る特徴によって、加工部材１００と１０１の間に分離壁４００を形成することが可能となるため、分離壁４００の面積や形状を比較的自由に設計することが可能となり、その結果、測定可能な圧力範囲が広くなる効果がある。さらに、平面方向に分離壁４００が形成されることとなるため、壁厚を均一に形成しやすい効果がある。

また、図２の構造においては、アルカリ金属が封入されない空洞部２０１は単一である。このように、単一の空洞２０１のみを形成する場合には、ガスセルの検査に用いる空洞２０１の面積を小さくできる効果もある。

＜ガスセルの製造方法＞
次に、図４を用いて、本実施例を行うためのガスセルの製造方法について説明する。図４（ａ）−（ｅ）は、本実施例に係るガスセルの製造方法である。

本実施例では、一例として加工部材１００と加工部材１０１にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用いる。まず、加工部材１００上に形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、空洞２０１のパターンを形成し、エッチング等で加工を行う（図４（ａ））。例えば、マスク材には酸化シリコンを用い、四フッ化ケイ素ガスを用いたドライエッチングで未貫通穴を形成する。未貫通穴の断面形状は、垂直でなくてもよく、斜めの断面形状や段差があっても構わない。そのため、水酸化カリウム水溶液等を用いたウェットエッチングやレーザやドリル等での加工を行う事も可能である。

次に、空洞２０１を加工した加工部材１００上に再形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、空洞２００のパターンを形成し、エッチング等で貫通穴を形成する（図４（ｂ））。ここで、空洞２００と２０１の形成順序は問わないため、空洞２０１の未貫通穴より先に空洞２００を形成してもよい。または、同時に形成してもよい。

次に、加工部材１０１上に形成したマスク材１０５にリソグラフィ等を用いて、空洞２００のパターンを形成し、エッチング等で貫通穴を形成する（図４（ｃ））。

次に、このように加工された加工部材１００と１０１を接合する（図４（ｄ））。例えば、シリコン基板を用いる場合には、熱接合により接合する方法がある。この時、空洞２００を形成する領域には、加工部材と垂直方向に貫通しているレーザ光が透過するための領域が存在していればよく、加工部材１００と加工部材１０１の貫通穴側面部の接続が必ずしも連続的に滑らかである必要はない。つまり、加工部材１００と加工部材１０１の接続部で段差が形成されていても構わない。

最後に、封止部材１０２と封止部材１０３を、アルカリ源３００が空洞２００内に内包された状態で接合し、空洞２００と２０１を密閉する（図４（ｅ））。例えば、シリコン基板とホウケイ酸ガラスを用いる場合には、陽極接合で接合する事ができる。この時、接合時の雰囲気を制御すれば、空洞２００、および２０１内を真空や窒素ガス、希ガス雰囲気下等に調整する事もできる。空洞２００内と空洞２０１内を異なる雰囲気や圧力で封止する場合には、封止部材１０２と封止部材１０３の接合の順番を調整すればよい。例えば、空洞２００内を窒素ガス雰囲気下、空洞２０１内を真空雰囲気下で封止する場合、最初に封止部材１０２を真空雰囲気下で接合し、空洞２０１内を真空封止した後に、封止部材１０３を窒素ガス雰囲気下で接合し、空洞２００内に窒素ガスを封止すれば実現できる。窒素ガス等の非磁性ガスやヘリウムガス等の希ガスを封止すると緩衝ガスとして作用し、アルカリ金属ガスのスピン散乱を抑制する効果がある。また、空洞内が密閉されていればよいため、接着剤等を用いて封止部材を接合する事もできる。このような製造手順で、図１、２に示したガスセルを実現できる。

＜空洞部２０１を複数設ける変形例およびその製造方法＞
図５、６において、空洞部２０１を複数設ける変形例について説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施例に係るガスセルの模式的上面図である。図５（ａ）では変形例のうち、各空洞２０１の面積が異なる例を示す。図５（ｂ）では変形例のうち、各空洞２０１を分離している分離壁４００の壁厚が異なる例を示す。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図５（ａ）、（ｂ）中のＡ−Ａ’あるいはＡ’’−Ａ’’’、 Ｂ−Ｂ’、およびＣ−Ｃ’断面における模式的断面図である。図５、６において、分かり易さのため、空洞２００の一部を２００ａと表記した。空洞２００ａは特に、基板１００の未加工部分の下部の領域、および空洞２０１の下部の領域を示している。

空洞２００と空洞２０１は、それぞれ加工部材１００の未貫通部（分離壁４００）によって、分離されている。ただし、各空洞２０１の面積や形状のいずれか、もしくはその両方がそれぞれ異なっている（図５）。また、各空洞２０１を分離している分離壁４００の面積や形状、壁厚のいずれか１つ、もしくは複数がそれぞれ異なっている（図５、図６）。

以下に、分離壁４００の面積や壁厚が異なる複数の空洞２０１を有するガスセルの効果について説明する。一例として、空洞２００および空洞２０１は真空封止されている場合を考える。

当該ガスセルには、空洞２００内にアルカリ金属源３００が封止されており、例えばアルカリ金属を含む化合物等を用い、熱処理や光照射、化学反応等によりアルカリ金属ガスを発生させる。アルカリ金属ガス発生後、空洞２００内はアルカリ金属ガス、あるいはアルカリ金属ガスと緩衝ガスが充満し、各空洞２０１内は真空に保たれた状態となっている。そのため、図３に記載したように各分離壁にはたわみ等の変形や破損が生じる。ただし、空洞２００内の圧力が同じでも、各分離壁４００によって変形による変位量や破損の有無が異なる。これは、各分離壁４００を異なる面積や形状、壁厚で形成しているため、同一荷重下において各分離壁４００に付与される応力が異なるからである。具体的には、空洞２００内の圧力（荷重）と分離壁４００の壁厚、および形状が同じ場合には、分離壁４００の面積が大きいほど、その変位量や分離壁にかかる最大応力が増加する。また、空洞２００内の圧力と分離壁４００の面積、および形状が同じ場合には、壁厚が厚いほど、その変位量や分離壁にかかる最大応力は減少する。そのため、ガスセル内に様々な面積や壁厚を有する分離壁４００（空洞２０１）を形成する事で、アルカリ金属ガス発生後に各分離壁４００の変位量や破損の有無が異なるガスセルを製造できる。そのため、各分離壁の面積や壁厚を適切に設計し、それぞれの状態を比較する事で空洞２００内の圧力をより正確に検査する事ができる。

例えば、例えばアルカリ金属源３００からアルカリ金属ガスと緩衝ガスを発生させ、空洞２００内の圧力を仕様２２５ｋＰａ、許容公差２５ｋＰａで制御したい場合について説明する。

この時、例えば図５記載の３つの空洞２０１を有するガスセルにおいて、空洞２００内の圧力が２００ｋＰａとなった時に、面積が最も大きい、あるいは壁厚が最も薄い分離壁４００が破損するように設計しておく。同様に、２番目に面積が大きい、あるいは壁厚が薄い分離壁４００は、空洞２００内の圧力が２２５ｋＰａとなった時に破損し、最も面積が小さい、あるいは壁厚が厚い分離壁４００は、空洞２００内の圧力が２５０ｋＰａとなった時に破損するように設計しておく。その結果、２００ｋＰａで破損するように設計した分離壁４００が破損し、２５０ｋＰａで破損するように設計した分離壁４００が破損していない状態となるように、アルカリ金属ガスおよび緩衝ガスの発生工程を制御する事で、空洞２００内の圧力を仕様圧力の２００ｋＰａ以上２５０ｋＰａ以下に制御する事が可能となる。すなわち、空洞２０１を複数形成する事で各分離壁４００の破損の有無を確認するだけの検査で、空洞２００内の圧力をより正確に知る事が可能となる。これにより、化学反応の生成物として緩衝ガスを発生させる工程を用いても、個々のガスセルの圧力を正確に制御・検査できる効果がある。

このように、本変形例に係る磁場計測装置は、加工層が第１の空洞部に対し、第２分離壁を介して設けられる第３の空洞部をさらに有し、第２分離壁は、所定の圧力が印加された際の応力が第１分離壁とは異なることを特徴とする。

この構造は、図１の構造と比較して、以下に述べる効果がある。図１のように空洞２０１を単一にした場合は、破損の有無のみの確認で空洞２００内の圧力範囲までを知る事はできず、変形による変位量の検査から導出しなければならない。これに対し、空洞２０１を複数形成し、分離壁の面積や壁厚の設計を変更する事で、上述の例以外の圧力範囲でガスセル内の圧力を制御したり、より詳細な条件で検査したりする事が可能となる。

図７（ａ）−（ｄ）は、面積の異なる複数の分離壁４００の製造方法である。以下に、一例として加工部材１００と加工部材１０１にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用いた場合について説明する。

まず、加工部材１００上に形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、面積の異なる空洞２０１のパターンをそれぞれ形成し、エッチング等で加工を行う（図７（ａ））。本工程は、図４（ａ）の工程で面積の異なる複数の未貫通穴を同時に形成する事に相当する。例えば、マスク材には酸化シリコンを用い、四フッ化ケイ素ガスを用いたドライエッチングで未貫通穴を形成できる。未貫通穴の断面形状は、垂直でなくてもよく、斜めの断面形状や段差があっても構わない。そのため、水酸化カリウム水溶液等を用いたウェットエッチングやレーザやドリル等での加工を行う事も可能である。図７（ａ）の後、もしくは前の工程において、加工部材１００のＡ−Ａ’上（図５（ａ）、図６（ａ））では、図４（ｂ）と同様の工程で貫通穴が形成される。ただし、加工部材１０１のＢ−Ｂ’上では変化がないため、図７では省略している。

次に、加工部材１０１上に形成したマスク材１０５にリソグラフィ等を用いて、空洞２００のパターンを形成し、エッチング等で貫通穴を形成する（図７（ｂ））。

次に、このように加工された加工部材１００と加工部材１０１を接合する（図７（ｃ））。接合方法は、図４（ｄ）と同様である。この時、空洞２００と空洞２０１を分離している分離壁４００の面積は、分離壁４００ごとに異なっている。各空洞２０１間の距離は、例えば1mm以上とするなど、分離壁４００の壁厚と比較して十分に厚くする事が望ましい。

最後に、封止部材１０２と封止部材１０３をアルカリ金属源３００が空洞２００内に内包された状態で接合し、空洞２００と２０１を密閉する（図７（ｄ））。例えば、シリコン基板とホウケイ酸ガラスを用いる場合には、陽極接合による接合方法がある。この時、接合時の雰囲気を制御すれば、各空洞内を真空や窒素ガス、希ガス雰囲気下等に調整する事もできる。

このような工程で作製すれば、分離壁４００の面積が異なる空洞２０１を複数有するガスセルを形成する事ができる。

図８（ａ）−（ｆ）は、壁厚の異なる複数の分離壁４００の製造方法である。以下に、一例として加工部材１００と加工部材１０１にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用いた場合について説明する。

まず、封止部材１００上に形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、所望の面積の空洞２０１のパターンを形成し、エッチング等で加工を行う（図８（ａ））。図７（ａ）と同様に、マスク材には酸化シリコンを用い、四フッ化ケイ素ガスを用いたドライエッチングで加工する事ができる。

次に、図８（ａ）で加工した加工部材１００上に再形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、空洞２０１のパターンを２箇所形成し、図８（ａ）と同様にして、エッチング等で加工を行う（図８（ｂ））。図８（ｂ）の工程で加工する空洞２０１の内の１つは、図８（ａ）で加工した空洞２０１と同じにする。これにより、空洞２０１の内の１つは再度加工される事となり、未貫通穴をより深く形成する事ができる。

次に、空洞２０１のパターンを３箇所に形成し、図８（ｂ）と同様の方法で加工深さの異なる３つの空洞２０１を形成する（図８（ｃ））。図８では、一例として加工深さの異なる３つの空洞２０１を形成する場合について説明したが、２箇所、もしくは３箇所以上を加工する事もできる。また、未貫通穴の断面形状は、垂直でなくてもよく、斜めの断面形状や段差があっても構わない。そのため、水酸化カリウム水溶液等を用いたウェットエッチングやレーザやドリル等での加工でもよい。

図８（ａ）の前、もしくは図８（ｃ）の後、もしくは図８（ａ）−（ｃ）の間の工程において、加工部材１００のＡ−Ａ’上（図５（ｂ）、図６（ａ））では、図４（ｂ）と同様の工程で貫通穴が形成される。ただし、加工部材１００のＣ−Ｃ’上では加工部材１００に変化がないため、図８では省略している。

次に、加工部材１０１上に形成したマスク材１０５にリソグラフィ等を用いて、空洞２００のパターンを形成し、エッチング等で貫通穴を形成する（図８（ｄ））。

このように加工された加工部材１００と加工部材１０１は、図７（ｃ）と同様の手法で接合する事ができる（図８（ｅ））。この時、空洞２００と空洞２０１を分離している分離壁４００の壁厚は、分離４００壁ごとに異なっている。

最後に、アルカリ金属源３００を空洞２００内に内包した状態で封止部材１０２と封止部材１０３を接合し、空洞２００と２０１を密閉する（図８（ｆ））。

このような工程で作製すれば、分離壁厚が異なる空洞２０１を複数有するガスセルを形成する事ができる。

＜加工層が加工部材１層からなる変形例およびその製造方法＞
図９は、ガスセルの模式的上面図であり、図１０はそのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。図９のガスセルでは、加工層１１０は加工部材１００の１層構造からなる。

図９のガスセルは、その上で、下から順に封止部材１０３加工部材１００、封止部材１０２を配置した、封止部材・加工部材・封止部材の３層からなる構成である。封止部材１０２、および封止部材１０３は、磁場計測用レーザの光に対して透明な材料であればよく、例えばガラス等を用いる。加工部材１００は、少なくとも２つ以上の貫通穴が加工されており、例えばシリコン基板等を用いる。

加工部材１００に形成された貫通穴によって、空洞２００と空洞２０１が構成されており、この空洞２００と空洞２０１は封止部材１０２、および封止部材１０３を用いて封止されている。また、空洞２０１は、加工部材１００に形成された分離壁４００によって、空洞２００と分離されている。図９では、空洞２００、および２０１の形状は四角形であるが、他の多角形や曲線で構成された形状でも構わない。

空洞２００には、アルカリ金属源３００が封止されている。アルカリ金属源３００は、図１と同様である。各空洞内は、封止部材１０２と封止部材１０３によって密閉されており、その雰囲気は、例えば真空に保たれている。空洞２００内と２０１内は窒素ガス等の他の雰囲気であってもよく、互いに雰囲気が異なっていてもよい。

図９、１０に係るガスセルは、磁場計測用のレーザ光を封止部材１０２、空洞２００、および封止部材１０３を介して、空洞２００内に封止されているアルカリ金属ガスにレーザ光を照射することで、磁場を計測することが可能である。

図１１（ａ）（ｂ）は、ガスセルの空洞２００内の圧力を検査するための検査システムを模式的に表した図である。図１１に係るガスセルは、圧力検査用のレーザ光を封止部材１０２と空洞２０１、あるいは封止部材１０３と空洞２０１を介して分離壁４００に照射することで、空洞２００内の圧力を検査することが可能である。その理由を以下で述べる。

以下では、一例として空洞２００内、および空洞２０１内が真空封止されている場合について説明する。空洞２００内に封止されるアルカリ金属源３００を用いて、アルカリ金属ガスおよび緩衝ガス発生後、空洞２００内はアルカリ金属ガス、あるいはアルカリ金属ガスと緩衝ガスが充満し、空洞２０１内は真空に保たれた状態となっている（図１１（ａ））。

そのため、分離壁４００に空洞２００内で発生した当該ガスの圧力や分離壁４００の形状や壁厚に応じて、応力がかかる。その結果、分離壁４００は、空洞２００から空洞２０１方向にたわみ、図１１（ｂ）のように変形が生じる。そのため、図１、２、３を用いて記載した方法と同様に、分離壁４００のたわみ量を測定する事によって、空洞２００内の圧力を検査する事できる。

たわみ量の測定は、光源５０１からガラス基板１０２を介してレーザ光を照射し、ガスセルを透過するレーザ光の強度を光検出器５０２で測定する。たわんだ分離壁４００と光源５０１から生じた光が交差している場合には、光が反射し、光検出器５０２には検出されない。そのため、分離壁４００の変位方向に光源５０１を走査する事で、アルカリ金属ガスおよび緩衝ガス発生による分離壁４００の変位量を評価する事ができる（図１１）。この時、光源５０１と光検出器５０２の位置を入れ替え、ガラス基板１０３を介してレーザ光を照射してもよい。また、レーザ光を分離壁４００の変位方向と反対方向に走査する、あるいは走査せずに固定しておいてもよい。

また、空洞２００内が特定の圧力以上になった場合、分離壁４００が破損するように分離壁形状や壁厚を設計しておけば、分離壁４００の破損の有無で空洞２００内の圧力を検査する事もできる。

このように、本変形例に係る磁場計測装置は、第１の空洞部および第２の空洞部が、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止されることを特徴とする。

このようなガスセル構造では、空洞２０１が貫通穴で形成されているため、空洞２００を形成する貫通穴と同時に形成できる効果がある。

また、図５と同様に分離壁４００の面積や壁厚がそれぞれ異なっている複数の空洞２０１を有するガスセルを用いる事もできる。図１２は、ガスセルの加工部材１００における模式的上面図であり、図１３はそのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。

このようなガスセル構造では、各分離壁４００の面積や壁厚を調整する事で、図５、６と同様の圧力検査が可能となる。

図１４を用いて、図９−１３に係るガスセルの製造方法について説明する。図１４では、一例として加工部材１００にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用いる。

まず、加工部材１００上に形成したマスク材１０４にリソグラフィ等を用いて、空洞２００および空洞２０１のパターンをそれぞれ形成し、エッチング等で加工を行う（図１４（ａ））。

次に、図９、１０記載のガスセル構造の場合は空洞２０１を１箇所に、図１２、１３記載のガスセル構造の場合は空洞２０１を複数箇所に形成する。空洞２０１を複数箇所に形成する時は、加工部材１００内に形成される各分離壁４００の面積や壁厚が異なるように加工する（図１４（ｂ））。加工部材１００の加工は、図４（ｃ）と同様である。また、分離壁４００の断面形状は垂直である事が望ましいが、形状が制御できれば必ずしも垂直でなくてもよい。そのため、水酸化カリウム水溶液等を用いたウェットエッチングやレーザやドリル等での加工を行う事も可能である。各空洞２０１間の距離は、分離壁４００の壁厚と比較して、例えば数倍程度以上離れている事が望ましい。

最後に、封止部材１０２と封止部材１０３は、アルカリ金属源３００を空洞２００内に内包した状態で接合し、空洞２００と２０１を密閉する（図１４（ｃ））。接合方法や封止雰囲気は、図４記載の方法と同様である。

図１５は、本実施例２に係るガスセルの模式的上面図であり、図１６はそのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。図１５、１６、において、分かり易さのため、空洞２００の一部を２００ａと表記した。２００ａは、特に、加工部材１００の未加工部分の下部の領域、および空洞２０１の下部の領域を示している。

図１５のガスセルは、加工層１１０を封止部材１０２および１０３によって封止した構造をもつ。加工層１１０は、空洞２００および２０２が設けられる領域であり、図１５の構造では特に、加工部材１００および１０１の２層構造からなる。

図１５のガスセルは、その上で、下から順に封止部材１０３、加工部材１０１、加工部材１００、封止基板１０２を配置した、封止部材・加工部材・加工部材・封止部材の４層からなる構成であり、ガスセルの構造は、実施例１記載の図１と同様である。ただし、アルカリ金属源３００は、空洞２００内ではなく空洞２０２内に封止されている。

また、実施例１と同様に、実施例２に係るガスセルも、磁場計測用のレーザ光を空洞２００内に封止されているアルカリ金属ガスに照射することで、磁場を計測することが可能である。さらに、図１５に係るガスセルは、磁場計測用のレーザ光が通過する空洞２００がアルカリ金属源３００、もしくはアルカリ金属固体によって汚染されることなく、空洞２００内にアルカリ金属ガス、あるいはアルカリ金属ガスと緩衝ガスを充満させることができる効果がある。

図１７（ａ）（ｂ）（ｃ−１）および（ｃ―２）は、本実施例に係るガスセルの製造方法である。本実施例では、一例として加工部材１００と加工部材１０１にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用い、空洞２００内と空洞２０２内が真空封止されている場合のガスセルの製造方法について説明する。

まず、実施例１記載の図４（ａ）−（ｄ）と同様の工程で、基板１００と基板１０１を接合する（図１７（ａ））。

次に、封止部材１０２と封止部材１０３をアルカリ金属源３００が空洞２０２に内包した状態で接合し、空洞２００と空洞２０２を密閉する（図１７（ｂ））。接合方法は、実施例１記載の図４（ｅ）と同様である。

空洞２０２内に封止されるアルカリ金属源３００は、実施例１と同様であり、熱処理等を行う事でアルカリ金属ガス、もしくはアルカリ金属ガスと緩衝ガスを発生させ、空洞２０２内を加圧する。

当該ガス発生後、空洞２００内は真空に保たれており、空洞２０２内はアルカリ金属ガス、あるいはアルカリ金属ガスと緩衝ガスが充満している。そのため、空洞２００と空洞２０２を分離している分離壁４００には、空洞２００と空洞２０２の圧力差に応じて、応力がかかる。この時、空洞２０２内の圧力が上昇して所望の圧力に達した場合に、分離壁４００が応力により破損するように分離壁の面積や壁厚を設計しておき、空洞２０２内を所望の圧力まで加圧する事で、分離壁４００を破損させ、空洞２００と空洞２０２を連結させる事ができる（図１７（ｃ−１））。これにより、空洞２０２内にアルカリ金属ガス発生時に生じる未反応残留物やアルカリ金属固体を保持した状態で、アルカリ金属ガス、および緩衝ガスのみを空洞２００内に充満させる事が可能となる。そのため、空洞２００内を通過する磁場計測用レーザの透過率が当該未反応残留物やアルカリ金属固体によって低下する事を防げる利点がある。ここで、一般にアルカリ金属ガスの飽和蒸気圧よりも、非磁性ガスまたは希ガスの飽和蒸気圧の方が高いため、空洞２０２内にアルカリ金属ガスとともに非磁性ガスまたは希ガスからなる第２のガスも発生させることで、その後の第２のガスの圧力上昇によって、より容易に分離壁の破損が可能となる。ここで、非磁性ガスまたは希ガスは緩衝ガスとして説明してきたが、他の目的のために封入されたものであっても良い。いずれにせよ、少なくとも空洞２０２の内部の圧力により分離壁４００に発生する応力が破壊限界応力より高くなれば良い。

また、別の連結手法として、空洞２０２内にアルカリ金属ガス、および緩衝ガスを発生させた後に、高エネルギレーザを照射する事で分離壁４００を破損し、空洞２００と空洞２０２を連結させる事もできる（図１７（ｃ−２））。高エネルギレーザには、例えばＹＡＧレーザの高調波等を用いることができる。

図１７（ｃ−１）で述べた、空洞２０２内の圧力を上昇させ分離壁４００を破損させる製造方法は、図９，１０で述べたガスセルに対して適用することも可能である。図１８は、ガスセルの模式的上面図であり、図１９は、そのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。図１８、１９のガスセルの構造は、実施例１記載の図９、１０と同様である。ただし、アルカリ金属源３００は、空洞２０２内に封止されている。

磁場計測用のレーザ光は、空洞２００内に封止されているアルカリ金属ガスに照射され、磁場を計測する。図１８、１９記載のガスセル構造は、加工層１１０を単一の加工部材１００で形成し、図１５、１６記載のガスセルと同様の効果を実現するものである。

図２０は、本実施例に係るガスセルの製造方法である。本実施例では、一例として加工部材１００にシリコン基板を、封止部材１０２と封止部材１０３にガラスを用い、空洞２００内と空洞２０２内が真空封止されている場合のガスセルの製造方法について説明する。

まず、実施例１記載の図１４（ｂ）と同様の工程で、少なくとも２つ以上の貫通穴を有する加工部材１００を加工する（図２０（ａ））。

次に、実施例１記載の図１４（ｂ）と同様の工程で、加工部材１００を封止部材１０２、および封止部材１０３を用いて封止し、ガスセル内部に空洞２００、２０２を形成する。ただし、アルカリ金属源３００は、空洞２０２内に封止されている。

最後に、図１７（ｃ−１）に記載した方法と同様にアルカリ金属ガス、および緩衝ガスにより空洞２０２内を加圧し、分離壁４００を破損する事で空洞２００と空洞２０２を連結させる事ができる（図２０（ｃ））。

以上をまとめると、本実施例に係る磁場計測装置の製造方法のうち、図１７（ｃ−１）および図２０（ｃ）に係る製造方法は、特に、第１の封止部材と、第２の封止部材と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、加工層に、第１分離壁を介して設けられる第１の空洞部と第２の空洞部とを有する磁場計測装置を製造する方法である。その上で、特に、（ａ）第１の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生させる工程と、（ｂ）工程（ａ）の後に、第１空洞部の内部の圧力により第１分離壁に発生する応力を破壊限界応力よりも高くすることで、第１分離壁の一部を破壊する工程と、を有することを特徴とする。

係る特徴にとって、第２の空洞部を通過する磁場計測用レーザの透過率が当該未反応残留物やアルカリ金属固体によって低下する事を防げる利点がある。さらに、図１７（ｃ−２）に係る製造方法と比較すると、高エネルギレーザを照射する等の特別の操作を行わずに、分離壁を破壊できる利点がある。

また、図１７（ｃ−２）に係る磁場計測装置の製造方法は、第１の封止部材と、第２の封止部材と、第１の封止部材および第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、加工層は、第１加工部材と第２加工部材が積層された構造からなり、第１加工部材の内部および第２加工部材の内部に第１の空洞部が設けられ、第１加工部材の内部に第１分離壁を介して第２の空洞部が設けられる磁場計測装置の製造方法である。その上で、特に、（ａ）第２の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後に、第１分離壁を破壊する工程とを有することを特徴とする。

係る特徴にとって、第２の空洞部を通過する磁場計測用レーザの透過率が当該未反応残留物やアルカリ金属固体によって低下する事を防げる点は、上述の製造方法と同様である。その上で、図１７（ｃ−１）に係る磁場計測装置の製造方法と比較すると、第１の空洞部に過剰にアルカリ金属ガスや緩衝ガスを発生させなくても良い利点がある。

図２１は、本実施例３に係わるガスセルの模式的上面図であり、図２２はそのＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。

図２１、２２において、分かり易さのため、空洞２００の一部を２００ａと表記した。２００ａは特に、加工部材１００の未加工部分の下部の領域、および空洞２０１と空洞２０２の下部の領域を示している。

図２１のガスセルは、加工層１１０を封止部材１０２および１０３によって封止した構造をもつ。加工層１１０は、空洞２００、２０１および２０２が設けられる領域であり、図２１の構造では特に、加工部材１００および１０１の２層構造からなる。

図２１のガスセルは、その上で、下から順に封止部材１０３、加工部材１０１、加工部材１００、封止部材１０２を配置した、封止部材・加工部材・加工部材・封止部材の４層からなる構成である。加工部材１００には、実施例１の図１、２記載の空洞２０１と実施例２の図１５、１６記載の空洞２０２が形成されている。すなわち、加工部材１００と加工部材１０１に形成された貫通穴によって、空洞部２００が構成されており、この空洞部２００は封止部材１０２、および封止部材１０３を用いて封止されている。これに対し、加工部材１００に形成された未貫通穴によって空洞部２０１と２０２が構成され、この空洞部２０１と２０２は封止部材１０２を用いて封止されている。封止部材１０２、封止部材１０３、分離壁４００、およびアルカリ金属源３００は、実施例１および実施例２と同様である。また、アルカリ金属源は空洞２０２内に封止されている。

図２３に係るガスセルは、磁場計測用のレーザ光を空洞２００内に封止されているアルカリ金属ガスに照射することで、磁場を計測することが可能となる。さらに、実施例１記載の効果と実施例２記載の効果の両方を実現することができる。その理由を以下で述べる。

図２３のガスセルでは、当該ガスセル形成後に、空洞２０２内に封止されているアルカリ金属源３００から熱処理等を行うことで、アルカリ金属ガス、もしくはアルカリ金属ガスと緩衝ガスを発生させる。

次に、実施例２記載の工程で空洞２０２に隣接している分離壁４００を破損し、空洞２００と空洞２０２を連結させることにより、空洞２０２内にアルカリ金属ガス発生時の未反応残留物やアルカリ金属固体を保持した状態で、アルカリ金属ガスと緩衝ガスのみを空洞２００内に充満させる事が可能となる。そのため、当該未反応残留物やアルカリ金属固体による磁場計測用のレーザ光通過の妨げを防ぐことが可能である。

その後、実施例１に記載した方法で空洞２０１を分離している分離壁４００の変形量や破損の有無を測定する事により、空洞２００内に充満しているアルカリ金属ガスと緩衝ガスの圧力を検査することも可能である。すなわち、磁場計測用のレーザ光が通過する空洞２００内にアルカリ金属ガス等を発生させた際に生じる未反応残留物やアルカリ金属固体が付着するという問題と当該空洞内の圧力を容易に検査する工程が必要であるという問題を同時に解決する事ができる。

図２３は、実施例１−３記載のガスセルを用いた光磁気二重共鳴型光ポンピング磁力計の構成を示す模式的断面図である。本実施例では、一例として実施例２の図１７（ｃ−２）記載のガスセルを用いる。

本実施例に係る光ポンピング磁力計は、実施例１−３記載のいずれかを用いて製造したガスセルと、半導体レーザ６００と光ファイバ６０６とコリメートレンズ６０１と偏光子６０２と波長板６０３と集光レンズ６０４と光検出器６０５からなる光学系と、静磁場印加用コイル６０７とＲＦコイル６０８からなる磁気系で構成される。

半導体レーザ６００から照射されたレーザ光は、光ファイバ６０６を介して入射されるコリメートレンズ６０１で平行光に、偏光子６０２と波長板６０３で円偏光に変換される。変換されたレーザ光は、ガスセル内の空洞２００に充満しているアルカリ金属ガスに照射される。静磁場用コイル６０７から発生した静磁場は、ガスセル内を透過するレーザ光に対して４５度の角度で印加される。また、ＲＦコイル６０８から発生したＲＦ磁場は、静磁場印加方向と直交する方向に印加される。ガスセルを通過したレーザ光は、集光レンズ６０４で集光され、光ファイバ６０６を介して、光検出器６０５で検出される。

ただし、光ファイバ６０６を用いずに、半導体レーザ６００からコリメートレンズ６０１に直接レーザ光を照射したり、半導体レーザ６００をコリメートレンズ６０１上に配置したりしても構わない。同様に、光検出器６０５を集光レンズ６０４上に配置してもよい。また、半導体レーザ６００から照射されるレーザ光は、円偏光に変換されればよい。そのため、光学系はレーザ光を円偏光に変換する構成であれば、半導体レーザ６００、コリメートレンズ６０１、偏光子６０２、波長板６０３、および光ファイバ６０６のいずれかを省略したり、順番を入れ替えたり、新たに別の部品を挿入したりしてもよい。

当該ガスセルは、アルカリ金属源３００が拡散して、レーザ光の透過が妨げられる事を防ぐ構造となっているため、アルカリ金属源３００によるレーザ光の反射、散乱を抑える事ができる。これにより、ガスセル内で変調されたレーザ光を効率的に検出できるため、磁場検出感度を高める効果が得られる。

図２４は、実施例１−３記載のガスセルを用いたファラデー回転型光ポンピング磁力計の構成を示す模式的断面図である。本実施例では、一例として実施例２の図１７（ｃ−２）記載のガスセルを用いる。

本実施例に係る光ポンピング磁力計は、本実施例１−３のいずれかを用いて製造したガスセルと、半導体レーザ６００とコリメートレンズ６０１と偏光子６０２と波長板６０３と光検出器６０５からなる光学系と、静磁場印加用コイル６０７からなる磁気系で構成される。光学系には、図２３と同様に光ファイバを挿入してもよい。

図２４の左右方向を通過するポンプ光と、上下方向を通過するプローブ光を発生させるため、半導体レーザ６００、コリメートレンズ６０１、偏光子６０２、および波長板６０３は２組用いる。図２４では、ポンプ光とプローブ光は、直行するように記載しているが、アルカリ金属ガスが充満している空洞２００内で交差するように照射されていれば、必ずしも直交していなくてもよい。ただし、図２０の上下方向、および左右方向にレーザ光を照射するため、レーザ光の波長帯に対して透明な材質で作製したガスセルを使用する。例えば、加工部材１００、および加工部材１０１のいずれか、もしくは両方にガラスを用いる。また、静磁場印加用コイル６０７は、図２４の手前から奥の方向、もしくは奥から手前の方向に静磁場を印加するように配置されるが、見易さのため、図２４では省略している。

ガスセルに照射されるポンプ光は、アルカリ金属の吸収線に対応する波長の円偏光である。当該ポンプ光は、半導体レーザ６００から照射され、コリメートレンズ６０１で平行光に、偏光子６０２と波長板６０３で円偏光に変換され、空洞２００内に充満しているアルカリ金属ガスのスピンの向きを揃えて、スピン偏極状態を形成する。

プローブ光は、一般にアルカリ金属の吸収線とは異なる波長の直線偏光である。当該プローブ光は、半導体レーザ６００から照射され、コリメートレンズ６０１で平行光に、偏光子６０２と波長板６０３で直線偏光に変換される。当該プローブ光は、スピン偏極したアルカリ金属ガスが充満しているガスセルに入射すると、ファラデー効果によって、偏光面が回転する。その回転角は、ガスセル内の当該プローブ光と垂直な向きの磁場強度に比例するため、当該回転角を光検出器６０５で検出することによって、磁場を計測する事ができる。

半導体レーザ６００から照射されるポンプ光、およびプローブ光が上述の偏光状態に変換される構成であれば、半導体レーザ６００、コリメートレンズ６０１、偏光子６０２、および波長板６０３のいずれかを省略したり、順番を入れ替えたり、新たに別の部品を挿入したりしてもよい。

当該ガスセルは、アルカリ金属源３００が拡散して、レーザ光の透過が妨げられる事を防ぐ構造となっているため、当該アルカリ金属源３００によるポンプ光、およびプローブ光の反射、散乱を抑える事ができる。これにより、ポンプ光によるアルカリ金属ガスのスピン偏極状態の形成、およびプローブ光の偏光面の回転角の検出をより効率的に行う事ができるため、磁場検出感度を高める効果が得られる。

１００ 加工部材
１０１ 加工部材
１０２ 封止部材
１０３ 封止部材
１０４ マスク材料
１０５ マスク材料
１１０ 加工層
２００ 空洞
２０１ 空洞
３００ アルカリ金属源
４００ 分離壁
５００ 光路長測定システム
５０１ 光源
５０２ 光検出器
６００ 半導体レーザ
６０１ コリメートレンズ
６０２ 偏光子
６０３ 波長板
６０４ 集光レンズ
６０５ 光検出器
６０６ 光ファイバ
６０７ 静磁場印加用コイル
６０８ ＲＦ磁場印加用コイル

Claims (15)

1. 第１の封止部材と、
   第２の封止部材と、
   前記第１の封止部材および前記第２の封止部材によって封止される加工層と、を有し、
   前記加工層は、
   アルカリ金属ガスが封入される第１の空洞部と、
   前記第１の空洞部に対し第１分離壁を介して設けられる第２の空洞部とを有することを特徴とする磁場計測装置。
2. 請求項１において、
   前記加工層は、第１加工部材と、第２加工部材が積層された構造からなり、
   前記第２の空洞部は、前記第１加工部材の内部に設けられ、前記第１の封止部材によって封止され、
   前記第１の空洞部は、前記第１加工部材の内部および前記第２加工部材の内部に設けられ、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材によって封止されることを特徴とする磁場計測装置。
3. 請求項１において、
   前記第１の空洞部および前記第２の空洞部は、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材によって封止されることを特徴とする磁場計測装置。
4. 請求項１において、
   前記加工層は、前記第１の空洞部に対し、第２分離壁を介して設けられる第３の空洞部をさらに有し、
   第２分離壁は、所定の圧力が印加された際の応力が、前記第１分離壁とは異なることを特徴とする磁場計測装置。
5. 請求項１において、
   前記第２の空洞部は、真空封止されていることを特徴とする磁場計測装置。
6. 請求項１において、
   前記第１の封止部材および前記第２の封止部材は、前記アルカリ金属の吸収波長帯の光を透過する材料からなることを特徴とする磁場計測装置。
7. 請求項６において、
   前記アルカリ金属の吸収波長帯の光を透過する材料は、ガラスであることを特徴とする磁場計測装置。
8. 請求項１において、
   前記加工層は、非磁性材料からなることを特徴とする磁場計測装置。
9. 請求項１において、
   前記非磁性材料は、シリコンであることを特徴とする磁場計測装置。
10. 第１の封止部材と、第２の封止部材と、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、前記加工層に、第１分離壁を介して設けられる第１の空洞部と第２の空洞部とを有する磁場計測装置の製造方法であって、
    （ａ）前記第１の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生させる工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記第１の空洞部の内部の圧力により前記第１分離壁に発生する応力を破壊限界応力よりも高くすることで、前記第１分離壁の一部を破壊する工程と、を有することを特徴とする磁場計測装置の製造方法。
11. 請求項１０において、
    前記工程（ａ）において、前記アルカリ金属ガスとともに、非磁性ガスまたは希ガスからなる第２のガスを発生させ、
    前記工程（ｂ）において、前記第２のガスの圧力を上昇させることで、前記第１の空洞部の圧力により前記第１分離壁に発生する応力を破壊限界応力よりも高くすることを特徴とする磁場計測装置の製造方法。
12. 第１の封止部材と、第２の封止部材と、前記第１の封止部材および前記第２の封止部材によって封止される加工層とを有し、前記加工層は、第１加工部材と第２加工部材が積層された構造からなり、前記第１加工部材の内部および前記第２加工部材の内部に第１の空洞部が設けられ、前記第１加工部材の内部に第１分離壁を介して第２の空洞部が設けられる磁場計測装置の製造方法であって、
    （ａ）前記第２の空洞部に、アルカリ金属ガスを発生する工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記第１分離壁を破壊する工程とを有することを特徴とする磁場計測装置の製造方法。
13. 請求項１２において、
    前記工程（ｂ）において、レーザ光で前記第１分離壁を破壊することを特徴とする磁場計測装置の製造方法。
14. 請求項１２において、
    前記工程（ｂ）において、前記第１空洞部の内部の圧力により前記第１分離壁に発生する応力を破壊限界応力よりも高くすることで、前記第１分離壁を破壊することを特徴とする磁場計測装置の製造方法。
15. 請求項１２において、
    前記工程（ａ）において、前記アルカリ金属ガスとともに、非磁性ガスまたは希ガスからなる第２のガスを発生させることを特徴とする磁場計測装置の製造方法。

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