JPWO2015015628A1

JPWO2015015628A1 - 磁場計測装置

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Publication number: JPWO2015015628A1
Application number: JP2015529297A
Authority: JP
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
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2017-03-02
Also published as: US20160146909A1; WO2015015628A1; US10162021B2

Abstract

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部と、前記磁気センサ部に導入励起光を発生する光源部と、前記磁気センサ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内の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する磁気計測装置であり、前記光源部は、レーザと、該レーザの出力光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部と、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相を基に前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部とを含み、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光したもう一方の光を前記励起光とする。

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装置に関する。

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、もしくは、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。そのガラスセルへ照射する励起光の光源は、原子や分子の分光計測の分野で使用するのに匹敵するぐらい周波数安定化した光源が必要である。

光源として半導体レーザをはじめとする各種レーザが使用される。周波数安定化するレーザでは、基準周波数に対する周波数のずれを検出する機構を有する。周波数のずれを検出した信号がレーザを周波数安定化するための制御信号となる。基準周波数となる対象として、原子や分子の吸収線もしくは、干渉計が用いられる。

レーザの周波数安定化に関する背景技術として、特開２００５−７２１０３号公報（特許文献１）がある。この公報には、原子のサブドップラー分光スペクトルを用いてレーザ周波数の安定化を図る技術について記載され、とくに従来よりも簡便かつ適切な周波数安定化レーザ装置を提供すると記載されている。

半導体レーザをはじめとする光源の光強度は一般的に常時安定ではない。そのため、安定な光強度を必要とする用途では、光源から生じた光を光検出器で計測し、その計測信号によって光源の駆動電流を制御することで光強度を安定化するオートパワーコントロール（ＡＰＣ）が行われる。

ＡＰＣを用いた背景技術として、特開２００８−１５３３２０号公報（特許文献２）がある。この公報には、光源と、前記光源から出力された光を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器の光路の間に配置された光散乱体と、前記光検出器の検出結果を用いて前記光源の出力を制御または、前記光源の出力変動を補正する制御／補正部とを有することを特徴とする光源システムを提供する旨が記載されている。

また、特開２００２−３１４１８７号公報（特許文献３）がある。この公報には、半導体レーザと電界吸収型変調器とが集積化された光半導体素子と、半導体レーザ側からの背面光の出力を、波長透過依存性を有した光フィルタを介してフォトダイオードに入力させ、フォトダイオードの出力に応じて温度制御を行うとともに、電界吸収型変調器の出力に基づいて半導体レーザの電流を制御するレーザダイオードモジュールを得ると記載されている。

特開２００５−７２１０３号公報特開２００８−１５３３２０号公報特開２００２−３１４１８７号公報

特許文献１に記載のレーザ周波数安定化装置、およびレーザ周波数安定化方法では、基準周波数の対象として気体が封入されたガスセルを用いる。ガスセルを通過するポンプ光を一定の時間間隔で遮光させている状態で、同様にガスセルにプローブ光を入射する。ポンプ光がＯＮの時とＯＦＦの時のプローブ光の強度の差から得た一次微分信号を用いてレーザの周波数安定化を行う。周波数安定化時に、レーザヘッド内部の回折格子もしくはミラーなどの光学部品の角度調整の制御や、レーザへの注入電流の制御を行う。そのため、レーザの出力光強度は一定にならず、常に変動してしまう。

一方、特許文献２に記載の光源システムでは、レーザから出力された光は光散乱体を介して光検出器で検出され、当該検出信号を用いてレーザの出力光強度を安定に制御する。出力光強度の安定化を行う際に、レーザへの注入電流を制御するため、常にレーザの周波数は変動してしまう。

さらに、特許文献３に記載のレーザダイオードモジュール及び光送信機では、レーザからの出力光を検出した光検出器の出力信号で、レーザダイオードの温度制御とレーザダイオードの注入電流をそれぞれ制御する。そのため、前記特許文献２と同様にレーザの周波数は常時一定にはならない。

そこで、本発明は、レーザの周波数安定化と出力光強度安定化が両立できる光源を備えた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であり、アルカリ金属が封入されたガラスセルをセンサ部とする。光ポンピング磁気センサは、センサ部に励起光を照射するための光源部、センサ部に静磁場およびＲＦ磁場を印加するためのコイル部、信号制御処理部を有し、センサ部とコイル部は磁気シールド内にある。励起光の光源にはレーザ共振器長を高速かつ高精度に調整する機構を備えたレーザ、代表的には外部共振器型半導体レーザを用いる。光源部としては、そのレーザの共振器長の調整機構およびレーザ注入電流の供給源にレーザの出力光の位相検出信号を基にする周波数安定化制御信号を帰還する周波数安定化部に加えて、レーザの出力光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう光変調器を制御する強度安定化部を有し、強度安定かつ周波数安定な励起光は偏光保持光ファイバーを通じてセンサ部に照射する。このように、レーザの共振器長を制御する周波数安定化部とは独立してレーザの出力光を受ける光変調器を通過した光強度が所定値になるよう光変調器を制御する強度安定化部を具備した光源部を用いることにより、周波数安定化と出力光強度安定化が両立した励起光が確保され、磁気計測装置の計測感度と計測精度の向上が達成される。代表的には上記の強度安定化部の光変調器は、レーザ出力光の位相を検出するための参照ガラスセルにレーザ出力光を分光するビームスプリッタの前段に設けられる。つまり光源部の強度安定化部は、周波数安定化部がつくる制御ループ内に設けられる。

別の実施例では、強度安定化部の光変調器はレーザ出力光の位相を検出するための参照ガラスセルにレーザ出力光を分光するビームスプリッタの後段に設けられる。つまり周波数安定化部の作る制御ループの外に強度安定化部があり、励起光は、周波数安定化、強度安定化の順に調節される構成を有する。

本発明によれば、光源の強度安定化と、光源の周波数安定化を両立できる装置構成で、光ポンピング磁気センサの低雑音化および安定動作を提供する。

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。上記磁場計測装置の強度安定化と周波数安定化機構を備えた光源部を示すブロック図である。上記磁場計測装置の磁気センサの構造を示す側面図である。本発明の第２の実施例である光ポンピング磁気センサを用いた磁場計測装置の光源部の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施例である光ポンピング磁気センサ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。本発明の第４の実施例である光ポンピング磁気センサ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。本発明の第５の実施例である光ポンピング磁気センサ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。本発明の第６の実施例である光ポンピング磁気センサ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。

図１は、本発明の実施例（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１００、コイル部１０７、センサ部１０６、磁気シールド部１１０、信号制御処理部１２０から構成される。光源部１００は、レーザ１０１、駆動電源回路１０２、強度安定化部１０３、周波数安定化部１０４から成り、センサ部１０６のアルカリ金属ガスを封入したセンサ用ガラスセルに導入するセンサ用励起光１０５を発生する。光源は安定性や性能を考慮し、ランプよりもレーザが好ましい。したがって、本実施例の光源はレーザを使用している。

光ポンピング磁気センサの動作では、レーザの発振周波数がアルカリ金属の吸収線（Ｄ_１線、Ｄ_２線）を含み、レーザのスペクトル線幅がアルカリ金属の吸収線幅以下で、シングルモードで発振している必要がある。そのため、必要なレーザ動作条件だけでなく、実用性（安価・小型）の面も考慮すると、使用するレーザは半導体レーザとなる。なかでも、レーザ素子の外部に回折格子などの光学部品を備えた外部共振器型半導体レーザ、またはレーザ素子内部に共振器長調節構造を備えた分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）もしくは分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）の使用が好ましい。

レーザ１０１は駆動電源回路１０２で駆動されて発振する。レーザ素子が所望の発振周波数で発振するようにペルチェ素子を用いて設定温度に常時温調制御している。外部共振器型レーザを使用する場合には、レーザ素子の温調だけでなく、レーザ素子への注入電流値の設定と、回折格子などの光学部品から成る外部共振器長の調節を行うことで、レーザの発振周波数がアルカリ金属の吸収線から大きく外れるモードホップが生じないようにする。また、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを使用する場合にも、同様にモードホップが生じることを防ぐために、レーザ素子の温調だけでなく、レーザ素子への注入電流値の設定を行う。

図２は実施例１の磁場計測装置の光源部１００の詳細構成を示す。レーザ１０１から出力したレーザ光は音響光学変調器（ＡＯＭ）１２１に入射する。このレーザ光はＡＯＭを出射する際にブラッグ回折によって、０次光、１次光、・・・、Ｎ次光（Ｎは整数）に分離されたレーザ光となって出射する。その際に、ＡＯＭ１２１に入る入射レーザ光の角度を調節することで１次光が最大になるように設定する。入射レーザ光の調節のために、ＡＯＭ１２１に３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）かつ角度（θ軸）などの位置調節機構があると容易に調整が可能である。ＡＯＭ１２１からの出射レーザ光は０次光を使用し、当該０次光はビームスプリッタ１２５１によって２つに分離する。

分離された０次光の一つは、レーザ光の強度安定化を行うために光検出器１２６で検出する。光検出器１２６の出力電圧と、外部に設けた基準電圧回路１２７の出力電圧を差動増幅回路１２４に入力する。この差動増幅回路１２４の出力電圧は積分回路１２３を介して、ＡＯＭ駆動回路１２２に入力する構成となっている。この構成でレーザ光の強度安定化の制御が行われる。ここで、ＡＯＭはレーザ光の強度調節としても機能でき、強度を調節する際は前記基準電圧回路１２７の出力電圧を調節する。

前記分離された０次光のもう一つは、ビームスプリッタ１２５２でさらに２つのレーザ光に分離する。分離したレーザ光は、レーザ光の周波数安定化と、センサの励起光にそれぞれ使用する。レーザ光の周波数安定化のためには、背景技術で記したアルカリ金属の吸収線、もしくは干渉計を周波数安定化の基準として使用することができる。干渉計を用いた場合は周波数安定性が最も高い。しかし、簡便性かつコストの面ではアルカリ金属の吸収線を用いた周波数安定化が好ましい。また、アルカリ金属原子の吸収線は熱運動によって室温（例えば、２４℃）でも数百ＭＨｚの広がりがあるため、アルカリ金属原子の吸収線の自然幅（例えば、セシウム原子では約５ＭＨｚ）以下に周波数安定化できれば十分な性能といえる。そこで、本実施例の周波数安定化は、実用的なアルカリ金属原子の吸収線を用いた周波数安定化を採用し、その中でも一般的といえる飽和吸収分光法を用いている。

すなわち、前記ビームスプリッタ１２５２で分離した周波数安定化用のレーザ光は、アルカリ金属の吸収線を得るためにアルカリ金属のみが入った参照ガラスセル１３１に入射する。そのレーザ光の入射側と対向する側にはＮＤファイル１３３とミラー１３２が積層して設けられる。この構造により、参照ガラスセル１３１を通過したレーザ光は、ミラーで反射し、減弱されて参照ガラスセル１３１に戻され、入射レーザ光の経路と重なる経路を逆方向に進む。このように、入射レーザ光（ポンプ光）の光強度は強く、もう片方の反射レーザ光（プローブ光）はポンプ光に比べて十分弱くなり、両者の経路は重なる。レーザ光強度が強いポンプ光でアルカリ金属原子の励起が飽和され、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が減少する。これにより参照ガラスセルでの光吸収周波数特性には鋭い窪みが生じる。この窪みの線幅はアルカリ金属原子の自然幅であり、窪みの底もしくはスロープの部分にレーザの周波数をロックすることで周波数安定化を行う。レーザ１０１として外部共振器型半導体レーザを用いた場合について、この周波数安定化のための制御ループの詳細を述べる。外部共振器型半導体レーザではレーザ素子と対向して配置されて共振器を形成する回折格子の角度を微細に変化させる圧電素子、もしくは上記の回折格子からの回折光の光路に設けたミラーの角度を微細に変化させる圧電素子を備える。前者の構造をもつのはリトロー型レーザと呼ばれ、後者の構造をもつのはリットマン型レーザと呼ばれる。いずれの場合も、圧電素子へ引加する電圧により共振器長を調整してレーザの周波数を調整可能となっている。上記した参照セルの光吸収周波数特性の窪みの底に、つまり参照ガラスセル１３１を経た光の周波数特性のピークに周波数安定化する場合には、レーザの周波数を掃引時に上述の共振器長を調節するための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１２９で検波して得られる分散型のエラー信号を積分回路１２８に通し、上記圧電素子及びレーザ素子の注入電流にフィードバックをかける。また、スロープの部分に周波数安定化を行う場合には、直線性がある範囲でスロープの傾きをエラー信号として積分回路に通し、圧電素子及びレーザ素子の注入電流にフィードバックをかける。

前記分離された０次光のもう一つのレーザ光は、前記強度安定化と前記周波数安定化によって周波数安定かつ強度安定になったレーザ光であり、磁気シールド１１０の内部に導入されてセンサ部１０６の励起光となる。

センサ部１０６は測定対象の磁場の発生源とともに磁気シールド１１０の内部に置かれる。更に磁気シールド１１０の内部には、センサ部１０６のガラスセルに、上記の励起光の光軸と４５度の各度をなす方向の静磁場を引加する静磁場コイル１０８と、その静磁場と直交する方向の振動磁場を発生するＲＦコイル１０９を有する。

図３はセンサ部１０６の主要構造を示す。センサ部１０６では図示しない非磁性のモールドの内部に図３の各部品が図のとおりに配置されている。光ファイバーによって光源部から導くセンサの励起光は、コリメートレンズ３０１、λ／４波長板３０３を介してセンサ用ガラスセル３０５に導入される。励起光はコリメートレンズ３０１で平行光となり、λ／４波長板３０３で円偏光になってセンサ用ガラスセル３０５に入射する。そして、センサ用ガラスセル３０５を通過したレーザ光は集光レンズ３０７で集光され、図１の信号処理部１２０に設けられたフォトダイオード１１１に導かれて検出される。センサの励起光は空間伝播光としてセンサ用ガラスセルへ入射してもよいが、実用性を考慮すると偏波保持光ファイバーによってセンサ用のガラスセルへ導くことが好ましい。また、直線偏光を調節するために、コリメートレンズ３０１とλ／４波長板３０３との間に偏光子もしくはλ／２波長板を入れてもよい。センサ用ガラスセル３０５を通過したレーザ光の検出は直接光検出器で検出するだけでなく、光ファイバーを介してフォトダイオード１１１に導いてもよい。高い結合効率を得るにはコア径の大きいマルチモード光ファイバーを用いるのが望ましい。マルチモード光ファイバーは、一般に偏波面保存の機能はない。しかし、センサ部のガラスセル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ため、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。信号処理部１２０は、さらにカレントアンプ回路１１２、アンプフィルタ回路１１３、位相検波回路１１４、ＡＤ変換回路１１５、発振回路１１６、ループフィルタ回路１１７、安定化電源１１８、及びＰＣ１１９を備える。フォトダイオード１１１から出力された電流信号はカレントアンプ回路１１２によって電圧信号に変換され、アンプフィルタ回路１１３で測定に必要なゲインと帯域に調整する。位相検波回路１１４では、発振回路１１６からの信号を参照信号にしてアンプフィルタ回路１１３の出力を検波する。検波された位相信号をループフィルタ回路１１７で発振しないように制御し、ループフィルタ回路１１７の出力を発振回路１１６に入力することで発振周波数を電圧制御し、これによってセンサ部１０６に印加するＲＦ磁場の周波数を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１１４の出力変化によって、センサ用ガラスセル３０５の近傍の測定対象で発生する微弱磁場を計測できる。なおフォトダイオード１１１とカレントアンプ回路１１２との間はシールド線で接続するのが一般的であるが、両者を一体構造とするのが電磁ノイズに強い構造としてより好ましい。

以上の構成により、磁気センサ部に導入する励起用のレーザ光の光強変動と周波数変動の双方を排除し、安定した励起光源による高精度な光ポンピング磁気計測が可能な磁気計測装置が得られる。

本発明の第２の実施例（実施例２）の磁気計測装置では、光源部の構成が実施例１と異なる。この磁気計測装置は、光源部以外の構成は図１に示した実施例１の磁気計測装置と全く同様である。以下に、実施例２の磁気計測装置の光源部１４０の構成を図４に沿って説明する。図２に示した実施例１の光源部と同一の構成要素は同一の符号を付してある。実施例１の光源部と比較とすると、光検出器１２６、基準電圧回路１２７、差動増幅器１２４、積分回路１２３、ＡＯＭ駆動回路１２２、および音響光学変調器１２１で構成する強度安定化部が、周波数安定化部から駆動電源回路１０２を経てレーザ１０１にフィードバックする周波数安定化のための制御ループの内側にあるのではなく、この制御ループの後段にある点が異なる。すなわち光源であるレーザ１０１から出力されたレーザ光を分割する第１のビームスプリッタ１２５１で得る分割光の一つは、ハーフミラー１３０、参照セル１３１、ＮＤフィルタ１３３、ミラー１３２の積層構造体に導入される。光検出器１３４の出力を位相検出回路１２９で検波して得るレーザの共振器長の変調成分の抽出信号は積分回路１２８で積分されてレーザの駆動電源回路１０２に帰還され、レーザ１０１の周波数安定化制御信号として働く。以上の制御ループにより周波数安定化がなされたレーザ光の分割光のもう一つは、ビームスプリッタ１２５１から音響光学変調器１２１に導かれる。音響光学変調器１２１は、第２のビームスプリッタ１２５２から得る分割光を検出する光検出器１２６、基準電圧回路１２７、差動増幅器１２４、積分回路１２３、ＡＯＭ駆動回路１２２で構成される制御回路で得る強度安定化制御信号で制御され、もってその出力光の強度が一定に制御される。以上のように、周波数安定化部、強度安定化部の順に制御ループが構成され、これらを介して、センサ用励起光１０５が得られる。

励起光１０５を導入するセンサ用ガラスセル以降の構成は実施例１と全く同様であり、本実施例でも励起用のレーザ光の光強変動と周波数変動の双方を排除し、安定した励起光源による高精度な光ポンピング磁気計測が可能である。

本発明の第３の実施例（実施例３）では、センサ用ガラスセルに導入する励起光が実施例１のように単一波長のレーザ光ではなく、センサ用ガラスセルに用いるアルカリ金属の吸収線であるＤ_１線とＤ_２線のそれぞれのレーザ光の混合光を励起光として用いる。

図５に実施例３の磁気計測装置の全体構成を示す。互いに独立した光源部１００−１と１００−２を有する。光源部１００-１はＤ_１線レーザ１０１−１、強度安定化部１０３−１、周波数安定化部１０４−１、駆動電源回路１０２−１を有し、その詳細構成は図２に示した実施例１の光源部１００と同様である。光源部１００-２も同様にはＤ_２線レーザ１０１−２、強度安定化部１０３−２、周波数安定化部１０４−２、駆動電源回路１０２−２を有し、その詳細構成も図２に示した実施例１の光源部１００と変わりがない。したがって、それぞれの光源部にてレーザ光が強度安定化かつ周波数安定化するまでの構造は図１の実施例１と同様である。

それぞれ強度安定化かつ周波数安定化された各レーザ光は、コリメートレンズで平行光にし、そのあとでλ／４波長板を介して円偏光にする。円偏光になった各レーザ光はハーフミラー２３０を用いて同軸上に重ね合わせられて混合光となる。この混合光が磁気シールド１１０−１内に備えられたセンサ用セルに入射する。磁気シールド１１０−１内の構成では、センサ用ガラスセルを通過したレーザ光を入射させる回折格子２３４を有する点が実施例１の磁気シールドと異なる。この回折格子２３４を用いてガラスセルを通過したレーザ光をＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光にそれぞれ分離し、どちらか一方のレーザ光のみを抽出して磁気計測用の信号として検出する。この抽出されたレーザ光の検出を行うフォトダイオード１１１以降の信号処理部１２０の構成、動作は実施例１と変りがない。

このように、本実施例では重ね合わせたＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光を励起光として用いることで、その片方のレーザ光が磁気計測のためのポンプ−プローブ光となり、もう片方のレーザ光が磁気計測信号の信号対雑音比を向上するためのリポンプ光として機能する。この実施例３の磁気計測装置では、センサ用カラスセル内のアルカリ金属原子（例えばセシウム原子）のうち基底準位Ｆ４にあった原子と基底準位Ｆ３にあった原子も励起することが出来る。そのため、光ポンピング磁力計の磁気検出感度が実施例１，２の装置よりも更に向上するとの利点を有する。

ポンプ−プローブ光はＤ_１レーザ光もしくはＤ_２レーザ光どちらでも用いることができる。つまり、リポンプ光においても同様なことが言える。しかしながら、Ｄ_１レーザ光をポンプ−プローブ光とし、Ｄ_２レーザ光をリポンプ光とすると、より効果的である。これは、Ｄ_１線の方がＤ_２線よりもアルカリ金属原子のエネルギー遷移の間隔が広いため、使用するエネルギー遷移に近い別のエネルギー遷移の影響が小さいできることが理由である。

本発明の第４の実施例（実施例４）の磁気計測装置の全体構成を図６に示す。本実施例の磁気計測装置では、実施例３と同様にセンサ用ガラスセルに用いるアルカリ金属の吸収線であるＤ_１線とＤ_２線のそれぞれのレーザ光の混合光を励起光として用いる。したがってＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光をそれぞれ発生する光源部１４０−１、１４０−２を備える。これらの光源部は実施例１の光源部のように周波数安定化のための制御ループの内側に強度安定化部を備えたものではない。強度安定化部１０３−１，１０３−２は、それぞれ周波数安定化部１０４−１が作る制御ループの後段、周波数安定化部１０４−２か作る制御ループの後段にそれぞれ設けられる。これら光源部１４０−１、１４０−２の詳細構成は図４に示すもとの同様である。ただし、図６では光源部１４０−１，１４０−２の内部は概要ブロック構成で示している。光源部１４０−１からのＤ_１レーザ光と光源部１４０−２からのＤ_２レーザ光とは、それぞれコリメートレンズ、λ／４波長板により互い平行な円偏光とされ、ハーフミラー１４０で同軸上に重ね合わせられて混合光となることも実施例３と同様である。また、センサ部１０６のセンサ用ガラスセルを通過したレーザ光を回折格子２３４に通し、もってＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光のいずれか一方を抽出して検出する構成も実施例３の磁気計測装置と全く同様である。

本発明の第５の実施例（実施例５）の磁気計測装置の全体構成を図７に示す。本実施例の磁気計測装置では、実施例３と同様にセンサ用ガラスセルに用いるアルカリ金属の吸収線であるＤ_１線とＤ_２線のそれぞれのレーザ光の混合光を励起光として用いる。したがってＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光をそれぞれ発生する光源部１４０−１、１４０−２を備える。レーザ光が強度安定化かつ周波数安定化するまでの構造ならびに、センサ部への励起光を導く装置構成は図５に示した実施例３と同様である。

それぞれ強度安定化かつ周波数安定化された各レーザ光は、コリメートレンズで平行光にし、そのあとでλ／４波長板を介して円偏光にする。円偏光になった各レーザ光はハーフミラー２３０を用いて同軸上に重ね合わせられて混合光となる。この混合光が磁気シールド１１０−２内に備えられたセンサ用セルに入射する。磁気シールド１１０−２内の構成では、センサ用ガラスセルを通過したレーザ光を入射させる回折格子２３４の代わりにλ／４波長板２０００と、偏光ビームスプリッタ２００１を有する点が実施例３の磁気シールドと異なる。このλ／４波長板２０００でガラスセルを通過したＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光を円偏光から直線偏光に変換する。変換された直線偏光であるＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光は偏光ビームスプリッタ２００１で、Ｄ_１レーザ光とＤ_２レーザ光にそれぞれ分離し、どちらか一方のレーザ光のみを抽出して磁気計測用の信号として検出する。この抽出されたレーザ光の検出を行うフォトダイオード１１１以降の信号処理部１２０の構成、動作は実施例３と変りがない。

本発明の第６の実施例（実施例６）の磁気計測装置の全体構成を図８に示す。本実施例の磁気計測装置では、実施例３と同様にセンサ用ガラスセルに用いるアルカリ金属の吸収線であるＤ_１線とＤ_２線のそれぞれのレーザ光の混合光を励起光として用いる。したがってＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光をそれぞれ発生する光源部１４０−１、１４０−２を備える。レーザ光が強度安定化かつ周波数安定化するまでの構造ならびに、センサ部への励起光を導く装置構成は図５に示した実施例３と同様である。

これらの光源部は実施例５の光源部のように周波数安定化のための制御ループの内側に強度安定化部を備えたものではない。強度安定化部１０３−１，１０３−２は、それぞれ周波数安定化部１０４−１が作る制御ループの後段、周波数安定化部１０４−２か作る制御ループの後段にそれぞれ設けられる。これら光源部１４０−１、１４０−２の詳細構成は図６に示すもとの同様である。また、磁気シールド１１０−２内の構成は実施例５と全く同様である。光源部１４０−１からのＤ_１レーザ光と光源部１４０−２からのＤ_２レーザ光とは、それぞれコリメートレンズ、λ／４波長板により互い平行な円偏光とされ、ハーフミラー１４０で同軸上に重ね合わせられて混合光となることも実施例５と同様である。また、センサ部１０６のセンサ用ガラスセルを通過したレーザ光をλ／４波長板２０００と、偏光ビームスプリッタ２００１に通し、もってＤ_１レーザ光とＤ_２レーザ光のいずれか一方を抽出して検出する構成も実施例５の磁気計測装置と全く同様である。

１００，１４０，１００−１，１００−２，１４０−１，１４０−２：光源部
１０１：レーザ
１０１−１：Ｄ_１レーザ
１０１−２：Ｄ_２レーザ
１０２，１０２−１，１０２−２：駆動電源回路
１０３，１０３−１，１０３−２：強度安定化部
１０４，１０４−１，１０４−２：周波数安定化部
１０５：センサ用励起光
１０６：センサ部
１０７：コイル部
１０８：静磁場コイル
１０９：ＲＦコイル
１１０，１１０−１，１１０−２：磁気シールド
１１１：フォトダイオード
１１２：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：発振回路
１１７：ループフィルタ回路
１１８：安定化電源
１１９：ＰＣ
１２０：信号制御処理部
１２１：音響光学変調器（ＡＯＭ）
１２２：ＡＯＭ駆動回路
１２３，１２８：積分回路
１２４：差動増幅回路
１２６，１３４：光検出器
１２７：基準電圧回路
１２９：位相検出回路
１３０：ハーフミラー
１３１：参照セル
１３２：ミラー
１３３：ＮＤフィルタ
２３０：ハーフミラー
２３４：回折格子
３０１：コリメートレンズ
３０３，２０００： λ／４波長板
３０５：センサ用ガラスセル
３０７：集光レンズ
１２５１，１２５２：ビームスプリッタ
２００１：偏光ビームスプリッタ

すなわち、前記ビームスプリッタ１２５２で分離した周波数安定化用のレーザ光は、アルカリ金属の吸収線を得るためにアルカリ金属のみが入った参照ガラスセル１３１に入射する。そのレーザ光の入射側と対向する側にはＮＤフィルタ１３３とミラー１３２が積層して設けられる。この構造により、参照ガラスセル１３１を通過したレーザ光は、ミラーで反射し、減弱されて参照ガラスセル１３１に戻され、入射レーザ光の経路と重なる経路を逆方向に進む。このように、入射レーザ光（ポンプ光）の光強度は強く、もう片方の反射レーザ光（プローブ光）はポンプ光に比べて十分弱くなり、両者の経路は重なる。レーザ光強度が強いポンプ光でアルカリ金属原子の励起が飽和され、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が減少する。これにより参照ガラスセルでの光吸収周波数特性には鋭い窪みが生じる。この窪みの線幅はアルカリ金属原子の自然幅であり、窪みの底もしくはスロープの部分にレーザの周波数をロックすることで周波数安定化を行う。レーザ１０１として外部共振器型半導体レーザを用いた場合について、この周波数安定化のための制御ループの詳細を述べる。外部共振器型半導体レーザではレーザ素子と対向して配置されて共振器を形成する回折格子の角度を微細に変化させる圧電素子、もしくは上記の回折格子からの回折光の光路に設けたミラーの角度を微細に変化させる圧電素子を備える。前者の構造をもつのはリトロー型レーザと呼ばれ、後者の構造をもつものはリットマン型レーザと呼ばれる。いずれの場合も、圧電素子へ引加する電圧により共振器長を調整してレーザの周波数を調整可能となっている。上記した参照セルの光吸収周波数特性の窪みの底に、つまり参照ガラスセル１３１を経た光の周波数特性のピークに周波数安定化する場合には、レーザの周波数を掃引時に上述の共振器長を調節するための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１２９で検波して得られる分散型のエラー信号を積分回路１２８に通し、上記圧電素子及びレーザ素子の注入電流にフィードバックをかける。また、スロープの部分に周波数安定化を行う場合には、直線性がある範囲でスロープの傾きをエラー信号として積分回路に通し、圧電素子及びレーザ素子の注入電流にフィードバックをかける。

Claims

磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記磁気センサ部に導入する励起光を発生する光源部と、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記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、前記光源部は、レーザと、該レーザの出力光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部と、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部とを含み、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光したもう一方の光を強度安定化され周波数安定化された励起光として前記ガラスセルに導くよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。
磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記磁気センサ部に導入する励起光を発生する光源部と、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記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、前記光源部は、レーザと、該レーザの出力光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部と、前記レーザの出力光を分光した他方の光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部とを含み、該光変調器を通したレーザ光を、周波数安定化され強度安定化された励起光として前記ガラスセルに導くよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。
磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_１線のレーザ光を発生する第１の光源部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_２線のレーザ光を発生する第２の光源部と、前記第１の光源部からのＤ_１線のレーザ光と前記第２の光源部からのＤ_１線のレーザ光を同軸に重ね合わせた励起光を前記磁気センサ部のガラスセルに導入するよう配置されたハーフミラーと、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記磁気センサ部のガラスセルのガラスセルを透過した光のうちのＤ_１線、Ｄ_２線のいずれか一方を抽出するよう配置された回折格子と、前記回折格子で抽出され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、前記第１、第２の光源部のそれぞれは、レーザと、該レーザの出力光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部と、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部とを含み、それぞれの光変調器を通過した光を分光したもう一方の光を強度安定化され周波数安定化された前記Ｄ_１線のレーザ光、前記Ｄ_２線の励起光としてそれぞれ出力するよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。
磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_１線のレーザ光を発生する第１の光源部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_２線のレーザ光を発生する第２の光源部と、前記第１の光源部からのＤ_１線のレーザ光と前記第２の光源部からのＤ_１線のレーザ光を同軸に重ね合わせた励起光を前記磁気センサ部のガラスセルに導入するよう配置されたハーフミラーと、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記磁気センサ部のガラスセルのガラスセルを透過した光のうちのＤ_１線、Ｄ_２線のいずれか一方を抽出するよう配置された回折格子と、前記回折格子で抽出され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、前記第１、第２の光源部のそれぞれは、レーザと、該レーザの出力光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部と、前記レーザの出力光を分光した他方の光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部とを含み、該光変調器を通したレーザ光を強度安定化され周波数安定化された前記Ｄ_１線のレーザ光、また前記Ｄ_２線の励起光としてそれぞれ出力するよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。
磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_１線のレーザ光を発生する第１の光源部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_２線のレーザ光を発生する第２の光源部と、前記第１の光源部からのＤ_１線のレーザ光と前記第２の光源部からのＤ_１線のレーザ光を同軸に重ね合わせた励起光を前記磁気センサ部のガラスセルに導入するよう配置されたハーフミラーと、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記磁気センサ部のガラスセルのガラスセルを透過した光のうちのＤ_１線、Ｄ_２線のいずれか一方を抽出するよう配置されたλ／４波長板、偏光ビームスプリッタと、前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッタで抽出され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、前記第１、第２の光源部のそれぞれは、レーザと、該レーザの出力光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部と、該強度安定化部の光変調器を通過した光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部とを含み、それぞれの光変調器を通過した光を分光したもう一方の光を強度安定化され周波数安定化された前記Ｄ_１線のレーザ光、前記Ｄ_２線の励起光としてそれぞれ出力するよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。
磁気シールド空間に設けられ、アルカリ金属ガスが封入されたガラスセルを有して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部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_１線のレーザ光を発生する第１の光源部と、前記アルカリ金属の吸収線であるＤ_２線のレーザ光を発生する第２の光源部と、前記第１の光源部からのＤ_１線のレーザ光と前記第２の光源部からのＤ_１線のレーザ光を同軸に重ね合わせた励起光を前記磁気センサ部のガラスセルに導入するよう配置されたハーフミラーと、前記磁気シールド空間に設けられ、前記磁気センサ部に静磁場及びＲＦ磁場を印加するコイル部と、前記磁気センサ部のガラスセルのガラスセルを透過した光のうちのＤ_１線、Ｄ_２線のいずれか一方を抽出するよう配置されたλ／４波長板、偏光ビームスプリッタと、前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッタで抽出され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、前記第１、第２の光源部のそれぞれは、レーザと、該レーザの出力光を分光した一方の光を受ける参照用ガラスセルから得た光の位相をもとに前記前記レーザの共振器長を制御する周波数安定化制御信号を作成する周波数安定化部と、前記レーザの出力光を分光した他方の光を受ける光変調器の出力光強度が所定値になるよう該光変調器を制御する強度安定化部とを含み、該光変調器を通したレーザ光を強度安定化され周波数安定化された前記Ｄ_１線のレーザ光、また前記Ｄ_２線の励起光としてそれぞれ出力するよう構成されることを特徴とする磁場計測装置。