WO2015015628A1 - 磁場計測装置 - Google Patents

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WO2015015628A1
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laser
magnetic field
unit
line
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龍三 川畑
神鳥 明彦
長部 太郎
聖一 鈴木
雄大 鎌田
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株式会社日立製作所
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/006Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects using optical pumping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field measuring apparatus using a magneto-optical effect by optical pumping.
  • a glass cell in which an alkali metal gas (for example, potassium, rubidium, cesium, etc.) is enclosed is used as a sensor.
  • a static magnetic field is applied to the glass cell, the energy level of the alkali metal in the glass cell is Zeeman split, and the polarization state such as linearly polarized light, circularly polarized light, elliptically polarized light is manipulated, or intensity modulated light, phase modulated
  • the magnetism that enters the glass cell is detected by utilizing the interaction between the light and magnetism generated by irradiating the glass cell with light whose intensity or phase has been manipulated.
  • the light source of the excitation light that irradiates the glass cell needs a light source that is frequency-stabilized to be comparable to that used in the field of spectroscopic measurement of atoms and molecules.
  • the laser whose frequency is stabilized has a mechanism for detecting a frequency shift with respect to a reference frequency.
  • a signal that detects the frequency shift becomes a control signal for stabilizing the frequency of the laser.
  • an object to be a reference frequency an atomic or molecular absorption line or an interferometer is used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-72103 (Patent Document 1) is known as a background art related to laser frequency stabilization. This publication describes a technique for stabilizing the laser frequency by using a sub-Doppler spectrum of atoms, and particularly describes providing a frequency stabilization laser device that is simpler and more appropriate than conventional techniques.
  • the light intensity of a light source such as a semiconductor laser is not always stable. Therefore, in applications that require stable light intensity, auto power control (APC) that stabilizes light intensity by measuring the light generated from the light source with a photodetector and controlling the drive current of the light source according to the measurement signal. ) Is performed.
  • APC auto power control
  • Patent Document 2 JP 2008-153320 A (Patent Document 2).
  • a light source a light detector for detecting light output from the light source, a light scatterer disposed between the light source and the light path of the light detector, and a detection result of the light detector
  • a control / correction unit that controls the output of the light source or corrects the output fluctuation of the light source.
  • Patent Document 3 JP-A-2002-314187.
  • an optical semiconductor element in which a semiconductor laser and an electro-absorption modulator are integrated, and a back light output from the semiconductor laser side is passed to a photodiode through an optical filter having wavelength transmission dependency. It is described that a laser diode module is obtained which controls the temperature according to the output of the photodiode and controls the current of the semiconductor laser based on the output of the electroabsorption modulator.
  • a gas cell in which a gas is sealed is used as a reference frequency target.
  • probe light is incident on the gas cell in a state where the pump light passing through the gas cell is shielded at regular time intervals.
  • the frequency of the laser is stabilized using a first-order differential signal obtained from the difference in the intensity of the probe light when the pump light is on and off.
  • the angle adjustment of an optical component such as a diffraction grating or a mirror inside the laser head is controlled, and the injection current to the laser is controlled. For this reason, the output light intensity of the laser is not constant and always fluctuates.
  • the temperature control of the laser diode and the injection current of the laser diode are respectively controlled by the output signal of the photodetector that detects the output light from the laser. For this reason, the frequency of the laser is not always constant as in Patent Document 2.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic field measuring apparatus provided with a light source capable of both stabilizing the frequency of the laser and stabilizing the output light intensity.
  • a magnetic field measurement apparatus is an optically pumped magnetic sensor that uses the magneto-optical characteristics of spin-polarized alkali metal, and uses a glass cell in which the alkali metal is enclosed as a sensor unit.
  • the optical pumping magnetic sensor includes a light source unit for irradiating the sensor unit with excitation light, a coil unit for applying a static magnetic field and an RF magnetic field to the sensor unit, and a signal control processing unit.
  • the sensor unit and the coil unit are magnetic. It is in the shield.
  • the excitation light source a laser having a mechanism for adjusting the laser cavity length at high speed and high accuracy, typically, an external cavity semiconductor laser is used.
  • the light source unit in addition to the adjustment mechanism of the laser resonator length and the frequency stabilization unit that feeds back the frequency stabilization control signal based on the phase detection signal of the laser output light to the supply source of the laser injection current, It has an intensity stabilization unit that controls the optical modulator so that the output intensity of the optical modulator that receives the laser output light becomes a predetermined value, and the sensor unit is irradiated with the intensity-stable and frequency-stable excitation light through the polarization-maintaining optical fiber. To do.
  • the intensity stabilization that controls the optical modulator so that the light intensity that has passed through the optical modulator that receives the output light of the laser becomes a predetermined value independent of the frequency stabilization unit that controls the resonator length of the laser
  • the light modulator of the intensity stabilizing unit is provided in a front stage of a beam splitter that splits the laser output light in a reference glass cell for detecting the phase of the laser output light. That is, the intensity stabilizing unit of the light source unit is provided in a control loop created by the frequency stabilizing unit.
  • the light modulator of the intensity stabilizing unit is provided at the subsequent stage of the beam splitter that splits the laser output light into the reference glass cell for detecting the phase of the laser output light. That is, there is an intensity stabilizing unit outside the control loop formed by the frequency stabilizing unit, and the excitation light is configured to be adjusted in the order of frequency stabilization and intensity stabilization.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a magnetic field measurement apparatus using an optical pumping magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the light source part provided with the intensity
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a magnetic field measuring apparatus according to an embodiment (Example 1) of the present invention.
  • the magnetic field measurement apparatus includes a light source unit 100, a coil unit 107, a sensor unit 106, a magnetic shield unit 110, and a signal control processing unit 120.
  • the light source unit 100 includes a laser 101, a drive power supply circuit 102, an intensity stabilization unit 103, and a frequency stabilization unit 104.
  • the sensor excitation light 105 introduced into the sensor glass cell in which the alkali metal gas of the sensor unit 106 is sealed is introduced. appear.
  • the light source is preferably a laser rather than a lamp. Therefore, the light source of the present embodiment uses a laser.
  • the oscillation frequency of the laser includes an alkali metal absorption line (D 1 line, D 2 line), the laser spectral line width is equal to or smaller than the alkali metal absorption line width, and the laser oscillates in a single mode. Need to be. Therefore, considering not only the necessary laser operating conditions but also the practicality (cheap and small size), the laser to be used is a semiconductor laser.
  • an external cavity semiconductor laser having an optical component such as a diffraction grating outside the laser element, or a distributed feedback laser (DFB laser) or a distributed reflection laser having a cavity length adjusting structure inside the laser element.
  • DBR laser distributed feedback laser
  • the laser 101 is driven by the drive power circuit 102 and oscillates. Temperature control is always performed at a set temperature using a Peltier element so that the laser element oscillates at a desired oscillation frequency.
  • Temperature control is always performed at a set temperature using a Peltier element so that the laser element oscillates at a desired oscillation frequency.
  • an external resonator type laser not only the temperature control of the laser element but also the setting of the injection current value to the laser element and the adjustment of the length of the external resonator composed of optical components such as a diffraction grating
  • the mode hop where the oscillation frequency of the laser greatly deviates from the absorption line of the alkali metal is prevented.
  • a DFB laser or a DBR laser in order to prevent mode hopping from occurring, not only temperature control of the laser element but also setting of an injection current value to the laser element is performed.
  • FIG. 2 shows a detailed configuration of the light source unit 100 of the magnetic field measurement apparatus according to the first embodiment.
  • Laser light output from the laser 101 enters an acousto-optic modulator (AOM) 121.
  • AOM acousto-optic modulator
  • the laser beam is emitted from the AOM, it is emitted as a laser beam separated into zero-order light, first-order light,..., N-order light (N is an integer) by Bragg diffraction.
  • N is an integer
  • the AOM 121 In order to adjust the incident laser light, if the AOM 121 has a position adjusting mechanism such as three axes (X axis, Y axis, Z axis) and angle ( ⁇ axis), the adjustment can be easily performed.
  • the emitted laser light from the AOM 121 uses zero-order light, and the zero-order light is separated into two by a beam splitter 1251.
  • One of the separated zero-order lights is detected by the photodetector 126 in order to stabilize the intensity of the laser light.
  • the output voltage of the photodetector 126 and the output voltage of the reference voltage circuit 127 provided outside are input to the differential amplifier circuit 124.
  • the output voltage of the differential amplifier circuit 124 is input to the AOM drive circuit 122 via the integration circuit 123.
  • the AOM can also function as laser beam intensity adjustment, and when adjusting the intensity, the output voltage of the reference voltage circuit 127 is adjusted.
  • Another one of the separated zero-order light is further separated into two laser beams by a beam splitter 1252.
  • the separated laser light is used for stabilizing the frequency of the laser light and for excitation light of the sensor.
  • an alkali metal absorption line or an interferometer described in the background art can be used as a reference for frequency stabilization.
  • the frequency stability is the highest.
  • frequency stabilization using an alkali metal absorption line is preferable in terms of simplicity and cost.
  • the frequency stabilization of the present embodiment employs frequency stabilization using a practical absorption line of alkali metal atoms, and among them, saturated absorption spectroscopy, which is generally used, is used.
  • the frequency stabilizing laser beam separated by the beam splitter 1252 is incident on the reference glass cell 131 containing only alkali metal in order to obtain an alkali metal absorption line.
  • An ND file 133 and a mirror 132 are stacked on the side opposite to the laser beam incident side.
  • the excitation of the alkali metal atoms is saturated with the pump light having a strong laser light intensity, and the absorption of the probe light is reduced at the resonance frequency of the alkali metal atoms that is saturated by sweeping the frequency of the probe light.
  • the line width of the dent is the natural width of the alkali metal atom, and the frequency is stabilized by locking the laser frequency to the bottom or slope of the dent. Details of the control loop for stabilizing the frequency will be described in the case of using an external cavity semiconductor laser as the laser 101.
  • the former structure is called a Littrow laser, and the latter structure is called a Littman laser.
  • the laser frequency can be adjusted by adjusting the resonator length by the voltage applied to the piezoelectric element.
  • the above-described resonator length is adjusted when the laser frequency is swept.
  • the voltage signal of the piezoelectric element for modulation is modulated, and the distributed error signal obtained by detecting the modulated component by the phase detection circuit 129 is passed through the integration circuit 128, and the injected current of the piezoelectric element and the laser element is converted into the injected current.
  • the slope of the slope is passed through the integration circuit as an error signal within a linearity range, and feedback is applied to the injection current of the piezoelectric element and the laser element.
  • Another laser beam of the separated zero-order light is a laser beam that is frequency-stable and intensity-stable by the stabilization of the intensity and the stabilization of the frequency, and is introduced into the inside of the magnetic shield 110 to be detected by the sensor unit 106. Becomes the excitation light.
  • the sensor unit 106 is placed inside the magnetic shield 110 together with the generation source of the magnetic field to be measured. Further, inside the magnetic shield 110, a static magnetic field coil 108 for applying a static magnetic field in the direction of 45 degrees to the optical axis of the excitation light to the glass cell of the sensor unit 106, and the static magnetic field An RF coil 109 that generates an oscillating magnetic field in an orthogonal direction is included.
  • FIG. 3 shows the main structure of the sensor unit 106.
  • the components shown in FIG. 3 are arranged as shown in a non-magnetic mold (not shown).
  • the sensor excitation light guided from the light source unit by the optical fiber is introduced into the sensor glass cell 305 through the collimating lens 301 and the ⁇ / 4 wavelength plate 303.
  • the excitation light becomes parallel light by the collimator lens 301, becomes circularly polarized light by the ⁇ / 4 wavelength plate 303, and enters the sensor glass cell 305.
  • the laser light that has passed through the sensor glass cell 305 is condensed by the condenser lens 307 and guided to the photodiode 111 provided in the signal processing unit 120 of FIG.
  • the sensor excitation light may be incident on the sensor glass cell as spatially propagated light. However, in consideration of practicality, it is preferably guided to the sensor glass cell by a polarization maintaining optical fiber.
  • a polarizer or a ⁇ / 2 wavelength plate may be inserted between the collimating lens 301 and the ⁇ / 4 wavelength plate 303.
  • the detection of the laser light that has passed through the sensor glass cell 305 may not only be detected directly by the photodetector, but also guided to the photodiode 111 via an optical fiber. In order to obtain high coupling efficiency, it is desirable to use a multimode optical fiber having a large core diameter. Multimode optical fibers generally do not have a polarization preserving function.
  • the signal processing unit 120 further includes a current amplifier circuit 112, an amplifier filter circuit 113, a phase detection circuit 114, an AD conversion circuit 115, an oscillation circuit 116, a loop filter circuit 117, a stabilized power supply 118, and a PC 119.
  • the current signal output from the photodiode 111 is converted into a voltage signal by the current amplifier circuit 112 and adjusted to a gain and a band necessary for measurement by the amplifier filter circuit 113.
  • the phase detection circuit 114 detects the output of the amplifier filter circuit 113 using the signal from the oscillation circuit 116 as a reference signal.
  • the detected phase signal is controlled not to oscillate by the loop filter circuit 117, and the output of the loop filter circuit 117 is input to the oscillation circuit 116, so that the oscillation frequency is voltage-controlled and thereby the RF magnetic field applied to the sensor unit 106.
  • the feedback frequency is controlled.
  • a weak magnetic field generated in a measurement object in the vicinity of the sensor glass cell 305 can be measured by a change in the output of the phase detection circuit 114 during feedback control.
  • the photodiode 111 and the current amplifier circuit 112 are connected by a shield wire. However, it is more preferable that the two are integrated as a structure resistant to electromagnetic noise.
  • the configuration of the light source unit is different from that of the first embodiment.
  • the configuration of the magnetic measurement device is the same as that of the magnetic measurement device of the first embodiment shown in FIG.
  • the structure of the light source part 140 of the magnetic measuring device of Example 2 is demonstrated along FIG.
  • the same components as those of the light source unit of the first embodiment shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the intensity stabilizing unit configured by the photodetector 126, the reference voltage circuit 127, the differential amplifier 124, the integrating circuit 123, the AOM driving circuit 122, and the acousto-optic modulator 121.
  • the difference is that it is not inside the control loop for frequency stabilization that is fed back from the frequency stabilization section to the laser 101 via the drive power supply circuit 102, but in the subsequent stage of this control loop. That is, one of the split beams obtained by the first beam splitter 1251 that splits the laser beam output from the laser 101 that is the light source is introduced into the laminated structure of the half mirror 130, the reference cell 131, the ND filter 133, and the mirror 132. Is done.
  • the extracted signal of the modulation component of the laser resonator length obtained by detecting the output of the photodetector 134 by the phase detection circuit 129 is integrated by the integration circuit 128 and fed back to the laser drive power supply circuit 102 to stabilize the frequency of the laser 101. Acts as a control signal.
  • the other split light of the laser light whose frequency is stabilized by the control loop described above is guided from the beam splitter 1251 to the acousto-optic modulator 121.
  • the acousto-optic modulator 121 is a control circuit that includes a photodetector 126 that detects split light obtained from the second beam splitter 1252, a reference voltage circuit 127, a differential amplifier 124, an integration circuit 123, and an AOM drive circuit 122.
  • the intensity of the output light is controlled to be constant by controlling the obtained intensity stabilization control signal.
  • the control loop is configured in the order of the frequency stabilizing unit and the intensity stabilizing unit, and the sensor excitation light 105 is obtained through these control loops.
  • the configuration after the sensor glass cell into which the excitation light 105 is introduced is exactly the same as that of the first embodiment.
  • both the light intensity fluctuation and the frequency fluctuation of the excitation laser light are eliminated, and a stable excitation light source is used. Highly accurate optical pumping magnetic measurement is possible.
  • the excitation light introduced into the sensor glass cell is not a single-wavelength laser beam as in Example 1, but the absorption of alkali metal used in the sensor glass cell.
  • a mixed light of each laser beam D 1 line and D 2 line is a line as the excitation light.
  • FIG. 5 shows the overall configuration of the magnetic measurement apparatus according to the third embodiment.
  • the light source units 100-1 and 100-2 are independent from each other.
  • Light source unit 100-1 includes D 1 line laser 101-1 intensity stabilization unit 103-1, a frequency stabilizing unit 104-1, the driving power source circuit 102-1, and detailed configurations are shown in FIG. 2 embodiment This is the same as the light source unit 100 of Example 1.
  • Light source unit 100-2 also in the same manner D 2-wire laser 101-2, intensity stabilization unit 103-2, the frequency stabilization section 104-2 includes a drive power source circuit 102-2, in FIG. 2 and the detailed structure There is no difference with the light source part 100 of Example 1 shown. Therefore, the structure until the laser beam intensity is stabilized and the frequency is stabilized in each light source unit is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • Each laser beam whose intensity is stabilized and whose frequency is stabilized is converted into parallel light by a collimator lens, and then converted into circularly polarized light through a ⁇ / 4 wavelength plate.
  • Each laser beam that has become circularly polarized light is superimposed on the same axis using a half mirror 230 to become mixed light.
  • This mixed light is incident on a sensor cell provided in the magnetic shield 110-1.
  • the configuration inside the magnetic shield 110-1 is different from the magnetic shield of the first embodiment in that it has a diffraction grating 234 that allows the laser beam that has passed through the sensor glass cell to enter.
  • the laser light passing through the glass cell using a diffraction grating 234 separates each of D 1 laser light and D 2 laser beam is detected as either signal for magnetic measurement by extracting only the laser beam.
  • the configuration and operation of the signal processing unit 120 after the photodiode 111 that detects the extracted laser light is the same as in the first embodiment.
  • the superimposed D 1 laser light and D 2 laser light are used as excitation light, so that one of the laser lights becomes pump-probe light for magnetic measurement, and the other laser light. Functions as a re-pumping light for improving the signal-to-noise ratio of the magnetic measurement signal.
  • the magnetic measuring device of the third embodiment among the alkali metal atoms (for example, cesium atoms) in the sensor crow cell, atoms at the ground level F4 and atoms at the ground level F3 can also be excited. Therefore, there is an advantage that the magnetic detection sensitivity of the optical pumping magnetometer is further improved as compared with the apparatuses of the first and second embodiments.
  • the pump-probe light can be either D 1 laser light or D 2 laser light. That is, the same can be said for the re-pumped light. However, it is more effective if the D 1 laser light is pump-probe light and the D 2 laser light is re-pump light. This is because towards D 1 line is wider spacing of the energy transition of the alkali metal atoms than two-wire D, which is why it can be less different impact energy transition close to the energy transition to be used.
  • FIG. 6 shows the overall configuration of a magnetic measuring apparatus according to the fourth embodiment (Example 4) of the present invention.
  • a mixed light of each laser beam D 1 line and D 2 line is an absorption line of the alkali metal used in the same manner as glass cell sensor of Example 3 as the excitation light.
  • it comprises a light source unit 140-1 and 140-2 to generate D 1 laser light and D 2 laser beam, respectively.
  • these light source units do not include an intensity stabilizing unit inside a control loop for frequency stabilization.
  • the intensity stabilizing units 103-1 and 103-2 are respectively provided in the subsequent stage of the control loop created by the frequency stabilizing unit 104-1 and the subsequent stage of the control loop created by the frequency stabilizing unit 104-2.
  • the detailed configuration of these light source sections 140-1 and 140-2 is the same as that shown in FIG. However, in FIG. 6, the inside of the light source units 140-1 and 140-2 is shown in a schematic block configuration.
  • the D 1 laser beam from the light source unit 140-1 and the D 2 laser beam from the light source unit 140-2 are made into circularly polarized light parallel to each other by a collimator lens and a ⁇ / 4 wavelength plate, and are coaxially formed by the half mirror 140.
  • the light beams are superimposed on each other and become mixed light. Further, through the laser light passing through the glass cell sensor of the sensor unit 106 to the diffraction grating 234, it has also configured to detect by extracting one of D 1 laser light and D 2 laser magnetic measurement of Example 3 It is exactly the same as the device.
  • FIG. 7 shows the overall configuration of the magnetic measuring apparatus according to the fifth embodiment (Embodiment 5) of the present invention.
  • a mixed light of each laser beam D 1 line and D 2 line is an absorption line of the alkali metal used in the same manner as glass cell sensor of Example 3 as the excitation light.
  • it comprises a light source unit 140-1 and 140-2 to generate D 1 laser light and D 2 laser beam, respectively.
  • the structure until the laser beam is stabilized in intensity and frequency and the device configuration for guiding the excitation light to the sensor unit are the same as those in the third embodiment shown in FIG.
  • Each laser beam whose intensity is stabilized and whose frequency is stabilized is converted into parallel light by a collimator lens, and then converted into circularly polarized light through a ⁇ / 4 wavelength plate.
  • Each laser beam that has become circularly polarized light is superimposed on the same axis using a half mirror 230 to become mixed light.
  • This mixed light is incident on a sensor cell provided in the magnetic shield 110-2.
  • the magnetic shield of the third embodiment is that a ⁇ / 4 wavelength plate 2000 and a polarization beam splitter 2001 are used instead of the diffraction grating 234 for entering the laser beam that has passed through the sensor glass cell. And different.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 2000 converts the D 1 laser light and D 2 laser light that have passed through the glass cell from circularly polarized light to linearly polarized light.
  • D 1 laser light and D 2 laser beam is polarization beam splitter 2001, to separate each of the D 1 laser light and D 2 laser beam, extracted magnetically measured only one of the laser beam It is detected as a signal for use.
  • the configuration and operation of the signal processing unit 120 after the photodiode 111 that detects the extracted laser light are the same as those in the third embodiment.
  • FIG. 8 shows the entire configuration of the magnetic measuring apparatus according to the sixth embodiment (sixth embodiment) of the present invention.
  • a mixed light of each laser beam D 1 line and D 2 line is an absorption line of the alkali metal used in the same manner as glass cell sensor of Example 3 as the excitation light.
  • it comprises a light source unit 140-1 and 140-2 to generate D 1 laser light and D 2 laser beam, respectively.
  • the structure until the laser beam is stabilized in intensity and frequency and the device configuration for guiding the excitation light to the sensor unit are the same as those in the third embodiment shown in FIG.
  • the intensity stabilizing units 103-1 and 103-2 are respectively provided in the subsequent stage of the control loop created by the frequency stabilizing unit 104-1 and the subsequent stage of the control loop created by the frequency stabilizing unit 104-2.
  • the detailed configuration of these light source sections 140-1 and 140-2 is the same as that shown in FIG.
  • the configuration inside the magnetic shield 110-2 is exactly the same as that of the fifth embodiment.
  • the D 1 laser beam from the light source unit 140-1 and the D 2 laser beam from the light source unit 140-2 are made into circularly polarized light parallel to each other by a collimator lens and a ⁇ / 4 wavelength plate, and are coaxially formed by the half mirror 140.
  • the light beams are superimposed on each other and become mixed light. Further, the laser light passing through the sensor glass cell of the sensor unit 106 and the lambda / 4 wave plate 2000, through the polarization beam splitter 2001, has been detected by extracting one of D 1 laser light and D 2 laser beam
  • the configuration to be performed is exactly the same as that of the magnetic measurement apparatus of the fifth embodiment.

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

磁場計測装置
 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線、D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線とD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レーザ光とD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レーザ光とD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レーザ光もしくはD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レーザ光をポンプ-プローブ光とし、D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線の方がD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線とD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レーザ光とD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レーザ光と光源部140-2からのD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レーザ光とD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線とD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レーザ光とD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レーザ光とD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レーザ光とDレーザ光は偏光ビームスプリッタ2001で、Dレーザ光とD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線とD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レーザ光とD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レーザ光と光源部140-2からのD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レーザ光とD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レーザ
101-2: D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

Claims (6)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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線のレーザ光と前記第2の光源部からのD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線、D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線のレーザ光、前記D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。
  4.  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線のレーザ光と前記第2の光源部からのD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線、D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線のレーザ光、また前記D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。
  5.  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線のレーザ光と前記第2の光源部からのD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線、D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線のレーザ光、前記D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。
  6.  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線のレーザ光と前記第2の光源部からのD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線、D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線のレーザ光、また前記D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。
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