WO2017090169A1

WO2017090169A1 - 磁場計測装置および方法

Info

Publication number: WO2017090169A1
Application number: PCT/JP2015/083326
Authority: WO
Inventors: 聖一鈴木
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01

Abstract

　アルカリ金属のガスを充填したガスセルと、光を出射する光源と、ガスセルに振動磁場を印加するコイルと、光源からガスセルへと光を導く光ファイバと、光ファイバを通過した光の強度を調節する光強度調節部と、光ファイバを通過した光の偏光度を調節する偏光調節部と、ガスセルを通過した光を受光し電気信号に変換する光検出器と、光検出器の信号に基づいてガスセルを通過した光の強度と偏光度を測定する測定部と、測定部により測定された光の強度と偏光度が、所定の範囲内に収まるように、光強度調節部と、偏光調節部と、コイルに印加する電流とを制御する制御部と、を有する磁場計測装置が開示される。

Description

磁場計測装置および方法

　本発明は、磁場計測装置及び方法に関する。

　原子の電子スピンあるいは核スピンを利用した光ポンピング磁力計と呼ばれる磁場計測装置が知られている。特許文献１では、非線形光学回転(Nonlinear Magneto-Optical Rotation, NMOR)を用いた光ポンピング磁力計の例が示されている。特許文献１では、光の量を測定する光量測定部により測定された光の量すなわち光強度に基づいて、センサ部分として作用するガスセルに入射する光強度を調節する光量調節部を制御することにより、ガスセルに入射する光強度を、設定値を含む所定の範囲内に収める方法が記載されている。

特開２０１４－９２５２０号公報

　特許文献１に記載の技術は、ＮＭＯＲを用いた光ポンピング磁力計について、ガスセルに入射する光強度を、設定値を含む所定の範囲内に収める方法である。光源とガスセルの間において、一部の光を分岐し、その分岐した光強度を測定し、その変化量をもとに、液晶パネルを制御し強度と偏光を調節することが記載されている。特許文献１に記載の技術では、一部の光を分岐していることから、必ず一定の割合でガスセルに入射する光強度には損失が存在するという課題があった。また、液晶パネルを使用していることから、強度と偏光の変化を同時に測定し調節する構成となっており、制御光の強度と偏光の変化に対して分離して制御を行えないという課題があった。

　ところで、光ポンピング磁力計には、例えば磁気共鳴を用いたＭｘ型と呼ばれる光ポンピング磁力計(例えば、Georg Bison, Robert Wynands, and Antoine Weis, J. Opt. Soc. Am. B 22, pp77-87 (2005))がある。この方式では、振動磁場印加コイルを備えており、ガスセルに入射する光は、原子の電子スピンを揃えるため円偏光が用いられる。このＭｘ型の構成では、光強度の変化のほかに、偏光度の変化によって、励起される電子スピンの量が増減され、結果として磁場計測の特性、すなわち磁場に対する感度が変化してしまうという課題があった。

　これらの課題に対して本発明は、Ｍｘ型光ポンピング磁力計において、ガスセルに入射する光に対する損失を発生させることなく、ガスセルに入射する光の強度と偏光度の変化をそれぞれ調節することで、磁場に対する感度を目標値に保つ磁場計測装置を提供することを目的とする。

　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　上記課題を解決する本発明の一側面は、アルカリ金属のガスを充填したガスセルと、光を出射する光源と、ガスセルに振動磁場を印加するコイルと、光源からガスセルへと光を導く光ファイバと、光ファイバを通過した光の強度を調節する光強度調節部と、光ファイバを通過した光の偏光度を調節する偏光調節部と、ガスセルを通過した光を受光し電気信号に変換する光検出器と、光検出器の信号に基づいてガスセルを通過した光の強度と偏光度を測定する測定部と、測定部により測定された光の強度と偏光度が、所定の範囲内に収まるように、光強度調節部と、偏光調節部と、コイルに印加する電流とを制御する制御部と、を有する磁場計測装置である。

　本発明の他の側面は、アルカリ金属のガスを充填したガスセルに光を照射するとともに、振動磁場を印加するステップ、ガスセルを透過した光を、電気信号に変換するステップ、電気信号から直流成分を検出するステップを備え、電気信号から振動磁場の周波数を参照信号として直交成分を検出するステップ、直流成分および直交成分に基づいて、ガスセルに照射する光の強度および偏光度の少なくとも一つを調節する、磁場計測方法である。

　本発明のさらに他の側面は、アルカリ金属のガスを充填したガスセルと、光を出射する光源と、ガスセルに振動磁場を印加するコイルと、光源から前記ガスセルへと光を導く光ファイバと、光ファイバを通過した光の強度を調節する光強度調節部と、光ファイバを通過した光の偏光度を調節する偏光調節部と、ガスセルを通過した光を受光し電気信号に変換する光検出器と、電気信号から直流成分を検出する測定部と、電気信号から振動磁場の周波数を参照信号として直交成分を検出するロックインアンプと、光強度調節部、偏光調節部、およびコイルを駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御部を備える磁場計測装置である。この装置では、制御部は、直交成分が所定範囲を逸脱した場合、偏光調節部により光の偏向度を調節するように前記駆動部を制御し、駆動部の制御の結果、直交成分が所定範囲を逸脱している場合、光強度調節部およびコイルの少なくともひとつを駆動し、光の強度および振動磁場の強度の少なくとも一つを調節する。

　一実施の形態における磁場計測装置は、アルカリ金属原子ガスを充填したガスセルと、前記アルカリ金属原子と相互作用する光を前記ガスセルに出射する光源と、前記光とアルカリ金属原子の間で磁気共鳴を発生させる振動磁場を印加するコイルと、前記光源から前記セル側へ導く光ファイバと、前記光ファイバを通過した光強度と偏光度を調節する光強度調節部および偏光調節部と、前記セルを通過した光を受光し電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器の信号に基づいて前記セルを通過した光強度と偏光度合いを測定する測定部と、測定部により測定された光強度と偏光度合いが、設定値を含む所定の範囲内に収まるように、前記コイルに印加する電流と、前記光強度調節部と、前記偏光調節部を制御する制御部とを有する。

　本発明によれば、磁場計測装置の磁場に対する感度を、所定の範囲内に収めることができる。

実施例１における磁場計測装置の模式的な構成例を示すブロック図。測定部の出力と、磁場に対する感度の時間変化の例を示すグラフ図。実施例１における磁場計測装置の動作を示すフローチャート。光強度および振動磁場強度と、磁場に対する感度の関係を表すグラフ図。実施例２における磁場計測装置の模式的な構成例を示すブロック図。実施例２における磁場計測装置の動作を示すフローチャート。実施例２による制御の様子を表すグラフ図。

　実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

　以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

　本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

　図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

　以下の一実施の形態における磁場計測装置は、アルカリ金属原子ガスを充填したガスセルと、アルカリ金属原子と相互作用する光をガスセルに出射する光源と、光とアルカリ金属原子の間で磁気共鳴を発生させる振動磁場を印加するコイルと、光源からセル側へ導く光ファイバと、光ファイバを通過した光強度と偏光度を調節する光強度調節部および偏光調節部と、セルを通過した光を受光し電気信号に変換する光検出器と、光検出器の信号に基づいてセルを通過した光強度と偏光度合いを測定する測定部と、測定部により測定された光強度と偏光度合いが、設定値を含む所定の範囲内に収まるように、コイルに印加する電流と、光強度調節部と、偏光調節部を制御する制御部とを有する。

　＜磁場計測装置の構成＞
　図１は、本実施例１における磁場計測装置の模式的な構成例を示す図である。図１において、本実例１における磁場計測装置の構成要素は、光学系、磁気系、ガスセルＧＣ１、信号処理系に大別することができる。

　まず、光学系は、半導体レーザＬＤ、光ファイバＯＦ１、コリメートレンズＬＥＮ１、光強度調節部ＡＭ１、偏光調節部ＰＭ１、および、光検出器ＰＤ１を有している。

　半導体レーザＬＤは、ガスセルＧＣ１に光（ポンピング光）Ｌを照射する光源として機能し、単色光からなるレーザ光を照射するように構成されている。例えば、半導体レーザＬＤは、活性層をクラッド層で挟む構造をしている。この半導体レーザＬＤでは、活性層に電子および正孔を注入することにより反転分布を形成し、伝導帯から価電子帯への誘導放出を利用することにより位相の揃ったレーザ光を射出するようになっている。また、半導体レーザＬＤには、光の波長や強度を安定化させる目的で、外部共振器や、フィードバック保障回路、温度調節器などが付随していてもかまわない。

　光ファイバＯＦ１は、半導体レーザＬＤから射出されたレーザ光の光路として機能する。この光ファイバＯＦ１は、例えば、屈折率の高いコア層が中心部に形成され、このコア層の周囲を覆うように屈折率の低いクラッド層が形成されている。光ファイバＯＦ１では、コア層とクラッド層との境界面においてレーザ光が全反射するため、レーザ光は、効率良くコア層を進行するようになっている。光ファイバＯＦ１において、コアのわずかな歪みまたは外部からの応力（環境的な温度、圧力変化、または機械的な振動）などによりランダムな複屈折が生じると、光ファイバＯＦ１を通過するレーザ光の光強度と偏光が変化する。

　次に、コリメートレンズＬＥＮ１は、半導体レーザＬＤから射出されて、光ファイバＯＦ１を通過したレーザ光を平行光に変換する機能を有する。そして、光強度調節部ＡＭ１は、透過率を調節可能な機能を有する。例えば可変ＮＤ(Neutral Density)フィルターなどで構成される。

　続いて、偏光調節部ＰＭ１は、直交する２つの偏光成分に位相差(光路差)をつけて、偏光の状態を調節可能な機能を有する。好ましくは、偏光度４５度の円偏光を出力する。例えば、光軸を回転可能な４分の１波長板と、光軸を回転可能な２分の１波長板と、固定された偏光子、この偏光子の長軸方向から４５度回転させた長軸方向になるよう固定された４分の１波長板の組からなる。この構成では、任意の偏光が入射された場合においても、偏光度４５度の円偏光を生成することができる。

　なお、コリメートレンズＬＥＮ１と、光強度調節部ＡＭ１と、偏光調節部ＰＭ１は、ガスセルＧＣ１に円偏光が照射されるよう構成されていればよく、これらの順番を入れ替えてもよい。例えば、コリメートレンズＬＥＮ１が光強度調節部ＡＭ１と偏光調節部ＰＭ１の後段にあってもよい。これにより、光強度調節部ＡＭ１ならびに偏光調節部ＰＭ１を小さな部品から構成することができる。また、例えば光強度調節部ＡＭ１や偏光調節部ＰＭ１が光ファイバＯＭ１に内蔵される構成であってもかまわない。これにより、光学系をさらに小型化する効果がある。

　さらに、光検出器ＰＤ１は、ガスセルＧＣ１を通過したレーザ光を検出する機能を有し、例えばフォトダイオードから構成される。なお、ガスセルＧＣ１と光検出器ＰＤ１の間には、集光レンズや光ファイバが挿入されていてもよい。これにより、ガスセルＧＣ１を通過したレーザ光を効率的に光検出器ＰＤ１に導いたり、光検出器ＰＤ１の配置設計を自由にしたりする効果がある。

　続いて、磁気系は、例えば、磁場を発生する磁場発生部として機能するコイルＣＯＬ１から構成されている。このコイルＣＯＬ１は、静磁場と振動磁場を発生できるようになっている。図１では、磁気系として、１対のコイルＣＯＬ１を配置する例を示しているが、磁気系は、静磁場と振動磁場がガスセルＧＣ１に印加される構成であればよく、コイルＣＯＬ１の配置は、図１に示す配置でなくてもよく、２対以上のコイルから構成されていてもよい。

　次に、ガスセルＧＣ１は、例えば、セシウム、カリウム、ルビジウム、ナトリウムに代表されるアルカリ金属ガス(蒸気）が内部に充填されており、この充填されているアルカリ金属ガスに、半導体レーザＬＤから光学系を介してレーザ光Ｌが照射されるように配置されている。そして、ガスセルＧＣ１に入射したレーザ光の一部は、ガスセルＧＣ１から射出し、この射出したレーザ光Ｌが光検出器ＰＤ１に入射されるようになっている。この光検出器ＰＤ１の検出信号によって磁場ΔＢを検出する。

　また、ガスセルＧＣ１は、コイルＣＯＬ１で発生した静磁場や振動磁場が印加されるように配置されている。ガスセルＧＣ１には、窒素や希ガス等のガスが充填されたり、内壁がパラフィンなどでコーティングされたりしていてもよい。これらにより、磁場を検出する感度が向上する効果がある。

　そして、信号処理系は、光検出器ＰＤ１からの出力を測定する測定部ＭＵ１、測定結果に基づき制御を行う制御部ＰＵ１、制御信号に基づき所定の結果が得られるよう駆動する駆動部ＤＵ１、測定結果及び制御結果を表示する表示部ＤＩＳＰからなる。

　測定部ＭＵ１は、好ましくは、光検出器ＰＤ１の出力電流を増幅し電圧に変換する増幅部、磁気共鳴情報を取得するロックインアンプから構成される。なお、これ以外にバンドパスフィルターなどを適宜追加してもよい。これにより、電気信号の雑音を低減する効果がある。ロックインアンプより出力される、コイルに印加する振動磁場との同相成分Ｐｉｐおよび直交成分Ｐｑｕは、ローレンツ型の発散および吸収波形となり、外部測定磁場に対応した周波数において、同相成分はゼロをとることが知られている（たとえばGeorg Bison, Robert Wynands, and Antoine Weis, J. Opt. Soc. Am. B 22, pp77-87 (2005)の数式（３）および数式（４）を参照）。

　制御部ＰＵ１は、磁場計測装置の各部の動作を制御するコンピュータから構成される。測定部により測定された結果は一次記憶装置に記憶され、各種のデータおよびプログラムを記憶した不揮発記憶装置に基づいて、外部測定磁場を演算する演算装置を有する。外部測定磁場結果は、例えばディスプレイ装置などの表示部ＤＩＳＰに表示される。

　駆動部ＤＵ１は、制御部からの信号を受けて、光強度調節部ＡＭ１の透過率と、偏光調節部ＰＭ１の直交する２つの偏光成分の位相差の量と、コイルＣＯＬ１に印加する電流の強度ならびに周波数とを変更させる装置から構成される。

　＜磁場計測装置の動作＞
　本実施例１における磁場計測装置は上記のように構成されており、以下に、外部環境に存在する外部磁場（ΔＢ）を計測する動作について説明する。

　図１において、半導体レーザＬＤから射出されたレーザ光は、光ファイバＯＦ１を通過した後、コリメートレンズＬＥＮ１で平行光に変換され、その後、光強度調節部ＡＭ１および偏光調節部ＰＭ１を通過することによって、光強度が一定の円偏光のレーザ光Ｌに変換される。また、コイルＣＯＬ１からガスセルＧＣ１に対して静磁場（Ｂ）が印加される。この静磁場（Ｂ）に起因するゼーマン効果によって、ガスセルＧＣ１内のガスを構成するアルカリ金属原子のエネルギー準位はゼーマン分裂する。

　この状態で、ガスセルＧＣ１に円偏光のレーザ光Ｌが入射すると、この円偏光のレーザ光は、ガスセルＧＣ１内のアルカリ金属原子と相互作用する。具体的には、円偏光のレーザ光によって、ゼーマン分裂した特定の準位間でアルカリ金属原子の電子が励起されるとともに、励起された電子が等確率でゼーマン分裂した複数の基底準位に落ちる。そして、この電子の励起と落下が繰り返されることにより、ゼーマン分裂した複数の基底準位のうち、励起に寄与する基底準位に存在する電子数が減少し、励起に寄与しない基底準位に存在する電子数が増加することになる。この結果、励起に寄与しない基底準位に電子が局在することになる（光ポンピング）。このことは、特定のスピン状態を有する準位に電子が局在することになり、アルカリ金属原子がスピン偏極することを意味する。このように光ポンピング技術を使用することにより、ガスセルＧＣ１内のアルカリ金属原子のスピンを特定方向に揃えることができる。

　ここで、ガスセルＧＣ１には静磁場と外部磁場とを合わせた合成磁場（Ｂ＋ΔＢ）が印加されることになり、偏極したアルカリ金属原子のスピンがこの合成磁場の回りを歳差運動（ラーモア歳差運動）する。このとき、歳差運動の歳差周波数は、印加されている合成磁場の強度に比例することになる。

　そこで、本実施例１における磁場計測装置ＭＭＡでは、さらに、コイルＣＯＬ１から静磁場（Ｂ）に加えて振動磁場を印加する。ここで、振動磁場の周波数を徐々に変化させると、振動磁場の周波数が上述した歳差運動の歳差周波数に一致するとき、光磁気二重共鳴が発生して、ガスセルＧＣ１からの出力光は、歳差周波数（共鳴周波数）で変調される。そして、この歳差周波数で変調された出力光は、集光レンズＬＥＮ２および光ファイバＯＦ２を介して、光検出器ＰＤ１で検出される。

　このとき、出力光の変調周波数は歳差周波数と等しいことから、出力光の変調周波数を光検出器ＰＤ１で検出することにより、歳差周波数を知ることができる。この歳差周波数は、アルカリ金属原子に固有の比例定数を介して、合成磁場（Ｂ＋ΔＢ）に比例する。したがって、この比例定数が既知である点、印加した静磁場（Ｂ）も既知である点、および、出力光の変調周波数から歳差周波数が判明する点を考慮すれば、外部磁場（ΔＢ）を計測することができることがわかる。具体的には、光検出器ＰＤ１の出力をロックインアンプに入力し、コイルＣＯＬ１に印加する振動磁場の周波数を参照信号として用いることで検出できる。

　以上のようにして、本実施例１における磁場計測装置ＭＭＡによれば、ガスセルＧＣ１内に封止されたアルカリ金属原子のスピン偏極に伴う歳差運動の歳差周波数を光磁気二重共鳴で間接的に測定することにより、外部磁場（ΔＢ）を測定することができることがわかる。特に、本実施例１における磁場計測装置ＭＭＡでは、ガスセルＧＣ１内に充填したアルカリ金属ガス原子を光ポンピングによりスピン偏極させることが重要な役割を果たしている。

　特に、任意の楕円偏光は、右回りと左回りの円偏光の和として表現できることから、円偏光の代わりに楕円偏光が入射された場合、アルカリ金属原子の上向き電子スピン、下向き電子スピン両方が励起されてしまうことにつながるため、結果としてポンピング効率が低下し、感度は悪化する。

　一般に屋外フィールド等で広範囲に複数の測定点で磁場測定を行う場合、光源となる半導体レーザＬＤと、その他の部分である検出系１０００を分離して、光ファイバＯＦ１で接続することが行われる。また、一つの半導体レーザＬＤに対して、複数の検出系１０００を接続することにより、全体のコストを低下させることができる。

　磁場計測装置を実際に運用する際には、光ファイバＯＦ１は、外部環境に曝されていることが想定され、温度変化や外部からの振動などの応力が印加される可能性がある。このことにより、光ファイバを通過するレーザ光の偏光方向や強度が変化することが想定される。また、磁場計測装置に可搬性を持たせる場合には、光ファイバを着脱式とすることが想定される。この際には、光ファイバの着脱に起因して、偏光方向や強度が毎回異なることが想定される。しかるに、図１に示した検出方法で正確に磁場を検出するためには、ガスセルＧＣ１に入射する光Ｌの波長、偏光方向、強度が一定であることが前提である。

　図２は、(A)ロックインアンプの出力振幅のコイルに印加する振動磁場との直交成分（ＡＣ成分）Ｐｑｕ、(B)光検出器ＰＤ１の直流出力成分（ＤＣ成分）ＩＤＣ、(C)磁場に対する感度Ｘｍの時間変化、の一例を表した図である。

　ある時刻ｔ１＜ｔ２＜ｔ３において、ｔ２では、ｔ１に対してガスセルＧＣ１に入射する光強度が低下した例を表す。このとき、Ｐｑｕ、ＩＤＣともに低下し、結果として感度Ｘｍが低下している。次に、ｔ３では、ｔ２に対して光強度は一定のまま偏光方向が変化した例を表す。このとき、Ｐｑｕは低下し、ＩＤＣは一定のままであるが、結果として感度Ｘｍは低下している。

　磁場に対する感度Ｘｍが変化すると、測定磁場の値が同じであっても、磁場計測装置から出力される磁場信号値は変動してしまう。また、検出可能な最小磁場強度の悪化といった、センサ特性に影響が及ぶ。図２から理解されるように、ロックインアンプの直交成分と光検出器の直流出力成分を測定することにより、センサ特性に影響を及ぼすパラメータである、光強度の変化と偏光方向の変化を独立して判別することが可能である。

　それでは、光強度の変化と偏光の調節方法について詳細に説明する。

　図３は、実施例１における磁場計測装置の動作を示すフローチャートＭＦである。以下の処理は、例えば、ユーザが図示せぬ入力部を操作して、磁場計測装置ＭＭＡの磁場計測機能を起動したことを契機として開始される。

　ステップＳ１において、測定部のロックインアンプの直交成分出力値Ｐｑｕを測定する。

　ステップＳ２において、Ｐｑｕの値が、事前に設定した設定値前後の許容範囲の上限あるいは下限を示す閾値、あるいはある一定時間前の測定値前後の許容範囲の上限あるいは下限を示す閾値を超えたかどうかを判断する。図２にあるように、光強度あるいは偏光、あるいはその両方が変化した場合、Ｐｑｕの値が変化するため、閾値を超える変化があった場合には、入射光の状態が変化したことを意味する。

　各光強度ならびに偏光度に対して、Ｐｑｕ、ＩＤＣ、磁場に対する感度Ｘｍの値の関係は、あらかじめ取得しておき、制御部ＰＵ１の記録媒体等の不揮発記憶装置に保存しておく。ステップＳ２においてこの関係を判断時に参照する。ステップＳ２の判断結果がＮｏの場合は、入射光の状態は変化していないため、そのままステップＳ９に移行し、磁場を計測する。ステップＳ２の判断結果がＹｅｓの場合は、入射光の状態が変化したことを意味し、ステップＳ３へ移行する。

　ステップＳ３において、偏光調節部ＰＭ１を作用させ、偏光状態を円偏光に近づける。偏光調節部ＰＭ１は、例えば、光軸を回転可能な４分の１波長板と、光軸を回転可能な２分の１波長板と、固定された偏光子、前記偏光子の長軸方向から４５度回転させた長軸方向になるよう固定された４分の１波長板の組からなる。任意の偏光度を有する光が入射した場合、４分の１波長板の光軸を調節することで、偏光度０の直線偏光を出射することができる。

　次に、直線偏光が入射した場合、２分の１波長板の光軸を調節することで、その直線偏光の光軸を任意の角度に回転することができる。この場合、次段にある偏光子の長軸にあわせることが望ましい。このとき、光量のロスを最小にしながら、偏光度をさらに０に近づけることが可能となる。

　最後に、直線偏光が、偏光子の長軸方向から４５度回転させた長軸方向をもつ４分の１波長板を通過すると、偏光度４５度の円偏光が生成できる。このようにして、任意の偏光を、円偏光にすることが可能である。磁気計測装置ＭＭＡにおいて、円偏光が生成されると、ロックインアンプの直交成分出力値Ｐｑｕは極大値を持つことから、円偏光の生成を判断することができる。

　ステップＳ４において、光検出器ＰＤ１の直流出力値ＩＤＣを測定する。ここで、直流出力値ＩＤＣは、光検出器が検出する光の強度に対応する出力値であればよく、光検出器ＰＤ１の後段にある、図示しない増幅器や電流電圧変換器の出力であってもよい。

　ステップＳ５において、直流出力値ＩＤＣの値が、事前に設定した設定値前後の許容範囲の上限あるいは下限を示す閾値、あるいはある一定時間前の測定値前後の許容範囲の上限あるいは下限を示す閾値を超えたかどうかを判断する。ステップＳ３において、偏光の変化は補正済みであるので、ＩＤＣの値の変化は、入射光の光強度が変化したことを意味する。

　ステップＳ４の判断結果がＮｏであるならば、入射光の調節は完了したこととなるので、ステップＳ９の磁場計測へ移行する。ステップＳ４の判断結果がＹｅｓであるならば、入射光強度の変化による磁場に対する感度Ｘｍを補正するステップに移行する。

　ステップＳ６において、磁場に対する感度Ｘｍを、コイルＣＯＬ１に印加する振動磁場強度Ｂｒｆにより調整可能か判断する。

　図４に、異なるレーザ光強度Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３における、振動磁場強度Ｂｒｆに対する磁場に対する感度Ｘｍの関係を示す。Ｘｍは、Ｂｒｆに対して上に凸の関係を持つ。ここで、レーザ光強度Ｐ１、振動磁場強度Ｂｒｆ１で駆動していた場合を考える。レーザ光強度が、Ｐ２に低下した場合、磁場に対する感度Ｘｍは低下する。しかし、レーザ光強度を変えずとも、振動磁場強度をＢｒｆ２に変化させることで、磁場に対する感度Ｘｍを同一に保ち、その値を保障できることがわかる。

　一方で、レーザ光強度がＰ３まで低下した場合には、磁場に対する感度Ｘｍを同一に保つことが出来るＢｒｆは存在しない。なお、この図４に相当する関係図は、ガスセルＧＣ１内部のアルカリ金属原子の密度等により異なる。すなわち、ガスセルＧＣ１の固体差と、使用する温度によって定まる。そのため、好ましくは測定に先だって、使用する温度において事前に関係を取得し、制御部ＰＵ１の記憶装置等に保存しておく。

　再び図３を参照する。先に説明したように、振動磁場強度Ｂｒｆにて磁場に対する感度Ｘｍを保障できる場合に（図４におけるＰ１からＰ２に変化した場合に相当）は、ステップＳ７に進み、駆動部ＤＵ１がコイルＣＯＬ１による振動磁場強度Ｂｒｆを調節する。これに対して、光強度が大きく低下し、振動磁場強度Ｂｒｆによる調整範囲外の場合（図４におけるＰ１からＰ３に変化した場合に相当）には、ステップＳ８にて、駆動部ＤＵ１が光強度調節部ＡＭ１を制御することで、ガスセル照射光強度を目標値になるよう調節する。その上でステップＳ７にて、振動磁場強度を、磁場に対する感度が目標値になるように調節する。

　ステップＳ１からＳ８までの処理が行われると、磁場に対する感度は、あらかじめ設定した目標値に近づく。本実施形態によれば、レーザ光源ＬＤ１により出力されたレーザ光の光強度ならびに偏光度が変化した場合にも、ＰＤ１で受光した光を測定することで、強度調節器ＡＭ１ならびに偏光調節器ＰＭ１の作用により、あらかじめ設定した目標感度になるように光強度ならびに偏光度を調節することができる。

　以上のステップを経ることにより、磁場に対する感度が目標値になったため、ステップＳ９にて磁場を計測する。

　＜磁場計測装置の構成＞
　図５は、本実施例２における磁場計測装置の模式的な構成例を示す図である。本実施例２では、実施例１に記載の磁場計測装置ＭＭＡを２系統並列に接続した例を示す。この構成により、一度に２点の磁場情報を取得することができる。図５では、説明の簡潔さのため、２系統を図示しているが、１系統でも実現することは可能であるし、後述する方法と同様の考え方を用いて磁場計測装置ＭＭＡの系統数を増やすことができる。

　本実施例２における磁場計測装置の構成要素は、光学系、磁気系、ガスセル、信号処理系に大別することができる。なお、実施例１と同じ部品については、同一のアルファベットを使用し、数字により区別を行い、同じ作用を示す部品については説明を省略する。

　まず、光学系は、半導体レーザＬＤと光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、ＯＦ３、ファイバ分岐端子ＦＴ１を有する。半導体レーザＬＤは、実施例１と同等のものであるが、使用するガスセルの個数よりも少なく、例えば１台を用いる。半導体レーザＬＤは、後述する集中制御部から、出力光強度を制御できるような構成となっている。

　光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、ＯＦ３は、実施例１と同等のものであるが、ファイバ分岐端子ＦＴ１により接続分岐され、半導体レーザＬＤから入射された光は、２方に分岐されて出力される。このファイバ分岐端子ＦＴ１は、入力を２以上の出力に分岐できる構成であればよく、例えばファイバカプラなどを用いてもよいし、無偏光分離器を使用した構成であってもよい。また、分岐の割合は固定式でもよいし、可変式であってもかまわない。図５では、磁場計測装置は２系統であるが、アレイ構造の場合には、複数のファイバ分岐端子と光ファイバを接続することになるであろう。

　磁気系およびガスセルについては、実施例１と同様である。

　信号処理系は、実施例１と同様であるが、制御部ＰＵの出力は、表示部ＤＩＳＰの代わりに集中制御部ＣＰＵに入力される。集中制御部ＣＰＵは、コンピュータなどで構成される。後述する機能が満たされていれば、制御部ＰＵ１、ＰＵ２ならびに集中制御部ＣＰＵはまとめてコンピュータ等に搭載していてもかまわない。集中制御部ＣＰＵは、レーザ光源に制御信号を送る機能と、表示部ＤＩＳＰに、測定結果および制御結果を出力する機能を有する。

　＜磁場計測装置の動作＞
　実施例２における外部磁場を計測する動作については、実施例１と同様である。以下に、実施例２における、光強度の変化と変更の調節方法について説明する。

　図６は、実施例２における磁場計測装置の動作を示すレーザ光強度調節フローチャートＬＦである。以下の処理は、例えば、ユーザが図示せぬ入力部を操作して磁場計測機能を起動したことを契機として開始される。

　ステップＳ１０１において、集中制御部ＣＰＵと、各制御部ＰＵ１、ＰＵ２との通信により、各磁場計測装置ＭＭＡ１、ＭＭＡ２における光強度調節部ＡＭ１ならびにＡＭ２の透過率の設定値を取得する。

　ステップＳ１０２において、前ステップで取得した透過率の最大値が、あらかじめ設定した透過率設定範囲内にあるかどうか比較を行う。透過率設定範囲は、実施例１で示した計測フローＭＦでの光強度調整のしやすさから、０．７から０．９程度であることが好ましいが、例えばセンサの温度変化を許容する場合や光ファイバやセンサが移動するなど、外部環境が大きくずれる場合には下限値は小さく、反対にセンサ全体が固定され管理された環境下で用いる場合や、低消費電力に対する要求が厳しい場合には、上限値は、より１に近い値を取ってもよい。また、この設定値は、使う状況や場面において、適宜変更してもかまわない。

　透過率の最大値が、設定値以上の値である場合には、これ以上の調節は不要であると判断し、後述するステップＳ１０６へ移行する。透過率の最大値が、設定値以下の値である場合には、ステップＳ１０３へ移行する。

　ステップＳ１０３において、是正係数Ｃを算出する。是正係数Ｃは、透過率の最大値をＴｍａｘ、あらかじめ設定した透過率設定範囲内にある設定値をＴｓｅｔとすると、Ｃ＝Ｔｍａｘ／Ｔｓｅｔで計算される。Ｔｓｅｔは、例えば設定範囲の中央値などである。

　ステップＳ１０４では、半導体レーザの出力値を、是正係数Ｃを乗じた値に変更する。具体的には、半導体レーザへの注入電力を制御する。すなわち、ＴｍａｘがＴｓｅｔよりも小さい場合には、是正係数Ｃは１より小さい値となるため、レーザ光源の出力値は減少させるように作用され、消費電力は低下する。

　ステップＳ１０５では、各光強度調節部ＡＭ１およびＡＭ２の透過率を、是正係数Ｃで除した値に変更する。ここで、各ガスセルＧＣ１に照射される光強度は、ステップＳ１０４とＳ１０５の処理により、是正係数Ｃは乗除によりキャンセルされるため変わらない。ただし、透過率の最大値は１であるので、是正係数Ｃで除した値が１以上になる場合は、透過率は１に設定することとする。このとき、ガスセルに照射される光強度は、変化してしまう可能性がある。そこで、ステップＳ１０５終了後は、再びステップＳ１０２へと戻し、透過率の判定を再度行う。ステップＳ１０３からＳ１０６を繰り返すことにより、大幅にレーザ光源の出力変更を要するような状況、たとえば低温環境(必要レーザ光強度は弱い)から高温環境(必要レーザ光強度は強い)へと移動した場合に、透過率が１を越えてしまうような状況であっても対応が可能であり、適切なレーザ光源出力値に設定することを可能とする。

　ステップＳ１０６は、実施例１および図３を用いて説明した計測フローチャートＭＦを実行する。

　図７に、レーザ光強度調節フローＬＦを実行した場合のレーザ光出力強度、光強度調節部ＡＭ１およびＡＭ２の透過率、ガスセルＧＣ１およびＧＣ２への入射光強度の時間変化を示す。図７の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３は、フローＬＦの実行前、実行中、実行後の各状態での値を示す。レーザ光源出力強度は、是正係数Ｃ＜１を乗じたため、減少していることがわかる。反対に、透過率は是正係数を除したため、増加している。これに対してガスセル入射光強度は、フローＬＦの実行前後で値は変化しない。このことからわかるように、ガスセル中の光ポンピング効率に直接寄与する、ガスセル入射光強度を変化させずに、レーザ光源出力強度を調節、好ましくは減少させることを可能とする。このとき、消費電力はレーザ光源出力強度の減少分だけ消費電力を低下させることができる。　以上説明した一実施の形態によれば、ガスセルに入射する光強度と偏光度合いを１個の光検出器にて分離計測し、ガスセルに入射する光強度と偏光度合いを、設定値を含む所定の範囲内に収めることができる。言い換えると、一実施の形態によれば、磁場計測装置の磁場に対する感度を、設定値を含む所定の範囲内に収めることができる。

　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　本発明は、磁場計測の技術に利用することができる。

　ＭＭＡ１、ＭＭＡ２…磁場計測装置、ＬＤ…半導体レーザ、ＯＦ１、ＯＦ２、ＯＦ３…光ファイバ、ＬＥＮ１、ＬＥＮ２…コリメータレンズ、ＡＭ１、ＡＭ２…光強度調節器、ＰＭ１、ＰＭ２…偏光調節器、ＧＣ１、ＧＣ２…ガスセル、ＣＯＬ１、ＣＯＬ２…コイル、ＰＤ１、ＰＤ２…光検出器、ＭＵ１、ＭＵ２…測定部、ＰＵ１、ＰＵ２…制御部、ＤＵ１、ＤＵ２…駆動部、ＤＩＳＰ…表示部、ＦＴ１…ファイバ分岐端子、ＣＰＵ…集中制御部

Claims

　アルカリ金属のガスを充填したガスセルと、
　光を出射する光源と、
　前記ガスセルに振動磁場を印加するコイルと、
　前記光源から前記ガスセルへと前記光を導く光ファイバと、
　前記光ファイバを通過した前記光の強度を調節する光強度調節部と、
　前記光ファイバを通過した前記光の偏光度を調節する偏光調節部と、
　前記ガスセルを通過した前記光を受光し電気信号に変換する光検出器と、
　前記光検出器の信号に基づいて前記ガスセルを通過した前記光の強度と偏光度を測定する測定部と、
　前記測定部により測定された前記光の強度と偏光度が、所定の範囲内に収まるように、前記光強度調節部と、前記偏光調節部と、前記コイルに印加する電流とを制御する制御部と、
　を有する磁場計測装置。
　前記制御部は、
　前記光の強度と前記光の偏光度に対する、前記電気信号および外部磁場に対する感度の関係を記憶情報として記憶し、前記電気信号が事前に設定した許容範囲外にある場合には、前記記憶情報を元に、前記外部磁場に対する感度が一定となるように、前記光強度調節部と、前記偏光調節部と、前記コイルに印加する電流とを制御することを特徴とする、
　請求項１に記載の磁場計測装置。
　前記測定部は、
　前記光検出器の電気信号の交流成分を検出するロックインアンプを有し、
　前記制御部は、
　前記ロックインアンプの同相出力値が前記許容範囲外に低下した場合には、前記偏光調節部を調節し、円偏光に近づけることを特徴とする、
　請求項２に記載の磁場計測装置。
　前記測定部は、
　前記光検出器の電気信号の直流成分を検出する計測器を有し、
　前記制御部は、
　前記計測器の出力値が前記許容範囲外に低下した場合には、前記振動磁場に対する感度の変化量が前記振動磁場の強度の変化で調整可能かどうかを前記記憶情報を元に判断し、可能と判断した場合前記コイルに印加する電流を調整することで前記振動磁場に対する感度を目標値に近づけることを特徴とする、
　請求項２に記載の磁場計測装置。
　前記測定部は、
　前記光検出器の電気信号の直流成分を検出する計測器を有し、
　前記制御部は、
　前記計測器の出力値が前記許容範囲外に低下した場合には、前記振動磁場に対する感度の変化量が前記振動磁場の強度の変化で調整可能かどうかを前記記憶情報を元に判断し、不可能と判断した場合前記光強度調節部の透過率を制御し前記光の強度を増加させ、さらに前記コイルに印加する電流を調整することで前記振動磁場に対する感度を目標値に近づけることを特徴とする、
　請求項２に記載の磁場計測装置。
　前記制御部と通信を行う集中制御部を有し、
　前記集中制御部は前記光源の光出力強度を制御する機能を有することを特徴とする、
　請求項１に記載の磁場計測装置。
　前記光源からの出力光が分岐され、複数の前記ガスセルに導入されることを特徴とする、
　請求項６に記載の磁場計測装置。
　前記集中制御部は、
　前記光強度調節部の前記透過率の最大値が事前に設定した設定範囲外にある場合には、前記透過率の最大値を、事前に設定した設定範囲内の設定値により除した値で算出される是正係数により、前記光源の前記光出力強度と前記光強度調節部の前記透過率を制御することを特徴とする、
　請求項７に記載の磁場計測装置。
　前記集中制御部により、前記光源からの出力光の強度は、制御前に比べて減少することを特徴とする請求項７に記載の磁場計測装置。
　アルカリ金属のガスを充填したガスセルに光を照射するとともに、振動磁場を印加するステップ、
　前記ガスセルを透過した前記光を、電気信号に変換するステップ、
　前記電気信号から、直流成分を検出するステップ、
　前記電気信号から、前記振動磁場の周波数を参照信号として直交成分を検出するステップ、
　前記直流成分および前記直交成分に基づいて、前記ガスセルに照射する光の強度および偏光度の少なくとも一つを調節する、
　磁場計測方法。
　前記直交成分が所定範囲外となっていた場合、
　前記偏光度を調節する偏光度調節ステップを備える、
　請求項１０記載の磁場計測方法。
　前記偏光度調節ステップは、前記偏光度を円偏光に近づけるように調節する、
　請求項１１記載の磁場計測方法。
　前記偏光度調節ステップの後に、
　前記直流成分が所定範囲外となっていた場合、
　さらに、前記振動磁場の強度を調節する磁場強度調節ステップを備える、
　請求項１２記載の磁場計測方法。
　前記直流成分が所定範囲外となっていた場合、
　前記電気信号から、外部磁場に対する感度を測定し、
　前記感度に基づいて、
　前記光の強度を調節し、かつ、前記磁場強度調節ステップを実行するか、
　あるいは、
　前記光の強度を調節せずに、前記磁場強度調節ステップを実行するかを、判定する、
　請求項１３記載の磁場計測方法。
　アルカリ金属のガスを充填したガスセルと、
　光を出射する光源と、
　前記ガスセルに振動磁場を印加するコイルと、
　前記光源から前記ガスセルへと前記光を導く光ファイバと、
　前記光ファイバを通過した前記光の強度を調節する光強度調節部と、
　前記光ファイバを通過した前記光の偏光度を調節する偏光調節部と、
　前記ガスセルを通過した前記光を受光し電気信号に変換する光検出器と、
　前記電気信号から、直流成分を検出する測定部と、
　前記電気信号から、前記振動磁場の周波数を参照信号として直交成分を検出するロックインアンプと、
　前記光強度調節部、前記偏光調節部、および前記コイルを駆動する駆動部と、
　前記駆動部を制御する制御部を備え、
　前記制御部は、
　前記直交成分が所定範囲を逸脱した場合、前記偏光調節部により前記光の偏向度を調節するように前記駆動部を制御し、
　前記駆動部の制御の結果、前記直交成分が所定範囲を逸脱している場合、前記光強度調節部および前記コイルの少なくともひとつを駆動し、前記光の強度および前記振動磁場の強度の少なくとも一つを調節する、
　磁場計測装置。