磁気センサー
【課題】精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供する。
【解決手段】光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサー１であって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置１１と、第１ガスを透過した第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置５と、第１のプローブ光の偏光面と第２ガスを透過した第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器１５と、を有する。
【解決手段】光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサー１であって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置１１と、第１ガスを透過した第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置５と、第１のプローブ光の偏光面と第２ガスを透過した第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器１５と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサー等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体から発生する微小な磁場を測定する生体磁気検出装置が知られている。このような生体磁気検出装置としては、例えば、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）がある。なお、ＳＱＵＩＤとは、例えば、超伝導リングなどの超伝導素子に一部細い部分（ジョセフソン接合）が設けられた素子（ジョセフソン素子）を用いることで、低温度環境下においてわずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能な素子（磁気センサー）である。
【０００３】
図５は、従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。図５（ａ）は、１回巻きの磁束検出コイル（マグネトメーター）を示す図である。図５（ｂ）は、互いに逆方向に巻いた平行な２つのコイルを直列につないだ磁束検出コイル（１次勾配型のグラディオメーター）を示す図である。
【０００４】
図５（ａ）に示すように、マグネトメーター１０１では、コイルの中に入ってくる磁場１１０を全て検出してしまう。そこで、コイルの近くから発生する磁場（例えば心磁や脳磁）のみを検出するためには、コイルから遠くに発生源を持つ磁界（例えば外部磁気雑音）によるノイズを完全に除去する方式が別途必要になる。
【０００５】
図５（ｂ）に示すように、１次勾配型のグラディオメーター１０２では、互いに逆方向に巻いた２つのコイルで検出される検出信号の差として磁場１１０が検出される。このため、コイルから遠くに発生源を持つ磁界の影響は２つのコイル間で打ち消しあってゼロとなり、コイルの近くから発生する磁場のみが検出される。しかしながら、ＳＱＵＩＤは超伝導素子やジョセフソン素子を用いるため高コストとなる。また、低温度環境を維持するためには液体ヘリウムや液体窒素を冷却装置に頻繁に供給する必要があり手間がかかる。
【０００６】
一方、ＳＱＵＩＤを用いないで微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計がある。光ポンピング原子磁力計とは、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて原子と磁場とを相互作用させて原子の磁化状態を検出することで磁場を測定する装置である。例えば、非特許文献１及び２では、セシウムなどのアルカリ金属原子が封入されたガスセルに対して互いに異なる偏光方向を有する２つのレーザー光を入射し、ガスセルを透過した２つのレーザー光をそれぞれ２つのフォトディテクターで受光して光強度を検出している。その後、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換することにより、レーザー光の強度変化の差分を演算し、これにより外部磁場の影響を除いた微小磁場の測定を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，６０５−６１２（２００２）
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７６，３２５−３２８（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１及び２では、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換する際にノイズが発生してしまい、微小磁場を精度よく測定することが困難な場合がある。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いているため、磁気センサーの構造が複雑であり演算も複雑となる。
【０００９】
本発明の一態様においては、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、前記第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、前記第１ガスを透過した前記第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、前記第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、前記第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、前記第１のプローブ光の偏光面と前記第２ガスを透過した前記第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１のポンピング光が第１ガスに入射し、第２のポンピング光が第２ガスに入射するので、第１ガスに付与される磁化と第２ガスに付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後におけるプローブ光の偏光面の回転角（ファラデー回転角）が検出される。これにより、第１ガスにおけるスピン偏極の大きさと第２ガスにおけるスピン偏極の大きさとの差分が求められる。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１２】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスにおける前記第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第２ガスにおける前記第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第１ガス及び前記第２ガスにスピン偏極を生じさせることが望ましい。
【００１３】
この構成によれば、第１ガスにおける第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２ガスにおける第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが確実に相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが確実に測定される。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１４】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第１のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第２ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第２のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることが望ましい。
【００１５】
この構成によれば、第１ガスにおけるスピン偏極の状態と第２ガスにおけるスピン偏極の状態とを確実且つ容易に制御することができる。
【００１６】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させいずれか他方を前記第２ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有していてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第１ガスに光を入射する光源と第２ガスに光を入射する光源とを共通化することができるため、装置構成を簡略化することができる。
【００１８】
また、上記磁気センサーにおいては、前記偏光分離光学系は、前記光源から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離膜と、前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させる第１位相差板と、前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第２ガスに入射させる第２位相差板と、を有していてもよい。
【００１９】
この構成によれば、偏光分離光学系を市販の偏光ビームスプリッターや１／４波長板を用いて安価に提供することができる。
【００２０】
また、上記磁気センサーにおいては、前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００２１】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、第１ガスと第２ガスとが別々のセルに封入される場合に比べて装置構成が簡単になる。また、第１ガスと第２ガスを別々のセルに封入した場合には、プローブ光の光軸と各セルとのアライメントを別々に行わなければならないが、第１ガスと第２ガスとを同一セルに封入した場合には、このようなアライメント作業が１回で済むため、セッティングが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の磁気センサーを示す模式図である。
【図２】第１のセル内における原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。
【図３】相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。
【図４】光ポンピング後の磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図５】従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００２４】
図１は本発明の磁気センサー１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、磁気センサー１は、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて測定対象磁場（磁場発生源１０から発生する微小磁場、例えば心磁や脳磁）を測定するものである。なお、以下の説明では、測定対象磁場の方向をＺ軸とし、Ｚ軸と直交する平面内の２方向をＸ軸及びＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。
【００２５】
磁気センサー１は、第１のセル１３と、第２のセル１４と、プローブ光入射装置１１と、ポンピング光入射装置５と、検出器１５と、を具備して構成されている。
【００２６】
第１のセル１３、第２のセル１４は、Ｙ軸方向に互いに直列に配置されている。第２のセル１４は、第１のセル１３を透過したプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光路上に配置されている。第１のセル１３は磁場発生源１０に相対的に近い位置に配置され、第２のセル１４は磁場発生源１０に相対的に遠い位置に配置されている。第１のセル１３には、Ｚ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂ１がかかっている。第２のセル１４には、Ｚ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂ２がかかっている。ここで、第２のセル１４は磁場発生源１０に対して遠い位置に配置されているため、第２のセル１４にかかる測定対象磁場は無視できるほど小さい。つまり、第２のセル１４には、Ｚ軸方向において外部磁場のみがかかっているとみなすことができる。
【００２７】
第１のセル１３、第２のセル１４の内部には、それぞれ価電子が奇数個の原子またはイオンからなる第１ガス、第２ガスが封入されている。本実施形態では、第１ガス及び第２ガスが、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属原子からなっている。なお、第１のセル１３、第２のセル１４の内部におけるアルカリ金属原子の密度を大きくするために、必要に応じて第１のセル１３、第２のセル１４に対して加熱を行ってもよい。
【００２８】
また、第１のセル１３及び第２のセル１４の内部には、ネオン、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスと、水素や窒素などの非磁性のガスとの少なくとも一方のガスが封入されていてもよい。これにより、第１のセル１３及び第２のセル１４に封入されたアルカリ金属原子が互いに衝突したりセル部内壁に衝突したりすることが緩和される。
【００２９】
プローブ光入射装置１１は、直線偏光を射出するレーザー照射装置である。プローブ光入射装置１１は、反射ミラー２１を介して第１のセル１３に対して磁場Ｂ１と平行な方向（Ｚ軸方向）に振動する直線偏光からなるプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）を磁場Ｂ１と直交する方向（Ｙ軸方向）に入射させる。
【００３０】
ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３及び第２のセル１４に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第１のセル１３内の第１ガスに付与されるプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１４内の第２ガスに付与されるプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせる機能を有する。
【００３１】
ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３に対してσ＋偏光（右円偏光、Ｘ軸に沿う光の進行方向に対して右回りの円偏光）とσ−偏光（左円偏光、Ｘ軸に沿う光の進行方向に対して左回りの円偏光）とのうちのいずれか一方を磁場Ｂ１，Ｂ２とプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）の光軸との双方に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に入射させる機能を有する。一方、ポンピング光入射装置５は、第２のセル１４に対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を磁場Ｂ１，Ｂ２とプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光軸との双方に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に入射させる機能を有する。本実施形態のポンピング光入射装置５は、第１のセル１３に対してσ＋偏光（第１のポンピング光）を入射させ、第２のセル１４に対してσ−偏光（第１のポンピング光）を入射させている。
【００３２】
ポンピング光入射装置５は、光を射出する光源１２と、光源１２から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、σ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を第１のセル１３に入射させ、いずれか他方を第２のセル１４に入射させる偏光分離光学系２０と、を具備して構成されている。本実施形態の偏光分離光学系２０は、第１のセル１３に対してσ＋偏光を入射させ、第２のセル１４に対してσ−偏光を入射させている。
【００３３】
光源１２は、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む光を射出する光源である。偏光分離光学系２０は、偏光分離膜２３と、第１位相差板２４と、第２位相差板２５と、反射ミラー２２と、を具備して構成されている。偏光分離膜２３は、光源１２から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する機能を有する。偏光分離膜２３は、例えば、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）により構成されている。第１位相差板２４は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し第１のセル１３に入射させる機能を有する。第２位相差板２５は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し第２のセル１４に入射させる機能を有する。
【００３４】
本実施形態の第１位相差板２４は、偏光分離膜２３によって分離されたＳ偏光に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光に変換し、σ＋偏光を第１のセル１３に入射させている。一方、第２位相差板２５は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光に対して１／４波長の位相差を付与してσ−偏光に変換し、σ−偏光を第２のセル１４に入射させている。
【００３５】
光源１２からＸ軸方向に射出されたＰ偏光とＳ偏光とを含む光は、偏光分離膜２３に入射されると、一方の偏光成分であるＳ偏光が偏光分離膜２３によって反射され、他方の偏光成分であるＰ偏光が偏光分離膜２３を透過する。偏光分離膜２３で反射されたＳ偏光は、反射ミラー２２を介して第１位相差板２４に入射され、１／４波長の位相差が付与されてσ＋偏光に変換される。そして、σ＋偏光が第１のセル１３に対してＸ軸方向に平行に入射する。一方、偏光分離膜２３を透過したＰ偏光は、第２位相差板２５に入射され、１／４波長の位相差が付与されてσ−偏光に変換される。そして、σ−偏光が第２のセル１４に対してＸ軸方向に平行に入射する。本実施形態では、σ＋偏光、σ−偏光がそれぞれ第１ガスが封入された第１のセル１３、第２ガスが封入された第２のセル１４に入射するようになっているが、σ＋偏光、σ−偏光がそれぞれ第２ガスが封入された第２のセル１４、第１ガスが封入された第１のセル１３に入射する構成でも構わない。
【００３６】
本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１３、第２のセル１４にそれぞれ入射するσ＋偏光、σ−偏光の入射方向（Ｘ軸方向）が磁場Ｂ１，Ｂ２のかかる方向（Ｚ軸方向）に対して直交する横方向光ポンピングを採用している。
【００３７】
検出器１５は、第１のプローブ光の偏光面と第２のセル１４を透過した第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角（第１のセル１３及び第２のセル１４を透過する前後におけるプローブ光Ｌ１の偏光面の回転角）（ファラデー回転角）を検出する機能を有する。検出器１５は、例えば、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）と、フォトディテクターとを具備して構成されている。なお、ＰＢＳに替えてウォーラストンプリズムを用いることもできる。そして、ＰＢＳにより直線偏光からなるプローブ光Ｌ１の偏光成分を分離し、光量の差分をフォトディテクターにより電気的に演算することで、磁場発生源１０から発生する微小磁場のみを測定することができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように、検出器として２つのフォトディテクターを用いていない。
【００３８】
図２は、第１のセル１３に対してポンピング光入射装置５から射出されたＸ軸方向のσ＋偏光が入射した後の第１のセル１３内におけるアルカリ金属原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。図２（ａ）は、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した直後のアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。図２（ｂ）は、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した後、しばらく時間が経過したときのアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、第１のセル１３にＸ軸方向のσ＋偏光が入射すると、アルカリ金属原子の最外殻電子がスピン偏極する。具体的には、Ｘ軸方向のσ＋偏光が角運動量＋ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ＋偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量＋ｈ／２πを保存してＸ軸の正の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第１のセル１３内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第１のセル１３内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＸ軸の正の方向に揃っているため、これに倣って磁化ベクトルの方向がＸ軸の正の方向を向き、Ｘ軸の正の方向に強い磁化が形成される。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した後、しばらく時間が経過すると、第１のセル１３にかかるＺ軸方向の磁場Ｂ１の作用から、アルカリ金属原子の電子スピンがラーマー歳差運動を開始してＸＹ平面内で回転する。第１のセル１３内では、各アルカリ金属原子の電子スピンにおけるラーマー歳差運動の周波数（ラーマー周波数）が異なるため、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がばらつく。各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がランダムな方向を向くと、これに伴い磁化ベクトルが小さくなり、最終的に磁化が消滅する（横方向緩和）。なお、ＸＹ平面内に磁化ベクトルが発生してから消滅するまでの速度を横緩和速度という。
【００４１】
図３は、横方向光ポンピングにおける相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。図３において、横軸は相対ラーマー周波数を示し、縦軸は磁化を示している。ここで、相対ラーマー周波数は、ラーマー周波数をＷ、横緩和速度をＶとすると、Ｗ／Ｖで表される。図３中の実線Ｍｘは磁化ベクトルのＸ軸方向成分を示し、破線Ｍｙは磁化ベクトルのＹ軸方向成分を示している。
【００４２】
図３に示すように、磁化ベクトルのＸ軸方向成分Ｍｘは、山なりの曲線となっており、相対ラーマー周波数が０のときに極大となっている。一方、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは、相対ラーマー周波数が−１のときに極大となり、相対ラーマー周波数が１のときに極小となっている。図３の破線Ｍｙ上の点ａはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖに対して比較的小さいときの磁化を示している（Ｗ＜＜Ｖ）。また、点ｂはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖとほぼ同じになるときの磁化（極大値）を示している（Ｗ≒Ｖ）。また、点ｃはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖに対して大きいときの磁化を示している（Ｗ＞Ｖ）。
【００４３】
図４は、光ポンピング後のＸＹ平面内における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ａ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ｂ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ｂ（Ｗ≒Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ｃ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ｃ（Ｗ＞Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。なお、図４中の原点は磁化が磁化ベクトル成分を持たない場合、つまり外部磁場がかからない場合（磁化がゼロ）を示している。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡は半円状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。また、矢印の向きはアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の方向を示している。つまり、磁化ベクトルの軌跡は、磁化ベクトルの先端をつないだ軌跡（磁化ベクトルの変化）を示している。
【００４５】
図４（ｂ）に示すように、点ｂ（Ｗ≒Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡はスパイラル状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。また、図４（ｃ）に示すように、点ｂ（Ｗ＞Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡は図４（ｂ）よりも大きいスパイラル状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。
【００４６】
ここで、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１が弱磁場の場合（図３中の点ａ近傍）、磁場Ｂ１の強度に比例した磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが生じる。このとき、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは負の値を有する。図４（ａ）の点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を見ても、原点近傍において矢印の向きがＹ軸の負の方向を向いており、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが負の値を有することが確認される。
【００４７】
一方、図示はしないが、第２のセル１４にＸ軸方向のσ−偏光が入射すると、Ｘ軸方向のσ−偏光が角運動量−ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ−偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量−ｈ／２πを保存してＸ軸の負の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第２のセル１４内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第２のセル１４内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＸ軸の負の方向に揃い、これに倣って磁化ベクトルの方向がＸ軸の負の方向を向き、Ｘ軸の負の方向に強い磁化が形成される。
【００４８】
この場合、第２のセル１４内におけるアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の回転方向は、上述の第１のセル１３内における回転方向と同じになる。したがって、第２のセル１４内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは、上述の第１のセル１３内における磁化ベクトルの方向と反対の方向となり、正の値を有することになる。つまり、第１のセル１３内における磁化ベクトルと、第２のセル１４内における磁化ベクトルとのＹ軸方向成分Ｍｙは向きが反対になる（正負が異なる）。
【００４９】
図１に示すように、プローブ光入射装置１１から射出されたＹ軸を中心軸としてＺ軸方向に振動する直線偏光は第１のセル１３を透過した後、第１のセル１３内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内において回転する（ファラデー回転）。具体的には、直線偏光は第１のセル１３を透過した後、第１のセル１３内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが負の値を有することにより、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内においてＹ軸を中心にＲ１方向（右回り）に回転する。なお、直線偏光の偏光面のＸＺ平面内における回転角（ファラデー回転角）は、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙと比例関係を有する。
【００５０】
そして、直線偏光は第２のセル１４を透過した後、第２のセル１４内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内において上述の第１のセル１３を透過した後の回転方向と反対の方向に回転する。具体的には、直線偏光は第２のセル１４を透過した後、第２のセル１４内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが正の値を有することにより、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内においてＹ軸を中心にＲ２方向（左回り）に回転する。
【００５１】
このように、第１のセル１３内における磁化ベクトルと、第２のセル１４内における磁化ベクトルとのＹ軸方向成分Ｍｙは向きが反対なので、直線偏光が第１のセル１３を透過した後のファラデー回転角と、第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角との回転方向が反対になる。
【００５２】
また、ファラデー回転角は磁場の強さに比例する。具体的には、直線偏光が第１のセル１３を透過した後のファラデー回転角は、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１の強さに比例する。そして、さらに第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角は、第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２の強さに比例する。このため、検出器１５によって第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角を検出することにより、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１と第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２との差分（Ｂ１−Ｂ２）を求めることができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。したがって、第１のセル１３にかかる外部磁場と第２のセル１４にかかる外部磁場とが相殺され、その結果、第１のセル１３にかかる測定対象磁場が求められる。
【００５３】
本実施形態の磁気センサー１によれば、第１のセル１３における第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２のセル１４における第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後におけるプローブ光Ｌ１の偏光面の回転角（ファラデー回転角）が検出される。これにより、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１と第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２との差分（Ｂ１−Ｂ２）が求められる。その結果、第１のセル１３にかかる外部磁場と第２のセル１４にかかる外部磁場とが相殺され、第１のセル１３にかかる測定対象磁場が測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５４】
なお、本実施形態の磁気センサー１は、第１ガスが第１のセル１３に封入され、第２ガスが第２のセル１４に封入され、２つのセルで構成されているが、これに限らない。例えば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００５５】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、精度よく微小磁場を測定することが可能な、格段に構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５６】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸方向にσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸方向にσ−偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸方向にσ−偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸方向にσ＋偏光を入射していてもよい。すなわち、ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３及び第２のセル１４に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第１のセル１３内の第１ガスに付与されるプローブ光Ｌ１の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１４内の第２ガスに付与されるプローブ光Ｌ１の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていればよい。
【００５７】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸の正の方向に向かってσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸の正の方向に向かってσ−偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸の正の方向に向かってσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸の負の方向に向かってσ＋偏光を入射する構成であってもよい。すなわち、ポンピング光入射装置が第１のセル１３及び第２のセル１４に対して同一の偏光成分を有する円偏光をＸ軸に沿って互いに反対方向に入射させていてもよい。
【００５８】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３における第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２のセル１４における第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に付与される磁化と第２のセル１４に付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていてもよい。このような構成であっても、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１…磁気センサー、５…ポンピング光入射装置、１１…プローブ光入射装置、１２…光源、１５…検出器、２０…偏光分離光学系、２３…偏光分離膜、２４…第１位相差板、２５…第２位相差板、Ｌ１…プローブ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサー等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体から発生する微小な磁場を測定する生体磁気検出装置が知られている。このような生体磁気検出装置としては、例えば、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）がある。なお、ＳＱＵＩＤとは、例えば、超伝導リングなどの超伝導素子に一部細い部分（ジョセフソン接合）が設けられた素子（ジョセフソン素子）を用いることで、低温度環境下においてわずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能な素子（磁気センサー）である。
【０００３】
図５は、従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。図５（ａ）は、１回巻きの磁束検出コイル（マグネトメーター）を示す図である。図５（ｂ）は、互いに逆方向に巻いた平行な２つのコイルを直列につないだ磁束検出コイル（１次勾配型のグラディオメーター）を示す図である。
【０００４】
図５（ａ）に示すように、マグネトメーター１０１では、コイルの中に入ってくる磁場１１０を全て検出してしまう。そこで、コイルの近くから発生する磁場（例えば心磁や脳磁）のみを検出するためには、コイルから遠くに発生源を持つ磁界（例えば外部磁気雑音）によるノイズを完全に除去する方式が別途必要になる。
【０００５】
図５（ｂ）に示すように、１次勾配型のグラディオメーター１０２では、互いに逆方向に巻いた２つのコイルで検出される検出信号の差として磁場１１０が検出される。このため、コイルから遠くに発生源を持つ磁界の影響は２つのコイル間で打ち消しあってゼロとなり、コイルの近くから発生する磁場のみが検出される。しかしながら、ＳＱＵＩＤは超伝導素子やジョセフソン素子を用いるため高コストとなる。また、低温度環境を維持するためには液体ヘリウムや液体窒素を冷却装置に頻繁に供給する必要があり手間がかかる。
【０００６】
一方、ＳＱＵＩＤを用いないで微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計がある。光ポンピング原子磁力計とは、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて原子と磁場とを相互作用させて原子の磁化状態を検出することで磁場を測定する装置である。例えば、非特許文献１及び２では、セシウムなどのアルカリ金属原子が封入されたガスセルに対して互いに異なる偏光方向を有する２つのレーザー光を入射し、ガスセルを透過した２つのレーザー光をそれぞれ２つのフォトディテクターで受光して光強度を検出している。その後、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換することにより、レーザー光の強度変化の差分を演算し、これにより外部磁場の影響を除いた微小磁場の測定を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，６０５−６１２（２００２）
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７６，３２５−３２８（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１及び２では、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換する際にノイズが発生してしまい、微小磁場を精度よく測定することが困難な場合がある。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いているため、磁気センサーの構造が複雑であり演算も複雑となる。
【０００９】
本発明の一態様においては、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、前記第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、前記第１ガスを透過した前記第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、前記第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、前記第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、前記第１のプローブ光の偏光面と前記第２ガスを透過した前記第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１のポンピング光が第１ガスに入射し、第２のポンピング光が第２ガスに入射するので、第１ガスに付与される磁化と第２ガスに付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後におけるプローブ光の偏光面の回転角（ファラデー回転角）が検出される。これにより、第１ガスにおけるスピン偏極の大きさと第２ガスにおけるスピン偏極の大きさとの差分が求められる。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１２】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスにおける前記第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第２ガスにおける前記第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第１ガス及び前記第２ガスにスピン偏極を生じさせることが望ましい。
【００１３】
この構成によれば、第１ガスにおける第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２ガスにおける第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが確実に相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが確実に測定される。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１４】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第１のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第２ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第２のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることが望ましい。
【００１５】
この構成によれば、第１ガスにおけるスピン偏極の状態と第２ガスにおけるスピン偏極の状態とを確実且つ容易に制御することができる。
【００１６】
また、上記磁気センサーにおいては、前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させいずれか他方を前記第２ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有していてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第１ガスに光を入射する光源と第２ガスに光を入射する光源とを共通化することができるため、装置構成を簡略化することができる。
【００１８】
また、上記磁気センサーにおいては、前記偏光分離光学系は、前記光源から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離膜と、前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させる第１位相差板と、前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第２ガスに入射させる第２位相差板と、を有していてもよい。
【００１９】
この構成によれば、偏光分離光学系を市販の偏光ビームスプリッターや１／４波長板を用いて安価に提供することができる。
【００２０】
また、上記磁気センサーにおいては、前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００２１】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、第１ガスと第２ガスとが別々のセルに封入される場合に比べて装置構成が簡単になる。また、第１ガスと第２ガスを別々のセルに封入した場合には、プローブ光の光軸と各セルとのアライメントを別々に行わなければならないが、第１ガスと第２ガスとを同一セルに封入した場合には、このようなアライメント作業が１回で済むため、セッティングが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の磁気センサーを示す模式図である。
【図２】第１のセル内における原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。
【図３】相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。
【図４】光ポンピング後の磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図５】従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００２４】
図１は本発明の磁気センサー１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、磁気センサー１は、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて測定対象磁場（磁場発生源１０から発生する微小磁場、例えば心磁や脳磁）を測定するものである。なお、以下の説明では、測定対象磁場の方向をＺ軸とし、Ｚ軸と直交する平面内の２方向をＸ軸及びＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。
【００２５】
磁気センサー１は、第１のセル１３と、第２のセル１４と、プローブ光入射装置１１と、ポンピング光入射装置５と、検出器１５と、を具備して構成されている。
【００２６】
第１のセル１３、第２のセル１４は、Ｙ軸方向に互いに直列に配置されている。第２のセル１４は、第１のセル１３を透過したプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光路上に配置されている。第１のセル１３は磁場発生源１０に相対的に近い位置に配置され、第２のセル１４は磁場発生源１０に相対的に遠い位置に配置されている。第１のセル１３には、Ｚ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂ１がかかっている。第２のセル１４には、Ｚ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂ２がかかっている。ここで、第２のセル１４は磁場発生源１０に対して遠い位置に配置されているため、第２のセル１４にかかる測定対象磁場は無視できるほど小さい。つまり、第２のセル１４には、Ｚ軸方向において外部磁場のみがかかっているとみなすことができる。
【００２７】
第１のセル１３、第２のセル１４の内部には、それぞれ価電子が奇数個の原子またはイオンからなる第１ガス、第２ガスが封入されている。本実施形態では、第１ガス及び第２ガスが、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属原子からなっている。なお、第１のセル１３、第２のセル１４の内部におけるアルカリ金属原子の密度を大きくするために、必要に応じて第１のセル１３、第２のセル１４に対して加熱を行ってもよい。
【００２８】
また、第１のセル１３及び第２のセル１４の内部には、ネオン、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスと、水素や窒素などの非磁性のガスとの少なくとも一方のガスが封入されていてもよい。これにより、第１のセル１３及び第２のセル１４に封入されたアルカリ金属原子が互いに衝突したりセル部内壁に衝突したりすることが緩和される。
【００２９】
プローブ光入射装置１１は、直線偏光を射出するレーザー照射装置である。プローブ光入射装置１１は、反射ミラー２１を介して第１のセル１３に対して磁場Ｂ１と平行な方向（Ｚ軸方向）に振動する直線偏光からなるプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）を磁場Ｂ１と直交する方向（Ｙ軸方向）に入射させる。
【００３０】
ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３及び第２のセル１４に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第１のセル１３内の第１ガスに付与されるプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１４内の第２ガスに付与されるプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせる機能を有する。
【００３１】
ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３に対してσ＋偏光（右円偏光、Ｘ軸に沿う光の進行方向に対して右回りの円偏光）とσ−偏光（左円偏光、Ｘ軸に沿う光の進行方向に対して左回りの円偏光）とのうちのいずれか一方を磁場Ｂ１，Ｂ２とプローブ光Ｌ１（第１のプローブ光）の光軸との双方に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に入射させる機能を有する。一方、ポンピング光入射装置５は、第２のセル１４に対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を磁場Ｂ１，Ｂ２とプローブ光Ｌ１（第２のプローブ光）の光軸との双方に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に入射させる機能を有する。本実施形態のポンピング光入射装置５は、第１のセル１３に対してσ＋偏光（第１のポンピング光）を入射させ、第２のセル１４に対してσ−偏光（第１のポンピング光）を入射させている。
【００３２】
ポンピング光入射装置５は、光を射出する光源１２と、光源１２から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、σ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を第１のセル１３に入射させ、いずれか他方を第２のセル１４に入射させる偏光分離光学系２０と、を具備して構成されている。本実施形態の偏光分離光学系２０は、第１のセル１３に対してσ＋偏光を入射させ、第２のセル１４に対してσ−偏光を入射させている。
【００３３】
光源１２は、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む光を射出する光源である。偏光分離光学系２０は、偏光分離膜２３と、第１位相差板２４と、第２位相差板２５と、反射ミラー２２と、を具備して構成されている。偏光分離膜２３は、光源１２から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する機能を有する。偏光分離膜２３は、例えば、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）により構成されている。第１位相差板２４は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し第１のセル１３に入射させる機能を有する。第２位相差板２５は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し第２のセル１４に入射させる機能を有する。
【００３４】
本実施形態の第１位相差板２４は、偏光分離膜２３によって分離されたＳ偏光に対して１／４波長の位相差を付与してσ＋偏光に変換し、σ＋偏光を第１のセル１３に入射させている。一方、第２位相差板２５は、偏光分離膜２３によって分離されたＰ偏光に対して１／４波長の位相差を付与してσ−偏光に変換し、σ−偏光を第２のセル１４に入射させている。
【００３５】
光源１２からＸ軸方向に射出されたＰ偏光とＳ偏光とを含む光は、偏光分離膜２３に入射されると、一方の偏光成分であるＳ偏光が偏光分離膜２３によって反射され、他方の偏光成分であるＰ偏光が偏光分離膜２３を透過する。偏光分離膜２３で反射されたＳ偏光は、反射ミラー２２を介して第１位相差板２４に入射され、１／４波長の位相差が付与されてσ＋偏光に変換される。そして、σ＋偏光が第１のセル１３に対してＸ軸方向に平行に入射する。一方、偏光分離膜２３を透過したＰ偏光は、第２位相差板２５に入射され、１／４波長の位相差が付与されてσ−偏光に変換される。そして、σ−偏光が第２のセル１４に対してＸ軸方向に平行に入射する。本実施形態では、σ＋偏光、σ−偏光がそれぞれ第１ガスが封入された第１のセル１３、第２ガスが封入された第２のセル１４に入射するようになっているが、σ＋偏光、σ−偏光がそれぞれ第２ガスが封入された第２のセル１４、第１ガスが封入された第１のセル１３に入射する構成でも構わない。
【００３６】
本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１３、第２のセル１４にそれぞれ入射するσ＋偏光、σ−偏光の入射方向（Ｘ軸方向）が磁場Ｂ１，Ｂ２のかかる方向（Ｚ軸方向）に対して直交する横方向光ポンピングを採用している。
【００３７】
検出器１５は、第１のプローブ光の偏光面と第２のセル１４を透過した第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角（第１のセル１３及び第２のセル１４を透過する前後におけるプローブ光Ｌ１の偏光面の回転角）（ファラデー回転角）を検出する機能を有する。検出器１５は、例えば、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）と、フォトディテクターとを具備して構成されている。なお、ＰＢＳに替えてウォーラストンプリズムを用いることもできる。そして、ＰＢＳにより直線偏光からなるプローブ光Ｌ１の偏光成分を分離し、光量の差分をフォトディテクターにより電気的に演算することで、磁場発生源１０から発生する微小磁場のみを測定することができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように、検出器として２つのフォトディテクターを用いていない。
【００３８】
図２は、第１のセル１３に対してポンピング光入射装置５から射出されたＸ軸方向のσ＋偏光が入射した後の第１のセル１３内におけるアルカリ金属原子の磁化ベクトルの変化を示す図である。図２（ａ）は、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した直後のアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。図２（ｂ）は、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した後、しばらく時間が経過したときのアルカリ金属原子の磁化ベクトルを示す図である。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、第１のセル１３にＸ軸方向のσ＋偏光が入射すると、アルカリ金属原子の最外殻電子がスピン偏極する。具体的には、Ｘ軸方向のσ＋偏光が角運動量＋ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ＋偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量＋ｈ／２πを保存してＸ軸の正の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第１のセル１３内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第１のセル１３内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＸ軸の正の方向に揃っているため、これに倣って磁化ベクトルの方向がＸ軸の正の方向を向き、Ｘ軸の正の方向に強い磁化が形成される。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、第１のセル１３にσ＋偏光が入射した後、しばらく時間が経過すると、第１のセル１３にかかるＺ軸方向の磁場Ｂ１の作用から、アルカリ金属原子の電子スピンがラーマー歳差運動を開始してＸＹ平面内で回転する。第１のセル１３内では、各アルカリ金属原子の電子スピンにおけるラーマー歳差運動の周波数（ラーマー周波数）が異なるため、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がばらつく。各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がランダムな方向を向くと、これに伴い磁化ベクトルが小さくなり、最終的に磁化が消滅する（横方向緩和）。なお、ＸＹ平面内に磁化ベクトルが発生してから消滅するまでの速度を横緩和速度という。
【００４１】
図３は、横方向光ポンピングにおける相対ラーマー周波数と磁化の関係を示す図である。図３において、横軸は相対ラーマー周波数を示し、縦軸は磁化を示している。ここで、相対ラーマー周波数は、ラーマー周波数をＷ、横緩和速度をＶとすると、Ｗ／Ｖで表される。図３中の実線Ｍｘは磁化ベクトルのＸ軸方向成分を示し、破線Ｍｙは磁化ベクトルのＹ軸方向成分を示している。
【００４２】
図３に示すように、磁化ベクトルのＸ軸方向成分Ｍｘは、山なりの曲線となっており、相対ラーマー周波数が０のときに極大となっている。一方、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは、相対ラーマー周波数が−１のときに極大となり、相対ラーマー周波数が１のときに極小となっている。図３の破線Ｍｙ上の点ａはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖに対して比較的小さいときの磁化を示している（Ｗ＜＜Ｖ）。また、点ｂはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖとほぼ同じになるときの磁化（極大値）を示している（Ｗ≒Ｖ）。また、点ｃはラーマー周波数Ｗが横緩和速度Ｖに対して大きいときの磁化を示している（Ｗ＞Ｖ）。
【００４３】
図４は、光ポンピング後のＸＹ平面内における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ａ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ｂ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ｂ（Ｗ≒Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。図４（ｃ）は、図３の破線Ｍｙ上の点ｃ（Ｗ＞Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を示す図である。なお、図４中の原点は磁化が磁化ベクトル成分を持たない場合、つまり外部磁場がかからない場合（磁化がゼロ）を示している。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡は半円状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。また、矢印の向きはアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の方向を示している。つまり、磁化ベクトルの軌跡は、磁化ベクトルの先端をつないだ軌跡（磁化ベクトルの変化）を示している。
【００４５】
図４（ｂ）に示すように、点ｂ（Ｗ≒Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡はスパイラル状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。また、図４（ｃ）に示すように、点ｂ（Ｗ＞Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡は図４（ｂ）よりも大きいスパイラル状になっており、Ｘ軸上の所定の点から原点に向かっている。
【００４６】
ここで、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１が弱磁場の場合（図３中の点ａ近傍）、磁場Ｂ１の強度に比例した磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが生じる。このとき、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは負の値を有する。図４（ａ）の点ａ（Ｗ＜＜Ｖ）における磁化ベクトルの軌跡を見ても、原点近傍において矢印の向きがＹ軸の負の方向を向いており、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが負の値を有することが確認される。
【００４７】
一方、図示はしないが、第２のセル１４にＸ軸方向のσ−偏光が入射すると、Ｘ軸方向のσ−偏光が角運動量−ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ−偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量−ｈ／２πを保存してＸ軸の負の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第２のセル１４内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第２のセル１４内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＸ軸の負の方向に揃い、これに倣って磁化ベクトルの方向がＸ軸の負の方向を向き、Ｘ軸の負の方向に強い磁化が形成される。
【００４８】
この場合、第２のセル１４内におけるアルカリ金属原子の電子スピンのラーマー歳差運動の回転方向は、上述の第１のセル１３内における回転方向と同じになる。したがって、第２のセル１４内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙは、上述の第１のセル１３内における磁化ベクトルの方向と反対の方向となり、正の値を有することになる。つまり、第１のセル１３内における磁化ベクトルと、第２のセル１４内における磁化ベクトルとのＹ軸方向成分Ｍｙは向きが反対になる（正負が異なる）。
【００４９】
図１に示すように、プローブ光入射装置１１から射出されたＹ軸を中心軸としてＺ軸方向に振動する直線偏光は第１のセル１３を透過した後、第１のセル１３内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内において回転する（ファラデー回転）。具体的には、直線偏光は第１のセル１３を透過した後、第１のセル１３内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが負の値を有することにより、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内においてＹ軸を中心にＲ１方向（右回り）に回転する。なお、直線偏光の偏光面のＸＺ平面内における回転角（ファラデー回転角）は、磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙと比例関係を有する。
【００５０】
そして、直線偏光は第２のセル１４を透過した後、第２のセル１４内における磁化ベクトルの作用により、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内において上述の第１のセル１３を透過した後の回転方向と反対の方向に回転する。具体的には、直線偏光は第２のセル１４を透過した後、第２のセル１４内における磁化ベクトルのＹ軸方向成分Ｍｙが正の値を有することにより、直線偏光の偏光面がＸＺ平面内においてＹ軸を中心にＲ２方向（左回り）に回転する。
【００５１】
このように、第１のセル１３内における磁化ベクトルと、第２のセル１４内における磁化ベクトルとのＹ軸方向成分Ｍｙは向きが反対なので、直線偏光が第１のセル１３を透過した後のファラデー回転角と、第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角との回転方向が反対になる。
【００５２】
また、ファラデー回転角は磁場の強さに比例する。具体的には、直線偏光が第１のセル１３を透過した後のファラデー回転角は、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１の強さに比例する。そして、さらに第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角は、第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２の強さに比例する。このため、検出器１５によって第２のセル１４を透過した後のファラデー回転角を検出することにより、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１と第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２との差分（Ｂ１−Ｂ２）を求めることができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。したがって、第１のセル１３にかかる外部磁場と第２のセル１４にかかる外部磁場とが相殺され、その結果、第１のセル１３にかかる測定対象磁場が求められる。
【００５３】
本実施形態の磁気センサー１によれば、第１のセル１３における第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２のセル１４における第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極が生じる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後におけるプローブ光Ｌ１の偏光面の回転角（ファラデー回転角）が検出される。これにより、第１のセル１３にかかる磁場Ｂ１と第２のセル１４にかかる磁場Ｂ２との差分（Ｂ１−Ｂ２）が求められる。その結果、第１のセル１３にかかる外部磁場と第２のセル１４にかかる外部磁場とが相殺され、第１のセル１３にかかる測定対象磁場が測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５４】
なお、本実施形態の磁気センサー１は、第１ガスが第１のセル１３に封入され、第２ガスが第２のセル１４に封入され、２つのセルで構成されているが、これに限らない。例えば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００５５】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、精度よく微小磁場を測定することが可能な、格段に構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５６】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸方向にσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸方向にσ−偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸方向にσ−偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸方向にσ＋偏光を入射していてもよい。すなわち、ポンピング光入射装置５は、第１のセル１３及び第２のセル１４に対して円偏光からなるポンピング光を入射させ、第１のセル１３内の第１ガスに付与されるプローブ光Ｌ１の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１４内の第２ガスに付与されるプローブ光Ｌ１の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていればよい。
【００５７】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸の正の方向に向かってσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸の正の方向に向かってσ−偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に対してＸ軸の正の方向に向かってσ＋偏光を入射し、第２のセル１４に対してＸ軸の負の方向に向かってσ＋偏光を入射する構成であってもよい。すなわち、ポンピング光入射装置が第１のセル１３及び第２のセル１４に対して同一の偏光成分を有する円偏光をＸ軸に沿って互いに反対方向に入射させていてもよい。
【００５８】
また、本実施形態の磁気センサー１では、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３における第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と第２のセル１４における第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせているが、これに限らない。例えば、ポンピング光入射装置５が第１のセル１３に付与される磁化と第２のセル１４に付与される磁化とが互いに異なる向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていてもよい。このような構成であっても、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１…磁気センサー、５…ポンピング光入射装置、１１…プローブ光入射装置、１２…光源、１５…検出器、２０…偏光分離光学系、２３…偏光分離膜、２４…第１位相差板、２５…第２位相差板、Ｌ１…プローブ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、
価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、
前記第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、
前記第１ガスを透過した前記第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、
前記第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、前記第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、
前記第１のプローブ光の偏光面と前記第２ガスを透過した前記第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする磁気センサー。
【請求項２】
前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスにおける前記第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第２ガスにおける前記第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第１ガス及び前記第２ガスにスピン偏極を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第１のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第２ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第２のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の磁気センサー。
【請求項４】
前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させいずれか他方を前記第２ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサー。
【請求項５】
前記偏光分離光学系は、
前記光源から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離膜と、
前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させる第１位相差板と、
前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第２ガスに入射させる第２位相差板と、を有することを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
【請求項６】
前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサー。
【請求項１】
光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、
価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、
前記第１ガスに対して直線偏光を含む第１のプローブ光を入射させるプローブ光入射装置と、
前記第１ガスを透過した前記第１のプローブ光である第２のプローブ光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、
前記第１ガスに第１の円偏光を含む第１のポンピング光を入射させ、前記第２ガスに第２の円偏光を含む第２のポンピング光を入射させるポンピング光入射装置と、
前記第１のプローブ光の偏光面と前記第２ガスを透過した前記第２のプローブ光である第３のプローブ光の偏光面との回転角を検出する検出器と、を有することを特徴とする磁気センサー。
【請求項２】
前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスにおける前記第１のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化と前記第２ガスにおける前記第２のプローブ光の光軸と平行な方向の磁化とが互いに反対向きとなるように、前記第１ガス及び前記第２ガスにスピン偏極を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記ポンピング光入射装置は、前記第１ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか一方を前記磁場と前記第１のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させると共に、前記第２ガスに対してσ＋偏光とσ−偏光とのうちのいずれか他方を前記磁場と前記第２のプローブ光の光軸との双方に対して直交する方向に入射させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の磁気センサー。
【請求項４】
前記ポンピング光入射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光をσ＋偏光とσ−偏光とに分離し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させいずれか他方を前記第２ガスに入射させる偏光分離光学系と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサー。
【請求項５】
前記偏光分離光学系は、
前記光源から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離膜と、
前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか一方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか一方を前記第１ガスに入射させる第１位相差板と、
前記偏光分離膜によって分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのうちのいずれか他方に対して１／４波長の位相差を付与して前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方に変換し、前記σ＋偏光と前記σ−偏光とのうちのいずれか他方を前記第２ガスに入射させる第２位相差板と、を有することを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
【請求項６】
前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７６６０（Ｐ２０１１−７６６０Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２０６４（Ｐ２００９−１５２０６４）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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