JP6171355B2

JP6171355B2 - 磁場計測装置

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Publication number: JP6171355B2
Application number: JP2013008648A
Authority: JP
Inventors: 長坂　公夫; 公夫長坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: US9351651B2; US20140206981A1; JP2014139546A; CN103941199A

Description

本発明は、光を利用した磁場計測装置に関する。

光を利用した磁場計測装置には、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）など微小な磁場を計測するものがあり、医療画像診断装置などへの応用が期待されている。磁場の計測には、磁気モーメントに偏極を生じさせる媒体が用いられる。この媒体としては、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子や、アルカリ金属原子などのガスを封入したガスセルを用いる。この素子にポンプ光を照射することで素子内の原子のエネルギーが磁場に応じて励起され、この素子を透過したプローブ光の偏光面は磁気光学効果により回転する。磁場計測装置は、この偏光面の回転角度を磁場情報として計測する。特許文献１には、横方向光ポンピング方式を組み合わせた磁場勾配磁力計が記載されている。

特開２００９−１６２５５４号公報

しかし、特許文献１に開示された方式の磁場勾配磁力計は、同文献の図中に示されたｙ方向の磁場勾配を計測するものであり、ｘ方向の磁場勾配を計測するものではない。すなわち、特許文献１に開示された方式の磁場勾配磁力計は、プローブ光に沿った方向の磁場勾配を計測することができない。
また、特許文献１に開示された方式の磁場勾配磁力計は、半波長板や円偏光のポンプ光を生成する光学系が必要となり、複雑かつ高価である。

本発明は、従来技術に比べて簡素な構成によって、プローブ光に沿った方向の磁場勾配を計測する技術を提供する。

上述した課題を解決するため、本発明に係る磁場計測装置は、プローブ光を照射するプローブ光照射部と、第１ポンプ光を照射する第１照射部と、前記第１ポンプ光と平行ではない方向に第２ポンプ光を照射する第２照射部と、前記プローブ光の光軸上に配置され、前記第１ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記プローブ光に対して生じる第１アライメントに沿った方向に伸びる第１軸および当該第１アライメントに垂直な方向に伸びる第２軸について線形二色性を示す第１媒体と、前記プローブ光の光軸上において前記第１媒体に対して前記プローブ光照射部の反対側に配置され、前記第２ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記第１媒体を透過した後の前記プローブ光に対して生じる第２アライメントに沿った方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第３軸および当該第２アライメントに垂直な方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第４軸について線形二色性を示す第２媒体と、前記第１媒体および前記第２媒体を透過した前記プローブ光の偏光面の変化量に基づいて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部と、を有する。
この構成によれば、従来技術に比べて簡素な構成によって、プローブ光に沿った方向の磁場勾配を計測することができる。

また、好ましくは、上述の態様において、プローブ光を照射するプローブ光照射部と、前記プローブ光の光軸上に配置され、第１ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記プローブ光に対して生じる第１アライメントに沿った方向に伸びる第１軸および当該第１アライメントに垂直な方向に伸びる第２軸について線形二色性を示す第１媒体と、前記プローブ光の光軸上において前記第１媒体に対して前記プローブ光照射部の反対側に配置され、第２ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記第１媒体を透過した後の前記プローブ光に対して生じる第２アライメントに沿った方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第３軸および当該第２アライメントに垂直な方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第４軸について線形二色性を示す第２媒体と、前記第１媒体と、前記第２媒体とに挟まれた位置に配置され、照射された光を分離して、当該第１媒体に向けて伝播する前記第１ポンプ光を生成するとともに、当該第２媒体に向けて伝播する前記第２ポンプ光を生成するビームスプリッターと、前記ビームスプリッターに向けて前記光を照射する第３照射部と、前記第１媒体および前記第２媒体を透過した前記プローブ光の偏光面の変化量に基づいて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部と、を有するとよい。
この構成によれば、照射する光を１つにすることができる。

また、好ましくは、上述の態様において、前記ビームスプリッターと、前記第３照射部と、を複数有するとともに、前記各第３照射部が照射する各光の強度を変調させる変調部と、を有し、前記各ビームスプリッターが生成する前記第１ポンプ光は、前記プローブ光に対して予め定められた位相差を有し、前記各ビームスプリッターが生成する前記第２ポンプ光は、前記位相差を有し、前記変調部は、前記位相差に応じた周波数で前記各光の強度を変調させるとよい。
この構成によれば、磁場の測定範囲を拡大することができる。

本発明の第１実施形態に係る磁場計測装置の全体構成を示す図である。ガスセル１の内部のアライメントとプローブ光の状態を示した図である。ガスセル２の内部のアライメントとプローブ光の状態を示した図である。アライメント方位角と計測部の出力との関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る磁場計測装置の全体構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る磁場計測装置の全体構成を示す図である。

１．第１実施形態
１−１．構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁場計測装置９の全体構成を示す図である。以下、図において、磁場計測装置９の各構成の配置を説明するため、各構成が配置される空間をＸＹＺ左手系座標空間として表す。また、内側が白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表している。空間においてＸ軸に沿う方向をＸ軸方向という。また、Ｘ軸方向のうち、Ｘ成分が増加する方向を＋Ｘ方向といい、Ｘ成分が減少する方向を−Ｘ方向という。同様に、Ｙ、Ｚ成分についても、Ｙ軸方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向、Ｚ軸方向、＋Ｚ方向、−Ｚ方向を定義する。

磁場計測装置９は、ガスセル１と、このガスセル１の＋Ｚ方向に配置されたガスセル２とを有し、且つ、ガスセル１にポンプ光（以下、第１ポンプ光という）を照射する第１照射部５と、ガスセル２にポンプ光（以下、第２ポンプ光という）を照射する第２照射部６とを有する。そして、磁場計測装置９は、ガスセル１およびガスセル２（以下、これらを区別しない場合、単に「ガスセル」という）の配列方向に沿って、すなわち＋Ｚ方向にプローブ光を照射するプローブ光照射部３と、これらガスセルを透過したプローブ光を受けてその偏光面の変化を検知し、ガスセル１における磁場（以下、第１磁場という）と、ガスセル２における磁場（以下、第２磁場という）との強さの差分を計測する計測部４とを有する。

２つのガスセルは、ポンプ光により励起される複数の気体原子からなる原子群が封入されたガラス製のセル（素子）である。ここで気体原子とは、例えばカリウム（Ｋ）や、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属原子である。これら気体原子は、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体としての性質を有する。ガスセルは、プローブ光照射部３から照射されたプローブ光を透過させる。ガスセルを透過したプローブ光は、計測部４に受光される。なお、ガスセルの材質はガラスに限られず、光を透過する材質であれば、樹脂などであってもよい。

プローブ光照射部３は、ガスセル１およびガスセル２に封入された原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数のレーザー光をプローブ光として出力するレーザー光出力装置である。例えば、このレーザー光の波長は、ガスセル内に封入されたセシウムのＤ１線の超微細構造量子数Ｆ＝４からＦ´＝３の状態の遷移に対応する波長で約８９４ｎｍである。

プローブ光照射部３は、ガスセル１から見て−Ｚ方向に配置されており、＋Ｚ方向に伝播するプローブ光をガスセル１に向けて照射する。ガスセル２は、ガスセル１から見て＋Ｚ方向に配置されており、ガスセル１を透過したプローブ光が照射され、これを透過させる。したがって、ガスセル１は、プローブ光の光軸上に配置されている媒体の一例であり、ガスセル２は、プローブ光の光軸上においてガスセル１より下流、すなわちガスセル１に対してプローブ光照射部３の反対側に配置されている媒体の一例である。また、プローブ光照射部３は、ガスセル１およびガスセル２を連続して透過するプローブ光を照射する照射部の一例である。

第１照射部５は、ガスセル１から見て−Ｘ方向に配置されており、＋Ｘ方向に伝播し、Ｙ軸方向に沿って振動する直線偏光である第１ポンプ光をガスセル１に向けて照射する。
第２照射部６は、ガスセル２から見て−Ｙ方向に配置されており、＋Ｙ方向に伝播しＸ軸方向に沿って振動する直線偏光である第２ポンプ光をガスセル２に向けて照射する。

１−２．動作
ガスセルに封入された気体原子に直線偏光が照射されると、気体原子が光ポンピングされ、エネルギーが変化した際に生じる磁気モーメントの確率分布は、球形の原点対称な分布から変化する。例えば、超微細構造量子数Ｆ→Ｆ´＝Ｆ−１のエネルギー遷移のときにおいて、気体原子の磁気モーメントの確率分布はその直線偏光の振動の向きに沿って伸びる領域に応じた形状となる。この偏った確率分布をアライメントという。アライメントは磁場の方向を回転軸としてその磁場の強さに応じた角度の回転をする。そして、アライメントを通過するプローブ光は、そのアライメントの方向に沿った成分よりも、そのアライメントに垂直な方向の成分がより多く吸収されるため、結果としてその偏光面は回転する。

図２は、ガスセル１の内部のアライメントとプローブ光の状態を示した図である。第１照射部５から第１ポンプ光が照射されるとガスセル１内の気体原子にはアライメントが生じる。ガスセル１において仮にＺ軸方向の磁場の強さが０だとすると、生じたアライメントはＺ軸を回転軸として回転しないため、第１ポンプ光の振動方向であるＹ方向に沿ったものとなる。実際には、ガスセル１にはＺ軸方向の第１磁場がかかっているため、アライメントはＺ軸を回転軸として歳差運動をする。そして、第１ポンプ光による光ポンピング作用と原子のセル内壁への衝突などによる緩和作用とが加わることによりアライメントはＹ軸に対して、この第１磁場の強さに応じた角度（θ₁）だけ回転した配置で定常状態となる。このときのアライメントが向いた方向をΘｐとする。なお、アライメントは、＋Ｚ方向の第１磁場の強さに応じて、＋Ｚ方向に沿って見たときにＺ軸を回転軸として時計回りに回転する。

Θｓは、ＸＹ平面上において、アライメントの向きであるΘｐに垂直な方向である。＋Ｚ方向に伝播するプローブ光の偏光面は、アライメントの影響を受ける。ガスセル１は、アライメントにより線形二色性を示す。線形二色性とは、アライメントに沿った方向と、アライメントに垂直な方向とで直線偏光の透過率が異なる性質をいう。具体的には、アライメントに沿った方向（第１軸：Θｐの方向）よりも、アライメントに垂直な方向（第２軸：Θｓの方向）の成分が多く吸収されるため、プローブ光の偏光面は、アライメントに沿った方向に近づくように回転する。すなわち、ガスセル１は、プローブ光に対して、上述した第１軸および第２軸について線形二色性を示す。

例えば、図２に示すように、ガスセル１に入射するプローブ光の振動がベクトルＥ０に沿ったものである場合、アライメントは、このプローブ光のうちΘｐに沿った成分をｔｐの透過率で透過し、Θｓに沿った成分をｔｓの透過率で透過する。線形二色性によりｔｓ＜ｔｐであるため、ガスセル１を透過したプローブ光の偏光面は、アライメントに沿った方向に近づくように回転し、ベクトルＥ１に沿ったものとなる。

ここで、ガスセル１に入射する前のプローブ光の振動を示すベクトルＥ０の絶対値を「Ｅ０」とし、このベクトルＥ０のＹ軸に対する角度をγとし、アライメントの＋Ｚ方向の第１磁場の強さに応じた回転角をθ₁とすると、ガスセル１を透過した後のプローブ光の振動を示すベクトルＥ１の（Θｓ，Θｐ）の座標系における各成分は、以下の式（１）によって算出される。

図３は、ガスセル２の内部のアライメントとプローブ光の状態を示した図である。第２照射部６から第２ポンプ光が照射されるとガスセル２内の気体原子にはアライメントが生じる。ガスセル２は、アライメントにより線形二色性を示す。ガスセル２において仮にＺ軸方向の磁場の強さが０だとすると、生じたアライメントはＺ軸を回転軸として回転しないため、第２ポンプ光の振動方向であるＸ方向に沿ったものとなる。実際には、ガスセル１にはＺ軸方向の第２磁場がかかっているため、アライメントはＺ軸を回転軸として歳差運動をする。そして、第２ポンプ光による光ポンピング作用と原子のセル内壁への衝突などによる緩和作用とが加わることによりアライメントはＸ軸に対して、この第２磁場の強さに応じた角度（θ₂）だけ回転した配置で定常状態となる。このときのアライメントが向いた方向をΘｐとし、ＸＹ平面上においてΘｐに垂直な方向をΘｓとする。

図３に示すように、ガスセル２にはガスセル１を透過したプローブ光が入射しており、その振動はベクトルＥ１に沿ったものである。上述した通り、アライメントは、プローブ光のうちΘｐ（第３軸）に沿った成分をｔｐの透過率で透過し、Θｓ（第４軸）に沿った成分をｔｓの透過率で透過する。線形二色性によりｔｓ＜ｔｐであるため、ガスセル２を透過したプローブ光の偏光面は、アライメントに沿った方向に近づくように回転し、ベクトルＥ２に沿ったものとなる。すなわち、ガスセル２は、プローブ光に対して、上述した第１軸および前記第２軸と異なる第３軸および第４軸について線形二色性を示す。

ここで、ガスセル１を透過することによってプローブ光の振動方向は、図２に示した通り、ベクトルＥ０からベクトルＥ１へ変化しており、＋Ｚ方向に沿って見たときに反時計回りに回転する。一方、ガスセル２を透過することによってプローブ光の振動方向は、図３に示した通り、ベクトルＥ１からベクトルＥ２へ変化しており、＋Ｚ方向に沿って見たときにガスセル１を透過するときとは反対の時計回りに回転する。これは、ガスセル１のアライメントと、ガスセル２のアライメントとが、プローブ光の振動方向を挟むようにしてそれぞれ発生し、プローブ光の偏光面を互いに反対の方向に回転させているからである。すなわち、ガスセル１は、第１磁場の中にあって、透過する光の偏光面を第１磁場の強さに応じて第１の方向に回転させる媒体であり、ガスセル２は、第２磁場の中にあって、透過する光の偏光面を第２磁場の強さに応じて第１の方向と反対の第２の方向に回転させる媒体である。

ガスセル２内のアライメントの＋Ｚ方向の第２磁場の強さに応じた回転角をθ₂とすると、ガスセル２の（Θｓ，Θｐ）座標系は、ガスセル１の（Θｓ，Θｐ）座標系に対して（π／２−θ₁＋θ₂）だけ時計回りに回転している。したがって、ガスセル２を透過した後のプローブ光の振動を示すベクトルＥ２の（Θｓ，Θｐ）の座標系における各成分は、以下の式（２）によって算出される。

図３に示すα軸は、プローブ光照射部３から照射されたガスセル１に入射する前のプローブ光の振動方向を、＋Ｚ方向に沿って見たときにπ／４（すなわち、４５度）だけ時計回りに回転させた軸である。また、β軸は、ガスセル１に入射する前のプローブ光の振動方向を、＋Ｚ方向に沿って見たときにπ／４（すなわち、４５度）だけ反時計回りに回転させた軸である。したがって、α軸とβ軸とは互いに直交する。

計測部４は、偏光ビームスプリッターやウォラストンプリズムとフォトディテクタとの組み合わせなどにより、ガスセル２を透過したプローブ光をα軸に沿った成分とβ軸に沿った成分とに分離してそれぞれの光強度を計測し、これらの和と差に応じた信号を出力する。上述した式（２）で算出されるベクトルＥ２は、ガスセル２の（Θｓ，Θｐ）座標系で表されたものであり、（α，β）座標系は、ガスセル２の（Θｓ，Θｐ）座標系に（−３π／４−γ−θ₂）だけ時計回りに回転している。したがって、α軸に沿った成分の光強度がＥα、α軸に沿った成分の光強度がＥβとすると、これらは、以下の式（３）によって算出される。

そして、ＥαおよびＥβは、式（１）（２）（３）を合わせると、上述したＥ０、γ、θ₁、θ₂、ｔｓ、ｔｐでそれぞれ表され、ＥαおよびＥβの実測値と、ベクトルＥ０との関係から計測部４は、ベクトルＥ０からベクトルＥ２への変化量を求める。そして、この変化量に基づいて、計測部４は、ガスセル１における磁場と、ガスセル２における磁場との強さの差分を計測する。

ここで、アライメントに沿った方向と、プローブ光の振動方向とが成す角を「アライメント方位角」という。
Ｚ軸方向の磁場が０であると仮定すると、ガスセル１においてアライメントはＹ軸方向に沿った配置になる。上述したように、ガスセル１に入射するプローブ光の振動をベクトルＥ０で表し、このベクトルＥ０のＹ軸に対する角度をγとすると、アライメント方位角はγである。

また、計測部４は、上述したα軸とβ軸とによって表される（α，β）座標系によって、ガスセル２を透過した後のプローブ光の振動を示すベクトルＥ２を計測し、次式（４）に示すように、α軸およびβ軸に沿った各成分の二乗和Ｗ₊と二乗差Ｗ_-とをそれぞれ演算して出力する。

図４は、アライメント方位角γと計測部４の出力との関係を示す図である。この図４では、Ｚ軸方向の磁場が０であるという仮定の下、アライメント方位角に対する二乗和Ｗ₊および二乗差Ｗ_-の変化を表している。図４の結果から、二乗差Ｗ_-の信号は、アライメント方位角γに対してπ（１８０度）を周期として振動することが分かる。

そして、アライメント方位角γが例えば図４に示した、−１１２．５度から−６７．５度まで、−２２．５度から２２．５度まで、または６７．５度から１１２．５度までのいずれかの範囲内にある場合に、アライメント方位角γ（入力）に対して二乗差Ｗ_-の信号（出力）はほぼ線形になっていて、その二次微分（傾き）の絶対値は他の範囲におけるそれと比べると大きい。すなわち、これらの範囲では、他の範囲に比べてアライメント方位角γの変化に対する二乗差Ｗ_-の変化の割合が高い。

したがって、アライメント方位角γがこれらの範囲に収まるように、プローブ光照射部３から照射されるプローブ光の偏光面を調整することで、二乗差Ｗ_-の変化は、Ｚ軸方向の磁場の強さによるアライメントの回転角度を高い感度で観測することが可能となる。

以上説明した通り、第１実施形態に示した磁場計測装置９は、ポンプ光およびプローブ光が直線偏光で構成されており、且つ、波長板が不要であるから、構造が簡素である。そして、この磁場計測装置９は、透過するプローブ光の回転方向がガスセル１とガスセル２とで相殺されるため、ガスセル１を透過する前のプローブ光と、ガスセル２を透過した後のプローブ光との比較によって、プローブ光に沿った方向の磁場勾配を計測することができる。

なお、上述したベクトルＥ０のＹ軸に対する角度γは、計測部４が、ベクトルＥ０からベクトルＥ２への変化量を求めることができる角度であれば、特に限定するものではないが、２２．５度または６７．５度が好ましい。γをこれらの角度とすることにより、他の角度とする場合に比べて、上述した変化量の検出感度が向上するからである。

２．第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る磁場計測装置９ａの全体構成を示す図である。磁場計測装置９ａは、ガスセル１、ガスセル２、プローブ光照射部３、および計測部４を有する点において、上述した磁場計測装置９と共通する。しかし、磁場計測装置９ａは、第１照射部５および第２照射部６を有しておらず、第３照射部７と、ビームスプリッター８とを有している。

図５（ａ）に示すように、ビームスプリッター８は、ガスセル１と、ガスセル２とに挟まれた位置に配置されており、照射された光を分離して、＋Ｚ方向と−Ｚ方向とにそれぞれ伝播する２つの光を生成する。第３照射部７は、ビームスプリッター８から見て−Ｘ方向に配置され、＋Ｘ方向に伝播する光をビームスプリッター８に向けて照射する。第３照射部７が照射する光は、Ｙ軸方向に対してπ／４（４５度）だけ傾いて振動する光である。

Ｙ軸に沿って見ると、ビームスプリッター８は、図５（ｂ）に示すように面Ｆ１と面Ｆ２とを有している。面Ｆ１は、偏光ビームスプリッターと同様の機能を果たす。すなわち、第３照射部７が照射する光のうち、Ｓ偏光をガスセル１の方向（−Ｚ方向）に反射し、Ｐ偏光を透過する。面Ｆ２は、面Ｆ１を透過したＰ偏光をガスセル２の方向（＋Ｚ方向）に全反射する。これにより、ガスセル１にはＹ軸方向に沿って振動する第１ポンプ光が照射され、ガスセル２にはＸ軸方向に沿って振動する第２ポンプ光が照射されるので、上述した第１実施形態と同様の光ポンピング効果が生じる。

３．第３実施形態
図６は、本発明の第３実施形態に係る磁場計測装置９ｂの全体構成を示す図である。磁場計測装置９ｂは、ガスセル１、ガスセル２、プローブ光照射部３、および計測部４を有する点において、上述した磁場計測装置９および磁場計測装置９ａと共通する。しかし、磁場計測装置９ｂは、第１照射部５および第２照射部６を有していない。

磁場計測装置９ｂは、磁場計測装置９ａにおいて１つだけ備えられていた第３照射部７に代えて、複数の照射部、すなわち第４照射部７１と第５照射部７２とを有し、さらに第４照射部７１および第５照射部７２のそれぞれを制御して、照射する光の強度を変化させる変調部７０を有する。

また、磁場計測装置９ｂは、磁場計測装置９ａにおいて１つだけ備えられていたビームスプリッター８に代えて、複数のビームスプリッター、すなわち第１ビームスプリッター８１と第２ビームスプリッター８２とを有する。

図６（ａ）に示すように、第１ビームスプリッター８１および第２ビームスプリッター８２は、いずれもガスセル１と、ガスセル２とに挟まれた位置に配置されている。これらのビームスプリッターは、照射された光を分離して、＋Ｚ方向と−Ｚ方向とにそれぞれ伝播する２つの光を生成する。

第１ビームスプリッター８１および第２ビームスプリッター８２は、いずれも磁場計測装置９ａに示したビームスプリッター８と同様の構成であるが、上下方向（Ｚ軸方向）に逆に配置されている。したがって、例えば、第１ビームスプリッター８１は、Ｓ偏光をガスセル２の方向（＋Ｚ方向）に伝播させ、Ｐ偏光をガスセル１の方向（−Ｚ方向）に伝播させるとすると、第２ビームスプリッター８２は、これとは反対に、Ｓ偏光をガスセル１の方向（−Ｚ方向）に伝播させ、Ｐ偏光をガスセル２の方向（＋Ｚ方向）に伝播させる。

第４照射部７１は、第１ビームスプリッター８１から見て−Ｘ方向に配置され、＋Ｘ方向に伝播する光を第１ビームスプリッター８１に向けて照射する。第４照射部７１が照射する光は、Ｙ軸方向に対してπ／４（４５度）だけ傾いて振動する光である。
第５照射部７２は、第２ビームスプリッター８２から見て−Ｘ方向に配置され、＋Ｘ方向に伝播する光を第２ビームスプリッター８２に向けて照射する。第５照射部７２が照射する光は、Ｙ軸方向に対してπ／４（４５度）だけ傾いて振動する光である。

変調部７０は、第４照射部７１が照射する光の強度と、第５照射部７２が照射する光の強度とを交互に増減させる。計測部４は、ガスセル１とガスセル２の各磁場の平均値を算出しており、算出した平均値を変調部７０に伝えている。変調部７０は、磁場の平均値を計測部４から受け取る。そして変調部７０は、第４照射部７１および第５照射部７２がそれぞれ照射する光の強度を増減させる周波数（変調周波数）を、受け取ったこの磁場の平均値に対応する周波数（歳差運動周波数）になるように制御する。これにより、ガスセル１とガスセル２とにそれぞれ封入された気体原子のアライメントは、π／２（９０度）の位相差を持って歳差運動をする。

また、変調部７０は、プローブ光照射部３が照射するプローブ光を、第４照射部７１が照射する光に対してγの位相差を保ちつつ光強度変調させる。そして、歳差運動周波数の基準信号を参照信号としてロックインアンプ検出をすることにより、磁場計測装置９ｂの計測部４は、ガスセル１における磁場と、ガスセル２における磁場との強さの差分を計測する。

以上、説明した通り、変調部７０によって、ポンプ光とプローブ光とを気体原子の歳差運動周波数に変調するため、磁場測定範囲を拡大することができる。

４．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
４−１．変形例１
上述した実施形態において、磁場計測装置９は、気体原子が封入されたガラス製のセル（素子）であるガスセルを備えていたが、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体として、気体原子以外の媒体を用いてもよい。例えば、磁場計測装置９は、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子を、上記の媒体として用いてもよい。

４−２．変形例２
上述した実施形態において、磁場計測装置９は、プローブ光が各ガスセルを一回しか透過しない構成（すなわち、シングルパスの構成）であったが、ミラーを用いてプローブ光を反射させることにより、複数回にわたってガスセルを透過させる構成（マルチパスの構成）であってもよい。例えば、磁場計測装置９は、ガスセル２を透過した後のプローブ光をミラーにより反射させ、その反射光を再びガスセル２に透過させ、透過したその反射光をさらにガスセル１に透過させる構成（ダブルパスの構成）にしてもよい。また、プローブ光の反射回数は１回に限られず、反射鏡（ミラー）などの光学系を複数箇所に設置することなどにより２回以上としてもよい。これにより、ガスセル１，２の入射光量に依存する感度の差違が少なくなり、磁場勾配の計測感度は向上する。

４−３．変形例３
上述した第１実施形態において、第１ポンプ光はＸ方向に伝播させられ、第２ポンプ光はＹ方向に伝播させられていたが、これらの方向は互いに直交していなくてもよい。要するに、第１照射部５は、第２照射部６が第２ポンプ光を照射する方向と平行ではない方向に、第１ポンプ光を照射すればよく、その結果、ガスセル１のアライメントと、ガスセル２のアライメントとが、プローブ光の振動方向を挟むようにしてそれぞれ発生し、プローブ光の偏光面を互いに反対の方向に回転させるように作用すればよい。

４−４．変形例４
上述した第３実施形態において、磁場計測装置９ｂは、照射部およびビームスプリッターをそれぞれ２つずつ有していたが、これらをそれぞれ３つ以上、有していてもよい。この場合であっても、各ビームスプリッターからガスセル１に照射される第１ポンプ光が位相差を有し、且つ、各ビームスプリッターからガスセル２に照射される第２ポンプ光が位相差を有していればよい。そして、変調部７０は、各照射部が照射する各光の強度を、その位相差に応じた周波数で変調させればよい。

１…ガスセル、２…ガスセル、３…プローブ光照射部、４…計測部、５…第１照射部、６…第２照射部、７…第３照射部、７０…変調部、７１…第４照射部、７２…第５照射部、８…ビームスプリッター、８１…第１ビームスプリッター、８２…第２ビームスプリッター、９（９ａ，９ｂ）…磁場計測装置

Claims

プローブ光を照射するプローブ光照射部と、
第１ポンプ光を照射する第１照射部と、
前記第１ポンプ光と平行ではない方向に第２ポンプ光を照射する第２照射部と、
前記プローブ光の光軸上に配置され、前記第１ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記プローブ光に対して生じる第１アライメントに沿った方向に伸びる第１軸および当該第１アライメントに垂直な方向に伸びる第２軸について線形二色性を示す第１媒体と、
前記プローブ光の光軸上において前記第１媒体に対して前記プローブ光照射部の反対側に配置され、前記第２ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記第１媒体を透過した後の前記プローブ光に対して生じる第２アライメントに沿った方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第３軸および当該第２アライメントに垂直な方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第４軸について線形二色性を示す第２媒体と、
前記第１媒体および前記第２媒体を透過した前記プローブ光の偏光面の変化量に基づいて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部と、
を有する磁場計測装置。
プローブ光を照射するプローブ光照射部と、
前記プローブ光の光軸上に配置され、第１ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記プローブ光に対して生じる第１アライメントに沿った方向に伸びる第１軸および当該第１アライメントに垂直な方向に伸びる第２軸について線形二色性を示す第１媒体と、
前記プローブ光の光軸上において前記第１媒体に対して前記プローブ光照射部の反対側に配置され、第２ポンプ光により励起される複数の原子からなる原子群を内部に含み、前記第１媒体を透過した後の前記プローブ光に対して生じる第２アライメントに沿った方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第３軸および当該第２アライメントに垂直な方向に伸びる、前記第１軸および前記第２軸と異なる第４軸について線形二色性を示す第２媒体と、
前記第１媒体と、前記第２媒体とに挟まれた位置に配置され、照射された光を分離して、当該第１媒体に向けて伝播する前記第１ポンプ光を生成するとともに、当該第２媒体に向けて伝播する前記第２ポンプ光を生成するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターに向けて前記光を照射する第３照射部と、
前記第１媒体および前記第２媒体を透過した前記プローブ光の偏光面の変化量に基づいて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部と、
を有することを特徴とする磁場計測装置。
前記ビームスプリッターと、前記第３照射部と、を複数有するとともに、
前記各第３照射部が照射する各光の強度を変調させる変調部と、を有し、
前記各ビームスプリッターが生成する前記第１ポンプ光は、前記プローブ光に対して予め定められた位相差を有し、
前記各ビームスプリッターが生成する前記第２ポンプ光は、前記位相差を有し、
前記変調部は、前記位相差に応じた周波数で前記各光の強度を変調させる
ことを特徴とする請求項２に記載の磁場計測装置。