JP2010085134A

JP2010085134A - Magnetic field measuring device

Info

Publication number: JP2010085134A
Application number: JP2008252091A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Kawabata; 龍三川畑; Akihiko Kandori; 明彦神鳥
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP5707021B2

Abstract

【課題】光ポンピング磁力計の性能評価には、異なる計測をそれぞれ２回行う必要があり、多大な時間を要する。また、当該ガスセルの個体差や当該光ポンピング磁力計のマルチチャンネル化にする場合には、簡易的かつ迅速にセンサー部の評価・校正が必要となる。
【解決手段】光検出器の出力をロックインアンプで位相のロックイン検出により磁場計測を行う光ポンピング磁力計において、振動磁場B_RFの信号源である電圧制御発振器の発振周波数を掃引し、その際にロックインアンプの出力から得られる磁気共鳴スペクトルのピーク値と線幅との比を、光ポンピング磁力計の検出感度の性能指数に利用する。
【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To perform performance evaluation of an optical pumping magnetometer, it is necessary to perform different measurements twice, which requires a lot of time. In addition, when the individual difference of the gas cell or the multi-channeling of the optical pumping magnetometer is used, it is necessary to simply and quickly evaluate and calibrate the sensor unit.
In an optical pumping magnetometer that measures a magnetic field by detecting lock-in of a phase with a lock-in amplifier, the output of a photodetector sweeps the oscillation frequency of a voltage-controlled oscillator that is a signal source of an oscillating magnetic field B _RF. In this case, the ratio between the peak value of the magnetic resonance spectrum obtained from the output of the lock-in amplifier and the line width is used as a figure of merit of detection sensitivity of the optical pumping magnetometer.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光ポンピング磁力計の磁場検出感度における性能評価の簡易化や、ガスセルの個体差に対する校正、そしてガスセル内のアルカリ金属と緩衝ガスとの最適な組み合わせに関する。 The present invention relates to simplification of performance evaluation in the magnetic field detection sensitivity of an optical pumping magnetometer, calibration for individual differences of gas cells, and an optimal combination of an alkali metal and a buffer gas in the gas cell.

従来の光ポンピング磁力計の磁場検出感度における性能評価には、振動磁場の周波数を掃引することで得られる磁気共鳴スペクトル計測と、振動磁場の周波数をガスセル内のアルカリ金属のスピン歳差周波数にフィードバック制御して得られる磁気共鳴信号計測をそれぞれ行わなければならない。そのため、当該光ポンピング磁力計の性能は短時間で判定できない。また、ガスセル内に希ガスや非磁性ガスなどを緩衝ガスとして同封することや、セル内壁をパラフィンなどの飽和炭化水素でコーティングすることで、光ポンピング磁力計の磁場検出感度を向上させることが知られているが、最適な緩衝ガスの種類や最適なガス圧などは不明である。さらに、セル内壁のコーティング技術は容易でなく、製作されたセルは個体差が生じやすい。
２つの各計測から得られる磁気共鳴スペクトルの線幅（Δf）と磁気共鳴信号のSN比（SN）の比（Δf/SN）を、磁場検出感度の評価に利用する（APPLIED PHYSICS B 80, 645 (2005)）。 To evaluate the performance of the conventional optical pumping magnetometer in the magnetic field detection sensitivity, the magnetic resonance spectrum measurement obtained by sweeping the frequency of the oscillating magnetic field and the frequency of the oscillating magnetic field are fed back to the spin precession frequency of the alkali metal in the gas cell. Magnetic resonance signal measurement obtained by control must be performed. Therefore, the performance of the optical pumping magnetometer cannot be determined in a short time. It is also known to improve the magnetic field detection sensitivity of an optical pumping magnetometer by enclosing a rare gas or non-magnetic gas as a buffer gas in the gas cell, or coating the inner wall of the cell with a saturated hydrocarbon such as paraffin. However, the optimum buffer gas type and optimum gas pressure are unknown. Furthermore, the coating technique of the cell inner wall is not easy, and manufactured cells are likely to have individual differences.
The ratio (Δf / SN) of the line width (Δf) of the magnetic resonance spectrum obtained from each of the two measurements and the SN ratio (SN) of the magnetic resonance signal (Δf / SN) is used for evaluation of the magnetic field detection sensitivity (APPLIED PHYSICS B 80, 645 (2005)).

J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 110(3), 179-183 (2005)J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 110 (3), 179-183 (2005) Appl. Phys. B 80(6), 645-654 (2005)Appl. Phys. B 80 (6), 645-654 (2005) The European Physical Journal D 38(2), 239-247 (2006)The European Physical Journal D 38 (2), 239-247 (2006)

従来の手法では、最初にガスセルに印加する振動磁場の周波数を掃引することで、当該ガスセルを通過した光源からの光と当該振動磁場との位相差をロックイン検出するロックインアンプの出力信号から磁気共鳴スペクトルを計測する。次に、当該磁気共鳴スペクトルの共鳴周波数に振動磁場の周波数をロックして、振動磁場の周波数を１Hz程度の緩やかなスピードでフィードバック制御し、その際の当該ガスセルを通過した当該光源からの光をスペクトルアナライザなどの周波数分析機器で解析することで得られる周波数特性から光磁気共鳴信号のSN比を計測する。このように、異なる２つの計測を個別に行うため、当該光ポンピング磁力計の性能評価に時間がかかる。また、複数のガスセルの評価や、当該光ポンピング磁力計がマルチチャンネル型の仕様である場合は、性能評価には多大な時間を浪費してしまう。 In the conventional method, by first sweeping the frequency of the oscillating magnetic field applied to the gas cell, from the output signal of the lock-in amplifier that detects the phase difference between the light from the light source that has passed through the gas cell and the oscillating magnetic field. A magnetic resonance spectrum is measured. Next, the frequency of the oscillating magnetic field is locked to the resonance frequency of the magnetic resonance spectrum, and the frequency of the oscillating magnetic field is feedback-controlled at a moderate speed of about 1 Hz, and the light from the light source that has passed through the gas cell at that time The S / N ratio of the magneto-optical resonance signal is measured from the frequency characteristics obtained by analysis with a frequency analyzer such as a spectrum analyzer. Thus, since two different measurements are performed individually, it takes time to evaluate the performance of the optical pumping magnetometer. In addition, when a plurality of gas cells are evaluated or the optical pumping magnetometer has a multi-channel type specification, a great amount of time is wasted for performance evaluation.

従来の手法では、経験的にガスセル内のアルカリ金属原子のセル内壁への衝突を緩和させるために、希ガスや非磁性ガスが同封される。しかしながら、過去に行なわれた報告では、使用者によって使用される緩衝ガスの種類やガス圧は異なり、最適なガス種・ガス圧は不明である。また、緩衝ガスを使用する以外にもセル内壁に飽和炭化水素などをコートすることが報告されているが、コートする技術は容易でないため、緩衝ガスを使用する場合に比べてセルの個体差が大きい。 In the conventional technique, a rare gas or a nonmagnetic gas is enclosed in order to empirically reduce the collision of alkali metal atoms in the gas cell with the inner wall of the cell. However, in reports made in the past, the type and gas pressure of the buffer gas used by the user are different, and the optimum gas type and gas pressure are unknown. In addition to using buffer gas, it has been reported that the inner wall of the cell is coated with saturated hydrocarbons, but the coating technique is not easy, so there are individual differences in the cell compared to the case of using buffer gas. large.

また、従来、当該光ポンピング磁力計の性能を評価するために、最初に磁気共鳴スペクトルを検出し、その結果から分かった共鳴周波数を基準にRF周波数を制御した状態で当該セルを通過した光のパワースペクトルから磁気共鳴信号のSN比を測定して、2種類のそれぞれ同時計測できない異なる計測から得られた結果を用いていた。そのため、性能評価を行う際に時間がかかる。
実際に、個別の複数のセルに取り替えた場合の当該光ポンピング磁力計を性能評価する際や、複数のセルから構成されるマルチチャンネル型の光ポンピング磁力計を性能評価する際には、従来の手法では多大な時間を必要とする。さらに、性能評価を同時に行えないため、使用する光源の周波数変動、静磁場強度変動、当該セルに入る環境磁気ノイズ変動によって得られた性能評価結果に誤差が生じる危険性がある。 Conventionally, in order to evaluate the performance of the optical pumping magnetometer, a magnetic resonance spectrum is first detected, and the light passing through the cell is controlled with the RF frequency controlled based on the resonance frequency obtained from the result. We measured the signal-to-noise ratio of the magnetic resonance signal from the power spectrum and used the results obtained from two different measurements that could not be measured simultaneously. Therefore, it takes time to perform the performance evaluation.
Actually, when evaluating the performance of the optical pumping magnetometer when it is replaced with a plurality of individual cells, or when evaluating the performance of a multi-channel optical pumping magnetometer composed of a plurality of cells, The method requires a lot of time. Furthermore, since the performance evaluation cannot be performed at the same time, there is a risk that an error may occur in the performance evaluation result obtained by the frequency variation of the light source used, the static magnetic field strength variation, and the environmental magnetic noise variation entering the cell.

以上の問題点に鑑み、本発明は、光磁気共鳴スペクトルのみを利用することで、光ポンピング磁力計の性能評価を簡易的かつ迅速に行い、最適な緩衝ガス条件を選定することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to simply and quickly evaluate the performance of an optical pumping magnetometer by using only a magneto-optical resonance spectrum, and to select optimum buffer gas conditions. .

本発明では、光ポンピング磁力計を動作させる際にガスセルに印加する振動磁場の周波数を掃引していき、共鳴周波数をピークにもつ磁気共鳴スペクトルを検出する。
検出された前記磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と、ピーク値の半分の値での前記磁気共鳴スペクトルの線幅（半値半幅：Δf）との比であるMi/Δfの値を、前記光ポンピング磁力計の性能評価指数として利用する。前記光ポンピング磁力計の性能に影響するガスセル内の緩衝ガス条件やセル内壁のコートにおける前記ガスセル製造時の個体差やマルチチャンネルセンサーとして使用する際の各センサーの感度補正のために、前記性能指数を適用する。 In the present invention, when the optical pumping magnetometer is operated, the frequency of the oscillating magnetic field applied to the gas cell is swept, and the magnetic resonance spectrum having the resonance frequency at the peak is detected.
The value of Mi / Δf, which is the ratio between the detected peak value (Mi) of the magnetic resonance spectrum and the line width of the magnetic resonance spectrum at half the peak value (half width at half maximum: Δf), It is used as a performance evaluation index of a pumping magnetometer. The performance index is used for buffer gas conditions in the gas cell that affect the performance of the optical pumping magnetometer, individual differences in the production of the gas cell in the coating of the inner wall of the cell, and sensitivity correction of each sensor when used as a multi-channel sensor. Apply.

本発明の他の様態によると、位相変調光を生じさせる電気光学変調器に印加するマイクロ波シンセサイザーの周波数を掃引していき、コヒーレントポピュレーショントラッピングが生じる共鳴周波数をピークにもつCPT共鳴スペクトルを検出する。検出された前記CPT共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と、ピーク値の半分の値での前記CPT共鳴スペクトルの線幅（半値半幅：Δf）との比であるMi/Δfの値を、光ポンピング磁力計の性能評価指数として利用する。前記光ポンピング磁力計の性能に影響するガスセル内の緩衝ガス条件やセル内壁のコートにおける前記ガスセル製造時の個体差やマルチチャンネルセンサーとして使用する際の各センサーの感度補正のために、前記性能指数を適用する。 According to another aspect of the present invention, the frequency of a microwave synthesizer applied to an electro-optic modulator that generates phase-modulated light is swept, and a CPT resonance spectrum having a peak at the resonance frequency at which coherent population trapping occurs is detected. To do. The value of Mi / Δf, which is the ratio between the detected peak value (Mi) of the CPT resonance spectrum and the line width of the CPT resonance spectrum at half the peak value (half-value half-width: Δf), is optically pumped. It is used as a performance evaluation index for magnetometers. The performance index is used for buffer gas conditions in the gas cell that affect the performance of the optical pumping magnetometer, individual differences in the production of the gas cell in the coating of the inner wall of the cell, and sensitivity correction of each sensor when used as a multi-channel sensor. Apply.

本発明のさらに他の様態によると、ポンプ光をセルに入射させる直前に設置したチョッパでポンプ光を遮る際の当該チョッパのチョッパ周波数を掃引していき、セルを通過したプローブ光から磁気共鳴スペクトルを検出する。検出された前記磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と、ピーク値の半分の値での前記磁気共鳴スペクトルの線幅（半値半幅：Δf）との比であるMi/Δfの値を、前記光ポンピング磁力計の性能評価指数として利用する。前記光ポンピング磁力計の性能に影響するガスセル内の緩衝ガス条件やセル内壁のコートにおける前記ガスセル製造時の個体差や複数のガスセルから構成するマルチチャンネルセンサーとして使用する際の各センサーの感度補正のために、前記性能指数を適用する。 According to still another aspect of the present invention, the chopper frequency of the chopper when the pump light is blocked by the chopper installed immediately before the pump light is incident on the cell is swept, and the magnetic resonance spectrum is obtained from the probe light that has passed through the cell. Is detected. The value of Mi / Δf, which is the ratio between the detected peak value (Mi) of the magnetic resonance spectrum and the line width of the magnetic resonance spectrum at half the peak value (half width at half maximum: Δf), It is used as a performance evaluation index of a pumping magnetometer. The buffer gas conditions in the gas cell that affect the performance of the optical pumping magnetometer, individual differences in the production of the gas cell in the coating of the inner wall of the cell, and sensitivity correction of each sensor when used as a multi-channel sensor composed of a plurality of gas cells Therefore, the figure of merit is applied.

本発明によると、光ポンピング磁力計の磁場検出感度を評価するために、センサー部であるガスセルで生じる共鳴現象を利用する。 According to the present invention, in order to evaluate the magnetic field detection sensitivity of the optical pumping magnetometer, the resonance phenomenon generated in the gas cell as the sensor unit is used.

本発明では、当該光ポンピング磁力計を動作させる際に使用するガスセルの共鳴周波数を把握するために、振動周波数を掃引して得られる磁気共鳴スペクトルのみで当該光ポンピング磁力計の性能評価を行うことで、評価時間を大幅に短縮できる。また、新たな計測機器を要せず、当該光ポンピング磁力計の基本構成で計測を行うことができ、従来の手法でパワースペクトルを計測するために必要であった高価なスペクトルアナライザなどの周波数分析器を一切必要としない利点もある。 In the present invention, in order to grasp the resonance frequency of the gas cell used when operating the optical pumping magnetometer, the performance evaluation of the optical pumping magnetometer is performed only with the magnetic resonance spectrum obtained by sweeping the vibration frequency. Thus, the evaluation time can be greatly shortened. In addition, measurement is possible with the basic configuration of the optical pumping magnetometer without the need for new measurement equipment, and frequency analysis such as expensive spectrum analyzers required to measure the power spectrum with the conventional method. There is also an advantage that no vessel is required.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１-Aは、磁気共鳴スペクトルを利用する光ポンピング磁力計の性能評価を行うための構成例を、図１-Bは性能評価に利用する磁気共鳴スペクトルを示す図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a configuration example for performing performance evaluation of an optical pumping magnetometer using a magnetic resonance spectrum, and FIG. 1B is a diagram illustrating a magnetic resonance spectrum used for performance evaluation.

ガスセル１１４内のアルカリ金属ガスの吸収線の波長（D1線）の光を出力する周波数安定化レーザー１１１を光源とする。当該ガスセル１１４には静磁場印加用コイル１１５から静磁場B₀を印加しており、当該周波数安定化レーザー１１１からのレーザー光を偏光子１１２とλ/４波長板１１３を介して円偏光に変換して、当該静磁場B₀と４５度の角度を成すように当該ガスセル１１４に当該円偏光を照射する。その際に、当該静磁場B₀と直交する方向から当該ガスセル１１４にRFコイル１１６を用いて振動磁場B_RFを印加する。当該ガスセル１１４を通過した光は光検出器１１７で検出され、当該光検出器１１７の出力を入力信号としてロックインアンプ１１８に入力する。また、RFコイル１１６から出力される振動磁場B_RFの信号源である電圧制御発振器１１９の出力を参照信号として当該ロックインアンプ１１８に入力する。当該静磁場強度B₀と当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子の磁気回転比から決定する当該ガスセル内のアルカリ金属の歳差周波数が入る範囲で、当該電圧制御発振器１１９の周波数を掃引する。当該ロックインアンプ１１８から得られる出力信号を収集し、図１-Bに示す磁気共鳴スペクトルを検出する。検出された当該磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）は、共鳴周波数で歳差運動している当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子数の程度を反映する。また、当該磁気共鳴スペクトルの線幅（Δf）の逆数は、当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子の歳差運動の位相が共鳴周波数からずれる緩和時間を反映する。このため、当該スピン偏極したアルカリ金属ができるだけ多く、かつできるだけ長い当該緩和時間を示すことは当該光ポンピング磁力計を高性能にする条件となる。すなわち，検出された当該光磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と線幅（Δf）との比（Mi/Δf）の値が大きいほど高感度な光ポンピング磁力計となり、本発明では Mi/Δfの値を性能指数とする。 A frequency stabilized laser 111 that outputs light having a wavelength (D1 line) of an absorption line of alkali metal gas in the gas cell 114 is used as a light source. A static magnetic field B ₀ is applied to the gas cell 114 from a static magnetic field application coil 115, and the laser light from the frequency stabilized laser 111 is converted into circularly polarized light through a polarizer 112 and a λ / 4 wavelength plate 113. and, irradiating the circularly polarized light to the gas cell 114 to form an angle of the static magnetic field B ₀ and 45 degrees. At that time, the oscillating magnetic field B _RF is applied to the gas cell 114 from the direction orthogonal to the static magnetic field B ₀ using the RF coil 116. The light that has passed through the gas cell 114 is detected by the photodetector 117, and the output of the photodetector 117 is input to the lock-in amplifier 118 as an input signal. Further, the output of the voltage controlled oscillator 119 which is a signal source of the oscillating magnetic field B _RF output from the RF coil 116 is input to the lock-in amplifier 118 as a reference signal. The frequency of the voltage controlled oscillator 119 is swept within a range in which the precession frequency of the alkali metal in the gas cell determined from the static magnetic field strength B ₀ and the magnetic rotation ratio of the alkali metal atom in the gas cell 114 is included. The output signals obtained from the lock-in amplifier 118 are collected, and the magnetic resonance spectrum shown in FIG. 1-B is detected. The detected peak value (Mi) of the magnetic resonance spectrum reflects the degree of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell precessing at the resonance frequency. The reciprocal of the line width (Δf) of the magnetic resonance spectrum reflects the relaxation time during which the phase of precession of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell deviates from the resonance frequency. For this reason, showing as much relaxation time as possible with as much spin-polarized alkali metal as possible is a condition for improving the performance of the optical pumping magnetometer. That is, the larger the ratio (Mi / Δf) of the detected peak value (Mi) and line width (Δf) of the magneto-resonance spectrum, the more sensitive the optical pumping magnetometer becomes. In the present invention, Mi / Δf Is the figure of merit.

図２を用いて、本発明の他の形態について説明する。ガスセル１１４内のアルカリ金属ガスの吸収線の波長（D1線）の光を出力する周波数安定化レーザー１１１を光源とする。当該ガスセル１１４には静磁場印加用コイル１１５から静磁場B₀を印加しており、当該周波数安定化レーザー１１１からのレーザー光を偏光子１１２とλ/４波長板１１３を介して円偏光に変換して、マイクロ波シンセサイザー１２１と接続された電気光学変調器１２０に入射する。当該電気光学変調器１２０を通過した位相変調光を当該静磁場B₀と平行な方向から当該ガスセル１１４に照射する。当該ガスセル１１４を通過した光は光検出器１１７で検出され、当該光検出器１１７の出力を入力信号としてロックインアンプ１１８に入力する。また、当該マイクロ波シンセサイザー１２１の出力を参照信号として当該ロックインアンプ１１８に入力する。当該ガスセル１１４内のアルカリ金属の基底準位の超微細構造のエネルギー間隔に相当する周波数が入る範囲で、当該マイクロ波シンセサイザーの周波数を掃引する。当該ロックインアンプ１１８から得られる出力信号を収集し、図２-Bに示すCPT共鳴スペクトルを検出する。検出された当該CPT共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と線幅（Δf）と比（Mi/Δf）を当該光ポンピング磁力計の性能指数とし、Mi/Δfの値が大きい当該ガスセル１１４を用いた当該光ポンピング磁力計ほど高性能であるとする。検出された当該CPT共鳴スペクトルのピーク値（Mi）は、共鳴周波数で歳差運動している当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子数の程度を反映する。また、当該CPT共鳴スペクトルの線幅（Δf）の逆数は、当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子の歳差運動の位相が共鳴周波数からずれる緩和時間を反映する。このため、当該スピン偏極したアルカリ金属ができるだけ多く、かつできるだけ長い当該緩和時間を示すことは当該光ポンピング磁力計を高性能にする条件となる。すなわち，検出された当該CPT共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と線幅（Δf）との比（Mi/Δf）の値が大きいほど高感度な光ポンピング磁力計となり、本発明では Mi/Δfの値を性能指数とする。 With reference to FIG. 2, another embodiment of the present invention will be described. A frequency stabilized laser 111 that outputs light having a wavelength (D1 line) of an absorption line of alkali metal gas in the gas cell 114 is used as a light source. A static magnetic field B ₀ is applied to the gas cell 114 from a static magnetic field application coil 115, and the laser light from the frequency stabilized laser 111 is converted into circularly polarized light through a polarizer 112 and a λ / 4 wavelength plate 113. Then, the light enters the electro-optic modulator 120 connected to the microwave synthesizer 121. The gas cell 114 is irradiated with the phase-modulated light that has passed through the electro-optic modulator 120 from a direction parallel to the static magnetic field B ₀ . The light that has passed through the gas cell 114 is detected by the photodetector 117, and the output of the photodetector 117 is input to the lock-in amplifier 118 as an input signal. The output of the microwave synthesizer 121 is input to the lock-in amplifier 118 as a reference signal. The frequency of the microwave synthesizer is swept within a range in which a frequency corresponding to the energy interval of the ultrafine structure of the ground level of the alkali metal in the gas cell 114 enters. The output signals obtained from the lock-in amplifier 118 are collected, and the CPT resonance spectrum shown in FIG. 2-B is detected. The detected peak value (Mi), line width (Δf), and ratio (Mi / Δf) of the CPT resonance spectrum were used as the performance index of the optical pumping magnetometer, and the gas cell 114 having a large Mi / Δf value was used. It is assumed that the optical pumping magnetometer has higher performance. The detected peak value (Mi) of the CPT resonance spectrum reflects the degree of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell precessing at the resonance frequency. The reciprocal of the line width (Δf) of the CPT resonance spectrum reflects the relaxation time during which the phase of precession of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell deviates from the resonance frequency. For this reason, showing as much relaxation time as possible with as much spin-polarized alkali metal as possible is a condition for improving the performance of the optical pumping magnetometer. That is, the larger the ratio (Mi / Δf) of the detected peak value (Mi) of the CPT resonance spectrum to the line width (Δf), the more sensitive the optical pumping magnetometer. In the present invention, Mi / Δf The value is a figure of merit.

図３を用いて、本発明の他の形態について説明する。ガスセル１１４内のアルカリ金属ガスの吸収線の波長（D1線）の光を出力する周波数安定化レーザー１１１と、当該D1線とは波長が異なる非吸収線の波長の光を出力する周波数安定化レーザー１２２を光源とする。当該ガスセルには当該周波数安定化レーザー１１１からの光をポンプ光とし、当該周波数安定化レーザー１２２からの光をプローブ光とする。各レーザー光は当該ガスセル１１４に直交するように照射され、各レーザー光に直交する方向から当該ガスセル１１４に静磁場B₀が印加されている。当該ポンプ光は偏光子１１２、λ/４波長板１１３を介して円偏光に変換され、当該ガスセル１１４に照射される。また、プローブ光は偏光子１１２を介して直線偏光に変換され、ファラデー変調器を通過後に当該ガスセル１１４に照射され、ガスセル通過後に偏光子１１２を介して光検出器１１７で検出される。当該光検出器１１７の出力はロックインアンプ１１８に入力信号として入力される。また、当該λ/４波長板１１３と当該ガスセル１１４との間にチョッパ１２４を設置し、当該ポンプ光は当該チョッパ１２４によって遮られる。その際に、当該静磁場強度B₀と当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子の磁気回転比から決定する当該ガスセル内のアルカリ金属の歳差周波数が入る範囲で、チョッパによってポンプ光を遮る周波数を掃引し、当該掃引周波数を当該ロックインアンプ１１８に参照信号として入力する。当該ロックインアンプ１１８から得られる出力信号を収集し、図３-Bに示す磁気共鳴スペクトルを検出する。検出された当該磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と線幅（Δf）と比（Mi /Δf）を当該光ポンピング磁力計の性能指数とし、Mi /Δfの値が大きい当該ガスセル１１４を用いた当該光ポンピング磁力計ほど高性能であるとする。 The other form of this invention is demonstrated using FIG. Frequency-stabilized laser 111 that outputs light of the wavelength (D1 line) of the absorption line of the alkali metal gas in the gas cell 114, and frequency-stabilized laser that outputs light of a non-absorptive line wavelength different from the D1 line. 122 is a light source. In the gas cell, light from the frequency stabilization laser 111 is used as pump light, and light from the frequency stabilization laser 122 is used as probe light. Each laser beam is irradiated so as to be perpendicular to the gas cell 114, the static magnetic field B ₀ in the direction to the gas cell 114 orthogonal is applied to each laser beam. The pump light is converted into circularly polarized light through a polarizer 112 and a λ / 4 wavelength plate 113 and irradiated to the gas cell 114. The probe light is converted into linearly polarized light through the polarizer 112, irradiated to the gas cell 114 after passing through the Faraday modulator, and detected by the photodetector 117 through the polarizer 112 after passing through the gas cell. The output of the photodetector 117 is input to the lock-in amplifier 118 as an input signal. A chopper 124 is installed between the λ / 4 wavelength plate 113 and the gas cell 114, and the pump light is blocked by the chopper 124. At that time, the frequency at which the pump light is blocked by the chopper is swept within the range where the precession frequency of the alkali metal in the gas cell determined from the static magnetic field strength B ₀ and the magnetorotation ratio of the alkali metal atom in the gas cell 114 is included. Then, the sweep frequency is input to the lock-in amplifier 118 as a reference signal. The output signals obtained from the lock-in amplifier 118 are collected, and the magnetic resonance spectrum shown in FIG. 3-B is detected. The detected peak value (Mi), line width (Δf), and ratio (Mi / Δf) of the magnetic resonance spectrum were used as the performance index of the optical pumping magnetometer, and the gas cell 114 having a large Mi / Δf value was used. It is assumed that the optical pumping magnetometer has higher performance.

検出された当該磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）は、共鳴周波数で歳差運動している当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子数の程度を反映する。また、当該磁気共鳴スペクトルの線幅（Δf）の逆数は、当該ガスセル内のスピン偏極したアルカリ金属原子の歳差運動の位相が共鳴周波数からずれる緩和時間を反映する。このため、当該スピン偏極したアルカリ金属ができるだけ多く、かつできるだけ長い当該緩和時間を示すことは当該光ポンピング磁力計を高性能にする条件となる。すなわち，検出された当該磁気共鳴スペクトルのピーク値（Mi）と線幅（Δf）との比（Mi/Δf）の値が大きいほど高感度な光ポンピング磁力計となり、本発明では Mi/Δfの値を性能指数とする。 The detected peak value (Mi) of the magnetic resonance spectrum reflects the degree of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell precessing at the resonance frequency. The reciprocal of the line width (Δf) of the magnetic resonance spectrum reflects the relaxation time during which the phase of precession of spin-polarized alkali metal atoms in the gas cell deviates from the resonance frequency. For this reason, showing as much relaxation time as possible with as much spin-polarized alkali metal as possible is a condition for improving the performance of the optical pumping magnetometer. That is, the larger the ratio (Mi / Δf) of the detected peak value (Mi) of the magnetic resonance spectrum to the line width (Δf), the more sensitive the optical pumping magnetometer. In the present invention, Mi / Δf The value is a figure of merit.

図１乃至３何れか記載の本発明の形態において、使用する光源はガスセル１１４内のアルカリ金属ガスの吸収線の波長（D2線）の光を出力する周波数安定化レーザーであってもよい。光源となるレーザーの出力波長を考えると、特に¹³³Csを使用する場合はD2線の方が入手しやすい。また、アルカリ金属原子の吸光効率の面では、D2線の方がD1線よりも大きい利点がある。 In the embodiment of the present invention described in any of FIGS. 1 to 3, the light source used may be a frequency-stabilized laser that outputs light having the wavelength of the absorption line (D2 line) of the alkali metal gas in the gas cell 114. Considering the output wavelength of the laser that serves as the light source, the D2 line is more readily available, especially when using ¹³³ Cs. Further, in terms of the absorption efficiency of alkali metal atoms, the D2 line has an advantage over the D1 line.

図１乃至３何れか記載の本発明の形態において、当該ガスセル１１４は10^-6 torr程度以下に高真空引きされており、当該ガスセル１１４内のアルカリ金属の候補として、¹³³Cs、⁸⁵Rb、⁸⁷Rb、³⁹Kが挙げられる。また、レーザー光による光ポンピングされるアルカリ金属ガスの偏極効率を高めるために、当該ガスセル１１４内にHe、Ne、Arなどの希ガスを緩衝ガスとして同封してもよい。また、非磁性気体であるN₂を使用してもよい。その他、希ガスや非磁性気体などのバッファガスを使用する代わりに、当該ガスセル１１４の内壁をパラフィン、テフロン（登録商標）、シランなどの非磁性物質でコーティングしてもよい。ガスセルの製作において、バッファガスを用いた場合に比べてコーティング施したセルは個体差が生じやすい。しかしながら、コーティング施したセルはバッファガスとアルカリ金属ガスとの衝突によるアルカリ金属原子の吸収線の変化（衝突広がりや衝突シフト）がないことや、バッファガスとアルカリ金属ガスとのスピン交換衝突による磁気共鳴やCPT共鳴における線幅Δfの広がりがないなどの利点がある。 In the embodiment of the present invention described in any one of FIGS. 1 to 3, the gas cell 114 is evacuated to about 10 ⁻⁶ torr or less, and ¹³³ Cs, ⁸⁵ Rb, ⁸⁷ Rb, ³⁹ K. Further, in order to increase the polarization efficiency of the alkali metal gas that is optically pumped by the laser light, a rare gas such as He, Ne, or Ar may be enclosed in the gas cell 114 as a buffer gas. Further, N ₂ which is a nonmagnetic gas may be used. In addition, instead of using a buffer gas such as a rare gas or a nonmagnetic gas, the inner wall of the gas cell 114 may be coated with a nonmagnetic material such as paraffin, Teflon (registered trademark), or silane. In the production of the gas cell, individual differences are more likely to occur in the coated cell than in the case of using a buffer gas. However, the coated cell has no change in the absorption line of alkali metal atoms (collision spread or collision shift) due to collision between the buffer gas and the alkali metal gas, and the magnetic field due to spin exchange collision between the buffer gas and the alkali metal gas. There are advantages such as no broadening of the line width Δf in resonance and CPT resonance.

図１乃至３何れか記載の本発明の形態において、当該ガスセル１１４に静磁場B₀を印加する当該静磁場印加用コイル１１９は、３つのコイルから構成される３軸の静磁場印加用コイルであってもよい。製作の面で、当該３軸の静磁場印加用コイルは1軸の静磁場印加用コイルに比べて構造的な複雑さがある。しかしながら、フラックスゲート磁力計などの磁気センサーを併用することで、より正確な磁場測定を行うことができる。例えば、各軸方向から当該ガスセル１１４に入る環境磁気ノイズを当該フラックスゲート磁力計でモニターして、当該モニター信号を制御信号として当該3軸の静磁場印加用コイルへフィードバックすることで、当該環境磁気ノイズと逆位相の磁場を当該3軸の静磁場印加用コイルから出力し、当該環境磁気ノイズをキャンセルアウトできる。それにより、当該ガスセル１１４に正確な方向かつ正確な強度で静磁場を印加できる。 1 to 3, the static magnetic field application coil 119 for applying the static magnetic field B ₀ to the gas cell 114 is a triaxial static magnetic field application coil composed of three coils. There may be. In terms of manufacturing, the triaxial static magnetic field application coil has a structural complexity compared to the uniaxial static magnetic field application coil. However, more accurate magnetic field measurement can be performed by using a magnetic sensor such as a fluxgate magnetometer in combination. For example, the environmental magnetic noise that enters the gas cell 114 from each axial direction is monitored by the fluxgate magnetometer, and the monitor signal is fed back to the three-axis static magnetic field application coil as a control signal. A magnetic field having a phase opposite to that of the noise can be output from the three-axis static magnetic field applying coil to cancel out the environmental magnetic noise. Thereby, a static magnetic field can be applied to the gas cell 114 with an accurate direction and an accurate intensity.

図１を用いて、本発明の実施例１を説明する。ガスセル１１４は真空引きされて、内部にアルカリ金属ガスが封入されている。本発明では、アルカリ金属の吸収線であるD1線もしくはD2線を波長にもつランプやレーザーなどの光源を使用する。なお、使用するアルカリ金属において、³⁹Kの場合はD1線(770nm)とD2線（766nm）、⁸⁵Rbと⁸⁷Rbの場合はD1線(795nm)とD2線（780nm）、¹³³Csの場合はD1線(894nm)とD2線（852nm）である。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The gas cell 114 is evacuated and filled with an alkali metal gas. In the present invention, a light source such as a lamp or a laser having a wavelength of D1 line or D2 line which is an absorption line of alkali metal is used. Note that in the alkali metal used, D1 line in the case of ³⁹ K (770 nm) and D2 line (766nm), ⁸⁵ Rb and ⁸⁷ D1 line in the case of Rb (795 nm) and D2 line (780 nm), when the ¹³³ Cs has D1 line (894nm) and D2 line (852nm).

その際に、エネルギー遷移の間隔が比較的広く、特定のエネルギー遷移を利用できるD1線の方を使用した方が好ましい。また、小型・安価であり、波長の調整が容易な外部共振器構造の半導体レーザーや分布帰還型の半導体レーザーを使用すると、便利である。使用する光源は、当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子の熱運動によるドップラー広がりよりも狭い線幅のものが好ましい。当該ガスセル内のアルカリ金属の熱運動の速度分布がマクスウエル−ボルツマン分布をとり、ドップラー広がりを持つ吸収線は（1/((π^1/2)ku)）exp(-((ω−ω₀)/ku)²)の式で表されるガウス型の関数となる。ここで、ω₀はアルカリ金属原子の吸収線の中心周波数、kは入射レーザー光の波数である。uはマクスウエル−ボルツマン分布が最大となる速度であり、ガスセルの温度T、アルカリ金属原子の質量M、ボルツマン係数k_Bからu = (2k_BT/M)^1/2で表される。上記のガウス型の関数より、各アルカリ金属（³⁹K、⁸⁵Rb、⁸⁷Rb、¹³³Cs）のドップラー広がりは室温で数百MHz程度のドップラー広がりがあることを考えて、使用する光源の線幅は数十MHz以下のものを使用する。 At this time, it is preferable to use the D1 line that has a relatively wide energy transition interval and can use a specific energy transition. In addition, it is convenient to use a semiconductor laser having an external resonator structure or a distributed feedback semiconductor laser that is small and inexpensive and that allows easy wavelength adjustment. The light source to be used preferably has a line width narrower than the Doppler broadening due to the thermal motion of the alkali metal atoms in the gas cell 114. The velocity distribution of thermal motion of alkali metal in the gas cell takes Maxwell-Boltzmann distribution, and the absorption line with Doppler broadening is (1 / ((π ^1/2 ) ku)) exp (-((ω-ω ₀ ) / ku) This is a Gaussian function expressed by the formula of ² ). Here, ω ₀ is the center frequency of the absorption line of alkali metal atoms, and k is the wave number of the incident laser light. u is the speed at which the Maxwell-Boltzmann distribution is maximized, and is expressed by u = (2k _B T / M) ^1/2 from the temperature T of the gas cell, the mass M of the alkali metal atom, and the Boltzmann coefficient k _B. From the above Gaussian function, considering the Doppler broadening of each alkali metal ( ³⁹ K, ⁸⁵ Rb, ⁸⁷ Rb, ¹³³ Cs) has a Doppler broadening of several hundred MHz at room temperature, the line width of the light source used Use a frequency of several tens of MHz or less.

光源のパワーは、使用する当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子の飽和強度以下で使用する。飽和強度は、光の波長と自然放出レートを用いた(πhcΓ)/(3λ³)の式より算出される。ここで、hはプランク定数、cは光の速度、Γは使用するアルカリ金属の自然幅、λは使用するアルカリ金属の吸収線の波長をそれぞれ表す。例えば、アルカリ金属に⁸⁷Rbを用いた場合は約1.6 mW/cm²程度である。 The power of the light source is used below the saturation intensity of alkali metal atoms in the gas cell 114 to be used. The saturation intensity is calculated from the equation (πhcΓ) / (3λ ³ ) using the wavelength of light and the spontaneous emission rate. Here, h is the Planck constant, c is the speed of light, Γ is the natural width of the alkali metal used, and λ is the wavelength of the absorption line of the alkali metal used. For example, when ⁸⁷ Rb is used for the alkali metal, it is about 1.6 mW / cm ² .

当該周波数安定化レーザー１１１から放たれたレーザー光は、偏光子１１２とλ/４波長板１１３によって直線偏光から円偏光に変換される。変換された円偏光は左回りの円偏光もしくは右回りの円偏光どちらを使用してもよい。当該セル１１４には静磁場印加用コイル１１５で静磁場B₀が印加されており、当該周波数安定化レーザー１１１からの円偏光を当該ガスセル１１４に入射する。その際に、当該セル１１４の中心において当該静磁場B₀印加方向と当該ガスセル１１４に入射する当該円偏光との成す角度が４５度になるように調整する。 The laser light emitted from the frequency stabilizing laser 111 is converted from linearly polarized light to circularly polarized light by the polarizer 112 and the λ / 4 wavelength plate 113. The converted circularly polarized light may be either left-handed circularly polarized light or right-handed circularly polarized light. A static magnetic field B ₀ is applied to the cell 114 by a static magnetic field application coil 115, and circularly polarized light from the frequency stabilized laser 111 is incident on the gas cell 114. At that time, adjustment is made so that the angle formed by the static magnetic field B ₀ application direction and the circularly polarized light incident on the gas cell 114 is 45 degrees at the center of the cell 114.

ここで、当該静磁場B₀印加方向と当該円偏光との成す角度をθとすると、磁場計測を行うときに当該ガスセル１１４を通過したレーザー光強度の変動の大きさ（振幅）はsin(2θ)で表される。そのため、当該振幅が最大になることを考えて、θは４５度が最適である。 Here, if the angle formed by the direction in which the static magnetic field B _{0 is} applied and the circularly polarized light is θ, the magnitude (amplitude) of the fluctuation of the laser light intensity that has passed through the gas cell 114 when performing magnetic field measurement is sin (2θ ). Therefore, considering that the amplitude is maximized, θ is optimally 45 degrees.

図1に示す当該静磁場印加陽コイル１１５は１軸ヘルムホルツコイル以外に、レーザー光との成す角度を微調整するために２軸ヘルムホルツコイルもしくは３軸ヘルムホルツコイルを当該静磁場印加陽コイル１１５に採用すると、コイルを当該ガスセル１１４に入射するレーザー光に対して４５度に傾けて設置する制約がなくなることや、静磁場印加方向以外の方向から当該ガスセル１１４に入る環境磁気ノイズを打ち消すことにも利用きるため、より効果的である。 In addition to the single-axis Helmholtz coil, the static magnetic field application positive coil 115 shown in FIG. 1 adopts a two-axis Helmholtz coil or a three-axis Helmholtz coil as the static magnetic field application positive coil 115 in order to finely adjust the angle formed with the laser beam. Then, there is no restriction to install the coil at 45 degrees with respect to the laser light incident on the gas cell 114, and it is also used to cancel the environmental magnetic noise entering the gas cell 114 from a direction other than the direction of applying the static magnetic field. More effective.

その他、静磁場B₀をより均一に印加できるソレノイドコイルも使用でき、その際は当該ガスセル１１４に精度良く振動磁場が印加されるようにRFコイル１１６を当該ソレノイドコイル内部に配置することが好ましい。 In addition, a solenoid coil that can apply the static magnetic field B ₀ more uniformly can be used. In this case, the RF coil 116 is preferably arranged inside the solenoid coil so that the oscillating magnetic field is applied to the gas cell 114 with high accuracy.

当該ガスセル１１４に印加する静磁場B₀と直交する方向から振動磁場B_RFを当該RFコイル１１６によって印加する。当該振動磁場強度B_RFは当該静磁場強度B₀よりも十分弱く、当該振動磁場B_RFの周波数は当該静磁場強度に、使用するアルカリ金属の磁気回転比を掛けて算出される周波数とする。 An oscillating magnetic field B _RF is applied by the RF coil 116 from a direction orthogonal to the static magnetic field B ₀ applied to the gas cell 114. The oscillating magnetic field strength B _RF is sufficiently weaker than the static magnetic field strength B ₀ , and the frequency of the oscillating magnetic field B _{RF is} a frequency calculated by multiplying the static magnetic field strength by the gyromagnetic ratio of the alkali metal to be used.

測定者は算出された当該周波数を中心周波数にして、振動磁場周波数の掃引範囲を設定する。当該掃引範囲が広いほど、当該振動磁場B_RFの周波数掃引時間が長くなり、当該ガスセルの性能評価に時間がかかる。そこで、最初に性能評価を行う際に、掃引周波数のピッチを1 Hz以上に粗く設定し、掃引範囲は当該周波数算出された当該周波数を中心周波数にスタートの掃引周波数からストップの掃引周波数が1 kHz以上の広い範囲にして、磁気共鳴スペクトルを計測する。計測された当該磁気共鳴スペクトルがシャープな場合は、正確な測定を行なうために、当該掃引周波数のピッチを1 Hz以下に設定する。また、測定時間を短縮するために、掃引範囲は当該周波数算出された当該周波数を中心周波数にスタートの掃引周波数からストップの掃引周波数までの掃引範囲を1 kHz以下で行う。
上述した振動磁場周波数の掃引範囲が手動で設定される例を示したが、上記掃引範囲を自動で設定するようにしても良い。上記磁気共鳴スペクトルに対して参照データを用意しておき、計測データと参照データとを比較した結果を用いて上記掃引範囲を設定するようにしても良いし、計測データに所定の閾値を設けて当該閾値に基づいて範囲を設定するようにしても良い。 The measurer sets the sweep range of the oscillating magnetic field frequency using the calculated frequency as the center frequency. The wider the sweep range, the longer the frequency sweep time of the oscillating magnetic field B _RF , and the longer it takes to evaluate the performance of the gas cell. Therefore, when performing the performance evaluation for the first time, the sweep frequency pitch is roughly set to 1 Hz or more, and the sweep range is set to the calculated frequency as the center frequency, and the sweep frequency from the start sweep frequency to the stop sweep frequency is 1 kHz. The magnetic resonance spectrum is measured in the above wide range. If the measured magnetic resonance spectrum is sharp, the sweep frequency pitch is set to 1 Hz or less in order to perform accurate measurement. In addition, in order to shorten the measurement time, the sweep range is set to be 1 kHz or less from the start sweep frequency to the stop sweep frequency with the calculated frequency as the center frequency.
Although the example in which the above-described sweep range of the oscillating magnetic field frequency is set manually is shown, the sweep range may be set automatically. Reference data may be prepared for the magnetic resonance spectrum, and the sweep range may be set using a result of comparison between the measurement data and the reference data, or a predetermined threshold value may be provided for the measurement data. The range may be set based on the threshold value.

当該ガスセル１１４を通過したレーザー光は光検出器１１７で検出される。そして、当該光検出器１１７からの出力は、接続されたロックインアンプ１１８に入力信号として入力される。当該RFコイル１１６から照射される振動磁場B_RFの信号源として電圧制御発振器１１９を使用し、当該ロックインアンプ１１８に接続された当該電圧制御発振器１１９からの出力は当該ロックインアンプ１１８に参照信号として入力される。 The laser light that has passed through the gas cell 114 is detected by the photodetector 117. The output from the photodetector 117 is input as an input signal to the connected lock-in amplifier 118. The voltage controlled oscillator 119 is used as a signal source of the oscillating magnetic field B _RF irradiated from the RF coil 116, and an output from the voltage controlled oscillator 119 connected to the lock-in amplifier 118 is a reference signal to the lock-in amplifier 118. Is entered as

当該ロックインアンプ１１８では内部の位相比較演算回路が、当該入力信号と当該参照信号との位相を比較して位相差を算出する。
当該位相比較演算回路が算出した位相差は電圧として当該ロックインアンプ１１８から出力される。
その際に、当該ロックインアンプ１１８からの出力はADコンバータもしくはGPIBなどのインターフェースを用いてパーソナルコンピュータなどの情報機器に取り込まれる。 In the lock-in amplifier 118, an internal phase comparison arithmetic circuit compares the phases of the input signal and the reference signal to calculate a phase difference.
The phase difference calculated by the phase comparison arithmetic circuit is output from the lock-in amplifier 118 as a voltage.
At that time, the output from the lock-in amplifier 118 is taken into an information device such as a personal computer using an interface such as an AD converter or GPIB.

図１-Bは当該ロックインアンプの出力から得られた磁気共鳴スペクトルを示す。当該ロックインアンプの出力からは、当該磁気共鳴スペクトル以外に当該磁気共鳴スペクトルを一次微分した分散型の信号や、当該磁気共鳴信号と当該分散型の信号の位相差の信号も得られる。当該分差型の信号もしくは当該位相差の信号が共鳴周波数f₀を中心に対称になるように当該ロックインアンプの位相調整に利用できる。そのため、当該ロックインアンプは２位相の信号を同時に検出できる２位相型のロックインアンプを使用するとより便利である。データ収集された図１-Bに示す当該磁気共鳴スペクトルから、ローレンツ曲線もしくはガウス曲線を用いた回帰解析を当該情報機器内で行い、ピーク値と線幅（半値半幅）を算出する。得られた当該ピーク値と当該線幅との比である性能指数を当該情報機器内で算出し、当該情報機器のディスプレイ上に表示した当該性能指数で使用した当該ガスセルの性能を評価する。 FIG. 1-B shows a magnetic resonance spectrum obtained from the output of the lock-in amplifier. From the output of the lock-in amplifier, in addition to the magnetic resonance spectrum, a dispersion type signal obtained by first differentiating the magnetic resonance spectrum and a phase difference signal between the magnetic resonance signal and the dispersion type signal are also obtained. The differential signal or the phase difference signal can be used for phase adjustment of the lock-in amplifier so that the signal is symmetrical about the resonance frequency f ₀ . For this reason, it is more convenient to use a two-phase lock-in amplifier that can simultaneously detect two-phase signals. A regression analysis using a Lorentz curve or a Gaussian curve is performed in the information device from the magnetic resonance spectrum shown in FIG. 1-B collected, and a peak value and a line width (half width at half maximum) are calculated. A performance index that is a ratio between the obtained peak value and the line width is calculated in the information device, and the performance of the gas cell used in the performance index displayed on the display of the information device is evaluated.

また、複数のガスセルを用いたマルチチャンネル型の光ポンピング磁力計を構築する際にも、本発明の性能指数は利用できる。不純物混入など個々のガラスセルの品質による影響で、各セルにおける検出感度の差が生じることがある。そこで、各セルの検出感度を同程度に調整するパラメーターとして、セルの温度、レーザーパワー、振動磁場強度を利用する。
セルの温度に関しては、セルの保温温度によってセル内のアルカリ金属ガス密度が変化することが検出感度の変化に関与する。そのため、最初に保温温度を変えた場合の各ガラスセルおける各性能指数を計測し、性能指数の値が最も高くなり、かつ各性能指数の値におけるバラツキが小さい保温温度を決定する。通常、⁸⁵Rb、⁸⁷Rb、³⁹Kのように融点が比較的高いアルカリ金属を使用したセルは、セル内で蒸気化するためにヒーターなどを用いて加熱する。一方、融点が約28℃と室温に近い¹³³Csを使用したセルは、保温せずに室温でも使用できる。セルを保温する際に使用するヒーターは磁場を発生するので、セルに印加する静磁場や振動磁場を攪乱する危険性があることやその対策を要する。そのため、¹³³Csを使用したセルは当該光ポンピング磁力計に特に利用しやすい。上記に述べた最適な保温温度を決定する際に、レーザーパワーはセル内のアルカリ金属原子が十分に光ポンピングされることを考えて、使用するアルカリ金属の飽和強度以下で使用する。最適な保温温度が決定したら、振動磁場強度を変化させることで性能指数の最適な条件を調べることで、当該光ポンピング磁力計を高感度にする条件を決定する。図４は室温で¹³³Csが封入されたセルを用いて、当該ガスセルに印加する振動磁場強度B_RFを変化させた際の従来手法による性能評価の結果（図４-A）と、本発明に性能評価の結果（図４-B）を表す。どちらの場合でも、ある振動磁場強度で性能指数が最大となり、振動磁場強度が低下する共通の結果が示された。また、図５では、実際にテストコイルから同じ強度の正弦波磁気信号を当該ガスセル１１４に与えた際に得られた当該光ポンピング磁力計の出力結果を示す。同じ強度の当該正弦波磁気信号であるにも関わらず、性能指数の値が大きい振動磁場強度の時ほど、出力が大きい結果が得られる。すなわち、本発明による性能評価は、従来の手法よりも迅速に結果が分かり、当該性能評価指数の大きさが当該光ポンピング磁力計の検出感度を反映する。 The figure of merit of the present invention can also be used when constructing a multi-channel optical pumping magnetometer using a plurality of gas cells. A difference in detection sensitivity in each cell may occur due to the influence of the quality of individual glass cells such as contamination of impurities. Therefore, the cell temperature, laser power, and oscillating magnetic field strength are used as parameters for adjusting the detection sensitivity of each cell to the same extent.
Regarding the cell temperature, the change in the detection sensitivity is due to the change in the alkali metal gas density in the cell depending on the temperature of the cell. Therefore, each performance index in each glass cell when the heat retention temperature is changed is measured first, and the heat retention temperature having the highest performance index value and the smallest variation in each performance index value is determined. Usually, a cell using an alkali metal having a relatively high melting point, such as ⁸⁵ Rb, ⁸⁷ Rb, and ³⁹ K, is heated using a heater or the like in order to vaporize the cell. On the other hand, a cell using ¹³³ Cs having a melting point of about 28 ° C., which is close to room temperature, can be used at room temperature without being kept warm. Since the heater used to keep the cell warm generates a magnetic field, there is a risk of disturbing the static magnetic field and the oscillating magnetic field applied to the cell, and countermeasures are required. Therefore, a cell using ¹³³ Cs is particularly easy to use for the optical pumping magnetometer. When determining the optimum heat retention temperature described above, the laser power is used below the saturation intensity of the alkali metal to be used, considering that the alkali metal atoms in the cell are sufficiently optically pumped. When the optimum temperature is determined, the optimum condition of the figure of merit is examined by changing the oscillating magnetic field strength, thereby determining the condition for making the optical pumping magnetometer highly sensitive. FIG. 4 shows a result of performance evaluation by a conventional method (FIG. 4-A) when a cell in which ¹³³ Cs is sealed at room temperature is used and the oscillating magnetic field strength B _RF applied to the gas cell is changed. The results of performance evaluation (Fig. 4-B) are shown. In both cases, the figure of merit was maximized at a certain oscillating magnetic field strength, and a common result was shown that the oscillating magnetic field strength decreased. FIG. 5 shows an output result of the optical pumping magnetometer obtained when a sinusoidal magnetic signal having the same intensity is actually applied to the gas cell 114 from the test coil. In spite of the sine wave magnetic signals having the same strength, the larger the value of the oscillating magnetic field having a larger figure of merit, the greater the output. That is, in the performance evaluation according to the present invention, the result is understood more quickly than in the conventional method, and the magnitude of the performance evaluation index reflects the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer.

図２を用いて、本発明の実施例２を説明する。図２は図１に示す磁気共鳴型の光ポンピング磁力計の構成とは異なる他の形態であり、使用する光源や当該光源からガスセル１１４への光源からの入射条件や当該ガスセル１１４を通過した光源の光の検出条件については〔実施例１〕と同様である。また、当該ガスセル１１４に静磁場印加用コイル１１９で静磁場B₀を印加する点も同様である。以下に、異なる構成について述べる。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows another embodiment different from the configuration of the magnetic resonance type optically pumped magnetometer shown in FIG. 1, and the light source used, the incident condition from the light source to the gas cell 114, and the light source that has passed through the gas cell 114. The light detection conditions are the same as those in [Example 1]. The same applies to the application of the static magnetic field B ₀ to the gas cell 114 by the static magnetic field application coil 119. The different configurations are described below.

当該ガスセル１１４に円偏光を照射する直前に電気光学変調器１２０を設置し、当該電気光学変調器１２０を通過したレーザー光は当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子の基底状態のエネルギー遷移に相当するマイクロ波周波数による位相変調光に変換される。当該電気光学変調器１２０に接続されたマイクロ波シンセサイザー１２１の周波数を掃引することで、図２-Bに示すCPT共鳴スペクトルを得る。〔実施例１〕に比べて〔実施例２〕記載の光ポンピング磁力計は、RFコイルを用いないで共鳴スペクトルを検出できるため、当該ガスセル１１４の周辺部のコイル構成を簡易化できる。また、当該ガスセル１１４への静磁場印加方向が当該レーザー光と平行であるため、当該静磁場印加方向と当該レーザー光と成す角度の調整が容易である。 The electro-optic modulator 120 is installed immediately before the gas cell 114 is irradiated with the circularly polarized light, and the laser light that has passed through the electro-optic modulator 120 is a micro beam corresponding to the ground state energy transition of the alkali metal atom in the gas cell 114. It is converted into phase-modulated light with a wave frequency. By sweeping the frequency of the microwave synthesizer 121 connected to the electro-optic modulator 120, the CPT resonance spectrum shown in FIG. 2-B is obtained. Compared with [Example 1], the optical pumping magnetometer described in [Example 2] can detect a resonance spectrum without using an RF coil, and therefore can simplify the coil configuration around the gas cell 114. In addition, since the direction in which the static magnetic field is applied to the gas cell 114 is parallel to the laser light, it is easy to adjust the angle formed between the direction in which the static magnetic field is applied and the laser light.

上記で得られたCPT共鳴スペクトルを検出するまでの、ロックアンプの位相調整や、当該CPT共鳴スペクトルによる性能指数や、そのデータ収集・表示は〔実施例１〕と同様である。また、マルチチャンネル型の光ポンピング磁力計のように複数のセルを使用する際に生じる個体差の補正に関しても〔実施例１〕と同様であり、その際にマイクロ波シンセサイザー１２１の出力パワーを変えて、当該光ポンピング磁力計を高感度にする条件を決定する。 The phase adjustment of the lock amplifier, the performance index based on the CPT resonance spectrum, and the data collection / display until the detection of the CPT resonance spectrum obtained above are the same as those in [Example 1]. Further, correction of individual differences caused when using a plurality of cells such as a multi-channel optical pumping magnetometer is the same as in the first embodiment, and the output power of the microwave synthesizer 121 is changed at that time. Thus, conditions for making the optical pumping magnetometer highly sensitive are determined.

図３を用いて、本発明の実施例３を説明する。図３は図１に示す光ポンピング磁力計において、ガスセル１１４へのレーザー光の入射や当該ガスセル１１４を通過した光源の光の検出に関して異なる他の形態であり、使用する光源や当該光源からの円偏光を当該ガスセル１１４へ照射することや、当該ガスセル１１４へ静磁場B₀を印加することついては〔実施例１〕と同様である。以下に、異なる構成について述べる。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows another embodiment of the optical pumping magnetometer shown in FIG. 1 in which the laser light is incident on the gas cell 114 and the light from the light source that has passed through the gas cell 114 is detected. Irradiation of polarized light to the gas cell 114 and application of a static magnetic field B ₀ to the gas cell 114 are the same as in [Example 1]. The different configurations are described below.

周波数安定化レーザー１２２からのレーザー光はプローブ光として使用し、偏光子１１２を介して直線偏光に変換され、ファラデー変調器１２３に入射される。周波数安定化レーザー１１１からの光は〔実施例１〕もしくは〔実施例２〕と同様に当該ガスセル１１４内のアルカリ金属原子を光ポンピングによってスピン偏極するためにポンプ光として使用する。当該周波数安定化レーザー１２２からのレーザー光は当該ファラデー変調器１１２を通過後、当該ガスセル１１４に照射し、当該ガスセル１１４を通過後に偏光子１１２を介して光検出器１１７で検出される。当該光検出器１１７からの出力をロックインアンプ１１８に入力信号として入力する。また、当該周波数安定化レーザー１１１からのレーザー光をλ/４波長板通過後にチヨッパ１２４で遮る。当該チョッパ１２５で遮るチョッパ周波数は当該ガスセル１１４のアルカリ金属原子の磁気共鳴周波数であり、当該チョッパ１２４の動作周波数を当該磁気共鳴周波数が入るように掃引し、その掃引信号を当該ロックインアンプ１１８の参照信号とする。その際に、図３-Bに示す磁気共鳴スペクトルが当該ロックインアンプ１１８の出力から得ることができる。〔実施例１〕に比べて〔実施例３〕記載の光ポンピング磁力計は、RFコイルを用いないで共鳴スペクトルを検出できるため、当該ガスセル１１４の周辺部のコイル構成を簡易化できる。また、当該ガスセル１１４への静磁場印加方向が当該レーザー光と直交であるため、当該静磁場印加方向と当該レーザー光と成す角度の調整が容易である。 Laser light from the frequency stabilization laser 122 is used as probe light, converted into linearly polarized light through the polarizer 112, and is incident on the Faraday modulator 123. The light from the frequency stabilized laser 111 is used as pump light to spin-polarize alkali metal atoms in the gas cell 114 by optical pumping as in [Example 1] or [Example 2]. The laser light from the frequency stabilization laser 122 passes through the Faraday modulator 112 and then irradiates the gas cell 114. After passing through the gas cell 114, the light is detected by the photodetector 117 via the polarizer 112. The output from the photodetector 117 is input to the lock-in amplifier 118 as an input signal. Further, the laser light from the frequency stabilizing laser 111 is blocked by the chopper 124 after passing through the λ / 4 wavelength plate. The chopper frequency blocked by the chopper 125 is the magnetic resonance frequency of the alkali metal atom of the gas cell 114, the operation frequency of the chopper 124 is swept so that the magnetic resonance frequency enters, and the swept signal is transferred to the lock-in amplifier 118. This is a reference signal. At that time, the magnetic resonance spectrum shown in FIG. 3B can be obtained from the output of the lock-in amplifier 118. Compared with [Example 1], the optical pumping magnetometer described in [Example 3] can detect a resonance spectrum without using an RF coil, and therefore can simplify the coil configuration around the gas cell 114. In addition, since the static magnetic field application direction to the gas cell 114 is orthogonal to the laser light, it is easy to adjust the angle formed between the static magnetic field application direction and the laser light.

上記で得られた磁気共鳴スペクトルを検出するまでの、ロックアンプの位相調整や、当該磁気共鳴スペクトルによる性能指数や、そのデータ収集・表示は〔実施例１〕と同様である。また、マルチチャンネル型の光ポンピング磁力計に使用する際は、〔実施例１〕や〔実施例２〕のように個々のガラスセルを用いずに、1個のガラスセルへのレーザー光をビームスプリッターもしくは分岐型の光ファィバーを用いて分岐させて入射させることでマルチチャンネルのセンサーとして使用する。最初に〔実施例１〕と同様に最適なセル保温温度を決定する。その際に、アルカリ金属原子を光ポンピングする周波数安定化レーザー１１１からのレーザーパワーは飽和強度以上の強い強度で使用する。そして、最適なセルの保温温度で、当該プローブ光強度を変えて、当該光ポンピング磁力計を高感度にする条件を決定する。 The phase adjustment of the lock amplifier, the performance index based on the magnetic resonance spectrum, and the data collection / display until the detection of the magnetic resonance spectrum obtained above are the same as those in the first embodiment. In addition, when used in a multi-channel optical pumping magnetometer, a laser beam is irradiated to one glass cell without using individual glass cells as in [Example 1] and [Example 2]. It is used as a multi-channel sensor by splitting it with a splitter or a branching type optical fiber. First, the optimum cell temperature is determined in the same manner as in [Example 1]. At this time, the laser power from the frequency stabilized laser 111 that optically pumps alkali metal atoms is used with a strength higher than the saturation strength. Then, by changing the probe light intensity at the optimum cell holding temperature, conditions for making the optical pumping magnetometer highly sensitive are determined.

本発明の実施例１乃至３何れか記載の光ポンピング磁力計において使用する
ガスセル１１４内に同封する緩衝ガスの条件について説明する。従来の手法で、当該ガスセル１１４内に希ガスや非磁性ガスを緩衝ガスとして同封することで、セル内壁とアルカリ金属原子との衝突を緩和させることで、当該光ポンピング磁力計の検出感度を向上させることが知られている。また、緩衝ガスを使用する代わりに、当該ガスセルの内壁を飽和炭化水素や水素化珪素などでコーティングすることで、当該光ポンピング磁力計の検出感度を向上させることも報告されている。コートしたセルはアルカリ金属原子と緩衝ガスとの衝突の影響が無いため、磁場検出感度を向上させるための最も有力なセルである。しかしながら、当該ガスセルをコートする技術は容易でなく、製作されたガスセルは個体差が生じやすい。それに比べて、緩衝ガスを同封したガスセルはより製作しやすい。しかしながら、当該ガスセルのアルカリ金属原子と緩衝ガスとの最適な組み合わせや、最適な緩衝ガスの圧力は不明である。 The conditions of the buffer gas enclosed in the gas cell 114 used in the optical pumping magnetometer described in any one of Embodiments 1 to 3 of the present invention will be described. The detection sensitivity of the optical pumping magnetometer is improved by reducing the collision between the inner wall of the cell and the alkali metal atoms by enclosing a rare gas or non-magnetic gas as a buffer gas in the gas cell 114 by a conventional method. It is known to let It has also been reported that the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer is improved by coating the inner wall of the gas cell with saturated hydrocarbon or silicon hydride instead of using a buffer gas. Since the coated cell is not affected by the collision between the alkali metal atoms and the buffer gas, it is the most effective cell for improving the magnetic field detection sensitivity. However, the technique of coating the gas cell is not easy, and the manufactured gas cell tends to have individual differences. In comparison, a gas cell enclosing a buffer gas is easier to manufacture. However, the optimum combination of alkali metal atoms and buffer gas in the gas cell and the optimum buffer gas pressure are unknown.

そこで、本発明では性能指数を用いて様々な種類の緩衝ガスとガス圧の条件のガスセルを評価した（図６）。図６に、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素を緩衝ガスとして選定して、ガス圧が１、１０、５０、３００、１０００ torrの個別のガスセルを準備し、当該ガスセルを〔実施例１〕の計測システムより、アルカリ金属に¹³³Csを用いて評価した性能指数を示す。グラフの縦軸は、各種緩衝ガスにおいて性能指数の最大値で割って規格化した性能指数である。各緩衝ガスともにガス圧が低いほうが性能指数の値が高くなる傾向があり、約１０ torr以下が最適であった。 Therefore, in the present invention, gas cells under various types of buffer gas and gas pressure conditions were evaluated using the figure of merit (FIG. 6). In FIG. 6, helium, neon, argon, and nitrogen are selected as buffer gases, and individual gas cells having gas pressures of 1, 10, 50, 300, and 1000 torr are prepared. The figure of merit evaluated by the system using ¹³³ Cs as the alkali metal is shown. The vertical axis of the graph represents the performance index normalized by dividing by the maximum value of the performance index for various buffer gases. The value of the figure of merit tends to be higher when the gas pressure is lower for each buffer gas, and about 10 torr or less was optimal.

これらの結果より、各種緩衝ガスにおいてガス圧１ torrのガスセルを選び、振動磁場強度を変えた際の当該ガスセル１１４における性能指数の変化を調べた（図７）。グラフより、各種緩衝ガスともに最適な振動磁場強度を示し、使用した緩衝ガスの種類に関わらず、最適な振動磁場強度が同程度であった。また、性能指数の値はネオン、ヘリウム、アルゴン、窒素の順に小さくなった。 From these results, a gas cell having a gas pressure of 1 torr was selected for various buffer gases, and the change in the figure of merit in the gas cell 114 when the oscillating magnetic field strength was changed was examined (FIG. 7). From the graph, the optimum oscillating magnetic field strength was shown for each buffer gas, and the optimum oscillating magnetic field strength was the same regardless of the type of buffer gas used. The figure of merit decreased in the order of neon, helium, argon, and nitrogen.

このように緩衝ガスの種類やガス圧によって大きく性能指数の値が変わる結果として、緩衝ガスの種類によってレーザー光を吸収してスピン偏極するアルカリ金属原子数に違いがあると考えられる。緩衝ガスはセル内壁とアルカリ金属原子との衝突緩和の機能を果たす一方で、アルカリ金属原子が緩衝ガスと衝突することでアルカリ金属原子の吸収線がシフトすることや、吸収線が広がる。分光学の研究で報告されている¹³³Csと緩衝ガスとの衝突によるD1線の衝突シフトと衝突シフトを図８-Aに示す（W. Demtrｏder: Laser Spectroscopy, Springer (1998)）。そこで、図７で得られた各種緩衝ガス入りのガスセルにおける性能指数と、¹³³Csと各種緩衝ガスとの衝突による影響（図８-A）との関係を調べた（図８-B）。グラフの縦軸は、図７から得られた各種緩衝ガスにおける性能指数の最大値を、最も性能指数が大きかったネオンが同封されたガスセルの性能指数で割って規格化した性能指数である。また、グラフの横軸は図８-Aで得られた¹³³Csと各種緩衝ガスの衝突広がりと衝突シフトの絶対値の総和を、当該総和が最も大きい窒素の値で割って規格化した衝突広がりと衝突シフトの影響を表す指数である。グラフより、衝突広がりと衝突シフトの影響が大きい緩衝ガスほど光ポンピング磁力計の性能指数を低下させることが分かる。したがって、光ポンピング磁力計の検出感度向上のために、使用する緩衝ガスはネオン、ヘリウム、アルゴン、窒素の順に好ましく、各種緩衝ガスにおいてガス圧は1 torr 以上50 torr以下の範囲で使用する。 As described above, the value of the figure of merit varies greatly depending on the type of buffer gas and the gas pressure. As a result, the number of alkali metal atoms that absorb and spin-polarize laser light varies depending on the type of buffer gas. While the buffer gas functions to alleviate the collision between the inner wall of the cell and the alkali metal atom, the alkali metal atom collides with the buffer gas, so that the absorption line of the alkali metal atom shifts or the absorption line spreads. The collision shift and collision shift of the D1 line due to collision between ¹³³ Cs and buffer gas reported in the spectroscopic study are shown in Fig. 8-A (W. Demtroder: Laser Spectroscopy, Springer (1998)). Therefore, the relationship between the figure of merit in the gas cells containing various buffer gases obtained in Fig. 7 and the effect of collision between ¹³³ Cs and various buffer gases (Fig. 8-A) was examined (Fig. 8-B). The vertical axis of the graph is a performance index normalized by dividing the maximum value of the performance index in various buffer gases obtained from FIG. 7 by the performance index of the gas cell in which neon having the largest performance index is enclosed. The horizontal axis of the graph is the collision spread normalized by dividing the sum of the absolute values of the collision spread and collision shift of ¹³³ Cs and various buffer gases obtained in Fig. 8-A by the value of nitrogen with the largest sum. And an index representing the impact of collision shift. From the graph, it can be seen that the performance index of the optically pumped magnetometer decreases as the buffer gas has a larger influence of collision spread and collision shift. Therefore, in order to improve the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer, the buffer gas to be used is preferably neon, helium, argon, and nitrogen in this order, and the gas pressure in each buffer gas is used in the range of 1 to 50 torr.

本発明の実施例４の光ポンピング磁力計において、ガスセル内のアルカリ金属が³⁹Kの場合には、当該ガスセル１１４に同封する緩衝ガスは衝突広がりと衝突シフトの影響が小さいネオン、ヘリウム、窒素、アルゴンの順に性能指数を大きくし、各種緩衝ガスにおいてガス圧は1 torr 以上50 torr以下の範囲で使用することが好ましい。 In the optical pumping magnetometer of Example 4 of the present invention, when the alkali metal in the gas cell is ³⁹ K, the buffer gas enclosed in the gas cell 114 is neon, helium, nitrogen, It is preferable that the figure of merit is increased in the order of argon, and the gas pressure is used in various buffer gases in the range of 1 to 50 torr.

本発明の実施例４の光ポンピング磁力計において、ガスセル内のアルカリ金属が⁸⁵Rbもしくは⁸⁷Rbの場合には、当該ガスセル１１４に同封する緩衝ガスは衝突広がりと衝突シフトの影響が小さいネオン、ヘリウム、アルゴンの順に性能指数を大きくし、各種緩衝ガスにおいてガス圧は1 torr 以上50 torr以下の範囲で使用することが好ましい。 In the optical pumping magnetometer according to the fourth embodiment of the present invention, when the alkali metal in the gas cell is ⁸⁵ Rb or ⁸⁷ Rb, the buffer gas enclosed in the gas cell 114 is neon, helium, which is less affected by collision spread and collision shift. It is preferable to increase the figure of merit in the order of argon and use the gas pressure in various buffer gases in the range of 1 to 50 torr.

本発明の実施例１乃至4何れか記載の光ポンピング磁力計において、使用するガスセルの内壁をパラフィンなどの飽和炭化水素やシランなどの水素化珪素でコーティングしたコートセルを使用してもよい。その際に、コートセルの品質を評価する場合に、性能指数を利用できる。 In the optical pumping magnetometer described in any one of Examples 1 to 4 of the present invention, a coat cell in which the inner wall of a gas cell to be used is coated with a saturated hydrocarbon such as paraffin or a silicon hydride such as silane may be used. At that time, the performance index can be used when evaluating the quality of the coat cell.

本発明の実施例１乃至4何れか記載の光ポンピング磁力計において、ガスセル１１４、静磁場印加用コイル１１５、RFコイル１１６をパーマロイなどの高透磁率である金属から成る磁気シールドボックスもしくは磁気シールドルーム内に収納して、環境磁気ノイズの影響を低減させて使用することが好ましい。その際に、偏光子１１２、λ/４波長板１１３、光検出器１１７も当該磁気シールドボックスもしくは当該磁気シールドルーム内に収めてもよい。その際は、当該偏光子１１２、当該λ/４波長板１１３、当該光検出器１１７の固定ホルダーは非磁性材を使用し、当該光検出器１１７は非磁性材から成るSiフォトダイオードなどを利用する。また、当該磁気シールドボックスもしくは磁気シールドルーム内への光路調整を簡易にするために、光ファィバーケーブルを使用してもよい。その際は、当該光ケーブルのコネクタにはホウケイ酸フェルールなどの非磁性材を用いる。 In the optical pumping magnetometer according to any one of the first to fourth embodiments of the present invention, the gas cell 114, the static magnetic field application coil 115, and the RF coil 116 are made of a magnetic shield box or a magnetic shield room made of a metal having a high magnetic permeability such as permalloy. It is preferable to use it while being housed in a reduced environmental magnetic noise effect. At that time, the polarizer 112, the λ / 4 wavelength plate 113, and the photodetector 117 may be housed in the magnetic shield box or the magnetic shield room. In this case, the polarizer 112, the λ / 4 wavelength plate 113, and the fixing holder of the photodetector 117 use a nonmagnetic material, and the photodetector 117 uses a Si photodiode made of a nonmagnetic material. To do. Further, an optical fiber cable may be used in order to easily adjust the optical path into the magnetic shield box or the magnetic shield room. In that case, a nonmagnetic material such as a borosilicate ferrule is used for the connector of the optical cable.

本発明の光ポンピング磁力計の性能評価に関する手法は、光ポンピング磁力計の基本構成機器で評価することができ、当該光ポンピング磁力計を動作させる際に確認する磁気共鳴スペクトルやCPT共鳴スペクトルを利用する手法であり、当該光ポンピング磁力計の検出感度評価だけでなく、センサー部のガスセルの個体差評価や、マルチチャンネル型の光ポンピング磁力計の各ガスセルの個体差の校正に有効である。本発明の性能評価により、地磁気計測測・金属探知計測・非破壊検査・生体磁気計測・磁気微粒子を利用した磁気免疫検査・磁気微粒子を利用した細菌検査など様々な精密磁場計測に役立つ。 The method for evaluating the performance of the optical pumping magnetometer of the present invention can be evaluated with the basic components of the optical pumping magnetometer, and uses the magnetic resonance spectrum and CPT resonance spectrum to be confirmed when operating the optical pumping magnetometer. This method is effective not only for detection sensitivity evaluation of the optical pumping magnetometer but also for individual difference evaluation of gas cells in the sensor unit and calibration of individual differences of each gas cell of the multi-channel optical pumping magnetometer. The performance evaluation of the present invention is useful for various precision magnetic field measurements such as geomagnetic measurement, metal detection measurement, nondestructive inspection, biomagnetism measurement, magnetic immunoassay using magnetic fine particles, and bacterial inspection using magnetic fine particles.

本発明の光ポンピング磁力計の検出感度を評価するための磁気共鳴型の光ポンピング磁力計の構成例（図１-A）と、当該構成を利用して得られる検出感度を評価するための磁気共鳴スペクトル（図１-B）を示す。A configuration example (FIG. 1-A) of a magnetic resonance type optical pumping magnetometer for evaluating the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer of the present invention, and a magnetism for evaluating the detection sensitivity obtained by using the configuration The resonance spectrum (FIG. 1-B) is shown. 本発明の光ポンピング磁力計の検出感度を評価するためのCPT共鳴型の光ポンピング磁力計の構成例（図２-A）と、当該構成を利用して得られる検出感度を評価するためのCPT共鳴スペクトル（図２-B）を示す。Configuration example (FIG. 2-A) of a CPT resonance type optical pumping magnetometer for evaluating the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer of the present invention, and CPT for evaluating the detection sensitivity obtained by using the configuration The resonance spectrum (FIG. 2-B) is shown. 本発明の光ポンピング磁力計の検出感度を評価するためのスピン交換緩和フリー型の光ポンピング磁力計の構成例（図３-A）と、当該構成を利用して得られる検出感度を評価するための磁気共鳴スペクトル（図３-B）を示す。In order to evaluate the detection sensitivity obtained by using the configuration example (FIG. 3-A) of the spin exchange relaxation-free type optical pumping magnetometer for evaluating the detection sensitivity of the optical pumping magnetometer of the present invention. Shows the magnetic resonance spectrum (FIG. 3-B). 磁気共鳴型の光ポンピング磁力計の振動磁場強度に対する検出感度の変化における従来手法の性能指数による評価（図４-A）と本手法の性能指数による評価（図４-B）との比較を示す。The comparison between the evaluation based on the figure of merit of the conventional method (Fig. 4-A) and the evaluation based on the figure of merit of the present method (Fig. 4-B) in the change of detection sensitivity with respect to the oscillating magnetic field intensity of the magnetic resonance type optical pumping magnetometer . 同じ正弦波磁気信号を検出する際の各振動磁場強度による光ポンピング磁力計の出力結果の違いを示す。The difference of the output result of the optical pumping magnetometer by each oscillating magnetic field intensity at the time of detecting the same sine wave magnetic signal is shown. ガスセル内に様々なガス圧（１、１０、５０、３００、１０００ torr）の各種緩衝ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素）を同封した¹³³Csセルにおける性能指数とガス圧との関係を表し、ヘリウムを使用した場合（図６-A）、ネオンを使用した場合（図６-B）、アルゴンを使用した場合（図６-C）、窒素を使用した場合（図６-D）を示す。Represents the relationship between the figure of merit and gas pressure in a ¹³³ Cs cell in which various buffer gases (helium, neon, argon, nitrogen) of various gas pressures (1, 10, 50, 300, 1000 torr) are enclosed in the gas cell, When helium is used (Fig. 6-A), neon is used (Fig. 6-B), argon is used (Fig. 6-C), and nitrogen is used (Fig. 6-D). ガスセル内にガス圧１ torrの各種緩衝ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素）を同封した¹³³Csセルにおける振動磁場強度に対する性能指数の変化を示す。The figure shows the change in the figure of merit with respect to the oscillating magnetic field strength in a ¹³³ Cs cell in which various buffer gases (helium, neon, argon, nitrogen) with a gas pressure of 1 torr are enclosed in the gas cell. Laser Spectroscopyから引用した¹³³Csと様々な緩衝ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素）との衝突による¹³³CsのD1線における衝突広がりと衝突シフト（図８-A）を表し、衝突広がりと衝突シフトから得られる衝突の影響と性能指数との関係（図８-B）を示す。Represents the collision spread and collision shift in the D1 line of ¹³³ Cs due to collision between ¹³³ Cs quoted from Laser Spectroscopy and various buffer gases (helium, neon, argon, nitrogen) (Fig. 8-A). Shows the relationship between the impact and the figure of merit obtained from (Figure 8-B).

Explanation of symbols

１１１・・・周波数安定化レーザー、１１２・・・偏光子、１１３・・・λ／４波長板、１１４・・・ガスセル、１１５・・・静磁場印加用コイル、１１６・・・ＲＦコイル、１１７・・・光検出器、１１８・・・ロックインアンプ、１１９・・・電圧制御発振器、１２０・・・電気光学変調器、１２１・・・マイクロ波シンセサイザー、１２２・・・周波数安定化レーザー（プローブ光用光源）、１２３・・・ファラデー変調器、１２４・・・チョッパ DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... Frequency stabilization laser, 112 ... Polarizer, 113 ... λ / 4 wavelength plate, 114 ... Gas cell, 115 ... Coil for applying a static magnetic field, 116 ... RF coil, 117・・・ Photodetector, 118 ... Lock-in amplifier, 119 ... Voltage controlled oscillator, 120 ... Electro-optic modulator, 121 ... Microwave synthesizer, 122 ... Frequency stabilized laser (probe) Light source), 123... Faraday modulator, 124... Chopper

Claims

An optical pumping magnetic force comprising a sensor unit made of a heat-resistant glass or quartz glass cell encapsulated with an alkali metal, a static magnetic field application coil for applying a static magnetic field to the cell, and an RF coil for applying an oscillating magnetic field to the cell In the meter, a photodetector that detects light from the light source that has passed through the cell, and a lock that phase-detects the signal from the photodetector using the signal from the voltage controlled oscillator that is the signal source of the RF coil as a reference signal The ratio of the peak value and line width of the magnetic resonance spectrum obtained from the output of the lock-in amplifier by sweeping the frequency of the oscillating magnetic field output from the RF coil with an in-amplifier. An optical pumping magnetometer comprising means for calculating as follows.

An optical pumping magnetic force comprising a sensor unit made of a heat-resistant glass or quartz glass cell encapsulated with an alkali metal, a static magnetic field application coil for applying a static magnetic field to the cell, and an electro-optic modulator for generating phase-modulated light In the meter, the signal from the light detector that detects light from the light source that has passed through the cell and the signal from the microwave synthesizer that is the signal source of the electro-optic modulator is used as a reference signal for phase detection of the signal from the light detector. The ratio of the peak value and the line width of the CPT resonance spectrum obtained from the output of the lock-in amplifier by sweeping the microwave frequency output from the microwave synthesizer. An optical pumping magnetometer comprising means for calculating as a figure of merit.

The sensor part consists of a heat-resistant glass or quartz glass cell filled with alkali metal and a static magnetic field application coil that applies a static magnetic field to the cell, and pump light for optical pumping and probe light for non-absorbing lines In the optical pumping magnetometer to be used, a photodetector that detects probe light that has passed through the cell, a chopper just before irradiating the cell with pump light, and a signal from the chopper as a reference signal from the photodetector. It has a lock-in amplifier that detects the phase of the signal. By sweeping the chopper frequency output from the chopper, the ratio between the peak value and the line width of the magnetic resonance spectrum obtained from the output of the lock-in amplifier is detected as the magnetic field detection sensitivity. An optical pumping magnetometer comprising means for calculating the figure of merit.

The optical pumping magnetometer according to any one of claims 1 to 3, wherein when the plurality of gas cells are manufactured by designing the type of alkali metal sealed in the gas cell and the shape and size of the gas cell, An optical pumping magnetometer that uses the performance index to select an optimum gas cell from among the gas cells, and uses the gas cell that maximizes the performance index as the optimal gas cell in the optical pumping magnetometer.

4. The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein when used as a multi-channel optical pumping magnetometer using a plurality of cells, the individual figure of merit obtained from each cell is made equal. An optical pumping magnetometer that calibrates variations in magnetic field detection sensitivity due to individual differences between the cells.

The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein the figure of merit is used to determine the optimum temperature of the cell, the incident laser power to the cell, and the optimum value of the oscillating magnetic field strength to the cell, The thermal insulation temperature at which the value of the figure of merit is maximized, the incident laser power at which the value of the figure of merit is maximized, and the intensity of the oscillating magnetic field at which the value of the figure of merit is maximized are the optimum values. An optical pumping magnetometer.

The optical pumping magnetometer according to claim 2, wherein the figure of merit is used to determine the optimum temperature of the cell, the laser power incident on the cell, and the optimum output power of the microwave synthesizer, The heat retention temperature at which the figure of merit value is maximized, the incident laser power at which the figure of merit value is maximized, and the output power of the microwave synthesizer at which the figure of merit value is maximized shall be the optimum values. An optical pumping magnetometer.

4. The optical pumping magnetometer according to claim 3, wherein the figure of merit is used in order to determine an optimum temperature of the cell, an incident power of the probe light to the cell, and an optimum value of the incident light of the pump light to the cell. Use, the temperature at which the value of the figure of merit is maximized, the incident power of the probe light at which the value of the figure of merit is maximized,
An optical pumping magnetometer, wherein the incident power of the pump light that maximizes the figure of merit is set to an optimum value for each.

4. The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein the wavelength of a light source for pumping in the optical pumping magnetometer is set to an alkali metal in the cell in order to improve the minimum magnetic field detection sensitivity of the optical pumping magnetometer. D1 line, and the buffer gas enclosed in the cell contains only one kind of rare gas or non-magnetic gas, and the gas pressure of the enclosed buffer gas is 1 to 50 torr Pumping magnetometer.

6. The optical pumping magnetometer according to claim 5, wherein when the alkali metal in the cell is ¹³³ Cs, neon, helium, argon, and nitrogen are less affected by collision shift and collision spread between the alkali metal and the buffer gas. An optical pumping magnetometer characterized by being an optimum buffer gas for increasing the figure of merit.

6. The optical pumping magnetometer according to claim 5, wherein when the alkali metal in the cell is ¹⁹ K, the influence of collision shift and collision spread between the alkali metal and the buffer gas is small in the order of neon, helium, nitrogen, and argon. An optical pumping magnetometer characterized by being an optimum buffer gas for increasing the figure of merit.

6. The optical pumping magnetometer according to claim 5, wherein when the alkali metal in the cell is ⁸⁵ Rb or ⁸⁷ Rb, the influence of collision shift and collision spread between the alkali metal and the buffer gas is small. An optically pumped magnetometer, which is an optimum buffer gas that sequentially increases the figure of merit.

4. The optical pumping magnetometer according to claim 1, wherein the inner wall of the cell is coated with a saturated hydrocarbon such as paraffin or silicon hydride such as silane.