特開 2022-186214 光励起磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022186214

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】光励起磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/26 20060101AFI20221208BHJP

   A61B 5/245 20210101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

G01R33/26

A61B5/245

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021094324

(22)【出願日】2021-06-04

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 右典

(72)【発明者】

【氏名】森谷 隆広

(72)【発明者】

【氏名】笈田 武範

(72)【発明者】

【氏名】須山 本比呂

(72)【発明者】

【氏名】小林 哲生

【テーマコード（参考）】

4C127

【Ｆターム（参考）】

4C127AA10

(57)【要約】

【課題】小型化が可能な光励起磁気センサを提供する。
【解決手段】光励起磁気センサ１は、測定対象上に第１のセル領域及び第２のセル領域を形成するセル２，２ｒと、ポンプレーザ７と、プローブレーザ８と、第１の方向に沿って、ポンプ光を第１のセル領域に入射させるための第１光学系と、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光を第２のセル領域に入射させるための第２光学系と、第１の方向に直交する第２の方向に沿って、第１のプローブ光を第１のセル領域に入射させるための第３光学系と、第２の方向に沿って、第２のプローブ光を第２のセル領域に入射させるための第４光学系と、第１のセル領域を通過した第１のプローブ光、及び、第２のセル領域を通過した第２のプローブ光を検出する検出部１８，１８ｒと、検出部１８，１８ｒの検出結果に基づいて、磁場の強度を導出する導出部１９と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルカリ金属の蒸気が封入され、測定対象に沿った第１の方向に沿って配置され、前記測定対象上に第１のセル領域及び第２のセル領域を形成する少なくとも一つのセルと、
アルカリ金属原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザと、
前記アルカリ金属原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光であって、第１のプローブ光及び第２のプローブ光を含む、前記プローブ光を出射するプローブレーザと、
前記第１の方向に沿って、前記ポンプ光を前記第１のセル領域に入射させるための第１光学系と、
前記第１の方向に沿って、前記第１のセル領域を通過したポンプ光を前記第２のセル領域に入射させるための第２光学系と、
前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って、前記第１のプローブ光を前記第１のセル領域に入射させるための第３光学系と、
前記第２の方向に沿って、前記第２のプローブ光を前記第２のセル領域に入射させるための第４光学系と、
前記第１のセル領域を通過した第１のプローブ光、及び、前記第２のセル領域を通過した第２のプローブ光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記第１のセル領域内における前記第１のプローブ光の前記磁気旋光角の変化から、前記ポンプ光と前記第１のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出し、前記第２のセル領域内における前記第２のプローブ光の前記磁気旋光角の変化から、前記第１のセル領域を通過したポンプ光と前記第２のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出する導出部と、
を備える、光励起磁気センサ。

【請求項2】

前記第１のセル領域及び前記第２のセル領域は、複数のセルによって形成される、請求項１に記載の光励起磁気センサ。

【請求項3】

前記複数のセルは、前記測定対象から離れる方向に沿って互いに離間して配置されており、
前記導出部は、前記第１のセル領域内に係る磁場の強度と前記第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行う、
請求項２に記載の光励起磁気センサ。

【請求項4】

前記複数のセルは、前記第１の方向に直交し且つ前記測定対象に沿った方向に互いに離間して配置されている、請求項２に記載の光励起磁気センサ。

【請求項5】

前記第１のセル領域及び前記第２のセル領域は、前記測定対象から離れる方向に沿って互いに離間しており、一つのセルによって形成され、
前記導出部は、前記第１のセル領域内に係る磁場の強度と前記第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行う、
請求項１に記載の光励起磁気センサ。

【請求項6】

前記少なくとも一つのセルは、前記第１の方向に交わる一対の端面であって、反射防止膜が取り付けられた前記端面を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。

【請求項7】

前記第２のセル領域を通過した前記ポンプ光の減衰を検出するための減衰検出部をさらに備え、
前記導出部は、前記減衰検出部の検出結果に基づいて、前記第１のセル領域内に係る磁場の強度及び前記第２のセル領域内に係る磁場の強度のうちの少なくとも一つを補正する、
請求項１～６のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。

【請求項8】

前記アルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、
前記ルビジウムの密度は前記カリウムの密度よりも小さく、
前記ポンプレーザは、前記ルビジウムの原子を励起して、前記ルビジウムの原子のスピン偏極を前記カリウムの原子に移すための前記ポンプ光を出射し、
前記プローブレーザは、前記カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するための前記プローブ光を出射する、
請求項１～７のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。

【請求項9】

前記第２光学系は、前記第１のセル領域を通過したポンプ光を折り返し、前記第２のセル領域に入射させる、請求項１～８のいずれか一項に記載の光励起磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光励起磁気センサに関する。

【背景技術】

【0002】

光励起磁気センサを用いた脳磁計が知られている（例えば特許文献１参照）。光励起磁気センサは、光ポンピングによってアルカリ金属原子を励起し、該原子のスピン偏極を用いることで微小な磁場を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許５８２３１９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光励起磁気センサを用いた脳磁計では、多数の光励起磁気センサが狭い間隔で配置される。そのため、光励起磁気センサの小型化が望まれている。

【0005】

本開示の一態様は、小型化が可能な光励起磁気センサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る光励起磁気センサは、アルカリ金属の蒸気が封入され、測定対象に沿った第１の方向に沿って配置され、測定対象上に第１のセル領域及び第２のセル領域を形成する少なくとも一つのセルと、アルカリ金属原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザと、アルカリ金属原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光であって、第１のプローブ光及び第２のプローブ光を含む、プローブ光を出射するプローブレーザと、第１の方向に沿って、ポンプ光を第１のセル領域に入射させるための第１光学系と、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光を第２のセル領域に入射させるための第２光学系と、第１の方向に直交する第２の方向に沿って、第１のプローブ光を第１のセル領域に入射させるための第３光学系と、第２の方向に沿って、第２のプローブ光を第２のセル領域に入射させるための第４光学系と、第１のセル領域を通過した第１のプローブ光、及び、第２のセル領域を通過した第２のプローブ光を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、第１のセル領域内における第１のプローブ光の磁気旋光角の変化から、ポンプ光と第１のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出し、第２のセル領域内における第２のプローブ光の磁気旋光角の変化から、第１のセル領域を通過したポンプ光と第２のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出する導出部と、を備える。

【0007】

本開示の一態様に係る光励起磁気センサでは、第１の方向に沿って、ポンプ光が第１のセル領域に入射すると共に、第２の方向に沿って、第１のプローブ光が第１のセル領域に入射する。第１のセル領域内では、ポンプ光と第１のプローブ光とで進行方向が直交する。そして、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光が第２のセル領域に入射すると共に、第２の方向に沿って、第２のプローブ光が第２のセル領域に入射する。第２のセル領域内では、第１のセル領域を通過したポンプ光と第２のプローブ光とで進行方向が直交する。すなわち、同一のポンプ光が複数のセル領域に亘って連続して入射する。そして、ポンプ光及び第１のプローブ光を用いてこれらが交差する領域に係る磁場の強度が導出され、ポンプ光及び第２のプローブ光を用いてこれらが交差する領域に係る磁場の強度が導出される。これにより、セル領域の数に対応するようにポンプ光を分岐したりポンプレーザを複数用意したりする必要がなくなる。したがって、ポンプ光に係る構成を簡易にすることができる。これにより、小型化が可能な光励起磁気センサを提供することができる。

【0008】

第１のセル領域及び第２のセル領域は、複数のセルによって形成されてもよい。これにより、各セルを小型化することができる。

【0009】

複数のセルは、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間して配置されてもよい。導出部は、第１のセル領域内に係る磁場の強度と第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行ってもよい。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のそれぞれに示されるため、これらの差分を算出することによってコモンモードノイズが除去される。これにより、光励起磁気センサの測定精度を向上させることができる。

【0010】

複数のセルは、第１の方向に直交し且つ測定対象に沿った方向に互いに離間して配置されていてもよい。このような構成によれば、測定対象に沿った水平な方向において、セルが隣り合う。隣り合うセルには同一のポンプ光が入射するため、セルごとにポンプ光に係る構成を用意する必要がなくなる。この場合、隣り合うセルの間隔を狭めることができるため、光励起磁気センサを小型化することができる。

【0011】

第１のセル領域及び第２のセル領域は、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間しており、一つのセルによって形成されてもよい。導出部は、第１のセル領域内に係る磁場の強度と第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行ってもよい。これにより、セルを簡易な構成とすることができる。また、コモンモードノイズが除去されることにより、光励起磁気センサの測定精度を向上させることができる。

【0012】

少なくとも一つのセルは、第１の方向に交わる一対の端面であって、反射防止膜が取り付けられた端面を有してもよい。このような構成によれば、ポンプ光が第１の方向に沿って第１のセル領域又は第２のセル領域に入出射する際、ポンプ光の反射による減衰が抑制される。これにより、ポンプレーザの電力を削減することができる。

【0013】

第２のセル領域を通過した前記ポンプ光の減衰を検出するための減衰検出部をさらに備えてもよい。導出部は、減衰検出部の検出結果に基づいて、第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のうちの少なくとも一つを補正してもよい。このような構成によれば、ポンプ光の減衰が考慮され、各セル領域内に係る磁場の強度が補正される。これにより、光励起磁気センサの測定精度を向上させることができる。

【0014】

アルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、ルビジウムの密度はカリウムの密度よりも小さく、ポンプレーザは、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射し、プローブレーザは、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射してもよい。このような構成によれば、ポンプ光がルビジウムの原子を励起させると、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起する。この現象は、カリウムとルビジウムのスピン交換相互作用によるものである。ポンプ光が密度の低いルビジウムを励起することにより、ポンプ光の減衰が抑制される。その結果、ポンプレーザの電力を削減することができる。

【0015】

第２光学系は、第１のセル領域を通過したポンプ光を折り返し、第２のセル領域に入射させてもよい。この場合、ポンプ光の光路を短く設定することが可能になるため小型化が可能な光励起磁気センサ１を提供することができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示の一態様によれば、小型化が可能な光励起磁気センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】光励起磁気センサの構成を示す図である。

【図2】第１実施形態におけるセルの一例を示す斜視図である。

【図3】第１実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。

【図4】第２実施形態におけるセルの一例を示す斜視図である。

【図5】第２実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。

【図6】第３実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。

【図7】第１変形例に係る光励起磁気センサの構成を示す図である。

【図8】第２変形例に係る光励起磁気センサの構成を示す図である。

【図9】バイアス磁場を示す概略図である。

【図10】脳磁計を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0019】

［第１実施形態］
図１は、光励起磁気センサ１の構成を示す図である。図１の（ａ）部は、光励起磁気センサ１を側面から見たときの構成を示す図である。図１の（ｂ）部は、光励起磁気センサ１を正面から見たときの構成を示す図である。光励起磁気センサ１は光ポンピングを利用して磁場を測定する装置である。本実施形態において、光励起磁気センサ１は脳磁測定に用いられるものとして説明するが、用途はこれに限られない。一例では、光励起磁気センサ１は脳磁場を測定対象とする。図１において、ｘ軸及びｙ軸は測定対象に沿った方向であり、ｚ軸は測定対象に交差する方向（測定対象から離れる方向）である。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は互いに直交する。以下、ｘ軸の正方向及び負方向を総称して「第１の方向」という。また、ｙ軸の正方向及び負方向を総称して「第２の方向」という。さらに、ｚ軸の正方向及び負方向を総称して「第３の方向」という。

【0020】

図１の（ａ）部に示されるように、光励起磁気センサ１は、セル２と、ヒータ３と、熱電対５と、ケース６と、ポンプレーザ７と、プローブレーザ８と、ミラー１０，１１と、分割部１２と、減衰検出部２０と、ポンプコネクタ７０と、プローブコネクタ８０と、を備える。

【0021】

セル２は、アルカリ金属の蒸気を封入する容器である。セル２は、測定対象に沿った第１の方向に沿って配置される。ここで、図２を参照して、セル２の詳細を説明する。セル２は、略直方体且つ有底筒状の形状を有する。セル２の長手方向に対して垂直な方向のセル２の断面は、例えば正方形である。セル２は、例えば、石英、サファイア、シリコン、コバールガラス、ホウケイ酸ガラス等の材料により構成され得る。セル２は、後述するポンプ光及びプローブ光に対して光透過性を有する。セル２は、ポンプ面２ａ，２ｂと、プローブ面２ｃ，２ｄと、上面２ｅと、下面２ｆと、封じ切り部２ｇとを有する。

【0022】

ポンプ面２ａ，２ｂは、第１の方向に交わる一対の端面である。ポンプ面２ａ，２ｂには、反射防止膜２００が取り付けられる。ポンプ面２ａには、第１の方向に沿ってポンプ光が入射する。ポンプ面２ｂは、第１の方向に沿ってポンプ光を出射する。ポンプ面２ａ，２ｂに対するポンプ光の入出射は逆方向でもよい。

【0023】

プローブ面２ｃ，２ｄは、第２の方向に交わる一対の平面である。プローブ面２ｃには、第２の方向に沿ってプローブ光が入射する。プローブ面２ｄは、第２の方向に沿ってプローブ光を出射する。プローブ面２ｃ，２ｄに対するプローブ光の入出射は逆方向でもよい。

【0024】

上面２ｅ及び下面２ｆは、第３の方向に交わる一対の平面である。セル２の上面２ｅには、後述するヒータ３等が取り付けられる。セル２の下面２ｆには、測定対象から発生する磁場が、測定対象に交差する方向に沿って入射する。

【0025】

封じ切り部２ｇは、アルカリ金属の蒸気を封入する際に設けられる端部である。封じ切り部２ｇは、例えば、上面２ｅのうちポンプ面２ｂに近接する領域に設けられる。封じ切り部２ｇは、上面２ｅを基端として、第３の方向に沿って上面２ｅから離れるように突出し、徐々に縮径される形状を有する。なお、従来の略直方体状のセルでは、アルカリ金属の蒸気を封入するための端部がセルの長手方向に突出して設けられていた。このため、従来の略直方体状のセルでは、セルの長手方向に一対の端面を設けることができなかった。一方、本実施形態における封じ切り部２ｇは上面２ｅに設けられる。これにより、セル２の長手方向において、ポンプ面２ａ，２ｂは一対の端面として設けられる。

【0026】

セル２は、アルカリ金属の蒸気を収容する。アルカリ金属は、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、及びセシウム（Ｃｓ）の少なくとも１種類以上とされてもよい。例えば、アルカリ金属は、カリウム及びルビジウムであってもよく、カリウムのみであってもよい。カリウムは、スピン破壊衝突（spin-destruction collision）緩和レートが光励起磁気センサで用いられるアルカリ金属の中でも比較的小さい。カリウムのスピン破壊衝突緩和レートは、例えばセシウム及びルビジウム等よりも小さい。従って、単一のアルカリ金属を採用する場合、カリウムのみを用いた光励起磁気センサは、セシウムのみ又はルビジウムのみを用いた光励起磁気センサよりも感度が高い。

【0027】

また、セル２は封入ガスを収容する。封入ガスは、アルカリ金属の蒸気のスピン偏極の緩和を抑制する。また、封入ガスは、アルカリ金属蒸気を保護するとともにノイズ発光を抑制する。封入ガスは、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ２）等の不活性ガスであってもよい。封入ガスは、例えばヘリウム及び窒素とされてもよい。

【0028】

図１の（ａ）部に戻り、セル２には、ヒータ３、及び熱電対５が取り付けられている。ヒータ３は、ヒータ電源（不図示）から供給される電流に応じて発熱する。ヒータ３は、セル２の内部温度を制御することによりアルカリ金属の蒸気密度を制御する。ヒータ３は、例えばセル２においてアルカリ金属としてカリウム及びルビジウムが収容されている場合、セル２の内部温度が１８０℃になるように加熱する。ヒータ３は、例えばセル２の上面２ｅに取り付けられる。熱電対５は、セル２の内部温度を測定する。熱電対５は、例えばセル２のプローブ面２ｃ又はプローブ面２ｄであって、プローブ光の光路を遮らない位置に取り付けられる。

【0029】

光励起磁気センサ１は、セル２と同様の構成であるセル２ｒを有する。セル２ｒ及びセル２は、測定対象から離れる方向（第３の方向）に沿って互いに離間して配置される。セル２ｒ及びセル２は、測定対象上に第１のセル領域及び第２のセル領域を形成する。第１のセル領域及び第２のセル領域は、光励起磁気センサ１による磁場を測定する領域に相当する。第１実施形態において、第１のセル領域はセル２ｒによって形成される。また、第２のセル領域はセル２によって形成される。すなわち、第１実施形態において、第１のセル領域及び第２のセル領域は、複数のセル２ｒ，２によって形成される。

【0030】

ポンプレーザ７は、アルカリ金属原子を励起するためのポンプ光を出射する。セル２に収容されたアルカリ金属原子は、ポンプ光により励起され、スピンの方向が揃う（スピン偏極）。ポンプ光の波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じて設定される。

【0031】

ポンプレーザ７は、セル２，２ｒに収容されるアルカリ金属がカリウム及びルビジウムである場合は、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射してもよい。この場合、ポンプ光によりルビジウムの原子が励起状態となる。そして、カリウムとルビジウムのスピン交換相互作用によって、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起状態となる。

【0032】

ポンプコネクタ７０は、ポンプレーザ７から出射されたポンプ光を光励起磁気センサ１の筐体内部に導入するコネクタである。ポンプコネクタ７０は、例えば、セル２ｒのポンプ面２ｂに対しｘ軸の正方向に近接した位置に配置される。

【0033】

プローブレーザ８は、アルカリ金属原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射する。プローブ光は、第１のプローブ光及び第２のプローブ光を含む。第１のプローブ光及び第２のプローブ光は、１つのプローブ光がファイバ分岐等により分割されたプローブ光であってもよいし、複数のプローブレーザ８により出射されたプローブ光であってもよい。プローブ光は、アルカリ金属の蒸気を通過する際に、アルカリ金属原子のスピン偏極の状態の影響を受けて、磁気旋光角が変化する。この磁気旋光角の変化が検出されることにより、スピン偏極の状態が導出可能となる。プローブ光の波長は、アルカリ金属の蒸気を構成する原子の種類（より詳細には吸収線の波長）に応じて設定される。例えばセル２においてアルカリ金属としてカリウムのみが収容されている場合、プローブ光の波長は、ポンプ光の波長（例えば７７０．１ｎｍ）から離調し、例えば７７０ｎｍ程度とされる。プローブ光の波長がポンプ光の波長から離調することによって、プローブ光がカリウムに吸収されることが抑制される。

【0034】

アルカリ金属としてカリウム及びルビジウムがセル２に収容されている場合、プローブレーザ８は、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射してもよい。励起に用いるルビジウムの密度は、プローブに用いるカリウムの密度よりも小さく設定される。ルビジウムの密度がカリウムの密度よりも小さい場合、励起によるポンプ光の減衰が抑制される。これにより、セル２が細長い形状であっても、ポンプ面２ａから２ｂ、あるいはポンプ面２ｂから２ａまで到達する。その結果、ポンプ光はルビジウムを均一に励起することができる。よって、光励起磁気センサ１は、セル２内において均一な感度を得ることができる。

【0035】

プローブコネクタ８０は、プローブレーザ８から出射されたプローブ光を光励起磁気センサ１の筐体内部に導入するコネクタである。

【0036】

ミラー１０，１１は、ポンプ光を９０度の角度で反射するポンプ光用ミラーである。ミラー１０は、セル２ｒのポンプ面２ａに対しｘ軸の負方向に近接した位置に配置される。ミラー１１は、ミラー１０に対しｚ軸の負方向に離れ、且つ、セル２のポンプ面２ａに対し近接した位置に配置される。

【0037】

減衰検出部２０は、第２のセル領域を通過したポンプ光の減衰を検出する。減衰検出部２０は、フォトダイオードにより構成される。減衰検出部２０は、例えば、セル２のポンプ面２ｂに対しｘ軸の正方向に近接した位置に配置される。減衰検出部２０は、複数のセル２ｒ，２を連続して通過後のポンプ光の強度に応じた信号を生成して出力する。

【0038】

分割部１２は、プローブ光を複数に分割する。分割部１２は、例えば、セル２とセル２ｒとの間に配置されると共に、プローブコネクタ８０に対しｘ軸の負方向に離れて並んで配置される。分割部１２には、ｘ軸の負方向に向けてプローブ光が入射する。分割された各プローブ光の数は、光励起磁気センサ１が磁場を測定できるチャンネル（ｃｈ）数に対応する。また、チャンネル数に応じて、プローブ光の光路上の各構成の数も異なり得る。一例では、分割部１２は、プローブ光を４つのプローブ光に分割する。この場合、分割部１２はビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、１２ＢＳｃ、及びミラー１２Ｍによって構成される。ビームスプリッタ１２ＢＳａ，１２ＢＳｂ，１２ｂＳｃは、入射した光成分の一部を透過し、残りの光成分を透過面とは異なる面から出力する。ミラー１２Ｍは、入射した光を９０度の角度で反射する。ビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、１２ＢＳｃ、及びミラー１２Ｍは、ｘ軸の負方向に沿ってこの順で配置される。

【0039】

ビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、及び１２ＢＳｃの透過率はそれぞれ異なる。例えば、ビームスプリッタ１２ＢＳａ、１２ＢＳｂ、及び１２ＢＳｃの透過率はそれぞれ、７５％、６６．６％、及び５０％とされてもよい。この場合、ビームスプリッタ１２ＢＳａは、入射した光成分のうち、７５％をｘ軸の負方向に透過して、残りの２５％をｙ軸の負方向に出力する。ビームスプリッタ１２ＢＳｂは、ビームスプリッタ１２ＢＳａを透過した光成分のうち、６６．６％をｘ軸の負方向に透過して、残りの３３．３％をｙ軸の負方向に出力する。ビームスプリッタ１２ＢＳｃは、ビームスプリッタ１２ＢＳｂを透過した光成分のうち、５０％をｘ軸の負方向に透過して、残りの５０％をｙ軸の負方向に出力する。ミラー１２Ｍは、ビームスプリッタ１２ＢＳｃを透過した光成分をｙ軸の負方向に反射する。このように、分割部１２は、ｙ軸の負方向に沿ってプローブ光を４つに分割する。４つのプローブ光はそれぞれ、分割前（分割部１２に導かれる前）のプローブ光の２５％の光成分を有する。

【0040】

図１の（ｂ）部に示されるように、光励起磁気センサ１は、ミラー１３，１４，１５，１７と、偏光ビームスプリッタ１６と、検出部１８と、導出部１９と、をさらに備える。図１の（ｂ）部では、ミラー１０，１１を省略している。

【0041】

ミラー１３，１４は、分割部１２によって分割された各プローブ光を９０度の角度で反射するプローブ光用ミラーである。ミラー１３は、分割部１２に対しｙ軸の負方向に近接して配置される。ミラー１４は、ミラー１３に対しｚ軸の負方向に離れ、且つ、セル２のプローブ面２ｃに近接して配置される。

【0042】

ミラー１５，１７は、セル２を通過した各プローブ光を９０度の角度で反射するプローブ光用ミラーである。ミラー１５は、ミラー１４に対し、セル２を挟んでｙ軸の正方向に離れて配置される。

【0043】

偏光ビームスプリッタ１６は、入射した光に含まれる第１の磁気旋光角度を有する第１の光成分を透過し、そのほかの磁気旋光角度を有する第２の光成分を透過面とは異なる面から出力する。例えば、第１の磁気旋光角度は、プローブレーザ８から出射されたプローブ光が有する磁気旋光角度に対して４５度傾いた角度である。第２の光成分は、第１の磁気旋光角度に対して９０度傾いた角度である。よって、セル２に磁場が与えられない場合、第１、第２の磁気旋光角度を有するプローブ光の光量は等しい。また、セル２に磁場が与えられた場合、アルカリ金属原子のスピン偏極が変化し、プローブ光がセル２の内部を通過する際にその偏波面が変化するので磁場の強度に応じて光量のバランスが変化する。偏光ビームスプリッタ１６は、ミラー１５に対しｚ軸の正方向に離れて配置される。

【0044】

ミラー１７は、偏光ビームスプリッタ１６により出力された各プローブ光を９０度の角度で反射するプローブ光用ミラーである。ミラー１７は、偏光ビームスプリッタ１６に対しｙ軸の正方向に近接して配置される。ミラー１７は、偏光ビームスプリッタ１６に対しｚ軸の正方向に近接して配置されてもよい。

【0045】

検出部１８は、第１のセル領域を通過した第１のプローブ光、及び、第２のセル領域を通過した第２のプローブ光を検出する。検出部１８は、チャンネルの数に対応する一対のフォトダイオードにより構成される。検出部１８を構成する一対のフォトダイオードは、それぞれ、偏光ビームスプリッタ１６及びミラー１７に対しｚ軸の正方向に近接して配置される。ミラー１７が偏光ビームスプリッタ１６に対してｚ軸の正方向に配置されている場合には、検出部１８は、偏光ビームスプリッタ１６及びミラー１７に対しｙ軸の正方向に近接して配置されてもよい。検出部１８には、偏光ビームスプリッタ１６により透過又は出力された第１の光成分及び第２の光成分が、一対のフォトダイオードにそれぞれ入射する。検出部１８は、第１の光成分の強度に応じた信号、及び第２の光成分の強度に応じた信号を生成して出力する。

【0046】

光励起磁気センサ１は、ミラー１３ｒ，１４ｒ，１５ｒ，１７ｒと、偏光ビームスプリッタ１６ｒと、検出部１８ｒと、をさらに備える。これらの構成はそれぞれ、上述したミラー１３，１４，１５，１７、偏光ビームスプリッタ１６、及び検出部１８と同様の機能を有する。

【0047】

ミラー１３ｒは、分割部１２に対しｙ軸の負方向に近接して配置される。ミラー１４ｒは、ミラー１３ｒに対しｚ軸の正方向に離れ、且つ、セル２ｒのプローブ面２ｃに近接して配置される。ミラー１５ｒは、ミラー１４ｒに対し、セル２ｒを挟んでｙ軸の正方向に離れて配置される。偏光ビームスプリッタ１６ｒは、ミラー１５ｒに対しｚ軸の正方向に離れて配置される。ミラー１７ｒは、偏光ビームスプリッタ１６ｒに対しｙ軸の負方向に近接して配置される。ミラー１７ｒは、偏光ビームスプリッタ１６ｒに対しｚ軸の正方向に近接して配置されてもよい。検出部１８ｒを構成する一対のフォトダイオードは、それぞれ、偏光ビームスプリッタ１６ｒ及びミラー１７ｒに対しｚ軸の正方向に近接して配置される。ミラー１７ｒが偏光ビームスプリッタ１６ｒに対してｚ軸の正方向に配置されている場合には、検出部１８ｒは、偏光ビームスプリッタ１６ｒ及びミラー１７ｒに対しｙ軸の負方向に近接して配置されてもよい。

【0048】

導出部１９は、検出部１８，１８ｒ及び減衰検出部２０からの出力信号を取得する。導出部１９は、検出部１８ｒの検出結果に基づいて、第１のセル領域内における第１のプローブ光の磁気旋光角の変化から、ポンプ光と第１のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出する。導出部１９は、検出部１８の検出結果に基づいて、第２のセル領域内における第２のプローブ光の磁気旋光角の変化から、第１のセル領域を通過したポンプ光と第２のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出する。

【0049】

導出部１９は、第１のセル領域内に係る磁場の強度と第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行う。このような光励起磁気センサ１は、一次微分軸型グラジオメータとして構成される。

【0050】

導出部１９は、減衰検出部２０の検出結果に基づいて、第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のうちの少なくとも一つを補正する。例えば、導出部１９は、減衰検出部２０の検出結果に基づき、セル２を通過したポンプ光の減衰を導出する。一例では、導出部１９は、例えばポンプレーザ７から出力されたポンプ光の信号強度と、減衰検出部２０により検出されたポンプ光の信号強度とに基づいて、ポンプ光の減衰を導出する。導出部１９は、導出したポンプ光の減衰と所定の関数とを用いて、第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のうちの少なくとも一つを補正する。

【0051】

導出部１９は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかる導出部１９としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートフォン、タブレット端末などが挙げられる。導出部１９は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。

【0052】

図３は、第１実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。図３では、光励起磁気センサ１の構成を簡略化して示している。まず、ポンプ光の光路について、図３の（ａ）部を参照して説明する。図３の（ａ）部は光励起磁気センサ１を側面から見た図である。図３の（ａ）部は、測定対象からｚ軸の正方向に沿って磁場が発生していることを示す。

【0053】

ポンプ光ＬＰは、ポンプコネクタ７０によって光励起磁気センサ１の筐体内部に導入されると共に、ｘ軸の負方向に出射される。セル２ｒのポンプ面２ｂには、ｘ軸の負方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。このように、ポンプコネクタ７０は、第１の方向に沿って、ポンプ光ＬＰを第１のセル領域に入射させるための第１光学系として機能する。

【0054】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の負方向に沿ってセル２ｒ内を通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２ｒのポンプ面２ａから出射される。ミラー１０は、セル２ｒを通過したポンプ光ＬＰをｚ軸の負方向に反射する。続いて、ミラー１１は、ミラー１０により反射されたポンプ光ＬＰをｘ軸の正方向に反射する。セル２のポンプ面２ａには、ｘ軸の正方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。このように、ミラー１０，１１は、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光を第２のセル領域に入射させるための第２光学系として機能する。また、ミラー１０，１１は、第１のセル領域を通過したポンプ光を折り返し、第２のセル領域に入射させる。

【0055】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の正方向に沿ってセル２内を通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２のポンプ面２ｂから出射される。減衰検出部２０には、セル２を通過したポンプ光ＬＰが入射する。

【0056】

次に、プローブ光の光路について説明する。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２は、プローブコネクタ８０によって光励起磁気センサ１の筐体内部に導入されると共に、ｘ軸の負方向に出射される。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２はそれぞれ、分割部１２により４つのプローブ光に分割され、ｙ軸の負方向に出射される。以下、図３の説明において、プローブ光ＬＢ１は４つに分割されているものとし、プローブ光ＬＢ２も４つに分割されているものとする。

【0057】

図３の（ｂ）部は光励起磁気センサ１を正面から見た図である。図３の（ｂ）部はポンプ光ＬＰの図示を省略している。ミラー１３ｒは、分割部１２から出力されたプローブ光ＬＢ１をｚ軸の正方向に反射する。ミラー１４ｒは、ミラー１３ｒにより反射されたプローブ光ＬＢ１をｙ軸の正方向に反射する。セル２ｒのプローブ面２ｃには、ｙ軸の正方向に沿ってプローブ光ＬＢ１が入射する。このように、分割部１２及びミラー１３ｒ，１４ｒは、第１の方向に直交する第２の方向に沿って、第１のプローブ光を第１のセル領域に入射させるための第３光学系として機能する。

【0058】

プローブ光ＬＢ１は、ｙ軸の正方向に沿ってセル２ｒ内を通過する。プローブ光ＬＢ１は、セル２ｒのプローブ面２ｄから出射される。ミラー１５ｒは、セル２ｒを通過したプローブ光ＬＢ１をｚ軸の正方向に反射する。偏光ビームスプリッタ１６ｒは、ミラー１５ｒにより反射されたプローブ光ＬＢ１の第１の光成分をｚ軸の正方向に透過し、第２の光成分をｙ軸の負方向に出力する。ミラー１７ｒは、偏光ビームスプリッタ１６ｒにより透過されたプローブ光ＬＢ１の第１の光成分をｙ軸の負方向に反射する。検出部１８ｒの一対のフォトダイオードには、プローブ光ＬＢ１の第１の光成分及び第２の光成分がそれぞれ入射する。

【0059】

ミラー１３は、分割部１２から出力されたプローブ光ＬＢ２をｚ軸の負方向に反射する。ミラー１４は、ミラー１３により反射されたプローブ光ＬＢ２をｙ軸の正方向に反射する。セル２のプローブ面２ｃには、ｙ軸の正方向に沿ってプローブ光ＬＢ２が入射する。このように、分割部１２及びミラー１３，１４は、第２の方向に沿って、第２のプローブ光を第２のセル領域に入射させるための第４光学系として機能する。

【0060】

プローブ光ＬＢ２は、ｙ軸の正方向に沿ってセル２内を通過する。プローブ光ＬＢ２は、セル２のプローブ面２ｄから出射される。ミラー１５は、セル２を通過したプローブ光ＬＢ２をｚ軸の正方向に反射する。偏光ビームスプリッタ１６は、ミラー１５により反射されたプローブ光ＬＢ２の第１の光成分をｚ軸の正方向に透過し、第２の光成分をｙ軸の正方向に出力する。ミラー１７は、偏光ビームスプリッタ１６により透過されたプローブ光ＬＢ２の第１の光成分をｙ軸の正方向に反射する。検出部１８の一対のフォトダイオードには、プローブ光ＬＢ２の第１の光成分及び第２の光成分がそれぞれ入射する。

【0061】

このようにして、ポンプ光ＬＰは、第１のセル領域をｘ軸の負方向（第１の方向）に進む。プローブ光ＬＢ１は、第１のセル領域をｙ軸の正方向（第２の方向）に進む。第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ１は、第１のセル領域において直交する。その結果、一次微分軸型グラジオメータにおける各チャンネルの参照領域が形成される。

【0062】

また、ポンプ光ＬＰは、第２のセル領域をｘ軸の正方向（第１の方向）に進む。プローブ光ＬＢ２は、第２のセル領域をｙ軸の正方向（第２の方向）に進む。第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ２は、第２のセル領域において直交する。その結果、一次微分軸型グラジオメータにおける各チャンネルの測定領域が形成される。

【0063】

図３の（ａ）部に示されるように、第１のセル領域において、１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆが形成される。また、第２のセル領域において、１番目の測定領域ｃｈ１が形成される。１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆ及び１番目の測定領域ｃｈ１は、第３の方向に沿って互いに離間している。１番目の測定領域ｃｈ１は、１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆよりも測定対象に近い。そのため、１番目の測定領域ｃｈ１は、測定対象から発生する磁場の感度を高くすることができる。ここで、１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆ及び１番目の測定領域ｃｈ１は、いずれもコモンモードノイズの影響を受け得る。一次微分軸型グラジオメータでは、１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆと、１番目の測定領域ｃｈ１に係る磁場の強度との差分を算出することによって、コモンモードノイズの影響を打ち消すことができる。

【0064】

以上説明したように、第１実施形態に係る光励起磁気センサ１は、アルカリ金属の蒸気が封入され、測定対象に沿った第１の方向に沿って配置され、測定対象上に第１のセル領域及び第２のセル領域を形成する少なくとも一つのセル２と、アルカリ金属原子を励起するためのポンプ光を出射するポンプレーザ７と、アルカリ金属原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光であって、第１のプローブ光及び第２のプローブ光を含む、プローブ光を出射するプローブレーザ８と、第１の方向に沿って、ポンプ光を第１のセル領域に入射させるための第１光学系と、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光を第２のセル領域に入射させるための第２光学系と、第１の方向に直交する第２の方向に沿って、第１のプローブ光を第１のセル領域に入射させるための第３光学系と、第２の方向に沿って、第２のプローブ光を第２のセル領域に入射させるための第４光学系と、第１のセル領域を通過した第１のプローブ光、及び、第２のセル領域を通過した第２のプローブ光を検出する検出部１８，１８ｒと、検出部１８，１８ｒの検出結果に基づいて、第１のセル領域内における第１のプローブ光の磁気旋光角の変化から、ポンプ光と第１のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出し、第２のセル領域内における第２のプローブ光の磁気旋光角の変化から、第１のセル領域を通過したポンプ光と第２のプローブ光とが直交した領域に係る磁場の強度を導出する導出部１９と、を備える。

【0065】

この光励起磁気センサ１では、第１の方向に沿って、ポンプ光が第１のセル領域に入射すると共に、第２の方向に沿って、第１のプローブ光が第１のセル領域に入射する。第１のセル領域内では、ポンプ光と第１のプローブ光とで進行方向が直交する。そして、第１の方向に沿って、第１のセル領域を通過したポンプ光が第２のセル領域に入射すると共に、第２の方向に沿って、第２のプローブ光が第２のセル領域に入射する。第２のセル領域内では、第１のセル領域を通過したポンプ光と第２のプローブ光とで進行方向が直交する。すなわち、同一のポンプ光が複数のセル領域に亘って連続して入射する。そして、ポンプ光及び第１のプローブ光を用いてこれらが交差する領域に係る磁場の強度が導出され、ポンプ光及び第２のプローブ光を用いてこれらが交差する領域に係る磁場の強度が導出される。これにより、セル領域の数に対応するようにポンプ光を分岐したりポンプレーザ７を複数用意したりする必要がなくなる。したがって、ポンプ光に係る構成を簡易にすることができる。これにより、小型化が可能な光励起磁気センサ１を提供することができる。

【0066】

第１のセル領域及び第２のセル領域は、複数のセル２ｒ，２によって形成されている。これにより、各セル２ｒ，２を小型化することができる。

【0067】

複数のセル２ｒ，２は、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間して配置されており、導出部１９は、第１のセル領域内に係る磁場の強度と第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行っている。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のそれぞれに示されるため、これらの差分を算出することによってコモンモードノイズが除去される。これにより、光励起磁気センサ１の測定精度を向上させることができる。

【0068】

少なくとも一つのセル２は、第１の方向に沿った一対のポンプ面２ａ，２ｂであって、反射防止膜２００が取り付けられた２ａ，２ｂを有している。このような構成によれば、ポンプ光が第１の方向に沿って第１のセル領域又は第２のセル領域に入出射する際、ポンプ光の反射による減衰が抑制される。これにより、ポンプレーザ７の電力を削減することができる。

【0069】

本実施形態は、第２のセル領域を通過した前記ポンプ光の減衰を検出するための減衰検出部２０をさらに備えている。導出部１９は、減衰検出部２０の検出結果に基づいて、第１のセル領域内に係る磁場の強度及び第２のセル領域内に係る磁場の強度のうちの少なくとも一つを補正している。このような構成によれば、ポンプ光の減衰が考慮され、各セル領域内に係る磁場の強度が補正される。これにより、光励起磁気センサ１の測定精度を向上させることができる。

【0070】

本実施形態では、セル２に収容されるアルカリ金属はカリウム及びルビジウムであり、ルビジウムの密度はカリウムの密度よりも小さく、ポンプレーザ７は、ルビジウムの原子を励起して、ルビジウムの原子のスピン偏極をカリウムの原子に移すためのポンプ光を出射し、プローブレーザ８は、カリウムの原子の励起状態におけるスピン偏極により生じる磁気旋光角の変化を検出するためのプローブ光を出射している。このような構成によれば、ポンプ光がルビジウムの原子を励起させると、ルビジウムの原子のスピン偏極がカリウムの原子に移り、カリウムの原子が励起する。この現象は、カリウムとルビジウムのスピン交換相互作用によるものである。ポンプ光が密度の低いルビジウムを励起することにより、ポンプ光の減衰が抑制される。その結果、ポンプレーザ７の電力を削減することができる。

【0071】

本実施形態では、第２光学系は、第１のセル領域を通過したポンプ光を折り返し、第２のセル領域に入射させている。この場合、ポンプ光の光路を短く設定することが可能になるため小型化が可能な光励起磁気センサ１を提供することができる。

【0072】

［第２実施形態］
図４及び図５を参照しながら、第２実施形態に係る光励起磁気センサ１Ａについて説明する。光励起磁気センサ１Ａは、第１のセル領域及び第２のセル領域が一つのセル２Ａによって形成される点で、第１実施形態に係る光励起磁気センサ１と異なる。

【0073】

図４は、第２実施形態におけるセル２Ａの一例を示す斜視図である。セル２Ａは、第１実施形態におけるセル２と同様の機能を有するが、形状が異なる。セル２Ａは、略直方体且つ有底筒状の形状を有する。セル２Ａの長手方向に対して垂直な方向のセル２の断面は、例えば長方形である。セル２Ａは、セル２よりも、第３の方向に延伸するように形成される。セル２Ａは、仮想的に規定された空間である第１空間２０１Ａ及び第２空間２０２Ａを有する。第１空間２０１Ａ及び第２空間２０２Ａは、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間している。第１空間２０１Ａは、第１のセル領域を形成する。第２空間２０２Ａは、第２のセル領域を形成する。すなわち、第２実施形態において、第１のセル領域及び第２のセル領域は、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間しており、一つのセル２Ａによって形成される。

【0074】

図５は、第２実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。図５では、光励起磁気センサ１Ａの構成を簡略化して示している。まず、ポンプ光の光路について、図５の（ａ）部を参照して説明する。図５の（ａ）部は光励起磁気センサ１Ａを側面から見た図である。図５の（ａ）部は、測定対象からｚ軸の正方向に沿って磁場が発生していることを示す。

【0075】

ポンプ光ＬＰは、ポンプコネクタ７０によって光励起磁気センサ１Ａの筐体内部に導入されると共に、ｘ軸の負方向に出射される。セル２Ａのポンプ面２ｂには、ｘ軸の負方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。

【0076】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の負方向に沿ってセル２Ａの第１空間２０１Ａを通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２Ａのポンプ面２ａから出射される。ミラー１０は、セル２Ａの第１空間２０１Ａを通過したポンプ光ＬＰをｚ軸の負方向に反射する。続いて、ミラー１１は、ミラー１０により反射されたポンプ光ＬＰをｘ軸の正方向に反射する。セル２Ａのポンプ面２ａには、ｘ軸の正方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。

【0077】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の正方向に沿ってセル２の第２空間２０２Ａを通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２Ａのポンプ面２ｂから出射される。減衰検出部２０には、セル２Ａを通過したポンプ光ＬＰが入射する。

【0078】

次に、プローブ光の光路について説明する。プローブ光ＬＢは、プローブコネクタ８０によって光励起磁気センサ１Ａの筐体内部に導入されると共に、ｘ軸の負方向に出射される。プローブ光ＬＢはそれぞれ、分割部１２により４つのプローブ光に分割され、ｙ軸の負方向に出射される。以下、図５の説明において、プローブ光ＬＢは４つに分割されているものとする。

【0079】

図５の（ｂ）部は光励起磁気センサ１Ａを正面から見た図である。図５の（ｂ）部はポンプ光ＬＰの図示を省略している。図５の（ｂ）部に示されるように、光励起磁気センサ１Ａは、ビームスプリッタ１４ＢＳを備える。ビームスプリッタ１４ＢＳは、ミラー１３ｒに対しｚ軸の負方向に近接して配置される。

【0080】

ミラー１３ｒは、分割部１２から出力されたプローブ光ＬＢをｚ軸の負方向に反射する。ビームスプリッタ１４ＢＳは、ミラー１３ｒにより反射されたプローブ光ＬＢのうち、５０％をプローブ光ＬＢ１としてｙ軸の負方向に出力し、残りの５０％をプローブ光ＬＢ２としてｚ軸の負方向に透過する。セル２Ａのプローブ面２ｃには、ｙ軸の正方向に沿ってプローブ光ＬＢ１が入射する。このように、分割部１２、ミラー１３ｒ、及びビームスプリッタ１４ＢＳは、第１の方向に直交する第２の方向に沿って、第１のプローブ光を第１のセル領域に入射させるための第３光学系として機能する。

【0081】

ミラー１４は、ビームスプリッタ１４ＢＳにより出力されたプローブ光ＬＢ２をｙ軸の正方向に反射する。セル２のプローブ面２ｃには、ｙ軸の正方向に沿ってプローブ光ＬＢ２が入射する。このように、分割部１２、ミラー１３ｒ、ビームスプリッタ１４ＢＳ、ミラー１４は、第２の方向に沿って、第２のプローブ光を第２のセル領域に入射させるための第４光学系として機能する。

【0082】

プローブ光ＬＢ１は、ｙ軸の正方向に沿ってセル２Ａの第１空間２０１Ａを通過する。プローブ光ＬＢ２は、ｙ軸の正方向に沿ってセル２Ａの第２空間２０２Ａを通過する。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２は、セル２Ａのプローブ面２ｄから出射される。セル２Ａを通過した後のプローブ光ＬＢ１，ＬＢ２の光路は、第１実施形態に係る光励起磁気センサ１におけるプローブ光ＬＢ１，ＬＢ２の光路と同様である。

【0083】

このようにして、第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ１は、セル２Ａの第１空間２０１Ａ（第１のセル領域）において直交する。その結果、一次微分軸型グラジオメータにおける各チャンネルの参照領域が形成される。一例では、図５の（ａ）部に示されるように、第１のセル領域において、１番目の参照領域ｃｈ１－ｒｅｆが形成される。

【0084】

また、第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ２は、セル２Ａの第２空間２０２Ａ（第２のセル領域）において直交する。その結果、一次微分軸型グラジオメータにおける各チャンネルの測定領域が形成される。一例では、第２のセル領域において、１番目の測定領域ｃｈ１が形成される。

【0085】

以上説明したように、第２実施形態に係る光励起磁気センサ１Ａは、セル２Ａを備える。第１のセル領域及び第２のセル領域は、測定対象から離れる方向に沿って互いに離間しており、一つのセル２Ａによって形成されている。導出部１９は、第１のセル領域内に係る磁場の強度と第２のセル領域内に係る磁場の強度との差分を算出することによって、ノイズ除去処理を行っている。これにより、セル２Ａを簡易な構成とすることができる。また、コモンモードノイズが除去されることにより、光励起磁気センサ１Ａの測定精度を向上させることができる。

【0086】

［第３実施形態］
図６を参照しながら、第３実施形態に係る光励起磁気センサ１Ｂについて説明する。光励起磁気センサ１Ｂは、第１のセル領域及び第２のセル領域を形成する複数のセルが第２の方向に沿って互いに離間して配置される点で、第１実施形態に係る光励起磁気センサ１と異なる。

【0087】

図６は、第３実施形態におけるポンプ光及びプローブ光の光路を示す概略図である。図６は、光励起磁気センサ１Ａを上面から見た図である。図６では、光励起磁気センサ１Ｂの構成を簡略化して示している。

【0088】

光励起磁気センサ１Ｂは、第１実施形態におけるセル２と同様の構成であるセル２１，２２，２３，２４を備える。セル２１，２２，２３，２４は、ｙ軸の正方向に沿ってこの順で、互いに離間して配置される。すなわち、複数のセルは、第１の方向に直交し且つ測定対象に沿った方向（第２の方向）に互いに離間して配置されている。第３実施形態において、第１のセル領域及び第２のセル領域は、順序付けられて配置されたセルのペアによって形成される。例えば、セル２１が第１のセル領域を形成すると共に、セル２２が第２のセル領域を形成する。また、セル２２が第１のセル領域を形成すると共に、セル２３が第２のセル領域を形成する。このように、セルが３つ以上ある場合、２つのセルをペアとして第１のセル領域及び第２のセル領域を形成してもよい。

【0089】

ポンプ光ＬＰは、ポンプコネクタ７０によって光励起磁気センサ１Ｂの筐体内部に導入されると共に、ｘ軸の負方向に出射される。セル２１のポンプ面２ｂには、ｘ軸の負方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。

【0090】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の負方向に沿ってセル２１内を通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２１のポンプ面２ａから出射される。ミラー１０は、セル２１を通過したポンプ光ＬＰをｙ軸の正方向に反射する。続いて、ミラー１１は、ミラー１０により反射されたポンプ光ＬＰをｘ軸の正方向に反射する。セル２２のポンプ面２ａには、ｘ軸の正方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。

【0091】

ポンプ光ＬＰは、ｘ軸の正方向に沿ってセル２２内を通過する。ポンプ光ＬＰは、セル２２のポンプ面２ｂから出射される。ミラー１０は、セル２２を通過したポンプ光ＬＰをｙ軸の正方向に反射する。続いて、ミラー１１は、ミラー１０により反射されたポンプ光ＬＰをｘ軸の負方向に反射する。セル２３のポンプ面２ｂには、ｘ軸の負方向に沿ってポンプ光ＬＰが入射する。

【0092】

ポンプ光ＬＰは、上述したセル２１及びセル２２における光路と同様に、セル２３及びセル２４を通過する。減衰検出部２０には、セル２４を通過したポンプ光ＬＰが入射する。

【0093】

プローブレーザ８は、プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４を含むプローブ光を出射してもよい。プローブレーザ８は、出射したプローブ光をファイバ分岐等によりプローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４に分割してもよい。あるいは、光励起磁気センサ１Ｂはプローブレーザ８を複数備えてもよい。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４は、プローブコネクタ８０によって光励起磁気センサ１Ａの筐体内部に導入されると共に、それぞれｘ軸の負方向に出射される。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４はそれぞれ、分割部１２により４つのプローブ光に分割され、ｙ軸の負方向に出射される。以下、図６の説明において、プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４はそれぞれ、４つに分割されているものとする。プローブ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４はそれぞれ、ミラー１３，１４（図３の（ｂ）部参照）により、セル２１，２２，２３，２４内に導かれる。

【0094】

このようにして、第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ１は、セル２１において直交する。第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ２は、セル２２において直交する。第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ３は、セル２３において直交する。第１の方向に沿ったポンプ光ＬＰ及び第２の方向に沿ったプローブ光ＬＢ４は、セル２４において直交する。その結果、各チャンネルの測定領域が形成される。一例では、配置順序が１番目のセル２１内において、１番目の測定領域ｃｈ１１が形成される。また、セル２１内において、チャンネルが４番目の測定領域ｃｈ１４が形成される。同様に、配置順序が４番目のセル２４内において、１番目の測定領域ｃｈ４１が形成される。また、セル２４内において、チャンネルが４番目の測定領域ｃｈ４４が形成される。

【0095】

以上説明したように、第３実施形態に係る光励起磁気センサ１Ｂは、セル２１，２２，２３，２４を備える。複数のセル２１，２２，２３，２４は、第１の方向に直交し且つ測定対象に沿った方向に互いに離間して配置されていてもよい。このような構成によれば、測定対象に沿った水平な方向において、セル２１，２２，２３，２４が隣り合う。隣り合うセルには同一のポンプ光ＬＰが入射するため、セルごとにポンプ光に係る構成を用意する必要がなくなる。この場合、隣り合うセルの間隔を狭めることができるため、光励起磁気センサ１Ｂを小型化することができる。

【0096】

［変形例］
本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

【0097】

図７は、第１変形例に係る光励起磁気センサ１Ｃの構成を示す図である。図７の（ａ）部は、光励起磁気センサ１Ｃを側面から見たときの構成を示す図である。図７の（ｂ）部は、光励起磁気センサ１Ｃを正面から見たときの構成を示す図である。光励起磁気センサ１Ｃは、１つの筐体内に４ｃｈの光励起磁気センサ１を４セット有する。すなわち、光励起磁気センサ１Ｃは、合計１６チャンネル分の磁場を導出する。図７では、ポンプレーザ７、プローブレーザ８、及び導出部１９の図示を省略している。

【0098】

光励起磁気センサ１Ｃにおけるポンプ光及びプローブ光の光路は、上述した光励起磁気センサ１におけるポンプ光及びプローブ光の光路と同様である（図３参照）。この光励起磁気センサ１Ｃによっても、セル領域の数に対応するようにポンプ光を分岐したりポンプレーザ７を複数用意したりする必要がなくなる。したがって、ポンプ光に係る構成を簡易にすることができる。これにより、小型化が可能な光励起磁気センサ１Ｃを提供することができる。

【0099】

図８は、第２変形例に係る光励起磁気センサ１Ｄの構成を示す図である。図８の（ａ）部は、光励起磁気センサ１Ｄを側面から見たときの構成を示す図である。図８の（ｂ）部は、光励起磁気センサ１Ｄを正面から見たときの構成を示す図である。図８の（ａ）部に示されるように、光励起磁気センサ１Ｄは、ポンプコネクタ７０の配置位置、及びミラー１０によるポンプ光の反射方向が光励起磁気センサ１Ｃとは異なる。図８では、ポンプレーザ７、プローブレーザ８、及び導出部１９の図示を省略している。

【0100】

光励起磁気センサ１Ｄでのポンプコネクタ７０は、例えば２つのポンプレーザ７を含んで構成される。ミラー１０は、ポンプ光をｙ軸方向に反射し、ｙ軸方向に隣り合う光励起磁気センサ１のミラー１１に入射させる。このように反射することにより、光励起磁気センサ１Ｄにおけるポンプ光の光路は、上述した光励起磁気センサ１Ｂにおけるポンプ光と同様となる（図６参照）。その結果、図８の（ｂ）部に示されるように、光励起磁気センサ１Ｄでは、ｙ軸方向に隣り合うセル２同士及び２ｒ同士に同一のポンプ光が連続して入射する。すなわち、光励起磁気センサ１Ｄにおけるポンプ光の光路は、光励起磁気センサ１Ｂにおけるポンプ光の光路が、一次微分軸型グラジオメータにおける各チャンネルの参照領域と測定領域との両方に適用される。光励起磁気センサ１Ｄにおいて、ポンプコネクタ７０は、４つのセル２又はセル２ｒの中でポンプ光を最初に入射させるセル２又はセル２ｒに対し、ｘ軸の正方向に近接して配置される。光励起磁気センサ１Ｄにおいて、減衰検出部２０は、４つのセル２又はセル２ｒを通過した後のポンプ光が入射する位置に配置される。光励起磁気センサ１Ｄにおけるプローブ光の光路は、上述した光励起磁気センサ１Ｃにおけるプローブ光と同様である（図７参照）。ポンプ光及びプローブ光の光路について見ると、光励起磁気センサ１Ｄは、光励起磁気センサ１Ｂと光励起磁気センサ１Ｃとを組み合わせたものと言える。この光励起磁気センサ１Ｄによっても、セル領域の数に対応するようにポンプ光を分岐したりポンプレーザ７を複数用意したりする必要がなくなる。したがって、ポンプ光に係る構成を簡易にすることができる。これにより、小型化が可能な光励起磁気センサ１Ｄを提供することができる。

【0101】

図９は、バイアス磁場を示す概略図である。図９に示される光励起磁気センサ１Ｄは、例えば６０×６０ｍｍ^２のフットプリントにおいて、ｙ軸方向に１０ｍｍの間隔で光励起磁気センサ１と同様の構成が４セット配置され、１６チャンネル分の磁場を導出する。光励起磁気センサ１Ｄは、バイアス磁場形成用コイル２５を備えてもよい。バイアス磁場形成用コイル２５は、コイル電源（不図示）から供給される電流に応じて、セル２が配置される領域にバイアス磁場Ｂを発生させる。バイアス磁場形成用コイル２５は、例えば光励起磁気センサ１Ｄを周回するコイルシステムとすることができる。バイアス磁場Ｂの方向は、例えば、セル２の内部を通過するポンプ光の光路と同一方向（ｘ軸の正方向）である。光励起磁気センサ１Ｄにおける磁場の感度のピーク周波数は、バイアス磁場Ｂの強度によって調整することができる。ピーク周波数は、光励起磁気センサ１Ｄが測定する対象に応じて変更され得る。例えば光励起磁気センサ１Ｄを脳磁測定に用いる場合、磁場の感度のピーク周波数は、脳磁場の周波数帯域である数～数百Ｈｚである。一例では、バイアス磁場形成用コイル２５が７ｎＴのバイアス磁場Ｂを形成すると、光励起磁気センサ１Ｄのピーク周波数が５０Ｈｚに調整される。

【0102】

図１０は、光励起磁気センサ１Ｃを用いた脳磁計１００を示す概略図である。脳磁計１００は、複数の光励起磁気センサ１Ｃと、非磁性フレーム２６と、を備える。複数の光励起磁気センサ１Ｃは、例えば測定対象に沿って所定の間隔で配置される。光励起磁気センサ１Ｃが１２個配置された場合、脳磁計１００は合計１９２チャンネル分の磁場を導出する。光励起磁気センサ１のうち、セル２，２ｒの温度は、例えば１８０℃に調整され得る。なお、脳磁計１００は、光励起磁気センサ１Ｃの代わりに、光励起磁気センサ１Ｄを備えてもよい。

【0103】

非磁性フレーム２６は、脳磁測定における被測定者の頭部の全域を覆うヘルメット型のフレームである。非磁性フレーム２６は、グラファイト等の非磁性体材料により構成される。非磁性フレーム２６には、被測定者の頭部に近接するように複数の光励起磁気センサ１Ｃが固定されている。非磁性フレーム２６は、断熱材等により、被測定者の頭部への熱移動を抑制する。

【0104】

光励起磁気センサ１Ｃは、読み出し回路２７を備える。読み出し回路は、光励起磁気センサ１の検出結果を取得する回路である。読み出し回路２７の温度は、例えば２５℃になるように断熱材等により調整され得る。読み出し回路２７は、検出部１８，１８ｒであってもよい。脳磁計１００では、導出部１９が外部に配置されてもよい。このような導出部１９は、複数の読み出し回路２７からの検出結果を取得し、複数の光励起磁気センサ１Ｃにおける磁場を一括して導出してもよい。

【0105】

実施形態ではポンプ光及びプローブ光のサイズを規定していないが、それぞれ任意のサイズに成形されてもよい。例えば、プローブ光は、高さが幅よりも小さくなるように形成されてもよい。高さとは、セル２に導かれる際のプローブ光において、第３の方向に沿った光路のサイズを示す。幅とは、セル２に導かれる際のプローブ光において、第１の方向に沿った光路のサイズを示す。この場合、プローブ光用ミラーであるミラー１３，１３ｒ，１４，１４ｒ，１５，１５ｒのサイズを小さくすることができる。これにより、小型化が可能な光励起磁気センサ１を提供することができる。

【符号の説明】

【0106】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…光励起磁気センサ、２，２ｒ，２Ａ…セル、７…ポンプレーザ、８…プローブレーザ、１３，１３ｒ、１４，１４ｒ、１５，１５ｒ…ミラー、１２…分割部、１４ＢＳ…ビームスプリッタ、１８，１８ｒ…検出部、１９…導出部、２０…減衰検出部、７０…ポンプコネクタ、８０…プローブコネクタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】