JP6707317B2 - 原子磁力計及びその動作方法 - Google Patents
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Description
110:蒸気セル
122:帰還コイル
124:帰還増幅器
130:感知部
162:第1加熱部
164:第2加熱部
Claims (18)
- 円形偏光したポンプビームと線形偏光したプローブビームの提供を受け、アルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
前記蒸気セルを透過した前記プローブビームの提供を受けて、前記プローブビームの光磁気回転を測定する感知部と、
前記プローブビームと前記ポンプビームの進行方向によって定義される第1平面に垂直な負帰還磁場信号を生成して、前記蒸気セルに提供する帰還コイルと、
前記感知部の出力信号の提供を受けて、測定磁場に比例する前記負帰還磁場を生成するように前記帰還コイルに帰還電流を提供する帰還増幅部と、
を含む原子磁力計であって、
測定対象の測定磁場は、前記蒸気セルで前記プローブビームの光磁気回転を提供し、
前記帰還コイルと前記帰還増幅部は、前記原子磁力計の感知帯域幅(detection bandwidth)を拡張し、
前記原子磁力計の周波数応答(frequency response)は、零(zero)Hzから195Hzまでフラット(flat)であることを特徴とする原子磁力計。 - 前記蒸気セルの周りに配置されて、外部環境磁場を除去するように磁性体で構成された磁気遮蔽部をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の原子磁力計。
- 前記蒸気セルの周りに配置されて、外部環境磁場を除去するように相殺磁場を生成する磁場相殺部をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の原子磁力計。
- 前記磁場相殺部は、
x軸相殺磁場を生成するx軸相殺コイルと、
前記x軸相殺コイルに電流を供給するx軸相殺電源と、
前記x軸相殺磁場に垂直なz軸相殺磁場を生成するz軸相殺コイルと、
前記z軸相殺コイルに電流を供給するz軸相殺電源と、
前記第1平面に垂直なy軸相殺磁場を生成するy軸相殺コイルと、
前記y軸相殺コイルに直流電流を供給するy軸相殺電源と、
を含むことを特徴とする請求項3に記載の原子磁力計。 - 前記磁場相殺部は、
前記感知部の出力信号を入力で提供を受け、第1基準周波数成分を抽出して出力するx軸ロックインアンプと、
前記感知部の出力信号を入力で提供を受け、第2基準周波数成分を抽出して出力するz軸ロックインアンプと、
のうち、少なくとも1つをさらに含み、
前記x軸ロックインアンプは、前記第1基準周波数信号を前記x軸相殺電源に提供し、
前記z軸ロックインアンプは、前記第2基準周波数信号を前記z軸相殺電源に提供し、
前記x軸相殺電源は、前記x軸ロックインアンプの第1基準周波数信号及び前記z軸ロックインアンプの第2基準周波数成分の提供を受けて、前記第1基準周波数信号に変調して出力し、
前記z軸相殺電源は、前記z軸ロックインアンプの第2基準周波数信号及び前記x軸ロックインアンプの第1基準周波数成分の提供を受けて、前記第2基準周波数信号に変調して出力することを特徴とする請求項4に記載の原子磁力計。 - 前記蒸気セルは、
アルカリ金属蒸気としてカリウム(potassium;K)、ヘリウムバッファガス及び窒素クエンチングガスを含むメインセルと、
前記アルカリ金属蒸気の吸着を防止するステムセルと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の原子磁力計。 - 前記メインセルは、ボロシリケイトガラス(borosilicate glass)材質であり、
前記ステムセルは、アルミノシリケート(aluminosilicate)材質であることを特徴とする請求項6に記載の原子磁力計。 - 前記蒸気セルは、
六面体状のメインセルと、
前記メインセルに連結された円筒形状のステムセルと、
前記蒸気セルを加熱する加熱部と、
をさらに含み、
前記加熱部は、
熱線に5kHz乃至30kHzの交流を印加して、前記蒸気セルのメインセルをセ氏200度に加熱する第1加熱部と、
熱線に5kHz乃至30kHzの交流を印加して、前記ステムセルをセ氏185度に加熱する第2加熱部と、
を含み、
前記メインセルの温度と前記ステムセルの温度との間の差異は、一定に維持されることを特徴とする請求項1に記載の原子磁力計。 - 前記加熱部は、
下部面に貫通ホール及び側面に透明窓を含み、前記メインセルの周りを包むように配置された第1加熱ブロックと、
前記第1加熱ブロックの外周面を包むように配置された第1加熱コイルと、
前記第1加熱ブロックの貫通ホールと整列されて前記ステムセルの周りを包むように配置された第2加熱ブロックと、
前記第2加熱ブロックを包むように配置された第2加熱コイルと、
前記第1加熱ブロックを収納する断熱ブロックと、
を含み、
前記メインセルは、前記第1加熱ブロックの透明窓と整列されることを特徴とする請求項8に記載の原子磁力計。 - 前記断熱ブロックは、
中心に貫通ホール、前記貫通ホールと整列された陥没部、前記陥没部外郭に配置された突出部及び前記突出部の上部面に形成された整列トレンチを含む中心断熱ブロックと、
前記突出部の上部整列トレンチに挿入され、側面に形成された貫通ホールを含む上部断熱ブロックと、
前記突出部の下部面に形成された下部整列トレンチに挿入される下部断熱ブロックと、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の原子磁力計。 - 第2加熱ブロックの下部面と嵌め結合し、前記下部断熱ブロックと嵌め結合する支持ブロックと、
前記支持ブロック上に配置され、前記断熱ブロックを包むように配置される外部断熱ブロックと、
をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の原子磁力計。 - 前記ポンプビームを提供するポンプ光源と、
前記プローブビームを提供する照射光源と、
前記照射光源と前記蒸気セルとの間に配置されて、前記プローブビームの偏光回転角を所定の変調周波数に変調する変調部と、
前記変調周波数の基準変調周波数信号を前記変調部に提供し、前記感知部の出力信号の提供を受け、前記変調周波数成分又はその高調波成分を抽出するロックインアンプと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の原子磁力計。 - 原子磁力計の動作方法であって、
測定対象が生成した測定磁場の下で円形偏光したポンプビームと線形偏光したプローブビームを、アルカリ金属蒸気を含む蒸気セルに提供する段階と、
前記蒸気セルを透過した前記線形偏光したプローブビームから前記プローブビームの偏光状態によって感知部を用いて偏光回転信号を検出する段階と、
前記偏光回転信号を増幅して、前記測定磁場と反対方向の負帰還磁場を生成して、前記蒸気セルに提供する段階と、
を含む方法であり、
前記負帰還磁場を生成する帰還コイルと帰還増幅部は、前記原子磁力計の感知帯域幅(detection bandwidth)を拡張し、
前記原子磁力計の周波数応答(frequency response)は、零(zero)Hzから195Hzまでフラット(flat)であることを特徴とする方法。 - 前記偏光回転信号を検出する段階は、
前記蒸気セルを透過したプローブビームを互いに偏光方向が異なる第1偏光ビームと第2偏光ビームに分ける段階と、
前記第1偏光ビームの強さを測定し、前記第2偏光ビームの強さを測定する段階と、
前記第1偏光ビームの第1測定信号と、前記第2偏光ビームの第2測定信号との差異を用いて偏光回転角信号を抽出する段階と、
を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記偏光回転信号を検出する段階は、
前記蒸気セル前端において、前記プローブビームの偏光回転角を所定の変調周波数に変調する段階と、
前記蒸気セル及び線形偏光子を透過させて初期偏光状態で90度回転したプローブビームの強さを測定する段階と、
前記測定されたプローブビームの強さにおいて、変調周波数成分又はその高調波成分で前記プローブビームの偏光回転角を抽出する段階と、
を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記偏光回転信号を検出する段階は、
前記蒸気セル後端で1/4波長板及び変調部を透過させて、前記プローブビームの偏光回転角を所定の変調周波数に変調する段階と、
線形偏光子を透過させて、プローブビームの強さを測定する段階と、
前記測定されたプローブビームの強さにおいて、変調周波数成分又はその高調波成分で前記プローブビームの偏光回転角を抽出する段階と、
を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記方法は、前記測定対象が除去された状態で前記蒸気セルに影響を及ぼす外部環境磁場を除去するように相殺磁場を生成する段階をさらに含み、
前記相殺磁場は、ポンプビームとプローブビームが進行する第1平面に垂直なy軸相殺磁場、前記第1平面に並んでいるx軸相殺磁場及び前記x軸相殺磁場に垂直なz軸相殺磁場を含み、
前記y軸相殺磁場は、前記外部環境磁場の下で偏光回転角が零になるようにy軸DC値に設定され、
前記x軸相殺磁場は、前記外部環境磁場の下で前記偏光回転角が零になるようにx軸DC値に設定され、
前記z軸相殺磁場は、前記外部環境磁場の下で前記偏光回転角が零になるようにz軸DC値に設定されることを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 円形偏光したポンプビームと線形偏光したプローブビームの提供を受け、アルカリ金属蒸気を含む蒸気セルと、
前記蒸気セルを透過した前記線形偏光したプローブビームの提供を受けて、前記プローブビームの偏光回転角を測定する感知部と、
を含む原子磁力計の動作方法であって、
前記感知部の出力信号を増幅して、前記蒸気セルの感知帯域幅(detection bandwidth)を拡張するように測定対象の測定磁場と反対方向の負帰還磁場を生成して、前記蒸気セルに提供し、
前記原子磁力計の周波数応答(frequency response)は、零(zero)Hzから195Hzまでフラット(flat)であることを特徴とする方法。
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