JP6707317B2 - 原子磁力計及びその動作方法 - Google Patents

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Description

本発明は、原子磁力計に関し、より詳細には、負帰還（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を有する原子磁力計に関する。
超高感度の磁場センサ（磁力計）である光ポンピング原子磁力計技術に基づき、心磁図／脳磁図などの生体磁気測定装置の開発及び測定／分析技術は、２１世紀のトレンドである安全で健康な生活を求めるユーヘルス（ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ Ｈｅａｌｔｈ；Ｕ−Ｈｅａｌｔｈ）時代の次世代超高感度即席診断システムの超高感度の磁場センサ（磁力計）である光ポンピング原子磁力計技術に基づき、心磁図／脳磁図などの生体磁気測定装置の開発及び測定／分析技術は、２１世紀のトレンドである安全で健康な生活を求めるユーヘルス（ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ Ｈｅａｌｔｈ；Ｕ−Ｈｅａｌｔｈ）時代の次世代超高感度即席診断システムの技術の核心である。
特に、高感度磁場測定技術は、純粋学問から産業企業に至るまで幅広い関心をもって研究されている分野である。磁場測定技術は、測定範囲に応じて応用の方向が変わる。また、近年、超小型原子磁力計がＮＩＳＴのＰ．Ｓｃｈｗｉｎｄｔによって開発されてユビキタス技術に盛り込まれて、携帯型磁気共鳴映像、埋設爆発物探知機、リモートミネラル測定器などに応用される研究が進められることが予想される。
近年研究されたスピン交換弛緩のない（Ｓｐｉｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ Ｆｒｅｅ：ＳＥＲＦ）方式の原子磁力計は、ＳＱＵＩＤセンサに匹敵する感度を見せながら、常温で冷媒無しで使用することができる。したがって、ＳＥＲＦ基盤の原子磁力計は、従来、長い期間研究されてきたＳＱＵＩＤ精密計測分野全部で代替活用が可能である。結果的に原子磁力計技術の開発は、優秀な磁気測定応用技術をさらに深化して発展させるきっかけになる。
特に、ＳＥＲＦ方式の原子磁力計は、非冷却脳磁図／心磁図測定技術開発に広く応用される。ＳＥＲＦ方式原子磁力計技術と生体磁気計測技術、原子時計技術、分光学技術の結合を通して原子磁力計分野での世界先導的研究開発が予想される。今後の研究は、精密絶対磁場測定技術の発展と各種の磁場基盤の非破壊検査技術開発に広く応用される。
既存精密磁気測定のために用いられた技術は、磁気共鳴（核磁気共鳴、光ポンピングなど）、ホール効果（Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）やｆｌｕｘｇａｔｅ原理を用いた磁場測定器（ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）など、多様な方法で研究されてきた。磁場の測定方法によって、それぞれ異なる長所と短所を有している。ｆｌｕｘｇａｔｅ磁力計は、測定方法が単純であるため、簡単に作製することができるが、低磁場測定に限界がある。
磁場は、最も根本的であり、何処でも観測可能な物理量のうちの１つであり、全ての電磁気的現象の情報を伝達する。高感度磁場測定技術は、純粋学問から産業企業に至るまで幅広い関心をもって研究されている分野である。現在の磁場に最も敏感な高感度磁場測定装置としては、ＳＱＵＩＤに基づいたセンサがある。しかし、理論的測定限界と超伝導現象のための極低温冷却にかかる費用とこれを維持管理する費用が非常に大きいため、広く普及していないのが実情である。
これを克服するために、光と共鳴する原子との相互作用を用いる磁力計に対する研究が活発に進められている。このような原子磁力計の敏感度は、ＳＱＵＩＤ基盤磁力計の敏感度を上回るか、またはそれ以上である。これを通してＳＱＵＩＤセンサだけで測定が可能であった生体磁場を、冷却及び維持の必要がない原子磁力計を通して測定することができるために、てんかん、脳機能マッピング、心筋梗塞、不整脈、胎児機能などの医療診断に有用な生体磁気診断技術が広く普及することができる。
高感度磁場測定技術においては、近年、原子とレーザの相互作用を用いた微小磁場測定に関する多くの研究が、理論と実験の両面において進められている。
Ｓｃｕｌｌｙグループは、コヒーレント原子媒質での非線形光磁気効果による微小磁場測定限界を理論的に計算した。この研究によれば、Ｒｂ原子を用いた際の磁場測定の敏感度の限界は、０.６ｆＴ／Ｈｚ１／２であった。
２００３年、Ｒｏｍａｌｉｓグループは、光ポンピングによるＬａｍｏｒ ｓｐｉｎ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎを検出する方法として、０.５４ｆＴ／Ｈｚ１／２の感度で磁場測定が可能であることを示した。
また、２００４年、ＮＩＳＴのＨｏｌｌｂｅｒｇグループは、コヒーレント・ポピュレーション・トラッピング（ＣＰＴ）現象を用いて高さ３.９ｍｍ、体積１２ｍｍ３を有する磁場測定センサを開発した。このセンサの感度は、約５０ｐＴ／Ｈｚ１／２と測定された。
２００６年、Ｂｕｄｋｅｒグループは、ａｎｔｉ−ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇされた直径３ｍｍの旧型セルを製作して磁場測定センサを開発した。このセンサの感度は、４ｐＴ／Ｈｚ１／２で測定されたと報告された。
また、近年、超小型原子磁力計がＮＩＳＴのＰ．Ｓｃｈｗｉｎｄｔによって開発されて、ユビキタス技術に盛り込まれて、携帯型磁気共鳴映像、埋設爆発物探知機、リモートミネラル測定器などに応用される研究が進められることが予想される。
近年、Ｒｏｍａｌｉｓグループは、カリウム原子でＳＥＲＦ（Ｓｐｉｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｆｒｅｅ）の領域で磁場測定感度が１６０ａＴ／Ｈｚ１／２である原子磁力計を開発した。
本発明の解決しようとする技術的課題は、外部磁場によって変化する原子のスピン歳差運動を原子と光の相互作用を通して外部磁場の強さと方向を測定して、小さい金属物質や生体で発生する微小磁場を測定することにおいて、負帰還（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を有する微小磁場測定技術を提供することにある。
本発明の一実施例による原子磁力計は、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、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、を含み、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する。
本発明の一実施例において、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）を拡張する。
本発明の一実施例において、前記原子磁力計の周波数応答（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、零（ｚｅｒｏ）Ｈｚから数百Ｈｚまでフラット（ｆｌａｔ）である。
本発明の一実施例において、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がさらに含まれる。
本発明の一実施例において、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がさらに含まれる。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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軸相殺電源部は、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軸相殺電源部は、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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、を含み、前記蒸気セルを加熱する加熱部をさらに含む。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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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、がさらに含まれる。
本発明の一実施例による原子磁力計の動作方法は、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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、前記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。
本発明の一実施例において、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がさらに含まれる。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前記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。
本発明の一実施例による原子磁力計は、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。前記原子磁力計の動作方法は、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する。
本発明の一実施例において、前記原子磁力計の周波数応答（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、零（ｚｅｒｏ）Ｈｚから数百Ｈｚまでフラット（ｆｌａｔ）である。
本発明の一実施例による生体磁場測定方法は、生体磁場を発生させる測定対象をスピン−交換弛緩のない（Ｓｐｉｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｆｒｅｅ）原子磁力計を用いて測定信号を測定する段階と、前記測定信号を増幅して前記生体磁場と反対方向の負帰還磁場を生成して前記原子磁力計に提供する段階と、を含む。前記原子磁力計の周波数応答は、負帰還によってローレンツ型を有し、前記周波数応答のカットオフ周波数（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃは、数百Ｈｚである。
本発明の一実施例による原子磁力計は、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、前記円形偏光したポンプビームを提供するポンプレーザと、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駆動信号を生成して、前記ポンプ光源の光量を制御するポンプビーム光量変調部と、を含み、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する。
本発明の一実施例において、前記ポンプビーム光量変調部は、前記感知部の出力信号の提供を受けて前記駆動信号を出力する電気光学変調器駆動部と、前記駆動信号の提供を受けてポンプビームの偏光状態を変更する電気光学変調器と、前記電気光学変調器を通過したポンプビームで特定の偏光成分を抽出する偏光ビーム分離器と、を含む。
本発明の一実施例による原子磁力計の動作方法は、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と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用いて円形偏光したポンプビームの強さを負帰還制御する段階と、を含む。
本発明の一実施例によると、ＳＥＲＦ領域で負帰還を使用して原子磁力計（ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）の測定帯域幅（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を拡張することができる。
本発明の一実施例によると、負帰還の使用を使用した場合、零から１９０Ｈｚまでのフラット−周波数応答が達成された。フラット−周波数応答（ｆｌａｔ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、１００Ｈｚで３ｆＴ／Ｈｚ１／２の敏感度を維持し、負帰還の使用を使用していない場合に比べて３倍増加した。
本発明の一実施例による原子磁力計を示す概念図である。 試験磁場の下で、図１の原子磁力計の負帰還を説明するブロック図である。 測定磁場の下で、図１の原子磁力計の負帰還を説明するブロック図である。 図１の原子磁力計の周波数応答を示す図面である。 本発明の他の実施例による原子磁力計を説明する斜視図である。 図４の原子磁力計を説明する平面図である。 図４の原子磁力計の断熱ブロックを説明する斜視図である。 図６の断熱ブロックとその内部の加熱ブロックを説明する分解斜視図である。 図７のＩ−Ｉ’線に沿って切った断面図である。 残留磁場を相殺することを説明するブロック図である。 測定対象の測定磁場を測定することを説明するブロック図である。 本発明の一実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。 本発明の他の実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。 本発明の更なる他の実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。 ＳＥＲＦ領域で試験磁場Ｂｙの関数による光磁気回転信号を示す図面である。 図５の原子磁力計の周波数応答を示す。 多重周波数に対する６００ｐＴの振幅を有する入力振動磁場に対する周波数応答を示す図面である。 周波数ドメインでの試験磁場を示す。 図１７Ａの試験磁場信号を測定した時間ドメインで測定信号を示す。 図１７Ｂの測定信号を拡大したグラフである。 本発明の一実施例による原子磁力計のノイズスペクトラムを表示する図面である。 本発明の他の実施例による原子磁力計を示す概念図である。
光を用いた光学磁力計（Ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）に関する研究がＳＱＵＩＤｓの限界を克服する１つの方法として活発に進行している。現在までの光学磁力計分野の研究は、大きく２つの方向に要約することができる。それらは、磁場による媒質の屈折率変化の程度を測定する方法と、磁気副準位の移動程度を測定する方法とに大別される。前者は光ポンピング磁力計（ＯＰＭ；Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用い、後者は原子コヒーレントポピュレーショントラッピング磁力計（ＣＰＴＭ；ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いる。
基本的な原子磁力計の原理は、磁場の下で原子スピンのＬａｒｍｏｒ歳差周波数を測定することによって、外部磁場を測定するものである。
原子磁力計の敏感度は、測定された信号の線幅と雑音によって決定される。
原子磁力計の敏感度を向上させる方法は、大きく分けて２つある。
第１の方法は、原子と原子を含む蒸気セルの壁面との衝突を防ぐ方法である。この方法においては、主に緩衝気体が含まれた蒸気セルとパラフィンがコーティングされた蒸気セルが用いられる。一般的にアルカリ金属原子の基底準位の間のコヒーレント時間に最も大きい影響を与える要素は、蒸気セルの壁と原子の衝突である。緩衝気体には、主にＨｅとＮ２のようにアルカリ金属原子と衝突しても、コヒーレント状態変化に影響を与えない分子が用いられる。このような緩衝気体は、アルカリ金属原子が蒸気セルの壁面へ広がることを防ぎ、アルカリ金属原子とプローブビームとの相互作用時間を増やす役割を果たす。
第２の方法は、原子密度を向上する方法である。この方法においては、原子密度が高くなると、アルカリ金属原子同士のスピン交換衝突が磁力計の敏感度を左右する。この場合、原子のスピンは保存されるが、原子コヒーレンスは緩和される。
近年、基底準位の間のスピン交換衝突による緩和を完璧に除去するスピン交換弛緩方法が知られている。ＳＥＲＦ磁力計は、代表的なＯＰＭである。弱い磁場の下でラーモア（Ｌａｒｍｏｒ）の周波数が原子間のスピン交換速度より遥かに小さければ、スピン交換による緩和を減らすことができる。このような構図で、原子は、それぞれの原子の歳差方向と同一の方向に歳差運動するが、その歳差周波数は平均的であることになる。つまり、原子の歳差周波数は、それぞれの原子が有する歳差周波数より小さくなり、原子は、原子準位にさらに長く留まることになる。このような方法を基にした磁力計は、実験的に０.５４ｆＴ／Ｈｚ１／２の敏感度を有し、理論的に０.０１ｆＴ／Ｈｚ１／２の敏感度を有する。
近年、原子磁力計は、体積が約１０ｍｍ３であるマイクロメータ単位の大きさで製作された蒸気セルを用いて開発されている。このような装置は、簡単に移動可能であり、数ｍＷの小さいレーザパワを要求する。また、装置全体の体積は、１０ｃｍ３より小さい。
原子磁力計においては、ポンプビームによって一定の方向に整列された原子の偏極（例えば、磁気モーメント）の方向が、外部磁場によって変わるようになる。このとき、原子の偏極状態は、プローブビームの偏光回転程度を測定することによって判明する。つまり、プローブビームの偏光回転角を測定して、磁場に対する原子の状態を測定することにより、磁場を測定することができる。一般的にポンプビームとプローブビームの方向は、互いに垂直である。しかし、ＣＰＴ基盤の構図では、線偏光された光の回転方向が互いに反対である円形偏光成分をポンプビームとプローブビームで用いるため、２つの光の方向は同一である。
外部磁場に対する敏感度を向上させるためには、スピン緩和によるコヒーレント緩和を最小化しなければならない。スピン緩和は、スピン−交換衝突による緩和、スピン−破壊緩和及びコヒーレント媒質で充填された、ガラス容器の壁面との衝突による緩和がある。高い原子密度でコヒーレント密度間のスピン−交換衝突は、スピン緩和に最も大きい寄与をしている。このような衝突で２つの原子のスピン方向は、スピンの区分をすることができるか否かによって変わるが、総運動量は保存される。
このような効果は、コヒーレント媒質で実験に使用されるアルカリ−アルカリ金属間の相互作用がスピンシングレット（ｓｐｉｎ−ｓｉｎｇｌｅｔ）とスピントリプレット（ｓｐｉｎ−ｔｒｉｐｌｅｔ）のポテンシャルを有するために生じる。スピンシングレットのポテンシャルとスピントリプレットのポテンシャルとの間の非常に大きいエネルギ差は、アルカリ金属原子間の衝突において、波動関数の位相差を引き起こし、結果的に電子のスピン状態の交換を起こす。スピン交換衝突は、超微細原子レベル間の相互作用において非常に早く起きるため、衝突した原子の核スピンには影響を与えることはできない。しかし、衝突によって原子は、超微細状態を交換する。すなわち、スピン交換衝突によって、ゼーマン磁気副準位の間に原子の再分配が起こる。原子の超微細エネルギで２つの基底準位は、周波数は同じであるが、方向が反対に歳差するので、２つの超微細エネルギの間のコヒーレント緩和が起きる。しかし、十分に小さい磁場下で原子の密度が高ければ、つまり、スピン−交換比が歳差周波数より十分に大きければ、個々の原子は、非常に小さい角度で歳差運動する。したがって、基底準位のゼーマン磁気副準位（Ｚｅｅｍａｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｂｌｅｖｅｌ）にある全ての原子は、非常に小さい周期を有する。相対的にさらに多いゼーマン磁気副準位（Ｚｅｅｍａｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｂｌｅｖｅｌ）が存在するＦ＝Ｉ＋１／２準位に、原子がさらに長い時間の間留まる。特に、Ｆ＝Ｉ＋１／２準位のｍＦ＝Ｉ＋１／２磁気副準位に原子が偏極され、すべての原子は同じ方向と同じ周波数を有する歳差運動をする。このような方法を通して、２つの超微細準位の原子は同一の歳差運動をし、スピン−交換衝突はこれ以上スピン緩和に影響を与えない。
スピン−交換の弛緩を除去するためには、数ｎＴの小さい磁場と媒質の高い密度が必要である。それだけでなく、蒸気セル周りの磁場は、測定しようとする磁場のほかには存在してはならない。数ｎＴの磁場を発生するために、レーザの進行平面と垂直な方向に磁場相殺コイルを作って磁場の遮蔽装置内で媒質周りの磁場が０Ｔに近いように調節しなければならない。また、数ｎＴの磁場を発生するために、レーザの進行方向と水平方向には、磁場相殺コイルを作って磁場の遮蔽装置内で媒質周りの磁場が０Ｔ（Ｔｅｓｌａ）に近いように調節しなければならない。
蒸気状態の媒質の密度を高めるためには、高い温度が必要である。実験に使用されるカリウム原子は、アルカリ金属原子として、略セ氏２００度でスピン−交換衝突が十分に起きる。スピン−交換衝突の適正条件は、原子と原子間の衝突断面積と温度に従う原子密度によって決定される。カリウム原子の衝突断面積は、１１０−１８ｃｍ２であり、要求される密度は、１０１４−１０１５ｃｍ−３である。
本発明の一実施例によると、温度調節装置の温度調節方法は、低抗体に５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの交流電流を流して、熱を発生する方法を用いる。温度調節装置の電流による磁場は、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの磁場を生成する。しかし、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの帯域は、蒸気セルの低い周波数応答によって影響がほとんどない。従って、交流電流抵抗線加熱方式は、従来の加熱流体を用いた温度調節方法に比べて、空間を画期的に減らす。また、温度維持のために、蒸気セルを保温する断熱装置が要求される。断熱装置は、ＰＴＦＥ材質を用いて、嵌め結合を通して容易に分解結合する。
多様な原子磁力計の中で、生体磁気測定のための最も可能性があるタイプは、ＳＥＲＦ原子磁力計（ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）である。スピン−交換衝突による緩和を完全に除去して、ＳＥＲＦ磁力計は０.１ｆＴ／Ｈｚ１／２の敏感度に到達する。しかし、ＳＥＲＦ磁力計の長いスピン−コヒーレンス時間（ｌｏｎｇ ｓｐｉｎ−ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ）は、前記磁力計の帯域幅を限定する。
原子磁力計の帯域幅を拡張させる様々な方法が報告されている。自体−オシレーティング磁力計（Ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ）は、光源に変調電力を帰還して１ｋＨｚを超える帯域幅を有する。高密度原子セル（ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｔｏｍｉｃ ｃｅｌｌ）を有し、１０ｋＨｚに到達する帯域幅が光ポンピングレート（Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｒａｔｅ）を増加させて得られる。しかし、このようなシステムは、１０ｆＴ／Ｈｚ１／２の程度の低い敏感度を有する。したがって、このようなシステムは、人体ＭＥＧのような弱い生体磁気信号を測定することはできない。
近年、負帰還原理がラジオ周波数の原子磁力計（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ；ＲＦ ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）に適用された。帯域幅は、４２３ｋＨｚを中心に１ｋＨｚ以上に広がっていることが報告されている。
負帰還の下でスピンコヒーレント時間（ｓｐｉｎ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ）の抑制（ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）は、スピンダンピング（ｓｐｉｎ ｄａｍｐｉｎｇ）に関連がある。スピンダンピングを有する前記ＲＦ原子磁力計は、０.３ｆＴ／Ｈｚ１／２の敏感度を示す。しかし、時変生体磁場を感知する実際的な応用のために、中心周波数は、直流（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ；ＤＣ）にアクセスしなければならない。しかし、このような構造は、ＲＦ原子磁力計と両立することはできない。
本発明の一実施例によると、ＳＥＲＦ方式の高感度の原子磁力計が開示される。磁場の感度を増加させ、脳磁図／心磁図の精密な測定のための周波数領域を確保するために、アルカリ金属蒸気が充填されている蒸気セルに負帰還が提供される。また、負帰還は、信号対雑音比を減少させて広い帯域幅を提供することによって、信号の大きさが小さくて速く変化する磁場信号を測定する。
本発明の一実施例によると、ＳＥＲＦ領域で原子磁力計（ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）の測定帯域幅（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を拡張することができる負帰還の使用が提案される。
本発明の一実施例によると、負帰還の使用を使用した場合、零から１９０Ｈｚまでのフラット−周波数応答が達成された。フラット−周波数応答（ｆｌａｔ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、１００Ｈｚで３ｆＴ／Ｈｚ１／２の雑音レベルを維持し、負帰還の使用を使用していない場合に比べて３倍の増加を示す。
前記帯域幅の拡張によって、測定信号と比較のために合成された心磁図磁場（ｍａｇｎｅｔｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ ｆｉｅｌｄ）との間の線形相関（ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）は、０.２１から０.７４まで増加された。この結果は、負の帰還の下でＳＥＲＦ原子磁力計を使用して、多重周波数成分（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を含む弱い生体磁気信号（ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ）の測定可能性（ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ）を示す。
本発明の一実施例によると、負帰還をＳＥＲＦ基盤の原子磁力計に適用した。３倍の帯域幅の増加は、ＤＣから１９０Ｈｚまでの周波数ドメインでほぼフラット−回答を引き起こす。ノイズレベルは、１００Ｈｚで３ｆＴ／Ｈｚ１／２と測定された。このようなノイズレベルは、ＤＣ ＳＱＵＩＤのノイズレベルと類似する。
ＳＥＲＦ原子磁力計の全体システムは、周波数応答でモノポール（ｍｏｎｏ ｐｏｌｅ）を有する増幅器と仮定する。負帰還の下で測定された信号は、高い相関係数（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を見せた。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明は、本明細書で説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化される。むしろ、本明細書で紹介されている実施例は、開示された内容が徹底的且つ完全になるように、そして当業者において本発明の思想を充分に伝達することができるように提供された。図面において、構成要素は、明確性を期するために誇張された。明細書全体にかけて、同一の参照番号で表示された部分は、同一の構成要素を示す。
図１は、本発明の一実施例による原子磁力計を示す概念図である。
図２Ａは、試験磁場の下で、図１の原子磁力計の負帰還を説明するブロック図である。
図２Ｂは、測定磁場の下で、図１の原子磁力計の負帰還を説明するブロック図である。
図３は、図１の原子磁力計の周波数応答を示す図面である。
図１乃至図３に示されているように、原子磁力計１００は、蒸気セル１１０、感知部１３０、帰還コイル１２２及び帰還増幅部１２４を含む。
前記蒸気セル１１０は、円形偏光したポンプビーム３１と線形偏光したプローブビーム３３の提供を受け、アルカリ金属蒸気を含む。前記感知部１３０は、前記蒸気セル１１０を透過した前記プローブビーム３３の提供を受けて、前記プローブビーム３３の光磁気回転を測定する。前記帰還コイル１２２は、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（ｘ−ｚ平面）から垂直に離隔されて、前記第１平面に垂直な負帰還磁場信号Ｂｆｂを生成して、前記蒸気セル１１０に提供する。前記帰還増幅部１２４は、前記感知部１３０の出力信号の提供を受けて、測定磁場Ｂｍｅａｓに比例する前記負帰還磁場Ｂｆｂを生成するように前記帰還コイル１２２に帰還電流を提供する。測定対象２０の測定磁場Ｂｍｅａｓは、前記蒸気セル１１０で前記プローブビームの光磁気回転を提供する。
測定対象２０は、人体又はラットのような小動物の心臓又は脳である。前記測定磁場は、脳磁図信号又は心磁図信号である。測定対象２０は、磁気遮蔽部１４０の内部に配置される。
前記蒸気セル１１０（ｖａｐｏｕｒ ｃｅｌｌ）は、カリウム（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ；Ｋ）蒸気（ｖａｐｏｒ）、ヘリウムバッファガス（Ｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｇａｓ）及びＮ２ガスを含む。前記Ｋ蒸気の密度は１ Ｘ １０１３ｃｍ−３であり、ヘリウムバッファガスの密度は２.５ａｍｇであり、Ｎ２の蒸気圧は１５Ｔｏｒｒである。前記ヘリウムバッファガスは、原子が壁に拡散する比率を減少させる。前記Ｎ２は、クエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）によって光学ポンピングの効率を増加させる。
前記蒸気セル１１０は、メインセル１１２（ｍａｉｎ ｃｅｌｌ）とステムセル１１４（ｓｔｅｍ ｃｅｌｌ）の２つの部分で構成される。前記メインセル１１２は、ボロシリケイトガラス（ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）であり、前記ステムセル１１４に連結されている。前記ステムセル１１４は、蒸気貯蔵所（ｖａｐｏｕｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）として機能する。前記ステムセル１１４は、アルミノシリケートガラス（ａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）で構成され、蒸気セル１１０の内部表面にカリウム蒸気の吸着を妨害する。
加熱部１６２、１６４は、前記メインセル１１２を加熱する第１加熱部１６２と前記ステムセルを加熱する第２加熱部１６４とを含む。前記加熱部１６２、１６４は、前記カリウム蒸気の蒸着を抑制するために使用される。前記メインセル１１２はセ氏２００度に加熱され、前記ステムセル１１４はセ氏１８５度に加熱される。前記ステムセル１１４と前記メインセル１１２との間の温度の差は、ＰＩＤ制御を通して自動的に維持される。前記第１加熱部と前記第２加熱部は、抵抗性ヒータを含む。前記加熱部１６２、１６４は、断熱パネル（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐａｎｅｌ）によって断熱される。
ポンプ光源は、前記ポンプビーム３１を出力する。前記ポンプ光源は、分布帰還型レーザ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ；ＤＦＢ ｌａｓｅｒ）を含む。
前記ポンプ光源は、単一モードＴＥＭ００の偏光保持ファイバ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ）に通して、円形偏光のポンプビーム３１を前記蒸気セル１１０に伝達する。光学ポンピングの波長は、Ｋ Ｄ１（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｄ１）ラインの中心に一致される。前記ポンプビームのパワは、テーパ増幅器（ｔａｐｅｒｅｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）によって１Ｗまで増幅する。前記ポンプビームの直径は、１対のレンズを通して５ｍｍまで拡張される。前記ポンプビーム３１は、ｚ軸方向に進行される。
前記照射光源は、前記プローブビーム３３を出力する。前記プローブビームは、単一モードＤＦＢレーザ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ＤＦＢ ｌａｓｅｒ）によって発生する。前記プローブビームは、ファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計及び分光器によってモニタリングする。線形偏光プローブビーム（ｌｉｎｅａｒｌｙ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｐｒｏｂｅ ｂｅａｍ）は、ｘ軸方向に進行して前記蒸気セルに提供される。前記プローブビームの波長は、吸収を最小化するために、Ｋ Ｄ１（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｄ１）ラインから数ｎｍ程度外れて維持される。前記プローブビームは、半波長板（ｈａｌｆ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）及び前記蒸気セル１１０を通過した後、前記感知部１３０に提供される。前記感知部１３０は、均衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）を含む。前記均衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）は、偏光ビーム分割器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）と１対のフォトダイオードを含む。前記偏光ビーム分割器は、前記プローブビームを垂直な偏光（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって２つの経路に分割することができる。差動増幅器は、互いに垂直な偏光信号の間の差を測定する。
試験コイル（ｔｅｓｔ ｃｏｉｌ）は、試験磁場Ｂｔを発生させる。前記試験コイル１５２は、複数の巻線を有する円形コイルである。前記試験磁場は、多重周波数（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）を有して振動する信号を含む。前記試験コイル１５２は、前記測定対象２０で発生する測定磁場に代って、試験磁場Ｂｔを生成する。前記試験コイル１５２は、測定対象の測定前に校正及び試験のために使用される。前記試験コイル１５２は、前記蒸気セル１１０の上部にｙ軸方向に配置される。前記試験コイル１５２は、任意の波形を発生させる関数発生器１５４（ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に連結される。前記関数発生器は、仮想のＭＣＧ信号を発生させる。
前記帰還コイル１２２は、ｙ軸方向のヘルムホルツコイルを含む。前記帰還コイル１２２は、前記感知部１３０の出力の提供を受けて、測定磁場Ｂｍｅａｓの方向に反対方向の負帰還磁場Ｂｆｂを生成する。前記負帰還磁場Ｂｆｂは、前記測定磁場に対して逆平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）である。
帰還増幅器１２４は、前記感知部１３０の出力信号の提供を受けて増幅して、前記帰還コイル１２２に電流を提供する。前記帰還増幅器１２４は、入力電圧に比例する電流を出力する。前記負帰還磁場Ｂｆｂは、前記帰還増幅器１２４の出力電流に比例する。前記帰還増幅器１２４は、５０ｋＨｚ以下の帯域を増幅するオーディオ増幅器である。通商的に生体磁気信号の周波数帯域は、２００Ｈｚ以下である。したがって、前記帰還増幅器１２４は、数ｋＨｚ以下でフラットな周波数応答を有する。
前記負帰還磁場（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｆｉｅｌｄ）Ｂｆｂは、次のように表示される。
Figure 0006707317
 式中、βは帰還利得（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｇａｉｎ）であり、Ｖｏｕｔは前記感知部１３０の出力端で電気信号である。前記感知部１３０の出力信号Ｖｏｕｔは、プローブビームの偏光回転角に比例する。また前記プローブビームの光磁気回転に比例する。
図３に示されているように、前記原子磁力計１００が負帰還を有することによって、前記原子磁力計１００の利得曲線（ｇａｉｎ ｃｕｒｖｅ）はフラットになり、利得は減少する。これによって、負帰還原子磁力計１００は、出力の線型性を増加させる。つまり、出力の線型性の増加は、特性帯域幅（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を拡張する。特性帯域幅（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は、遮断周波数に比例する。
前記原子磁力計１００の出力の線型性増加は、前記原子磁力計１００をモノポール増幅器（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と想定して解釈される。モノポール増幅器（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と仮定した場合、仮想増幅器の入力は測定磁場Ｂｍｅａｓであり、出力は感知部の電圧信号Ｖｏｕｔである。前記仮想増幅器の開ループ利得（ｏｐｅｎ−ｌｏｏｐ ｇａｉｎ）Ｇは、Ｖ／ｎの単位を有する。
共鳴を含む他のシステムと同様に、ＳＥＲＦ原子磁力計は、周波数ドメインでローレンツ型応答（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ−ｔｙｐｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を表す。ローレンツ型応答（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ−ｔｙｐｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、殆ど零（ｚｅｒｏ）Ｈｚで中心周波数（ｃｅｎｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有し、カットオフ周波数（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃを有する。したがって、開ループ利得Ｇは、次のようにローレンツ型（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ ｆｏｒｍ）で表示される。
Figure 0006707317
 式中、Ｇ０はＤＣ利得であり、fは周波数であり、ｆｃは遮断周波数である。
負帰還の状況下で、帰還利得Ｇｆｂは、次のように表現される。
Figure 0006707317
 式中、βは、帰還利得パラメータである。前記原子磁力計の周波数応答は、１＋βＧ０ファクタで帯域幅を拡張させ、前記帯域幅の拡張はＤＣ利得を１＋βＧ０ファクタで減少させる。前記帯域幅の拡張は、フラットな周波数応答に起因して入力信号（測定磁場）を歪みなく測定する。
測定磁場の周波数帯域に応じて、前記帰還利得パラメータβは、適切に選択される。前記帰還利得パラメータβは、前記帰還増幅器の利得を制御して調節される。
強い高次−高調波（ｓｔｒｏｎｇ ｈｉｇＨｅｒ−ｏｒｄｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を見せるパルス型磁場を測定する応用において、拡張された帯域幅は、前記原子磁力計１００の出力信号の線型性を向上させるため、減少されたＤＣ利得は重要な短所ではない。システム信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は、拡張ファクタ（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）（１＋βＧ０）の上限（ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ）を決定する。
図４は、本発明の他の実施例による原子磁力計を説明する斜視図である。
図５は、図４の原子磁力計を説明する平面図である。
図６は、図４の原子磁力計の断熱ブロックを説明する斜視図である。
図７は、図６の断熱ブロックとその内部の加熱ブロックを説明する分解斜視図である。
図８は、図７のＩ−Ｉ’線に沿って切った断面図である。
図９は、残留磁場を相殺することを説明するブロック図である。
図１０は、測定対象の測定磁場を測定することを説明するブロック図である。
図４乃至図９に示されているように、原子磁力計２００は、蒸気セル１１０、感知部１３０、帰還コイル１２２及び帰還増幅部１２４を含む。図１乃至図３で説明したものと重なる説明は省略されている。
前記蒸気セル１1０は、円形偏光したポンプビーム３１と線形偏光したプローブビーム３３の提供を受け、アルカリ金属蒸気を含む。前記感知部１３０は、前記蒸気セル１１０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。前記帰還コイル１２２は、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。前記帰還増幅部１２４は、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。測定対象２０の測定磁場Ｂｍｅａｓは、前記蒸気セル１１０で前記プローブビームの光磁気回転を提供する。
磁気遮蔽部２４０は、前記蒸気セル１１０の周りに配置されて、外部環境磁場を減少させる磁性体で構成される。前記磁気遮蔽部２４０は、前記蒸気セルを３重のシリンダミューメタル（ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｍｕ−ｍｅｔａｌ）チャンバを含む。ミューメタル（Ｍｕ−ｍｅｔａｌ）は、ニッケル−鉄合金（ｎｉｃｋｅｌ−ｉｒｏｎ ａｌｌｏｙ）である。前記ミューメタルチャンバは、地球磁場を含む外部磁場の効果を最小化する。前記ミューメタルチャンバで磁気遮蔽した後、前記ミューメタルチャンバ内の残留磁場は、ｘ軸方向及びｚ軸方向に０.１５ｎＴ程度であり、ｙ軸方向に３ｎＴ程度である。
前記磁気遮蔽部２４０は、蒸気セル１１０、前記蒸気セル１１０を包むように配置された加熱部２６０、前記加熱部２６０を包むように配置された磁場相殺コイル１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ及び帰還コイル１２２を包むように配置される。
前記磁気遮蔽部２４０は、ｘ軸方向に１対の貫通ホールを含む。前記ポンプビームがｘ軸方向に進行する。前記ｘ軸方向の１つの貫通ホールの後端には、ポンプビームを吸収する吸収体１５２が配置される。
また、前記磁気遮蔽部２４０は、ｚ軸方向の１対の貫通ホールを含む。前記プローブビームは、ｚ軸方向に進行する。前記ｚ軸方向の１つの貫通ホールの後端には、ポンプビームを測定する感知部１３０が配置される。
原子磁力計２００を用いた生体磁気測定技術の応用は、高感度の原子磁力計を用いているため、外部環境磁場による雑音を除去する必要がある。特に地球磁場の強さが数百ミリガウス（ｍＧ）程度であるため、原子磁力計を用いた磁場測定に深刻な影響を与える。前記磁気遮蔽部２４０は、磁性体から成る磁気遮蔽筒構造である。
前記磁気遮蔽筒内部の残留磁場は存在し、ＳＥＲＦ方式では絶対にゼロ磁場が求められる。したがって、ゼロ磁場遮蔽のために、遮蔽筒内部のいくつかの独立的なコイルから成る磁場相殺コイルシステムを構築して、これを通してゼロ磁場を形成するだけでなく、様々な方向の傾斜磁場と均一な磁場を形成する。
スピン−交換の弛緩を除去するためには、能動磁気相殺技術（ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が適用される。磁気相殺部１７０（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐａｒｔ）は、前記蒸気セルの周りに配置されて、外部環境磁場又は前記磁気遮蔽部によって除去され、残った残留磁場を除去するように相殺磁場を生成する。
前記磁場相殺部１７０は、ｘ軸相殺磁場を生成するｘ軸相殺コイル１７２ａ、前記ｘ軸相殺コイル１７２ａに電流を供給するｘ軸相殺電源１７１ａ、前記ｘ軸相殺磁場に垂直なｙ軸相殺磁場を生成するｚ軸相殺コイル１７２ｂ、前記ｚ軸相殺コイル１７２ｂに電流を供給するｚ軸相殺電源１７１ｂ、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１７２ｃ及び前記ｙ軸相殺コイルに直流電流を供給するｚ軸相殺電源１７１ｃを含む。
前記磁場相殺部１７０は、前記感知部１３０の出力信号Ｖｏｕｔを入力で提供を受けて第１基準周波数成分ｆ１ ＡＭを抽出して出力するｘ軸ロックインアンプ１７３ａ、前記感知部１３０の出力信号Ｖｏｕｔを入力で提供を受けて第２基準周波数成分ｆ２ ＡＭを抽出して出力するｚ軸ロックインアンプ１７３ｂ及び前記感知部１３０の出力信号を入力で提供を受けてＤＣ成分を抽出する低周波通過フィルタ１７４のうち、少なくとも１つを含む。
前記ｘ軸ロックインアンプ１７３ａは、第１基準周波数信号ｆ１ ＲＥＦを前記ｘ軸相殺電源１７１ａに提供する。前記ｚ軸ロックインアンプ１７３ｂは、前記第２基準周波数信号ｆ１ ＲＥＦを前記ｚ軸相殺電源１７１ｂに提供する。
前記ｘ軸相殺電源部１７１ａは、前記ｘ軸ロックインアンプ１７３ａの第１基準周波数信号ｆ１ ＲＥＦ及び前記ｚ軸ロックインアンプ１７３ｂの第２基準周波数成分ｆ２ ＡＭの提供を受けて、前記第１基準周波数信号ｆ１ ＲＥＦに変調して出力する。
前記ｚ軸相殺電源部１７１ｂは、前記ｚ軸ロックインアンプ１７３ｂの第２基準周波数信号ｆ２ ＲＥＦ及び前記ｘ軸ロックインアンプ１７３ａの第１基準周波数成分ｆ１ ＡＭの提供を受けて、前記第２基準周波数信号ｆ２ ＲＥＦに変調して出力する。
この場合、前記ｘ軸ロックインアンプ１７３ａの第１基準周波数成分ｆ１ ＡＭは、ｚ軸残留磁場成分に比例し、前記ｚ軸ロックインアンプ１７３ｂの第２基準周波数成分ｆ２ ＡＭは、ｘ軸残留磁場成分に比例する。
低周波通過フィルタ１７４は、前記感知部１３０の出力信号Ｖｏｕｔを入力で提供を受けて、ＤＣ成分を抽出する。前記感知部１３０の出力信号のＤＣ成分は、ｙ軸残留磁場に比例する。これによって、前記ｙ軸残留磁場を相殺するために、前記感知部１３０の出力信号のＤＣ成分は、前記ｙ軸相殺電源部１７１ｃに提供される。前記ｙ軸相殺電源部１７１ｃは、入力信号に比例する直流電流を出力してｙ軸残留磁場を相殺する。
測定対象２０が発生させる測定磁場Ｂｍｅａｓを測定する前に、前記ｙ軸残留磁場、ｘ軸残留磁場及びｚ軸残留磁場を相殺するように、前記ｙ軸相殺電源のＤＣ電流Ｙ ＤＣ、前記ｘ軸相殺電源のＤＣ電流Ｘ ＤＣ及び前記ｚ軸相殺電源のＤＣ電流Ｚ ＤＣは設定される。
前記ｘ軸相殺コイル１７１ａは、ｘ軸ヘルムホルツコイルである。前記ｘ軸相殺コイル１７１ａは、ｘ軸方向に互いに離隔されて配置され、ｘ軸方向の磁場成分を生成する。前記ｙ軸相殺コイル１７１ｃは、ｙ軸ヘルムホルツコイルである。前記ｙ軸相殺コイルは、ｙ軸方向に互いに離隔されて配置され、ｙ軸方向の磁場成分を生成する。また、前記ｚ軸相殺コイル１７１ｂは、ｚ軸ヘルムホルツコイルである。前記ｚ軸相殺コイル１７１ｂは、ｚ軸方向に互いに離隔されて配置され、ｚ軸方向の磁場成分を生成する。
また、前記帰還コイル１２２は、ｙ軸方向と離隔されて配置されたヘルムホルツコイルである。コイルシステムは、３軸ヘルムホルツコイル（３−ａｘｉａｌ Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ ｃｏｉｌｓ）で構成される。前記コイルシステムは、２対のｙ軸コイル（ｙ軸相殺コイル及び帰還コイル）、１対のｘ軸コイル（ｘ軸相殺コイル）及び１対のｚ軸コイル（ｚ軸コイル）を含む。また、２つの円形コイル（試験コイル）は、ｙ軸に配置される。
前記磁場相殺部１７０は、３軸ヘルムホルツコイル（３−ａｘｉａｌ Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ ｃｏｉｌｓ）を含み、互いに垂直な対称軸（ｓｙｍｍｅｔｒｙ ａｘｅｓ）を有し、円形フレームに巻かれる。前記３軸ヘルムホルツコイルは、磁気遮蔽部２４０内で残留磁場（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ）を除去するために使用される。前記磁場相殺部１７０は、能動的に外部環境磁場又は残留磁場を相殺してゼロ磁場を生成する。これによって、ＳＵＲＦ原子磁力計の動作環境が造成される。
ゼロ磁場を生成するために、測定対象２０の測定の前に、前記磁場相殺部１７０は校正される。前記測定対象２０からの測定磁場Ｂｍｅａｓを測定する場合、ｙ軸相殺電源１７１ｃの出力電流は、ｙ軸静残留磁場（ｓｔａｔｉｃ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を相殺するために、一定の値に固定される。また、ｘ軸相殺電源１７１ａの出力電流は、ｘ軸静残留磁場を相殺するために、一定の値に固定される。また、ｚ軸相殺電源１７１ｂの出力電流は、ｚ軸静残留磁場を相殺するために、一定の値に固定される。これによって、ゼロ磁場の維持された状態で、測定対象が発生させた測定磁場Ｂｍｅａｓだけが測定される。
ゼロ磁場を生成するために、前記ｙ軸相殺コイルに流れるｙ軸相殺電流Ｙ ＤＣ、ｘ軸相殺コイルに流れるｘ軸相殺電流Ｘ ＤＣ及びｚ軸相殺電流Ｚ ＤＣは測定される。したがって、逆に、前記ｙ軸相殺電流Ｚ ＤＣ、ｘ軸相殺電流Ｘ ＤＣ及びｚ軸相殺電流Ｚ ＤＣは、各々の相殺磁場成分を提供する。
測定対象の測定磁場を測定している間には、前記ｙ軸相殺電流Ｙ ＤＣ、ｘ軸相殺電流Ｘ ＤＣ及びｚ軸相殺電流Ｚ ＤＣは、各々の相殺磁場成分が前記蒸気セルに提供されて残留磁場をゼロに作る。
前記ポンプ光源１９０は、ポンプレーザ１８１、前記ポンプレーザ１８１のポンプビームをガイドする光ファイバ１８２、１／４波長板１８３及び１対の凸レンズ１８４、１８５を含む。前記ポンプレーザ１８１の出力光は、前記光ファイバ１８２を通してガイドされる。前記光ファイバ１８２の出力光は、線偏光状態である。前記線偏光状態のポンプビームは、１／４波長板１８３に提供されて原形偏光に変換する。前記１／４波長板１８３は、線形偏光を円形偏光に変更する。前記円形偏光されたポンプビームは、１対の凸レンズ１８４、１８５を通してビームのサイズが拡大する。拡大されたポンプビームは、ｘ軸方向に前記蒸気セル１１０に提供される。
前記照射光源１９０は、照射レーザ１９１、前記照射レーザのプローブビームをガイドする光ファイバ１８２及び１／２波長板１９３を含む。前記光ファイバ１９２を通過したプローブビームは、線偏光である。前記１／２波長板１９３は、線偏光の方向を変更する。前記１／２波長板１９３を通過したプローブビームは、ｚ軸方向に前記蒸気セル１１０に提供される。
前記感知部１３０は、偏光ビーム分割器１３１、第１フォトダイオード１３２、第２フォトダイオード１３３及び差動増幅器１３４を含む。前記偏光ビーム分割器１３１は、偏光状態によってビームを分離するウォラストンプリズム （Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ ｐｒｉｓｍ）である。前記偏光ビーム分割器１３１は、偏光状態によってプローブビームを分離する。第１フォトダイオード１３２は、分割された第１プローブビームの強度を測定し、前記第２フォトダイオード１３３は、分割された第２プローブビームの強度を測定する。前記差動増幅器１３４は、前記第１フォトダイオード１３２の出力と前記第２フォトダイオード１３３出力の差異を増幅して出力する。プローブビームの偏光回転角は、前記差動増幅器１３４の出力に依存する。
帰還コイル１２２は、ｙ軸方向の負帰還磁場Ｂｆｂを生成する。前記帰還コイル１２２は、ｙ軸方向に離隔されたヘルムホルツコイルである。前記帰還コイル１２２は、前記ｙ軸相殺コイル１７１ｃの内側に配置される。
試験コイル１５２は、前記帰還コイル１２２の内部に配置されてｙ軸試験磁場を生成する。前記試験コイル１５２は、測定対象２０が生成する磁場の代りに、任意の波形を生成する。前記試験コイル１５２は、前記原子磁力計を試験又は校正するために装着される。前記試験コイル１５２は、円形コイルである。
ＳＥＲＦ方法では、高い原子密度を要求する。したがって、カリウム蒸気の適正温度はセ氏２００度であり、そのための加熱部及び断熱部を構成した。加熱方法は、熱線を用いたオーミック（Ｏｈｍｉｃ）加熱方法を用いて抵抗体に電流を印加して温度を調節した。また、交流電流による誘導磁場がカリウム原子の状態に影響を与えることを避けるために、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの高周波に変調された電流を印加した。つまり、前記負帰還ＳＥＲＦ原子磁力計のカットオフ周波数（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆｃは、数百Ｈｚであるため、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの高周波加熱電流は、前記負帰還ＳＥＲＦ原子磁力計に影響をほとんど与えない。
前記加熱部２６０は、下部面に貫通ホール２６５ｂ及び側面に透明窓２６５ａを含み、前記メインセル１１２の周りを包むように配置された第１加熱ブロック２６５、前記第１加熱ブロック２６５の外周面を包むように配置された第１加熱コイル１６２、前記第１加熱ブロック２６５の貫通ホール２６５ｂと整列されて前記ステムセル１１４の周りを包むように配置された第２加熱ブロック２６８、前記第２加熱ブロック２６８を包むように配置された第２加熱コイル１６４、前記第１加熱ブロック２６５を収納する断熱ブロック２６７を含む。前記メインセル１１２は、前記第１加熱ブロック２６５の透明窓２６５ａと整列される。前記透明窓２６５ａは、ガラス材質である。
前記加熱部２６０は、第１加熱コイル１６２、第２加熱コイル１６４、温度測定部１６７、オーディオ増幅器１６３、１６５及び温度制御部１６６を含む。前記温度測定部１６７は、熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）を含む。前記温度測定部１６７は、前記第１加熱ブロックの側面の温度及び前記第２加熱ブロックの側面の温度を測定する。前記温度測定部１６７は、測定した温度信号を前記温度制御部１６６に提供する。前記温度制御部１６６は、設定された温度を維持するためにＰＩＤ制御を行う。前記オーディオ増幅器１６３、１６５は、それぞれ第１加熱コイル１６２、第２加熱コイル１６４を駆動する。前記第１加熱コイル及び前記第２加熱コイルに流れる電流は、前記ＰＩＤ制御によって調節される。
前記温度制御部１６６は、正弦波を出力する関数発生器、約１.５ｋＨｚの遮断周波数を有する高周波通過フィルタ、アナログ倍率器（ａｎａｌｏｇ ｍｕｔｉｐｌｉｅｒ）及びＰＩＤ制御部を含む。前記関数発生器は、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの正弦波を出力する。前記高周波通過フィルタは、前記関数発生器の出力信号の提供を受けて、低周波成分を除去する。前記アナログ倍率器は、前記関数発生器の正弦波に前記ＰＩＤ制御部が提供するキャリア入力信号（ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ）を掛けて出力する。前記アナログ倍率器の出力信号は、前記オーディオ増幅器１６３、１６５によって増幅されて、前記第１加熱コイル１６２又は前記第２加熱コイル１６４に提供される。
第１加熱ブロック２６５は、四角板状のベース部２６５ｄ上に積層した四角筒状である。前記第１加熱ブロック２６５は、蓋２６５ｃを含む。前記四角筒の４上部側面は、すべて角の部位を除いて除去される。除去された部位には、透明窓２６５ａが配置される。前記プローブビーム又は前記ポンプビームは、前記透明窓２６５ａを透過する。前記第１加熱ブロック２６５の内部には、蒸気セル１１０が配置される。前記第１加熱ブロック２６５は、セラミック材質である。前記メインセル１１２の下部面の高さは、前記第１加熱ブロック２６５の下部面の高さより高い。
前記第１加熱コイル１６２は、六面体状のメインセル１１２をセ氏２００度に加熱する。前記第１加熱コイル１６２は、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの交流電流が流れる熱線である。
第２加熱ブロック２６８は、前記メインセルの下部面で延長されるステムセル１１４を加熱する。前記第２加熱ブロック２６８は、円筒形状である。前記ステムセル１１４は、円筒形状の第２加熱ブロック２６８の内部に配置される。前記第２加熱ブロック２６８は、セラミック材質である。
前記第２加熱コイル１６４は、前記第２加熱ブロック２６８を包むように配置される。前記第２加熱コイル１６４は、前記ステムセル１１４をセ氏１８０度に加熱する。前記第２加熱コイル１６４は、５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの交流電流が流れる熱線である。
前記断熱ブロック２６７は、中心に貫通ホール２６４ａ、前記貫通ホール２６４ａと整列された陥没部２６４ｂ、前記陥没部２６４ｂ外郭に配置された突出部２６４ｃ及び前記突出部２６４ｃの上部面に形成された上部整列トレンチ２６４ｄを含む中心断熱ブロック２６４、前記突出部２６４ｃの上部整列トレンチ２６４ｄに挿入され、側面に形成された貫通ホール２６６ａを含む上部断熱ブロック２６６及び前記突出部２６４ｃの下部面に形成された下部整列トレンチ２６４ｅに挿入される下部断熱ブロック２６３である。前記断熱ブロック２６７は、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ）材質である。
前記中心断熱ブロック２６４は、底面に貫通ホール２６４ａを有する四角筒状である。前記中心断熱ブロック２６４の上部面及び下部面では、それぞれ上部整列トレンチ２６４ｄと下部整列トレンチ２６４ｅが形成される。前記上部断熱ブロック２６６は、前記上部整列トレンチ２６４ｄに挿入して整列される。また、前記下部断熱ブロック２６４は、前記下部整列トレンチ２６４ｅに挿入して整列される。
前記上部断熱ブロック２６６は、閉じた上部面を有する四角筒状である。前記上部断熱ブロック２６６の４側面でそれぞれ貫通ホール２６６ａが形成される。前記ポンプビーム又は前記プローブビームは、前記貫通ホール２６６ａを通過する。前記下部断熱ブロック２６３は、四角筒状である。前記中心断熱ブロック２６４の陥没部２６４ｂは、前記第１加熱ブロック２６５の下部面と嵌め結合する。
支持ブロック２６１の上部面は、前記下部断熱ブロック２６３の上部面と嵌め結合する。また、前記支持ブロック２６１の上部面は、外部断熱ブロック２６２の下部面と嵌め結合する。外部断熱ブロック２６２は、前記断熱ブロック２６７を包むように配置される。前記支持ブロック２６１は、４本の脚を有する椅子の形状である。
前記外部断熱ブロック２６２は、外側面及び上部面に冷媒が流れる流体通路を形成する折れ曲がった形状のトレンチ２６２ａ、２６２ｂが形成される。前記外部断熱ブロック２６２は、前記断熱ブロック２６７を包むように配置される。前記トレンチ２６２ａ、２６２ｂは、外部断熱板によって冷媒通路を提供する。前記外部断熱ブロックの４側面には、対向する貫通ホール２６２ｃが形成される。前記貫通ホール２６２ｃを通してポンプビーム又はプローブビームが通過する。
本発明の一実施例による原子磁力計は、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を含み、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状態を測定する感知部と、熱線に５ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚの交流を印加して前記蒸気セルを加熱する加熱部と、を含む。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する。
本発明の一実施例において、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。
本発明の一実施例において、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、をさらに含む。
本発明の一実施例において、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、を含む。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。
微小磁場測定装置としての応用において、偏光回転角の測定能力は、大変重要である。
図１１は、本発明の一実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。
図１１に示されているように、前記原子磁力計４００の偏光回転角を測定するために、感知部１３０として均衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）が使用される。原子磁力計４００は、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１１０、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１３０、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１２２、及び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１２４を含む。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する。
前記感知部１３０は、偏光ビーム分割器１３１、第１フォトダイオード１３２、第２フォトダイオード１３３及び差動増幅器１３４を含む。
前記偏光ビーム分割器１３１は、プローブビームの初期偏光方向について４５度に傾くように配置される。前記偏光ビーム分割器１３１を通過した光は、２つのビームＩ１、Ｉ２で次のように分離される。
Figure 0006707317
 式中、I１＋I２＝I０であり、θは、前記偏光回転角である。小さい偏光回転角の場合（θ<<１）、偏光回転角は２つの光の強さの差で与えられる。
Figure 0006707317
第１フォトダイオード１３２の出力と第２フォトダイオード１３３の出力は、差動増幅器１３３に提供される。これによって、前記差動増幅器１３４の出力は、偏光回転角に比例する。
本発明の一実施例によると、負帰還のために、前記差動増幅器１３４の出力は、帰還増幅器１２４に提供して増幅される。帰還増幅器１２４は、オーディオ増幅器である。前記増幅されたオーディオ増幅器の出力電流は、前記帰還コイル１２２に提供される。前記帰還コイルに流れる電流は、負帰還磁場を生成する。前記負帰還の磁場は、前記測定対象の測定磁場と反対方向である。
本発明の一実施例による原子磁力計の動作方法は、測定対象２０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１１０に提供する段階、前記蒸気セル１１０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１３０を用いて偏光回転信号を検出する段階、及び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１１０に提供する段階を含む。
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、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、及び前記第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を含む。
原子磁力計の動作方法は、前記測定対象２０が除去された状態で前記蒸気セル１１０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む。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軸相殺磁場を含む。前記ｙ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ｙ軸ＤＣ値に設定される。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値に設定される。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。
図１２は、本発明の他の実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。
図１２に示されているように、原子磁力計５００は、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１１０、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５３３、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前記第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１２２、及び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１２２に帰還電流を提供する帰還増幅部１２４を含む。測定対象の測定磁場は、前記蒸気セル１１０で前記プローブビームの光磁気回転を提供する。
前記原子磁力計５００は、前記ポンプビームを提供するポンプ光源１８０、前記プローブビームを提供する照射光源１９０、前記照射光源１９０と前記蒸気セル１１０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５３２、及び前記変調周波数の基準変調周波数信号を前記変調部５３２に提供し、前記感知部５３３の出力信号の提供を受けて、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５３１をさらに含む。
前記蒸気セル１１０の前に前記変調部５３２が配置される。前記変調部は、ファラデー変調器である。また、前記ファラデー変調器５３２は、プローブビームを偏光変調して前記蒸気セル１１０に提供し、偏光変調されたプローブビームは、原子の相互作用を促す。
数ｋＨｚの変調角周波数ωｍｏｄで震動する磁場は、ファラデー回転効果によって照射光の偏光方向を非常に小さい角度に変調する。以後、変調された光は、前記蒸気セル１１０を通過しながら、角度ほどの光磁気回転をする。このように回転した光は、初期光の偏光方向に対して９０度に設置された線形偏光子５３４を通過する。このとき前記線形偏光子５３４を通過した光は、感知部によって測定される。前記線形偏光子５３４を通過した光の強さは、次のように与えられる。
Figure 0006707317
 式中、I０は、前記蒸気セル１１０を透過した光の強さである。変調角周波数ωｍｏｄで検出された光のフーリエ成分は、光回転角θに比例する。αは、変調振幅である。前記感知部の出力信号において、前記角周波数ωｍｏｄの成分は、ロックインアンプを通して検出される。
Figure 0006707317
前記ロックインアンプ５３１は、変調角周波数ωｍｏｄの基準周波数信号ＲＥＦを出力して前記ファラデー変調部の変調信号で提供される。
前記感知部５３３は、フォトダイオードである。前記感知部５３３の出力は、前記ロックインアンプ５３１の入力で提供される。
本発明の一実施例によると、負帰還のために、前記感知部５３３の出力は、帰還増幅器１２４に提供して増幅される。前記増幅された前記帰還増幅器１２４の出力電流は、前記帰還コイル１２２に提供される。前記帰還コイル１２４に流れる電流は、負帰還磁場を生成する。前記負帰還磁場は、前記測定対象の測定磁場と反対方向である。
本発明の一実施例による原子磁力計の動作方法は、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１１０に提供する段階、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５３３を用いて偏光回転信号を検出する段階、及び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を含む。
前記偏光回転信号を検出する段階は、前記蒸気セル１１０の前端において、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、前記蒸気セル１１０及び線形偏光子５３４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、及び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を含む。
図１３は、本発明の更なる他の実施例による偏光回転角の測定方法を説明する図面である。
図１３に示されているように、原子磁力計６００は、円形の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１１０、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６３３、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１２２、及び前記感知部６３３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１２４を含む。測定対象２０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する。
前記原子磁力計６００は、前記ポンプビームを提供するポンプ光源１８０、前記プローブビームを提供する照射光源１９０、前記感知部６３３と前記蒸気セル１１０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６３２、及び前記変調周波数の基準変調信号ＲＥＦを前記変調部６３２に提供し、前記感知部６３３の出力信号の提供を受けて、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６３１をさらに含む。
前記原子磁力計の偏光回転角を測定するために、前記変調部６３２で光弾性変調器（ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が使用される。線形偏光したプローブビームは、蒸気セル１１０の通過後、１／４波長板６３５を経て、光弾性変調器（ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を通過する。前記プローブビームは、前記光弾性変調器の複屈折によって変調角周波数ωｍｏｄで振動する。この場合、前記変調角周波数ωｍｏｄは、一般的に１０−１００ｋＨｚである。前記１／４波長板６３５の光軸は、前記プローブビームの初期偏光に対して平行に配置され、前記光弾性変調器の光軸は、４５度に固定されている。
もし、前記蒸気セル１１０を通過した光が光回転されなければ、前記プローブビームの偏光は、所定の振幅で対称的に変調する。しかし、光回転があれば、右円偏光と左円偏光の吸収の差によって、光の偏光は非対称的に変調される。
この光が初期のプローブビームの偏光方向に対して９０度に固定された線形偏光子６３４を通過すれば、光の強さは次のように与えられる。
Figure 0006707317
 式中、I０は、蒸気セル１１０を透過した光の強さである。ωｍｏｄは、変調角周波数ωｍｏｄであり、αは変調振幅である。前記の光の強さの変調周波数成分（第１調和信号）は回転角θに比例し、次のように与えられる。
Figure 0006707317
前記のロックインアンプ６３１は、前記の光の強さの変調周波数成分（第１調和信号）を抽出する。前記のロックインアンプ６３１は、変調角周波数ωｍｏｄの基準変調信号ＲＥＦを出力して前記変調部６３２に提供する。
本発明の一実施例による原子磁力計の動作方法は、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１１０に提供する段階、前記蒸気セル１１０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６３３を用いて偏光回転信号を検出する段階、及び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１１０に提供する段階を含む。
前記偏光回転信号を検出する段階は、前記蒸気セル１１０後端で１／４波長板６３５及び変調部６３２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、線形偏光子６３４を透過させて、プローブビームの強さを測定する段階、及び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を含む。
図１４は、ＳＥＲＦ領域で試験磁場Ｂｙの関数による光磁気回転信号を示す図面である。
図１４に示されているように、前記光磁気回転信号は、均衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）を使用する場合、光回転角に比例する。実線は、ブロック方程式（Ｂｌｏｃｋ ｅｑｕａｔｉｏｎ）の定常状態解（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）によって与えられる理論的な結果である。円形部分は、測定結果を示す。
図１５は、図５の原子磁力計の周波数応答を示す。
図１５に示されているように、前記原子磁力計２００は、仮想の増幅器と仮定し、前記仮想の増幅器の利得Ｇによって、均衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）を使用する場合、周波数応答が表示される。
分散タイプ（ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｔｙｐｅ）の共鳴カーブは、垂直磁場（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ Ｂｙ）に対するプローブビームの偏光回転を示す。前記原子磁力計２００の敏感度は、ゼロ磁場の近くで前記分散信号の勾配に比例する。超高の敏感度を維持するために、実験する間、前記分散カーブ傾斜（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｓｌｏｐｅ）を最大化するように前記の実験装置の可変パラメータを調節して、前記偏光回転信号のピーク対ピーク振幅とスペクトル幅が観測された。
本発明の実験条件において、ポンプビームとプローブビームのレーザ強度は、３３ｍＷ／ｃｍ２、５ｍＷ／ｃｍ２でそれぞれ測定された。
ＤＣ Ｂｙ磁場で、信号の傾きはＧ０を決定する。測定結果、Ｇ０は０.６Ｖ／ｎＴである。帰還利得パラメータβを推定するために、前記帰還コイル１２２に連結された帰還増幅器１２４の入力によって３５０ｍＶｐｐの正弦波電気信号が提供される。この場合、前記帰還コイル１２２によって発生された帰還の磁場は、１５Ｈｚから１ｋＨｚまでの周波数範囲で前記原子磁力計によって感知された。測定された検知部の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｇ０を使用して磁場に変換された。前記帰還増幅器１２４の電力帯域幅（ｐｏｗｅｒ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は、１０Ｈｚから４０ｋＨｚまでの制限範囲を有する。したがって、ローレンツ型関数にフィッティングされたデータは、０Ｈｚで出力電圧を得るために、中心を０Ｈｚに合わせた。したがって、−２５、−１５及び−８ｄＢの仮想増幅器の利得は、０.５、０.２及び３.５ｎＴ／Ｖにそれぞれ変換された。
図１６は、多重周波数に対する６００ｐＴの振幅を有する入力振動磁場に対する周波数応答を示す図面である。
図１６に示されているように、ポンプビームとプローブビームの入射ビームの強さは、それぞれ３３ｍＶ／ｃｍ２及び５ｍＷ／ｃｍ２である。測定されたデータは、ローレンツ型でフィッティングされた。ｆｃは、前記フィッティングされたローレンツ型の半値幅（ｈａｌｆ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）を示す。前記半値幅を前記モノポール増幅器のカットオフ周波数（遮断周波数）として取り扱う。開ループの場合、ｆｃは７２Ｈｚである。負帰還を有する閉ループの場合、ｆｃは１９５Ｈｚまで増加する。
負帰還の下で、前記原子磁力計２００の周波数応答を調べるために、周波数による開放ループ信号が０.５、０.２及び３.５ｎＴ／Ｖの帰還利得パラメータβについて測定された。測定されたデータは、ローレンツ型でフィッティングされる。これによって、ｆｃ及びＧｆｂ（０）が算定（ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）される。
負帰還を使用していない場合、５０Ｈｚ以下の周波数に対するデータは、フォトダイオード出力飽和（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）によって測定されない。
β＝３.５ｎＴ／Ｖの場合、周波数応答のカーブは、半値幅である１９５Ｈｚまで殆どフラットである。数学式３によると、ｆｃは（１＋βＧ０）ファクタに掛け、Ｇｆｂは（１＋βＧ０）ファクタで割らなければならない。０.５、０.２及び３.５ｎＴ／Ｖに対する、計算されたｆｃは、それぞれ９３.６、１５８及び２２３Ｈｚで与えられる。
実験的に得た遮断周波数ｆｃは、０.５、０.２及び３.５ｎＴ／Ｖに対して、それぞれ８０、１１０及び１９５Ｈｚで与えられる。しかし、実験値８０、１１０及び１９５と計算値９３.６、１５８及び２２３は、ほぼ類似する。
前記帰還システムの性能は、測定信号と試験磁場との間の相関（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）によって評価される。前記試験磁場は、ラット（ｒａｔ）のＭＣＧ信号を模写するように試験のコイルによって生成される。
図１７ａは周波数ドメインで試験磁場を示し、図１７ｂは図１７ａの試験磁場信号を測定した時間ドメインで測定信号を示し、図１７ｃは図１７ｂの測定信号を拡大したグラフである。
図１７に示されているように、試験磁場は、ＭＣＧ−模倣信（ＭＣＧ−ｌｉｋｅ ｓｉｇｎａｌ）である。前記試験磁場は、５００ｐＴのピーク対ピーク振幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を有し、Ｒピークの間に０.１秒の周期を有する。前記試験磁場は、多重周波数成分（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）で構成される。β＝０である場合、開放ループを形成し、低い周波数応答は歪み（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を誘発し、半値幅より高い周波数は信号遅延（ｓｉｇｎａｌ ｄｅｌａｙ）を誘発する。βが３.５ｎＴ／Ｖまで増加することによって、信号の歪みは減少し、信号遅延は減少する。
前記ＭＣＧ−模倣信号のＦＴ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）のスペクトラムは、０Ｈｚから２００Ｈｚまでの多重周波数成分で構成される。
前記試験磁場を生成する試験コイルは、前記蒸気セルから２５ｍｍ離れて配置され、５ｍｍの直径を有する。前記試験コイルは、円形コイルであり、ｙ軸方向の磁場を生成する。
前記試験コイルは、０、０.５、１.０、２.０及び３.５ｎＴ／Ｖに対して時間領域で試験磁場を生成する。
高い帰還利得は、高い相関係数（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示す。高い相関係数は、少ない歪みを示す。
β＝３.５ｎＴ／Ｖの場合、１９５Ｈｚの帯域幅は、全体スペクトラムの略７０％をカバーする。０.７５の計算された相関係数は、拡張された帯域幅の結果で説明される。
測定された信号の振幅は、磁場のスケールで補正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）される。βが増加することによって、半値幅を超過して遅れた（ｌａｇｇｉｎｇ）信号のため、低周波成分からの歪みが減少し、位相差が減少する。
試験磁場と測定信号との間の線形相関を計算した。前記線形相関は、測定された信号で歪みの程度を評価する。β＝３.５ｎＴ／Ｖの場合、相関係数は、歪みなく出力の理想的な場合に近接する０.７６である。
原子磁力計システムのノイズレベルは、拡張ファクタ（１＋βＧ０）の上限を決定する重要な因子である。原子磁力計システムのノイズレベルが増加することによって、測定された信号はノイズにかき消される。前記原子磁力計のノイズレベルを評価するために、小さい振動磁場（ｓｍａｌｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）の補正ピーク（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｅａｋｓ）を使用する。総ノイズは、環境磁場ノイズ（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎｏｉｓｅ）、光シプトノイズ（ｌｉｇｈｔ ｓｈｉｆｔ ｎｏｉｓｅ）、スピン−プロジェクションノイズ（ｓｐｉｎ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ）及びフォトン−ショットノイズ（ｐｈｏｔｏｎ ｓｈｏｔ−ｎｏｉｓｅ）で考慮される。前記環境磁場ノイズ（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎｏｉｓｅ）及び光シプトノイズ（ｌｉｇｈｔ ｓｈｉｆｔ ｎｏｉｓｅ）は、前記負帰還によって減少される。
図１８は、本発明の一実施例による原子磁力計のノイズスペクトラムを表示する図面である。
図１８に示されているように、負帰還を有する場合と有しない場合に対するノイズスペクトル密度（ｎｏｉｓｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ）が表示される。β＝３.５ｎＴ／Ｖの場合、低周波で前記ノイズレベルは負帰還がない場合に比べて減少した。零から１９０Ｈｚの範囲で、ノイズレベルを約１０倍減少させる。したがって、負帰還構造は、低周波範囲で信号待雑音比を犠牲にせず、測定帯域幅を広げる。
図１９は、本発明の他の実施例による原子磁力計を示す概念図である。
図５及び前述したものと重複される説明は省略されている。
図１９に示されているように、負帰還は、信号対雑音比を減少させ、広い帯域幅を提供することによって、信号の大きさが小さくて速やかに変化する磁場信号を測定する。磁場の感度を増加させ、脳磁図／心磁図の精密な測定のための周波数領域を確保するために、アルカリ金属蒸気が充填されている蒸気セルに負帰還が提供される。また、負帰還は、信号対雑音比を減少させ、広い帯域幅を提供することによって、信号の大きさが小さくて速やかに変化する磁場信号を測定する。前記負帰還は、ポンプ光源の出力を調節して行う。
具体的に、原子磁力計７００の周波数応答範囲を拡張するために、ポムプ光の光量負帰還が使用される。光量負帰還は、プローブビームの光磁気回転信号をポンプビームに帰還する。
ポンプビームの光量を調節するために、ポンプ光源７９０は、ポンプビーム光量変調部７９０を含む。前記ポンプビーム光量変調部７９０は、ポンプレーザ１８１の出力端に配置される。前記ポンプビーム光量変調部７９０は、電気光学変調器駆動部７９１、電気光学変調器７９２及び偏光ビーム分離器７９３を含む。電気光学変調器駆動部７９１は、感知部１３０の出力端で電気信号Ｖｏｕｔの提供を受けて、前記電気信号Ｖｏｕｔに比例する駆動電圧Ｖを出力する。
前記電気光学変調器７９２は、前記変調光学変調駆動部７９１の駆動電圧Ｖに比例して偏光方向（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を回転させるか、又は位相遅延を提供する。前記偏光方向の回転角は、前記駆動電圧Ｖの関数である。例えば、前記電気光学変調器７９２は、ポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）、ファラデー回転機（Ｆａｒａｄａｙ Ｒｏｔａｔｏｒ）又は液晶ディスプレイ素子（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）である。これによって、前記電気光学変調器７９２に入射する線形偏光したビームの偏光方向は、前記駆動電圧Ｖに比例して回転する。
前記偏光ビーム分離器７９３は、偏光状態によって、入射ビームを分離する。これによって、所定の線形偏光したビームだけが前記蒸気セルに１／４波長板１８３に提供される。
前記駆動電圧Ｖは、感知部１３０の出力端で電気信号Ｖｏｕｔに比例する。または、前記駆動電圧Ｖは、前記プローブビームの光磁気回転に比例する。一方、前記光磁気回転は、測定磁場の強さに比例する。つまり、測定磁場の強さが小さい場合、前記ポンプビーム光量変調部は、ポンプビームの強さを設定値に維持する。一方、測定磁場の強さが大きい場合、前記ポンプビーム光量変調部は、設定値より小さい値のポンプビームを提供する。
本発明の一実施例によると、帰還コイル１２２に代って、前記ポンプビーム光量変調部７９０は、前記原子磁力計の周波数応答範囲を拡張する。
上記のように、本発明は特定の好ましい実施例を図示することにより説明されているものの、本発明はこのような実施例に限定されず、当該発明が属する技術分野において、通常の知識を有した者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で行うことができる多様な形態の実施例を全て含む。
２０ ：測定対象
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  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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