專利名稱：光纖元件、磁性傳感器以及磁性測定裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖元件、磁性傳感器以及磁性測定裝置，更加具體來說，是涉及采用 將堿金屬原子封入到光纖的一部分中的光纖元件，對外部磁場的強度進行檢測的磁性傳感 器以及磁性測定裝置。
背景技術：
原子振蕩器的振蕩頻率是以堿金屬原子的兩個基態(tài)能級之間的能量差(ΔΕ12) 作為基準的。由于ΔΕ12的值根據(jù)外部磁性的強度和波動而發(fā)生變化，因此在原子振蕩器 的元件上覆蓋防磁護罩，以使其不會受到外部磁性的影響。因此，通過除去防磁護罩，并根 據(jù)振蕩頻率變化來讀取ΔΕ12的變化，從而能夠制作出對外部磁場的強度和變動進行測定 的磁性傳感器。但是，由于磁場也會從原子振蕩器內(nèi)部的電子部件中產(chǎn)生，從而導致在元件 的周圍存在被測磁場以外的磁場，因此難以準確地僅對被測磁場進行測定。另外，在專利文獻1中，公開了一種采用了光泵激方式的磁通計。在先技術文獻專利文獻1日本特開2007-167616公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題但是，雖然專利文獻1中所述的現(xiàn)有技術，在通過利用堿金屬和光的作用來構成 高靈敏度磁性傳感器這一點上具有優(yōu)勢，但由于采用以下結構，即，向空間發(fā)射激光并由透 鏡校準，再由光檢測器接收該光的結構，或在元件附近配置了激光和其外圍電路的結構，因 此存在光軸校正等較為困難、易受到從光檢測器等產(chǎn)生的磁性干擾等的問題。本發(fā)明為鑒于所述課題而實施的發(fā)明，其目的在于，提供一種磁性傳感器以及磁 性測定裝置，該磁性傳感器通過采用將堿金屬原子封入光纖的一部分中的光纖元件，來對 外部磁場的強度進行檢測，由此避免了不需要的外部磁場的影響，從而能夠準確地對被測 點或被測區(qū)域的磁場進行測定。用于解決課題的方法本發(fā)明為，為了解決上述課題中的至少一部分而實施的發(fā)明，其可以作為以下的 方式或應用例而實現(xiàn)。[應用例1]一種光纖元件，其特征在于，具有光纖，其具有對光進行全反射的包 層、對所述全反射的光進行傳播的纖芯、和被形成在所述纖芯的內(nèi)部的中空部；堿金屬原 子，其被密封在所述中空部中。光纖能夠在不受電場和磁場的影響的條件下對光進行傳播。另外，為了對磁性的 強度進行檢測，需要將封入有堿金屬原子的元件和光纖一體構成。因此，在本發(fā)明中，以貫 穿光纖纖芯的中心部的方式而形成中空部，并在其中封入堿金屬原子，再由光纖的纖芯將 兩端密封。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)由光纖而構成了整體的磁性傳感器。
[應用例2]如應用例1所述的光纖元件，其特征在于，將所述光纖以多重卷繞的方 式而構成。為了提高由電磁誘導透明現(xiàn)象而產(chǎn)生的光輸出信號的S/N比，需要增加與激光相 互作用的堿金屬的原子數(shù)量。因此，在本發(fā)明中，增大了封入有堿金屬原子的光纖元件的長 度，并將該光纖元件以多重卷繞的方式而構成。由此，能夠提高光輸出信號的S/N比，且提 高檢測磁性的靈敏度。[應用例3]—種磁性傳感器，其特征在于，具有應用例1或2所述的光纖元件，以 作為對外部磁場的強度進行檢測的傳感器。封入有堿金屬原子的光纖元件，作為對磁性進行檢測的傳感器而發(fā)揮作用。另外， 已知原子振蕩器的振蕩頻率，其原子的兩個基態(tài)能級之間的能量差的值會根據(jù)外部磁性的 強度和波動而發(fā)生變化。因此，優(yōu)選為，采用能夠以精確定位的方式對實際需要測定的位置 進行檢測的結構。因此，在本發(fā)明中，將光纖元件的結構分為兩部分而構成。即，將封入有 堿金屬原子的第2光纖，在其兩端分別和用于對光進行傳播的第1光纖進行連接。由此，能 夠提供一種磁性傳感器，其能夠在不對被測區(qū)域以外的不需要的磁場進行檢測的條件下， 準確地對被測區(qū)域的磁場進行檢測。[應用例4]如應用例3所述的磁性傳感器，其特征在于，將應用例1或2所述的光 纖元件排列成格子狀，從而能夠測定二維區(qū)域的磁場強度。在被測區(qū)域為一個點時，使用一個光纖元件即可。但是，在被測區(qū)域擴展為二維 時，通過一個光纖元件不僅在測定上需要較多時間，且測定精度也將下降。因此，在本發(fā)明 中，將光纖元件配置成格子狀，從而能夠測定二維區(qū)域的磁場強度。由此，能夠同時且準確 地對多個位置進行測定。[應用例5]—種磁性測定裝置，其特征在于，具有光源，其產(chǎn)生用于在堿金屬原 子中產(chǎn)生電磁誘導透明現(xiàn)象的一對共振光束；應用例3或4所述的磁性傳感器；磁場產(chǎn)生 單元，其產(chǎn)生用于在所述堿金屬原子中引起塞曼分裂的靜磁場；光檢測單元，其對從所述磁 性傳感器出射的所述一對共振光束進行檢測；頻率掃描單元，其對所述一對共振光束的頻 率差進行掃描；記錄單元，其以與所述頻率差的掃描同步的方式，對所述光檢測單元的輸出 強度中的多個極大值進行記錄，并且，根據(jù)對應于所述多個極大值的所述頻率差，來對外部 磁場的強度進行計測。為了使用本發(fā)明的磁性傳感器來實現(xiàn)磁性測定裝置，使該磁性測定裝置具有光 源，其使一對共振光束入射到磁性傳感器(光纖)中；光檢測單元，其對從磁性傳感器出射 的一對共振光束的強度進行檢測；掃頻電路，其對微波進行掃頻并產(chǎn)生電磁誘導透明現(xiàn)象； 磁場產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生用于使所述堿金屬原子發(fā)生塞曼分裂的靜磁場；峰值檢測電路，其記 錄從光檢測單元輸出的信號的極大值。并且，在發(fā)生了塞曼分裂的狀態(tài)下，由峰值檢測電路 對多個極大值進行檢測，并根據(jù)各個峰值的周期差來判斷磁性的強度。即，判斷為，峰值的 周期差越大，則磁性的強度越大。


圖1(a) (b)為表示本發(fā)明的光纖元件的一部分的結構的圖。圖2為表示普通光纖的結構的圖，(a)為將光纖沿圓周方向切斷時的剖面圖，(b)為將光纖沿軸向(B-B)切斷時的剖面圖。圖3為表示本發(fā)明的磁性傳感器的整體結構的圖。圖4(a)為表示本發(fā)明的第1實施方式所涉及的磁性測定裝置的結構的框圖，(b) 為將本發(fā)明的磁性傳感器以多重卷繞的方式而構成時的圖。圖5為表示將圖4(b)中的光纖元件配置成格子狀，并在區(qū)域A內(nèi)配置有9個光纖 元件的示例的圖。圖6為用于對將光纖元件構成格子狀時的其他驅(qū)動方式進行說明的圖。圖7為表示本發(fā)明的第2實施方式所涉及的磁性測定裝置的結構的框圖。圖8(a)為對進行了塞曼分裂的EIT信號的形態(tài)進行說明的圖，(b)為表示磁通密 度和塞曼分裂之間的關系的圖。圖9(a)為表示具有示波器觀以取代圖7中的峰值檢測電路25的磁性測定裝置 的結構的框圖，(b)為表示頻率掃描控制信號以及觸發(fā)信號的波形的圖，(c)為被顯示在示 波器觀上的、進行了塞曼分裂后的EIT信號。符號說明1包層；2纖芯；3中空部；4堿金屬原子；5光纖元件；6纖芯；7包層；8光纖；9連 接部；10激光；11測定室；12磁場產(chǎn)生單元；13被測物；14PD ； 15強制同步電路；16本機振 蕩器；17PLL ； 18LD ；20格子狀的光纖元件；40磁性傳感器；100磁性測定裝置
具體實施例方式以下，利用圖示的實施方式詳細地對本發(fā)明進行說明。但是，只要未對本實施方式 所述的結構要素、種類、組合、形狀、其相對配置等進行特定的記載，就不表示將本發(fā)明的范 圍限定于此，而只不過是說明示例。圖1為表示本發(fā)明的光纖元件的一部分的結構的圖。圖1(a)為將光纖沿圓周方 向切斷時的剖面圖，圖1(b)為將光纖沿軸向(A-A)切斷時的剖面圖。該光纖元件5具有 筒狀的包層1，其對光進行全反射；纖芯2，其被形成在包層1的筒內(nèi)部，并對全反射的光進 行傳播；中空部3，其貫穿纖芯2的大致中心部，并對從纖芯2入射的光進行傳播。并且，在 中空部3中封入堿金屬原子4，并通過未圖示的其他光纖(參照圖2)的纖芯而分別將中空 部3的兩端a、b密封。光纖能夠在不受電場和磁場的影響的條件下對光進行傳播。另外，為了對磁性的 強度進行檢測，需要將封入有堿金屬原子4的元件和光纖一體構成。因此，在本實施方式 中，以貫穿光纖元件5的纖芯2的中心部的方式而形成中空部3，并在其中封入堿金屬原子 4，再由其他光纖(參照圖2)的纖芯將兩端密封。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)利用光纖而構成了整體的 磁性傳感器。圖2為表示普通光纖的結構的圖。圖2(a)為將光纖沿圓周方向切斷時的剖面圖， 圖2(b)為將光纖沿軸向(B-B)切斷時的剖面圖。該光纖8由對光進行全反射的包層7、和 對全反射的光進行傳播的纖芯6構成。圖3為表示本發(fā)明的磁性傳感器的整體結構的圖。該磁性傳感器40中，在圖1中 的光纖元件5的兩端，通過連接部9而連接有圖2中的光纖8，并在中空部3內(nèi)封入有堿金 屬原子4。作為普通的制造方法，在堿金屬原子4的環(huán)境內(nèi)，通過以與連接光纖的技術同樣的方式而進行連接，從而能夠容易地實現(xiàn)。在該磁性傳感器40中，例如，從左側傳播的激光 10由包層7進行全反射從而在纖芯6中傳播，并從連接部9傳播至光纖元件5中。入射到 光纖元件5中的激光10在與中空部3內(nèi)的堿金屬原子4發(fā)生相互作用的同時，由包層1進 行全反射從而多次在中空部3內(nèi)通過。由此，EIT信號的能級增大，從而S/N提高。從光纖 元件5出射的激光10入射到右側的光纖中，由包層7進行全反射從而在纖芯6內(nèi)進行傳播。封入有堿金屬原子4的光纖元件5，作為對磁性進行檢測的傳感器而發(fā)揮作用。另 外，已知原子振蕩器的振蕩頻率，其原子的兩個基態(tài)能級之間的能量差的值，會根據(jù)外部磁 性的強度和波動而發(fā)生變化。因此，優(yōu)選為，采用以精確定位的方式對實際需要測定的位置 進行檢測的結構。因此，在本實施方式中，將光纖元件5的結構分成兩部分而構成。S卩，將 封入有堿金屬原子4的光纖元件5，在其兩端分別和用于對光進行傳播的光纖8進行連接。 由此，能夠提供一種磁性傳感器，其能夠在不對被測區(qū)域以外的不需要的磁場進行檢測的 條件下，準確地對被測區(qū)域的磁場進行檢測。圖4(a)為，表示本發(fā)明的第1實施方式所涉及的磁性測定裝置的結構的框圖。該 磁性測定裝置100被構成為，具有激光發(fā)射部LD(光源)，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中發(fā) 生 EIT 現(xiàn)象(Electromagnetically Induced Transparency 電磁誘導透明現(xiàn)象)的一對 共振光束；圖3中的磁性傳感器40 ；磁場產(chǎn)生單元12，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中引起塞 曼分裂的靜磁場；激光接收部PD (光檢測單元)14，其對從磁性傳感器40出射的一對共振 光束進行檢測；強制同步電路15，其對EIT信號進行檢測并強制同步振動頻率；本機振蕩器 16，其根據(jù)強制同步電路15的電壓來控制振蕩頻率；PLL17，其倍增本機振蕩器16的頻率 從而生成高頻率。另外，磁性傳感器40為了從不需要的外部磁場隔離，而被設置在測定室 11的內(nèi)部，并被控制成通過磁場產(chǎn)生單元12而發(fā)生塞曼分裂。并且，通過磁性傳感器40對 自被測物13產(chǎn)生的磁場的變化進行檢測。在這里，對塞曼分裂進行說明。塞曼分裂為，在 從外部對堿金屬原子施加磁場時，堿金屬原子的基態(tài)能級分裂成能量狀態(tài)不同的多個能級 的現(xiàn)象。由于塞曼分裂，堿金屬原子的兩個基態(tài)能級之間的能量差(ΔΕ12)、即共振頻率也 會發(fā)生變化。圖8(b)為表示銫原子的塞曼分裂的狀態(tài)的圖。橫軸表示磁場強度，縱軸表示 分裂后的基態(tài)能級之間的能量差的變化(共振頻率的變化)。m是被稱為磁量子數(shù)的量，已 知僅存在七個對應于相同磁量子數(shù)m的組合的共振頻率。雖然在磁場強度為零時，這七個 共振頻率全部相一致并成為簡并化狀態(tài)，但隨著磁場的強度變化，各個共振頻率也發(fā)生變 化且其變化率也不同。在這里，著眼于除去磁量子數(shù)m = 0之外的某一個磁量子數(shù)(例如 m = +3)，控制所述本機振蕩器16的輸出頻率(PLL17的輸出頻率)，以使對應于磁量子數(shù) m =+3的組合的共振頻率(EIT信號)被選擇。例如，只需預先對所述本機振蕩器16的振 蕩頻率的范圍進行限制即可。因此，在考慮到所述被測物13的磁場與由所述磁場產(chǎn)生單元 12所產(chǎn)生的靜磁場重疊的狀態(tài)時，可以想到本機振蕩器16的振蕩頻率將根據(jù)被測物13的 磁場強度而發(fā)生變化。由此，通過對本機振蕩器16的頻率變化進行測定，從而能夠?qū)Ρ粶y 物13的磁場強度進行檢測。另外，只要所選擇的磁量子數(shù)m為0以外的數(shù)值，則選擇任意 值均可。圖4(b)為，將本發(fā)明的磁性傳感器以多重卷繞的方式而構成的圖。為了提高由于 EIT現(xiàn)象而產(chǎn)生的光輸出信號的S/N比，需要增加與激光相互作用的堿金屬的原子數(shù)量。因 此，在本實施方式中，增大封入有堿金屬原子的光纖元件5的長度，并將該光纖元件5以多重卷繞的方式而構成。由此，能夠提高光輸出信號的S/N比，且提高檢測磁性的靈敏度。圖5為，表示將圖4(b)中的光纖元件配置成格子狀，并在區(qū)域A內(nèi)配置有fe 5i 的9個光纖元件的示例。各個光纖元件的一端與激光發(fā)射部(LD) 18a 18i相連接，另一 端與激光接收部(PD)Ha 14i相連接。即，在被測區(qū)域為一個點時，利用一個光纖元件即 可。但是，在被測區(qū)域擴展為二維時，利用一個光纖元件，不僅在測定上需要較長的時間，且 測定的精度也將降低。因此，在本實施方式中，將光纖元件fe 5i排列成格子狀，從而能 夠?qū)ΧS區(qū)域A的磁場強度進行測定。由此，能夠同時且準確地對多個位置進行測定。圖6為，用于對將光纖元件配置成格子狀時的其他驅(qū)動方式進行說明的圖。在圖 5中，由于1個光纖元件分別對應于激光發(fā)送部18和激光接收部14，因此存在為了滿足光 纖元件的個數(shù)的需要，而導致裝置整體的成本增加的問題。因此，在本實施方式中，在可安 裝的裝置21中安裝格子狀的光纖元件20，各個光纖元件8以一對一的方式與光開關22和 23相連接。并且，例如構成為，向光開關22的輸入中，輸入從LD18出射的激光，而光開關 23的輸出入射到PD14中。雖然省略了圖示，但存在用于以同步的正時切換光開關22和23 的控制電路。通過該結構，能夠在不增加LD18和PD14的數(shù)量的條件下，取得來自格子狀的 磁性傳感器的信息。另外，光開關22以及23例如由MEMS光開關構成，該MEMS光開關由反射光束的微 鏡構成。即，作為開閉光信號的一種方法，能夠通過將光信號暫時轉(zhuǎn)換為電信號，并打開、關 閉該電信號來實現(xiàn)。但是，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的情況下，需要光電轉(zhuǎn)換元件，從而在轉(zhuǎn) 換時將發(fā)生信號的損耗。因此，在本實施方式中，使用MEMS光開關直接對光進行開閉。由 此，由于不需要光電轉(zhuǎn)換元件，因此能夠小型化地實現(xiàn)低損耗的開關。圖7為，表示本發(fā)明的第2實施方式所涉及的磁性測定裝置的結構的框圖。該磁 性測定裝置110被構成為，具有LD18，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的一對共 振光束；圖3中的磁性傳感器40 ；磁場產(chǎn)生單元12，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中引起塞曼 分裂的靜磁場；PD14，其對從磁性傳感器40出射的一對共振光束進行檢測；掃頻電路(頻 率掃描單元)26，其對一對共振光束的頻率差進行掃描；微波產(chǎn)生電路27，其產(chǎn)生微波；峰 值檢測電路(記錄單元)25，其以與頻率差的掃描同步的方式，對PD14的輸出強度中的多個 極大值進行記錄。并且，根據(jù)對應于多個極大值的頻率差，來對外部磁場的強度進行計測。為了使用本發(fā)明的磁性傳感器40來實現(xiàn)磁性測定裝置，而具有LD18，其向磁性 傳感器40射入一對共振光束；PD14，其對從磁性傳感器40出射的一對共振光束的強度進 行檢測；掃頻電路26，其對微波進行掃頻并產(chǎn)生EIT信號；磁場產(chǎn)生單元12，其預先施加用 于使堿金屬原子發(fā)生塞曼分裂的靜磁場；峰值檢測電路25，其對從PD14輸出的信號的極大 值進行存儲。并且，在塞曼分裂的狀態(tài)下通過峰值檢測電路25對EIT信號(多個極大值) 進行檢測，并以峰值的產(chǎn)生時間的間隔(時間差)作為基準值而預先存儲。因此，由于根據(jù) 被測物13的磁場強度，各個峰值的產(chǎn)生時間的間隔會發(fā)生變化，因此通過將該變化與所述 基準值進行比較來判斷被測物13所產(chǎn)生的磁性的強度。即，判斷為，峰值產(chǎn)生時間的間隔 (時間差)的變化越大，磁性的強度越大。圖8(a)為，對處于進行了塞曼分裂的狀態(tài)下的EIT信號的形態(tài)進行說明的圖，圖 8(b)為，表示磁通密度和塞曼分裂之間的關系的圖。即，CPT式的原子振蕩器在原子振蕩器 的輸出信號同步時，將由于電磁誘導透明現(xiàn)象而產(chǎn)生EIT信號(極大值)。但是，由于多個基態(tài)能級簡并化，因此該EIT信號的頻譜雖然能級較大，但半幅值擴大了。由同步檢測部對 原子振蕩器的輸出信號同步的情況進行檢測，并向磁性傳感器(光纖元件)40施加具有預 定強度的磁場。磁性傳感器內(nèi)的氣體狀的堿金屬原子在被施加磁場時，例如，在堿金屬原子 為銫的情況下，EIT信號的頻譜將分裂成能量不同的7個基態(tài)能級(參照圖8(a))。將該現(xiàn) 象稱為塞曼分裂。根據(jù)圖8(b)可以看出，磁通密度和塞曼分裂之間的關系為，塞曼分裂的 幅度(相當于能量差的頻率差)與磁通密度成比例地變化。在這里，m被稱為磁量子數(shù)。
圖9(a)為，表示具有示波器觀以取代圖7中的峰值檢測電路25的磁性測定裝置 的結構的框圖。對于相同的結構要素，標注與圖8相同的參照編號來進行說明。掃頻電路 26輸出用于使頻率掃描控制信號四和示波器觀同步的觸發(fā)信號。圖9(b)為，表示頻率 掃描控制信號以及觸發(fā)信號的波形的圖。頻率掃描控制信號為，在周期T內(nèi)線性變化的鋸 齒狀波，而觸發(fā)信號為，周期T的50%能率的矩形波。另外，圖9(c)為，被顯示在示波器觀 上的、已經(jīng)進行了塞曼分裂的狀態(tài)下的EIT信號。以此種方式，能夠?qū)崟r觀測被顯示在示波 器上的波形的峰值的間隔t0，根據(jù)被測物13的磁性的強度而變化的形態(tài)。
權利要求
1.一種光纖元件，其特征在于，具有光纖，其具有對光進行全反射的包層、對所述全反射的光進行傳播的纖芯、和被形成在 所述纖芯的內(nèi)部的中空部；堿金屬原子，其被密封在所述中空部中。
2.如權利要求1所述的光纖元件，其特征在于，將所述光纖以多重卷繞的方式而構成。
3.—種磁性傳感器，其特征在于，具有權利要求1或2所述的光纖元件，以作為對外部 磁場的強度進行檢測的傳感器。
4.如權利要求3所述的磁性傳感器，其特征在于，將權利要求1或2所述的光纖元件排 列成格子狀，從而能夠測定二維區(qū)域的磁場強度。
5.一種磁性測定裝置，其特征在于， 具有光源，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中產(chǎn)生電磁誘導透明現(xiàn)象的一對共振光束； 權利要求3或4所述的磁性傳感器；磁場產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生用于在所述堿金屬原子中引起塞曼分裂的靜磁場； 光檢測單元，其對從所述磁性傳感器出射的所述一對共振光束進行檢測； 頻率掃描單元，其對所述一對共振光束的頻率差進行掃描；記錄單元，其以與所述頻率差的掃描同步的方式，對所述光檢測單元的輸出強度中的 多個極大值的產(chǎn)生時間的間隔進行記錄，根據(jù)所述多個極大值的產(chǎn)生時間的間隔，來對外部磁場的強度進行計測。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠避免不需要的外部磁場的影響，從而準確地對被測點或被測區(qū)域的磁場進行測定的磁性傳感器以及磁性測定裝置。該磁性測定裝置(100)被構成為，具有LD(光源)，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中發(fā)生EIT現(xiàn)象(電磁誘導透明現(xiàn)象)的一對共振光束；圖3中的磁性傳感器(40)；磁場產(chǎn)生單元(12)，其產(chǎn)生用于在堿金屬原子中引起塞曼分裂的靜磁場；PD(光檢測單元)(14)，其對從磁性傳感器(40)出射的一對共振光束進行檢測；強制同步電路(15)，其對EIT信號進行檢測并強制同步振動頻率；本機振蕩器(16)，其根據(jù)強制同步電路(15)的電壓來控制振蕩頻率；PLL(17)，其倍增本機振蕩器(16)的頻率而生成高頻率。
文檔編號G01R33/032GK102062895SQ20101051904
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月22日
發(fā)明者牧義之 申請人:精工愛普生株式會社