专利名称：光纤元件、磁性传感器以及磁性测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤元件、磁性传感器以及磁性测定装置，更加具体来说，是涉及采用 将碱金属原子封入到光纤的一部分中的光纤元件，对外部磁场的强度进行检测的磁性传感 器以及磁性测定装置。
背景技术：
原子振荡器的振荡频率是以碱金属原子的两个基态能级之间的能量差(ΔΕ12) 作为基准的。由于ΔΕ12的值根据外部磁性的强度和波动而发生变化，因此在原子振荡器 的元件上覆盖防磁护罩，以使其不会受到外部磁性的影响。因此，通过除去防磁护罩，并根 据振荡频率变化来读取ΔΕ12的变化，从而能够制作出对外部磁场的强度和变动进行测定 的磁性传感器。但是，由于磁场也会从原子振荡器内部的电子部件中产生，从而导致在元件 的周围存在被测磁场以外的磁场，因此难以准确地仅对被测磁场进行测定。另外，在专利文献1中，公开了一种采用了光泵激方式的磁通计。在先技术文献专利文献1日本特开2007-167616公报
发明内容
发明所要解决的课题但是，虽然专利文献1中所述的现有技术，在通过利用碱金属和光的作用来构成 高灵敏度磁性传感器这一点上具有优势，但由于采用以下结构，即，向空间发射激光并由透 镜校准，再由光检测器接收该光的结构，或在元件附近配置了激光和其外围电路的结构，因 此存在光轴校正等较为困难、易受到从光检测器等产生的磁性干扰等的问题。本发明为鉴于所述课题而实施的发明，其目的在于，提供一种磁性传感器以及磁 性测定装置，该磁性传感器通过采用将碱金属原子封入光纤的一部分中的光纤元件，来对 外部磁场的强度进行检测，由此避免了不需要的外部磁场的影响，从而能够准确地对被测 点或被测区域的磁场进行测定。用于解决课题的方法本发明为，为了解决上述课题中的至少一部分而实施的发明，其可以作为以下的 方式或应用例而实现。[应用例1]一种光纤元件，其特征在于，具有光纤，其具有对光进行全反射的包 层、对所述全反射的光进行传播的纤芯、和被形成在所述纤芯的内部的中空部；碱金属原 子，其被密封在所述中空部中。光纤能够在不受电场和磁场的影响的条件下对光进行传播。另外，为了对磁性的 强度进行检测，需要将封入有碱金属原子的元件和光纤一体构成。因此，在本发明中，以贯 穿光纤纤芯的中心部的方式而形成中空部，并在其中封入碱金属原子，再由光纤的纤芯将 两端密封。由此，能够实现由光纤而构成了整体的磁性传感器。
[应用例2]如应用例1所述的光纤元件，其特征在于，将所述光纤以多重卷绕的方 式而构成。为了提高由电磁诱导透明现象而产生的光输出信号的S/N比，需要增加与激光相 互作用的碱金属的原子数量。因此，在本发明中，增大了封入有碱金属原子的光纤元件的长 度，并将该光纤元件以多重卷绕的方式而构成。由此，能够提高光输出信号的S/N比，且提 高检测磁性的灵敏度。[应用例3]—种磁性传感器，其特征在于，具有应用例1或2所述的光纤元件，以 作为对外部磁场的强度进行检测的传感器。封入有碱金属原子的光纤元件，作为对磁性进行检测的传感器而发挥作用。另外， 已知原子振荡器的振荡频率，其原子的两个基态能级之间的能量差的值会根据外部磁性的 强度和波动而发生变化。因此，优选为，采用能够以精确定位的方式对实际需要测定的位置 进行检测的结构。因此，在本发明中，将光纤元件的结构分为两部分而构成。即，将封入有 碱金属原子的第2光纤，在其两端分别和用于对光进行传播的第1光纤进行连接。由此，能 够提供一种磁性传感器，其能够在不对被测区域以外的不需要的磁场进行检测的条件下， 准确地对被测区域的磁场进行检测。[应用例4]如应用例3所述的磁性传感器，其特征在于，将应用例1或2所述的光 纤元件排列成格子状，从而能够测定二维区域的磁场强度。在被测区域为一个点时，使用一个光纤元件即可。但是，在被测区域扩展为二维 时，通过一个光纤元件不仅在测定上需要较多时间，且测定精度也将下降。因此，在本发明 中，将光纤元件配置成格子状，从而能够测定二维区域的磁场强度。由此，能够同时且准确 地对多个位置进行测定。[应用例5]—种磁性测定装置，其特征在于，具有光源，其产生用于在碱金属原 子中产生电磁诱导透明现象的一对共振光束；应用例3或4所述的磁性传感器；磁场产生 单元，其产生用于在所述碱金属原子中引起塞曼分裂的静磁场；光检测单元，其对从所述磁 性传感器出射的所述一对共振光束进行检测；频率扫描单元，其对所述一对共振光束的频 率差进行扫描；记录单元，其以与所述频率差的扫描同步的方式，对所述光检测单元的输出 强度中的多个极大值进行记录，并且，根据对应于所述多个极大值的所述频率差，来对外部 磁场的强度进行计测。为了使用本发明的磁性传感器来实现磁性测定装置，使该磁性测定装置具有光 源，其使一对共振光束入射到磁性传感器(光纤)中；光检测单元，其对从磁性传感器出射 的一对共振光束的强度进行检测；扫频电路，其对微波进行扫频并产生电磁诱导透明现象； 磁场产生单元，其产生用于使所述碱金属原子发生塞曼分裂的静磁场；峰值检测电路，其记 录从光检测单元输出的信号的极大值。并且，在发生了塞曼分裂的状态下，由峰值检测电路 对多个极大值进行检测，并根据各个峰值的周期差来判断磁性的强度。即，判断为，峰值的 周期差越大，则磁性的强度越大。
图1(a) (b)为表示本发明的光纤元件的一部分的结构的图。图2为表示普通光纤的结构的图，(a)为将光纤沿圆周方向切断时的剖面图，(b)为将光纤沿轴向(B-B)切断时的剖面图。图3为表示本发明的磁性传感器的整体结构的图。图4(a)为表示本发明的第1实施方式所涉及的磁性测定装置的结构的框图，(b) 为将本发明的磁性传感器以多重卷绕的方式而构成时的图。图5为表示将图4(b)中的光纤元件配置成格子状，并在区域A内配置有9个光纤 元件的示例的图。图6为用于对将光纤元件构成格子状时的其他驱动方式进行说明的图。图7为表示本发明的第2实施方式所涉及的磁性测定装置的结构的框图。图8(a)为对进行了塞曼分裂的EIT信号的形态进行说明的图，(b)为表示磁通密 度和塞曼分裂之间的关系的图。图9(a)为表示具有示波器观以取代图7中的峰值检测电路25的磁性测定装置 的结构的框图，(b)为表示频率扫描控制信号以及触发信号的波形的图，(c)为被显示在示 波器观上的、进行了塞曼分裂后的EIT信号。符号说明1包层；2纤芯；3中空部；4碱金属原子；5光纤元件；6纤芯；7包层；8光纤；9连 接部；10激光；11测定室；12磁场产生单元；13被测物；14PD ； 15强制同步电路；16本机振 荡器；17PLL ； 18LD ；20格子状的光纤元件；40磁性传感器；100磁性测定装置
具体实施例方式以下，利用图示的实施方式详细地对本发明进行说明。但是，只要未对本实施方式 所述的结构要素、种类、组合、形状、其相对配置等进行特定的记载，就不表示将本发明的范 围限定于此，而只不过是说明示例。图1为表示本发明的光纤元件的一部分的结构的图。图1(a)为将光纤沿圆周方 向切断时的剖面图，图1(b)为将光纤沿轴向(A-A)切断时的剖面图。该光纤元件5具有 筒状的包层1，其对光进行全反射；纤芯2，其被形成在包层1的筒内部，并对全反射的光进 行传播；中空部3，其贯穿纤芯2的大致中心部，并对从纤芯2入射的光进行传播。并且，在 中空部3中封入碱金属原子4，并通过未图示的其他光纤(参照图2)的纤芯而分别将中空 部3的两端a、b密封。光纤能够在不受电场和磁场的影响的条件下对光进行传播。另外，为了对磁性的 强度进行检测，需要将封入有碱金属原子4的元件和光纤一体构成。因此，在本实施方式 中，以贯穿光纤元件5的纤芯2的中心部的方式而形成中空部3，并在其中封入碱金属原子 4，再由其他光纤(参照图2)的纤芯将两端密封。由此，能够实现利用光纤而构成了整体的 磁性传感器。图2为表示普通光纤的结构的图。图2(a)为将光纤沿圆周方向切断时的剖面图， 图2(b)为将光纤沿轴向(B-B)切断时的剖面图。该光纤8由对光进行全反射的包层7、和 对全反射的光进行传播的纤芯6构成。图3为表示本发明的磁性传感器的整体结构的图。该磁性传感器40中，在图1中 的光纤元件5的两端，通过连接部9而连接有图2中的光纤8，并在中空部3内封入有碱金 属原子4。作为普通的制造方法，在碱金属原子4的环境内，通过以与连接光纤的技术同样的方式而进行连接，从而能够容易地实现。在该磁性传感器40中，例如，从左侧传播的激光 10由包层7进行全反射从而在纤芯6中传播，并从连接部9传播至光纤元件5中。入射到 光纤元件5中的激光10在与中空部3内的碱金属原子4发生相互作用的同时，由包层1进 行全反射从而多次在中空部3内通过。由此，EIT信号的能级增大，从而S/N提高。从光纤 元件5出射的激光10入射到右侧的光纤中，由包层7进行全反射从而在纤芯6内进行传播。封入有碱金属原子4的光纤元件5，作为对磁性进行检测的传感器而发挥作用。另 外，已知原子振荡器的振荡频率，其原子的两个基态能级之间的能量差的值，会根据外部磁 性的强度和波动而发生变化。因此，优选为，采用以精确定位的方式对实际需要测定的位置 进行检测的结构。因此，在本实施方式中，将光纤元件5的结构分成两部分而构成。S卩，将 封入有碱金属原子4的光纤元件5，在其两端分别和用于对光进行传播的光纤8进行连接。 由此，能够提供一种磁性传感器，其能够在不对被测区域以外的不需要的磁场进行检测的 条件下，准确地对被测区域的磁场进行检测。图4(a)为，表示本发明的第1实施方式所涉及的磁性测定装置的结构的框图。该 磁性测定装置100被构成为，具有激光发射部LD(光源)，其产生用于在碱金属原子中发 生 EIT 现象(Electromagnetically Induced Transparency 电磁诱导透明现象)的一对 共振光束；图3中的磁性传感器40 ；磁场产生单元12，其产生用于在碱金属原子中引起塞 曼分裂的静磁场；激光接收部PD (光检测单元)14，其对从磁性传感器40出射的一对共振 光束进行检测；强制同步电路15，其对EIT信号进行检测并强制同步振动频率；本机振荡器 16，其根据强制同步电路15的电压来控制振荡频率；PLL17，其倍增本机振荡器16的频率 从而生成高频率。另外，磁性传感器40为了从不需要的外部磁场隔离，而被设置在测定室 11的内部，并被控制成通过磁场产生单元12而发生塞曼分裂。并且，通过磁性传感器40对 自被测物13产生的磁场的变化进行检测。在这里，对塞曼分裂进行说明。塞曼分裂为，在 从外部对碱金属原子施加磁场时，碱金属原子的基态能级分裂成能量状态不同的多个能级 的现象。由于塞曼分裂，碱金属原子的两个基态能级之间的能量差(ΔΕ12)、即共振频率也 会发生变化。图8(b)为表示铯原子的塞曼分裂的状态的图。横轴表示磁场强度，纵轴表示 分裂后的基态能级之间的能量差的变化(共振频率的变化)。m是被称为磁量子数的量，已 知仅存在七个对应于相同磁量子数m的组合的共振频率。虽然在磁场强度为零时，这七个 共振频率全部相一致并成为简并化状态，但随着磁场的强度变化，各个共振频率也发生变 化且其变化率也不同。在这里，着眼于除去磁量子数m = 0之外的某一个磁量子数(例如 m = +3)，控制所述本机振荡器16的输出频率(PLL17的输出频率)，以使对应于磁量子数 m =+3的组合的共振频率(EIT信号)被选择。例如，只需预先对所述本机振荡器16的振 荡频率的范围进行限制即可。因此，在考虑到所述被测物13的磁场与由所述磁场产生单元 12所产生的静磁场重叠的状态时，可以想到本机振荡器16的振荡频率将根据被测物13的 磁场强度而发生变化。由此，通过对本机振荡器16的频率变化进行测定，从而能够对被测 物13的磁场强度进行检测。另外，只要所选择的磁量子数m为0以外的数值，则选择任意 值均可。图4(b)为，将本发明的磁性传感器以多重卷绕的方式而构成的图。为了提高由于 EIT现象而产生的光输出信号的S/N比，需要增加与激光相互作用的碱金属的原子数量。因 此，在本实施方式中，增大封入有碱金属原子的光纤元件5的长度，并将该光纤元件5以多重卷绕的方式而构成。由此，能够提高光输出信号的S/N比，且提高检测磁性的灵敏度。图5为，表示将图4(b)中的光纤元件配置成格子状，并在区域A内配置有fe 5i 的9个光纤元件的示例。各个光纤元件的一端与激光发射部(LD) 18a 18i相连接，另一 端与激光接收部(PD)Ha 14i相连接。即，在被测区域为一个点时，利用一个光纤元件即 可。但是，在被测区域扩展为二维时，利用一个光纤元件，不仅在测定上需要较长的时间，且 测定的精度也将降低。因此，在本实施方式中，将光纤元件fe 5i排列成格子状，从而能 够对二维区域A的磁场强度进行测定。由此，能够同时且准确地对多个位置进行测定。图6为，用于对将光纤元件配置成格子状时的其他驱动方式进行说明的图。在图 5中，由于1个光纤元件分别对应于激光发送部18和激光接收部14，因此存在为了满足光 纤元件的个数的需要，而导致装置整体的成本增加的问题。因此，在本实施方式中，在可安 装的装置21中安装格子状的光纤元件20，各个光纤元件8以一对一的方式与光开关22和 23相连接。并且，例如构成为，向光开关22的输入中，输入从LD18出射的激光，而光开关 23的输出入射到PD14中。虽然省略了图示，但存在用于以同步的正时切换光开关22和23 的控制电路。通过该结构，能够在不增加LD18和PD14的数量的条件下，取得来自格子状的 磁性传感器的信息。另外，光开关22以及23例如由MEMS光开关构成，该MEMS光开关由反射光束的微 镜构成。即，作为开闭光信号的一种方法，能够通过将光信号暂时转换为电信号，并打开、关 闭该电信号来实现。但是，将光信号转换为电信号的情况下，需要光电转换元件，从而在转 换时将发生信号的损耗。因此，在本实施方式中，使用MEMS光开关直接对光进行开闭。由 此，由于不需要光电转换元件，因此能够小型化地实现低损耗的开关。图7为，表示本发明的第2实施方式所涉及的磁性测定装置的结构的框图。该磁 性测定装置110被构成为，具有LD18，其产生用于在碱金属原子中产生EIT现象的一对共 振光束；图3中的磁性传感器40 ；磁场产生单元12，其产生用于在碱金属原子中引起塞曼 分裂的静磁场；PD14，其对从磁性传感器40出射的一对共振光束进行检测；扫频电路(频 率扫描单元)26，其对一对共振光束的频率差进行扫描；微波产生电路27，其产生微波；峰 值检测电路(记录单元)25，其以与频率差的扫描同步的方式，对PD14的输出强度中的多个 极大值进行记录。并且，根据对应于多个极大值的频率差，来对外部磁场的强度进行计测。为了使用本发明的磁性传感器40来实现磁性测定装置，而具有LD18，其向磁性 传感器40射入一对共振光束；PD14，其对从磁性传感器40出射的一对共振光束的强度进 行检测；扫频电路26，其对微波进行扫频并产生EIT信号；磁场产生单元12，其预先施加用 于使碱金属原子发生塞曼分裂的静磁场；峰值检测电路25，其对从PD14输出的信号的极大 值进行存储。并且，在塞曼分裂的状态下通过峰值检测电路25对EIT信号(多个极大值) 进行检测，并以峰值的产生时间的间隔(时间差)作为基准值而预先存储。因此，由于根据 被测物13的磁场强度，各个峰值的产生时间的间隔会发生变化，因此通过将该变化与所述 基准值进行比较来判断被测物13所产生的磁性的强度。即，判断为，峰值产生时间的间隔 (时间差)的变化越大，磁性的强度越大。图8(a)为，对处于进行了塞曼分裂的状态下的EIT信号的形态进行说明的图，图 8(b)为，表示磁通密度和塞曼分裂之间的关系的图。即，CPT式的原子振荡器在原子振荡器 的输出信号同步时，将由于电磁诱导透明现象而产生EIT信号(极大值)。但是，由于多个基态能级简并化，因此该EIT信号的频谱虽然能级较大，但半幅值扩大了。由同步检测部对 原子振荡器的输出信号同步的情况进行检测，并向磁性传感器(光纤元件)40施加具有预 定强度的磁场。磁性传感器内的气体状的碱金属原子在被施加磁场时，例如，在碱金属原子 为铯的情况下，EIT信号的频谱将分裂成能量不同的7个基态能级(参照图8(a))。将该现 象称为塞曼分裂。根据图8(b)可以看出，磁通密度和塞曼分裂之间的关系为，塞曼分裂的 幅度(相当于能量差的频率差)与磁通密度成比例地变化。在这里，m被称为磁量子数。
图9(a)为，表示具有示波器观以取代图7中的峰值检测电路25的磁性测定装置 的结构的框图。对于相同的结构要素，标注与图8相同的参照编号来进行说明。扫频电路 26输出用于使频率扫描控制信号四和示波器观同步的触发信号。图9(b)为，表示频率 扫描控制信号以及触发信号的波形的图。频率扫描控制信号为，在周期T内线性变化的锯 齿状波，而触发信号为，周期T的50%能率的矩形波。另外，图9(c)为，被显示在示波器观 上的、已经进行了塞曼分裂的状态下的EIT信号。以此种方式，能够实时观测被显示在示波 器上的波形的峰值的间隔t0，根据被测物13的磁性的强度而变化的形态。
权利要求
1.一种光纤元件，其特征在于，具有光纤，其具有对光进行全反射的包层、对所述全反射的光进行传播的纤芯、和被形成在 所述纤芯的内部的中空部；碱金属原子，其被密封在所述中空部中。
2.如权利要求1所述的光纤元件，其特征在于，将所述光纤以多重卷绕的方式而构成。
3.—种磁性传感器，其特征在于，具有权利要求1或2所述的光纤元件，以作为对外部 磁场的强度进行检测的传感器。
4.如权利要求3所述的磁性传感器，其特征在于，将权利要求1或2所述的光纤元件排 列成格子状，从而能够测定二维区域的磁场强度。
5.一种磁性测定装置，其特征在于， 具有光源，其产生用于在碱金属原子中产生电磁诱导透明现象的一对共振光束； 权利要求3或4所述的磁性传感器；磁场产生单元，其产生用于在所述碱金属原子中引起塞曼分裂的静磁场； 光检测单元，其对从所述磁性传感器出射的所述一对共振光束进行检测； 频率扫描单元，其对所述一对共振光束的频率差进行扫描；记录单元，其以与所述频率差的扫描同步的方式，对所述光检测单元的输出强度中的 多个极大值的产生时间的间隔进行记录，根据所述多个极大值的产生时间的间隔，来对外部磁场的强度进行计测。
全文摘要
本发明提供一种能够避免不需要的外部磁场的影响，从而准确地对被测点或被测区域的磁场进行测定的磁性传感器以及磁性测定装置。该磁性测定装置(100)被构成为，具有LD(光源)，其产生用于在碱金属原子中发生EIT现象(电磁诱导透明现象)的一对共振光束；图3中的磁性传感器(40)；磁场产生单元(12)，其产生用于在碱金属原子中引起塞曼分裂的静磁场；PD(光检测单元)(14)，其对从磁性传感器(40)出射的一对共振光束进行检测；强制同步电路(15)，其对EIT信号进行检测并强制同步振动频率；本机振荡器(16)，其根据强制同步电路(15)的电压来控制振荡频率；PLL(17)，其倍增本机振荡器(16)的频率而生成高频率。
文档编号G01R33/032GK102062895SQ20101051904
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者牧义之 申请人:精工爱普生株式会社