(57)【要約】【課題】  装置構成を簡単にするが、捕獲の能力が低下してＭＯＴの動作が損なわれるという欠点のない磁気光学トラップ装置を実現する。【解決手段】  磁気光学トラップあるいはミラー磁気光学トラップにおいて、対向して進行する一対のレーザ光は、導入されたレーザ光と、前記の導入されたレーザ光をルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムによる反射器を用いて反射したレーザ光とで構成し、上記のルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムの頂角部を、導入されたレーザ光は照射されるが、トラップ部のレーザ光による影がかからない位置に配置する。また、反射器とトラップ部の間に、中央に暗部を有するレーザビームのビームパターンを、中央に暗部を有することのないビームパターンに変換するビーム整形手段を設ける。【選択図】  図４
2006337088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンチヘルムホルツコイルによる磁場と、直接あるいは鏡を介して対向して進行する少なくとも１対の円偏光レーザ光を含む複数のレーザ光をトラップ部分に導入して、減圧雰囲気中で複数の原子あるいは分子をトラップする磁気光学トラップあるいは反射型磁気光学トラップにおいて、
対向して進行する一対のレーザ光は、導入されたレーザ光と、前記の導入されたレーザ光をルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムによる反射器を用いて反射したレーザ光とで構成し、
上記のルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムの頂角部を、導入されたレーザ光は照射されるが、トラップ部のレーザ光による影がかからない位置に配置することを特徴とする中性原子の磁気光学トラップ装置。
【請求項２】
反射器とトラップ部の間に、ビーム整形手段をもち、
前記ビーム整形手段は、中央に暗部を有するレーザビームのビームパターンを、中央に暗部を有することのないビームパターンに変換するものであることを特徴とする請求項１に記載の中性原子の磁気光学トラップ装置。
【請求項３】
アンチヘルムホルツコイルによる磁場と、直接あるいは鏡を介して対向して進行する少なくとも１対の円偏光レーザ光を含む複数のレーザ光をトラップ部分に導入して、減圧雰囲気中で複数の原子あるいは分子をトラップする磁気光学トラップあるいはミラー磁気光学トラップにおいて、
対向して進行する一対のレーザ光を、導入されたレーザ光と、前記の導入されたレーザ光を４分の１波長板と全反射鏡による反射器を用いて反射したレーザ光とで構成し、
さらに、ビーム整形手段を、上記の反射器とトラップ部との間に、あるいは、上記の反射器の４分の１波長板と全反射鏡との間に備え、
前記ビーム整形手段は、中央に暗部を有するレーザビームのビームパターンを、中央に暗部を有することのないビームパターンに変換するものであることを特徴とする中性原子の磁気光学トラップ装置。
【請求項４】
上記の円偏光レーザ光は、偏波保持光ファイバで伝送されたレーザ光を波長の四分の一に整数倍を加えた長さをもち，上記の偏波保持光ファイバに光軸の周りに４５度の回転した傾きで連続させた偏波保持光ファイバであって直線偏波を円偏波に変換する円偏光適合ファイバを用いて導入することを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の中性原子の磁気光学トラップ装置。
【請求項５】
反射器の一部あるいは全部を、トラップ部の設けられる減圧雰囲気中に配置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の中性原子の磁気光学トラップ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光と磁場によるトラップを用いて、アルカリ金属原子などの中性原子を超高真空中で捕獲し、捕獲した原子をドップラー限界温度付近まで冷却することができる中性原子の磁気光学トラップ装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気光学トラップ（Magneto-optical trap ; ＭＯＴ）のトラップ部周りの模式図を図１に示す。トラップは、真空容器中でアンチヘルムホルツコイル（四重極コイル）と照射するレーザ光をもちいて行なわれる。図１の例では、互いに対向して進行する３対のレーザ光が用いられる。また、ファイバの先端にはビームを平行にするための凸レンズと直線偏光を円偏光に変換するための４分の１波長板がそれぞれ設けられている。
【０００３】
また、実際の装置に於いては、レーザ光のパワーを有効に利用しつつ装置を小型に構成するために、図２に示す様に、それぞれの対の一方のビームを４分の１波長（λ/４）板と全反射鏡を組み合わせた反射鏡で代用する構成がしばしば採用される。この一例を図３（Ａ）の模式図に示す。ここで４分の１波長板は、円偏光の回転の向きをＭＯＴの動作に適したものに変換するために用いられる。つまり、４分の１波長板が無い場合は、反射される円偏光の回転の向きは右向きとなってＭＯＴを動作させることができないが、四分の一波長板を２回通過させることにより、右向きの円偏光を左向きに変換させることがよく知られており、ＭＯＴを動作させることが可能になる。
【０００４】
よく知られているように、これらのＭＯＴにおいては、照射するレーザ光の周波数は、トラップする原子の吸収光の周波数よりも僅かに低く設定される。また、冷却は、照射するレーザ光の波長を変えることによっても行なわれる。
【０００５】
しかし、四分の一波長板と全反射鏡を組み合わせた反射鏡を用いる構成では、照射するレーザ光については、捕獲された原子雲を１度通過して強度が減衰したビームが反射後に再び原子雲を通過することとなり、レーザ光の冷却能力がその分低下してしまうため、レーザ光のパワーが有効に利用されず、ＭＯＴの動作が損なわれるという欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
装置構成を簡単にするが、捕獲の能力が低下してＭＯＴの動作が損なわれるという欠点のない磁気光学トラップ装置を実現する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によって、ＭＯＴの動作を損なうことなく、限られたレーザ光のパワーを有効に利用し、ＭＯＴ装置構成を簡素化することができる。また、ルーフミラーが用いられる場合、レーザ光の入射角度調整が容易になる効果もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＭＯＴの性能改善を意図したもので、アンチヘルムホルツコイルによる磁場と、直接あるいは鏡を介して対向して進行する少なくとも１対の円偏光レーザ光を含む複数のレーザ光を用いて、減圧雰囲気中で複数の原子あるいは分子をトラップする磁気光学トラップあるいはミラー磁気光学トラップにおいて、
対向して進行する一対のレーザ光は、導入されたレーザ光と、前記の導入されたレーザ光をルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムによる反射器を用いて反射したレーザ光とで構成し、上記のルーフミラー、直角プリズム、あるいはナイフエッジ直角プリズムの頂角部を、導入されたレーザ光は照射されるが、トラップ部のレーザ光による影がトラップ部に再びかからない位置に配置するものである。
【０００９】
また、反射したレーザ光は、中心部の強度が下がったレーザ光であるから、中心部の強度を改善するために、反射器とトラップ部の間に、ビーム整形手段を設ける。このビーム整形手段は、中央に暗部を有するレーザビームのビームパターンを、中央に暗部を有することのないビームパターンに変換するものである。
【００１０】
また、本発明は、アンチヘルムホルツコイルによる磁場と、直接あるいは鏡を介して対向して進行する少なくとも１対の円偏光レーザ光を含む複数のレーザ光を用いて、減圧雰囲気中で複数の原子あるいは分子をトラップする磁気光学トラップあるいはミラー磁気光学トラップにおいて、対向して進行する一対のレーザ光を、導入されたレーザ光と、前記の導入されたレーザ光を４分の１波長板と全反射鏡による反射器を用いて反射したレーザ光とで構成する。また、ビーム整形手段を、上記の反射器とトラップ部との間に、あるいは、上記の反射器の四分の一波長板と全反射鏡との間に備える。このビーム整形手段は、中央に暗部を有するレーザビームのビームパターンを、中央に暗部を有することのないビームパターンに変換するものである。
【００１１】
また、円偏光適合ファイバを用いてさらに装置の小型化をはかるものであり、上記の円偏光レーザ光は、偏波保持光ファイバで伝送されたレーザ光を、波長の四分の一に波長の整数倍を加えた長さをもち上記の偏波保持光ファイバに光軸の周りに４５度の回転した傾きで連続させたものであって直線偏波を円偏波に変換する円偏光適合ファイバを用いて導入するものである。
【００１２】
また、反射器の一部あるいは全部を、トラップ部の設けられる減圧雰囲気中に配置することによって、減圧雰囲気を形成する容器の窓材による光の減衰や散乱などによる散逸を抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００１４】
図３（Ｂ）、（Ｃ）に本発明の模式図を示す。比較のために、図３（Ａ）に従来の構成を示す。なお、図３は左旋円偏光（ＬＨＣ）を入射する場合について描いたが、ＭＯＴの磁場の向きを反転させれば、円偏光の向きも連動してすべて反転させる必要があり、右旋円偏光（ＲＨＣ）を用いる場合も同様にすればよい。
【００１５】
図３（Ａ）の構成では、捕獲された原子雲４を一度通過することによって強度が減衰したレーザ光が、反射後に再び原子雲４を通過することになる。これでは図の左方向から照射されるレーザ光２０の強度と右方向から照射されるレーザ光の強度が著しく異なることとなり、レーザ光の冷却能力が左右方向で異なる事になって、ＭＯＴの捕獲性能が低下する結果となる。
【００１６】
図３（Ｂ）は、本発明の場合であり、上記の欠点を克服する方法を示したものである。四分の一波長板２と全反射鏡６の代わりに、ルーフミラー７を用いる点に特徴がある。ルーフミラー７の内部で光が２回反射されることにより、円偏光の回転の向きは左→右→左と変換を繰り返してＭＯＴに適したものとなるため、波長板は不要である。ルーフミラー７として直角プリズムを用いてもよい。ルーフミラーの頂角部が原子雲４によってできる「影」の領域内に入り込まないように、意図的に光軸の直角方向にずらして配置することを特徴とする。このようにずらして配置することで、一度原子雲を通過したビームの影の領域が再び原子雲にかかることがなくなり、左側から照射されるレーザ光と右側から照射されるレーザ光の強度をほぼ等しくさせることができる。このため、ＭＯＴの性能が損なわれることはない。
【００１７】
また、図３（Ｃ）は、（Ａ）の四分の一波長板２と全反射鏡６の中間部にビーム整形部９を配置した構成を示す。ビーム整形部９は、原子雲４を通過して中央部に生じた影を「埋め戻し」て、均一なビームパターンを再生する目的で使用され、フーリエ変換光学系などによって光強度の損失なく構成されることが望ましい。ここでいうフーリエ変換光学系とは、最も簡単には，トラップ中心から焦点距離だけ離れたところに設置された１枚の凹面鏡によって構成され，この場合、レーザ光はビーム整形部を一往復する間に、ビームの断面の振幅分布がフーリエ変換されたビームが出力されるように構成される。こうすることで、出力されるビームの中央部は常に「明るく」なり、ビーム中央部に生じた影を「埋め戻す」ことが可能となる。
【００１８】
上記で、四分の一波長板はビーム整形部の内部に配置することも可能であり、ビーム整形部と全反射鏡の間に配置することも可能であることは言うまでもない。また、ビーム整形部の内部に波長板や全反射鏡の機能を持たせることによって、図３（Ｃ）の波長板や全反射鏡を省略することもできる。
【００１９】
また、図２に示す従来のＭＯＴ装置に於いて、四分の一波長板と全反射鏡６Ｂ、６Ｃ、６Ｆからなる反射鏡部をルーフミラー７Ｂ、７Ｃ、７Ｆで置き換えることによって動作特性の改善を図った実施例を図４に示す。
【００２０】
また、図には示していないが、反射部については、光の減衰を防ぐために、減トラップ部の配置される減圧部に形成することが望ましい。これは、減圧部の壁に光を透過する窓を設けてレーザ光を導入する場合は、窓材による吸収や散乱などによってレーザ光が減衰するためである。
【実施例２】
【００２１】
上記の様に、図１のＭＯＴの例では、１対の四重極コイル３Ｃ、３Ｄと３対のレーザ光２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆが用いられる。
【００２２】
また、ＭＯＴの中心付近に１枚の全反射鏡を８置いて、入射するレーザ光と反射されたレーザ光とが重なる領域を効果的に利用することによって、３対のレーザ光のうち、１対を省略する方式が知られている（これを「ミラーＭＯＴ」と言う）。
【００２３】
さらに、ミラーＭＯＴの四分の一波長板と全反射鏡にて構成された反射鏡部をルーフミラー７Ｂ、７Ｆで置き換えることが可能である。さらに、図１の場合は、ファイバの先端にはビームを平行にするための凸レンズと直線偏光を円偏光に変換するための四分の一波長板をそれぞれ設けているが、これは、円偏光適合ファイバを用いて構成することができ、これを図５に示す。ここで言う円偏光適合光ファイバとは、以下のものである。
【００２４】
まず、四分の一波長光ファイバは、材質的には通常の偏波保持光ファイバと同じものであるから、互いに融着接続することが可能である。四分の一波長光ファイバを通常の偏波保持光ファイバに接続して、光学軸を互いに４５度傾けた状態で融着接続することにより偏光状態の変換器として機能させることができる。上記では、このように光学軸を互いに４５度傾けた状態で融着接続することでアセンブルされた光ファイバモジュールを、「円偏光適合光ファイバ」と称している。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
磁気光学トラップ（ＭＯＴ）装置は原子光学実験における基盤技術の一つであって、ボース・アインシュタイン凝縮体（ＢＥＣ）生成、原子レーザ、原子波ホログラフィー、原子波干渉計、量子情報処理デバイス、量子コンピュータ、原子時計など、中性原子が利用されるあらゆる装置に於いて、冷却された多数の中性原子を安定に供給する手段として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来のＭＯＴを示す模式図である。
【図２】本発明のＭＯＴで、対向するビームを供給する手段として，全反射鏡と４分の１波長板とを用いた構成を示す図である。
【図３】従来のビーム反射鏡部の構成（Ａ）と、本発明で用いる反射手段の構成（Ｂ、Ｃ）を示す図である。
【図４】反射手段にルーフミラーを用いて構成されたＭＯＴ装置を示す図である。
【図５】円偏光適合ファイバとルーフミラーを用いて構成したミラーMOT装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ  凸レンズ
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ  4分の１波長板
３Ｃ、３Ｄ  コイル
４  原子雲
５  減圧容器
６、６Ｂ、６Ｃ  全反射鏡
７Ｃ、７Ｂ、７Ｆ  ルーフミラー
８  全反射鏡
９  ビーム整形部
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ  偏波保持光ファイバ
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ  円偏光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006337088.tif 000006
【図５】
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