(57)【要約】【課題】  原子のマイクロ波吸収を利用して，周波数が極めて安定なマイクロ波を発振する精密マイクロ波周波数発生方法およびその装置に関するものであり，周波数標準として使用可能であることを目的とする。【解決手段】  基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップし，少なくとも一方が波長可変な二つのレーザ光をもとに和周波発生法により波長可変に周波数変換したコヒーレント光を生成し，該原子イオンをレーザ冷却し，該基底状態の電子を上位エネルギー準位に遷移させるレーザ光および前記超微細構造の低い側のエネルギー準位Ａと高い側のエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収するマイクロ波を照射し，前記原子イオンの発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になるようにマイクロ波発振器の発振周波数を制御する構成をもつ。【選択図】  図３
2005181462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップし，少なくとも一方が波長可変な二つの波長のレーザ光をもとに和周波発生法により波長可変に周波数変換したコヒーレント光を生成し，前記超微細構造の低い側のエネルギー準位Ａと高い側のエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収させるマイクロ波を照射し，前記和周波発生法により生成した１つのコヒーレント光Ａの波長を前記エネルギー準位Ａから前記上位エネルギー準位Ｃにイオンを遷移させる波長に選択し，別の１つのコヒーレント光の波長を前記コヒーレント光Ａとわずかに異なる前記エネルギー準位Ｂから前記エネルギー準位Ｃに遷移させる波長に選択し，該基底状態のイオンを前記上位エネルギー準位Ｃに励起するとともに該原子イオンを冷却し，前記原子イオンの発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になるように前記マイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする精密マイクロ波周波数発生方法。
【請求項２】
該コヒーレント光は２０２．６ｎｍ付近の波長であり，前記冷却は，前記原子イオンの超微細構造のエネルギー準位Ａのイオンを上位エネルギー準位Ｃに遷移させる波長２０２．６ｎｍ付近のコヒーレント光Ａと超微細構造のエネルギー準位Ｂのイオンを上位エネルギー準位Ｃに遷移させる波長２０２．６ｎｍ付近のコヒーレント光Ｂを照射することにより行なうものであり，前記マイクロ波照射の前において，前記コヒーレント光Ｂの照射を停止することにより該冷却を停止し，前記マイクロ波照射の後において，前記コヒーレント光Ａのみを照射するものであって，前記原子イオンは奇数質量数の亜鉛イオンであることを特徴とする請求項１に記載の精密マイクロ波周波数発生方法。
【請求項３】
前記マイクロ波は，マイクロ波の発振周波数を掃引して印加することにより，基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ａとエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収遷移を生じることを特徴とする請求項１または２に記載の精密マイクロ波周波数発生方法。
【請求項４】
基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップする原子イオントラップ装置と，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂと，前記原子イオンにマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と，原子イオンから発光される光のスペクトルを観測するスペクトル観測装置と，スペクトル観測装置の観測スペクトルをもとに観測される複数のスペクトル変化から最大強度のスペクトルを判定する最大スペクトル強度検出手段とを備え，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂは，それぞれ，少なくとも一方が波長可変な二種類の波長のレーザ光源をもとに和周波発生法により波長可変に周波数変換をすることによりコヒーレント光を出力するものであり，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂから出力されるコヒーレント光により二重共鳴により前記原子イオンを冷却し，コヒーレント光源Ｂによるレーザ光照射を停止することにより冷却を停止し，両方の光源によるレーザ光照射を停止した状態で，前記原子イオンの基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ａとエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収遷移をするマイクロ波を照射し，コヒーレント光源Ａによるレーザ光を照射した状態で，前記原子イオンから発光される光の発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になる周波数になるようにマイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする精密マイクロ波周波数発生装置。
【請求項５】
前記コヒーレント光源Ａから出力されるコヒーレント光Ａは，前記原子イオンの超微細構造のエネルギー準位Ａの電子を上位エネルギーレベル準位Ｃに遷移する波長２０２．６ｎｍ付近のコヒーレント光であり前記コヒーレント光源Ｂから出力されるコヒーレント光Ｂは超微細構造のエネルギー準位Ｂの電子を上位エネルギーレベル準位Ｃに遷移させる前記コヒーレント光Ａとわずかに波長の異なる波長２０２．６ｎｍ付近のコヒーレント光であり，コヒーレント光Ａとコヒーレント光Ｂにより原子イオンを冷却し，前記マイクロ波照射の前において，前記コヒーレント光Ｂの照射を停止することにより冷却を停止し，前記マイクロ波照射の後において，前記コヒーレント光Ａのみを照射するものであって，前記原子イオンは奇数質量数の亜鉛イオンであることを特徴とする請求項４に記載の精密マイクロ波周波数発生装置。
【請求項６】
前記マイクロ波は，マイクロ波の発振周波数を掃引して印加することにより，基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ａとエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収遷移を生じることを特徴とする請求項４または５に記載の精密マイクロ波周波数発生装置。
【請求項７】
基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップし，該原子イオンを衝突冷却により冷却し，コヒーレント光を照射することにより該基底状態のイオンを上位エネルギー準位Ｃに遷移させ，前記超微細構造の低い側のエネルギー準位Ａと高い側のエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収するマイクロ波を照射し，前記原子イオンの発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になる周波数にマイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする精密マイクロ波周波数発生方法。
【請求項８】
前記コヒーレント光の波長は２０２．６ｎｍ付近であり，前記原子イオンは奇数質量数の亜鉛イオンであることを特徴とする請求項７に記載の精密マイクロ波周波数発生方法。
【請求項９】
前記マイクロ波は，マイクロ波の発振周波数を掃引して印加することにより，基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ａとエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収遷移を生じることを特徴とする請求項７または８に記載の精密マイクロ波周波数発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，原子のマイクロ波吸収を利用して，周波数が極めて安定なマイクロ波を発振する精密マイクロ波周波数発生方法およびその装置に関するものである。特に，レーザ光の二重共鳴法によりレーザ冷却した奇数質量数の亜鉛同位体のイオンの基底状態の超微細構造におけるマイクロ波吸収を利用することにより，マイクロ波の発振周波数を精密に安定にする方法と装置に関するものであり，周波数標準として使用できるものである。また，そのためのレーザ冷却を可能にするためのレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来，レーザ冷却を利用したマイクロ波領域の電磁波の精密な周波数安定化では，３１３ｎｍ光によりＢｅ +イオンをレーザ冷却し，そのエネルギー準位の超微細構造の遷移を用いて３０３ＭＨｚのマイクロ波の制御を行なうことがなされていた。あるいは，１９４ｎｍ波長の２台のレーザ光の二重共鳴によりＨｇ+ イオンをレーザ冷却してその超微細構造の遷移を用いて４０．５ＧＨｚのマイクロ波に対して行なわれていた（非特許文献１参照）。
【０００３】
レーザ光の二重共鳴によるマイクロ波周波数の精密な安定化について以下に詳述する。電極間に発生させる電場のクーロン力を用いて，荷電粒子であるイオンを閉じ込めるイオントラップを用いれば，真空チャンバー内の微小空間に，１個から数千個のイオンを長時間閉じ込めることができる。そこに適当な波長のコヒーレント光を照射することでイオンをレーザ冷却すれば，外場からの摂動が無い条件で，イオンを殆ど静止させることができる。このようなイオンを観測したスペクトルには，ドップラー効果や有限の観測時間に由来するスペクトル線幅の広がりやシフトが無いため，イオントラップ法は周波数精密計測の有効な手段の一つになっている。これまでにＨｇ+ ，Ｙｂ+ ，Ｃｄ+ 等がマイクロ波領域の周波数精密計測に研究されており，Ｈｇ+ ，Ｃｄ+ を用いた実験では，ｎｓ 2Ｓ1/2 状態を基底状態とするアルカリ金属タイプの電子構造が利用されている。レーザ冷却では，イオンを速やかに基底状態に緩和させるために，複数の光遷移を同時に励起する必要がある場合が多い。しかし，Ｈｇ+ ，Ｃｄ+ の場合では基底状態（ｎｓ 2Ｓ1/2 ）から最低励起状態（ｎｐ 2ＰJ ）への遷移のみを光励起すれば良く，比較的に簡単な光源でレーザ冷却できる。亜鉛（Ｚｎ）はＨｇ，Ｃｄと周期表で同族の原子であり，Ｚｎ+ はアルカリ金属タイプの電子構造をもつ。しかし，Ｚｎ+ のレーザ冷却に必要な遷移は，波長２０２ｎｍの深紫外域にある。この波長のコヒーレント光の発生は容易で無いことから，これまでＺｎ+ のレーザ冷却は行なわれず，亜鉛は精密周波数計測の対象とされていなかった。
【０００４】
この波長２０２ｎｍのコヒーレント光の発生には，従来単一モードＡｒ+ レーザ等を利用した大型で複雑な光源システムを必要とした。しかし，半導体レーザおよび固体レーザの開発が急速に発展したことにともない，近年では極めて高い分解能の分光でも固体レーザが積極的に用いられるようになった。これらのレーザは従来の気体あるいは液体レーザに比べ，発振波長や光強度が安定しており，寿命と操作性で優れる。しかしその一方で，得られる光の波長は限られており，Ｚｎ+ のレーザ冷却に必要な波長の光を直接発生できるレーザはなかった。そこで，本発明者等は亜鉛イオンのレーザ冷却を可能にする波長２０２ｎｍの波長可変コヒーレント光源の開発を行なった。
【０００５】
イオントラップに捕獲した亜鉛イオンのレーザ冷却を，開発した２０２ｎｍの光源を用いて行なった結果，３ｄ10４ｓ 2Ｓ1/2 −３ｄ10４ｐ 2Ｐ3/2 遷移の同位体シフトを観測した。同位体シフトは，同一元素，同一エネルギー状態間遷移における，質量数の異なる複数の同位体間での遷移周波数の違いであり，原子の内部構造を知る手掛かりになる。本発明者は本発明の開発したコヒーレント光源を使用してイオントラップ装置により偶数核イオン（偶数質量の同位体のイオン）間の同位体シフトを世界で初めて実測した。そこで，本発明者は，さらに解析によって，奇数核イオン（奇数質量の同位体イオン）の同位体シフトを精密に予測して，亜鉛イオンを用いたマイクロ波領域の精密周波数計測のための装置を開発した。
【非特許文献１】Ｄ．Ｊ．Ｂｅｒｋｅｌａｎｄ，Ｊ．Ｄ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ｊ．Ｃ．Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ，Ｗ．Ｍ．Ｉｔａｎｏ，ａｎｄ  Ｄ．Ｊ．Ｗｉｎｅｌａｎｄ，“Ｌａｓｅｒ−ｃｏｏｌｅｄ  ｍｅｒｃｕｒｙ  ｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｎｄａｒｄ”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．８０，ｐｐ２０８９−２０９２（１９９８）．
【非特許文献２】Ｒ．Ｋｌｏｃｈ，Ｚ．Ｌｅｓ，Ｄ．Ｎ．Ｓｔａｃｅｙ，Ｖ．Ｓｔａｃｅｙ，“Ｉｓｏｔｏｐｅ  ｓｈｉｆｔｓ  ａｎｄ  ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ｏｆ  ｚｉｎｃ”，  ＡｃｔａＰｈｙｓ．Ｐｏｌ．Ａ  Ｖｏｌ．６１，ｐｐ４８３−４９１（１９８２）．
【非特許文献３】Ｃ．Ｊ．Ｆｏｏｔ，Ｄ．Ｎ．Ｓｔａｃｅｙ，Ｖ．Ｓｔａｃｅｙ，Ｒ．Ｋｌｏｃｈ，Ｚ．Ｌｅｓ，“Ｉｓｏｔｏｐｅ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｃｈａｒｇｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ｚｉｎｃ”，Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ  Ｖｏｌ．３８４，ｐｐ２０５−２１６（１９８２）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＢｅ +イオンとレーザ冷却とを利用して，３０３ＭＨｚのマイクロ波の制御を行なう方法は，発振周波数が低く，また強力な磁場を必要とするため，周波数を高精密に安定化できなかった。また，Ｈｇ+ イオンを用いるマイクロ波周波数標準は４０．５ＧＨｚの高い周波数のマイクロ波に対するものであるが，本質的に不安定な液体レーザを高安定化する，複雑かつ大型の制御装置を必要とした。運搬可能な小型の装置でマイクロ波の周波数を高度に安定化することが望まれており，亜鉛イオンの基底状態の超微細構造を用いた研究と，その研究を可能にする小型で高安定な固体レーザ光源の新規開発とが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は，２０２ｎｍ光のみで亜鉛イオンのレーザ冷却を可能にするレーザ光源を開発し，さらに，その光源をもとに奇数核亜鉛イオンの基底状態の超微細構造に基づく二重共鳴により，奇数核亜鉛イオンをレーザ冷却できる光源を開発した。さらに，その光源を利用して，亜鉛イオンを利用した精密マイクロ波周波数発生方法および装置を実現した。本発明の方法により，光励起のための光源として，半導体レーザおよび固体レーザの光からの非線形光学結晶による波長変換を利用して，小型，高安定，かつ安価な装置で，周波数が極めて安定なマイクロ波の安定化を行なうことを可能にした。
【０００８】
本発明の精密マイクロ波周波数発生方法は，基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップし，少なくとも一方が波長可変な二つの波長のレーザ光をもとに和周波発生法により波長可変に周波数変換したコヒーレント光を生成し，前記超微細構造の低い側のエネルギー準位Ａと高い側のエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収させるマイクロ波を照射し，前記和周波発生法により生成した１つのコヒーレント光Ａの波長を前記エネルギー準位Ａから前記上位エネルギー準位Ｃにイオンを遷移させる波長に選択し，別の１つのコヒーレント光の波長を前記コヒーレント光Ａとわずかに異なる前記エネルギー準位Ｂから前記エネルギー準位Ｃに遷移させる波長に選択し，該基底状態のイオンを前記上位エネルギー準位Ｃに励起するとともに該原子イオンを冷却し，前記原子イオンの発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になるように前記マイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の精密マイクロ波周波数発生装置は，基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップする原子イオントラップ装置と，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂと，前記原子イオンにマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と，原子イオンから発光される光のスペクトルを観測するスペクトル観測装置と，スペクトル観測装置の観測スペクトルをもとに観測される複数のスペクトル変化から最大強度のスペクトルを判定する最大スペクトル強度検出手段とを備え，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂは，それぞれ，少なくとも一方が波長可変な二種類の波長のレーザ光のレーザ光源をもとに和周波発生法により波長可変に周波数変換をすることによりコヒーレント光を出力するものであり，コヒーレント光源Ａとコヒーレント光源Ｂから出力されるコヒーレント光により二重共鳴により前記原子イオンを冷却し，コヒーレント光源Ｂによるレーザ光照射を停止することにより冷却を停止し，両方の光源によるレーザ光照射を停止した状態で，前記原子イオンの基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ａとエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収遷移をするマイクロ波を照射し，コヒーレント光源Ａによるレーザ光を照射した状態で，前記原子イオンから発光される光の発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になる周波数になるようにマイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明の別の精密マイクロ波周波数発生方法は，基底状態が超微細構造をもつ原子イオンをトラップし，該原子イオンを衝突冷却により冷却し，コヒーレント光を照射することにより該基底状態のイオンを上位エネルギー準位Ｃに遷移させ，前記超微細構造の低い側のエネルギー準位Ａと高い側のエネルギー準位Ｂの間で共鳴吸収するマイクロ波を照射し，前記原子イオンの発光スペクトルを観測し，該発光スペクトルが最大強度になる周波数にマイクロ波の発振周波数を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
亜鉛イオンのレーザ冷却および亜鉛イオンの奇数核同位体の基底状態の超微細構造の実験的な分析はいままでなされたことがなく，その超微細構造のエネルギー準位に基づくマイクロ波共鳴を利用して，マイクロ波の周波数を制御することはいままでなされていなかった。本発明の光源によれば亜鉛の奇数核同位体の基底状態の超微細構造を精密に実験的に解析することが可能になる。また，亜鉛の奇数核同位体の基底状態の超微細構造を利用した本発明の精密マイクロ波周波数発生装置は通信・計測・放送の分野で広く利用できる。
【００１２】
従来，マイクロ波を吸収するイオンを光励起するための光源として，気体あるいは液体を用いたレーザ装置を複数使用しており，構成が複雑かつ大型で高価であったが，本発明の方法および装置は固体のレーザ光源により小型で比較的簡単な構成でマイクロ波の発振周波数の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は，マイクロ波発振周波数判定装置であって，本発明の予備実験システムの構成を示す。本発明を亜鉛イオンに適用した場合について以下に説明する。図１の説明に先立って，図２を参照して亜鉛イオンのエネルギー準位について説明する。図２は亜鉛イオンの一部のエネルギー準位のダイアグラムを示す。
【００１４】
Ｚｎ+ の準位（以下，エネルギー準位に同じ）のエネルギーについてはＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）のＡｔｏｍｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄａｔａｂａｓｅ等に詳しい。しかし，Ｚｎ+ の基底状態（３ｄ10４ｓ 2Ｓ1/2 ）からの光遷移について，同位体シフトを含めた精密な周波数計測はいままでされていない。図２に亜鉛イオンのエネルギー準位の一部を示す。天然に存在する亜鉛には５つの同位体が含まれ，その質量数と存在比は６４（４８．６％），６６（２７．９％），６７（４．１％），６８（４．１％），７０（０．６％）である。このうち，偶数核イオン（質量数が６４，６６，６８，７０）が４ｐ 2Ｐ3/2 状態に励起されると，自然光放出で遷移できる基底状態の準位はただ一つしかない。そこで，これらは波長２０２．６ｎｍだけの電磁波でレーザ冷却できる。一方，質量６７の奇数核のＺｎイオンでは，基底状態が２つの準位の超微細構造をもつ。これらの準位間の遷移確率は非常に小さい。そこで奇数核イオンのレーザ冷却には２つの電磁波が必要である。また，奇数核の亜鉛同位体のイオンでは，基底状態の超微細分裂は約７．２ＧＨｚと予測でき，この周波数に安定化されたマイクロ波発生を実現できる。
【００１５】
なお，本発明では各実施の形態において，ゼーマン効果によりエネルギー準位の超微細構造を分裂させるために静磁場を試料に印加する。これにより微弱な地球磁場等の影響で測定誤差を生じることを防ぐことができる。ただし装置構成を示す各図においてこの静磁場を印加するための装置は図示を省略されている。
【００１６】
図１は，本発明の予備実験システムであって，後述するマイクロ波周波数精密制御でのマイクロ波周波数を詳細に求めるためのシステムである。図１において，１はマイクロ波発振器である。２はイオントラップ装置であって，例えば，亜鉛イオンをトラップするものである。イオントラップは亜鉛の原子ビーム中の原子をイオン化してトラップするもので，詳細は後述する（図１２参照）。図１のマイクロ波発振周波数判定装置ではイオントラップにヘリウムガスを導入して衝突冷却を行う。３はレーザ光源であって，亜鉛イオンのマイクロ波吸収を観測するためには，レーザ光源３の波長は２０２．６ｎｍであり，亜鉛イオンを基底状態 2Ｓ1/2 から励起状態 2Ｐ3/2 に励起させるのに必要な波長である（厳密には，基底状態の超微細構造のＦ＝２から 2Ｐ3/2 のＦ＝１の準位に励起させるのに必要な波長である）。４は光センサであって，イオントラップ装置２の亜鉛イオンの発光スペクトルを検出するものである。
【００１７】
図１の構成の動作を説明する。イオントラップ内の亜鉛イオンは衝突冷却で冷却される（イオントラップに導入されるヘリウム原子と衝突して運動エネルギーを失い，亜鉛イオンは冷却される）。レーザ光源３から出力されるレーザ光の波長は，亜鉛イオンの基底状態の超微細構造の準位 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２，ＭF ＝０）から上位準位， 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１，ＭF ＝０）に電子を遷移させる２０２．６ｎｍである（この光源は本発明者等が開発したもので，後述する）。なお，本発明ではゼーマン効果を生じさせるために静磁場を印加しているので，超微細構造のエネルギー準位はＦとＭF （磁気量子数）の組み合わせとして[ Ｆ＝１，ＭF ＝０], [Ｆ＝２，ＭF ＝０],[ Ｆ＝３，ＭF ＝０],[ Ｆ＝４，ＭF ＝０] 等で表すべきものであるが, 以下の説明においては，ＭF ＝０であって，ＭF ＝０は省略して単にＦ＝１，Ｆ＝２，Ｆ＝３，Ｆ＝４として説明する。
【００１８】
亜鉛イオンにレーザ光を照射することにより，亜鉛の基底状態（ 2Ｓ1/2 のＦ＝２）にあったイオンは励起状態（ 2Ｐ3/2 のＦ＝１）に励起する。 2Ｐ3/2 のＦ＝１の状態からは基底状態のＦ＝２の状態（これを準位Ａとする）へのみ遷移できるが，励起の際に少数のイオンが 2Ｐ3/2 のＦ＝２，３の状態にも励起され，これらは基底状態のＦ＝３の状態（これを準位Ｂとする）に遷移することも可能になる。 2Ｐ3/2 から準位Ａに遷移したイオンは再びレーザ光で励起されるが，準位Ｂに遷移したイオンは，励起に必要なレーザ光がないため，これ以上励起されることは無く，準位Ｂに安定して存在する。準位Ａに戻ったイオンは何度も 2Ｐ3/2 に光励起され，その度毎に一部のイオンは準位Ｂの方に遷移する。レーザ光を照射し続けて，この過程を数１００ｍ秒程度続けると，最終的には，トラップされているイオンは全て準位Ｂの方に遷移して，そこに安定して存在する。この時， 2Ｐ3/2 に光励起されるイオン（すなわち準位Ａにあるイオン）は皆無になり，発光も観測されなくなる。
【００１９】
その状態で，亜鉛イオンにマイクロ波を照射してその周波数を掃引すると，マイクロ波共鳴により，基底状態の超微細構造のエネルギー準位Ｂに存在していたイオンは共鳴吸収によりエネルギー準位Ａに再び遷移する。マイクロ波の周波数がエネルギー準位Ａと準位Ｂのエネルギー差に近い程，準位Ａと準位Ｂの間でイオンが頻繁に遷移できるようになる。なお，後述する実施の形態１ではこのマイクロ波照射はラムゼー法（後述する）により２回に分けて行なうが，この予備実験ではマイクロ波照射はラムゼー法では行わず，１回だけの照射でよい。準位Ａに遷移したイオンはその時照射されているレーザ光にさらに励起され，上位のエネルギー準位（ 2Ｐ3/2 ）に遷移する。そしてそれらは基底状態の準位Ａまたは準位Ｂに遷移する。適当な周波数のマイクロ波が照射されていれば，準位Ｂに遷移したイオンは，また準位Ａを経由して光励起される。観測される発光スペクトルの強度は，マイクロ波周波数が基底状態の超微細構造のエネルギー差（ 2Ｓ1/2 のＦ＝２とＦ＝３のエネルギー差）に近いほど大きくなる。そこで発光スペクトル強度を観測して，基底状態の超微細構造に共鳴するマイクロ波周波数を正確に求めることができる。
【００２０】
図３は，本発明の精密マイクロ波周波数発生装置の実施の形態１を示す。図３において，図１と共通部分は共通番号で示す。レーザトラップ装置２にトラップされた亜鉛イオンはレーザ光源１（３１）とレーザ光源２（３２）によりレーザ冷却される。マイクロ波発振器１において，１４は発振周波数制御部であって，亜鉛イオンからの発光（光子数）が最大になるようにマイクロ波発振部１０の発振周波数を制御するものである。
【００２１】
２１は最大スペクトル強度検出手段であって，スペクトル強度観測装置５の観測したスペクトルの最大強度のスペクトルに対応するマイクロ波発振器の発振周波数を検出するものである。最大スペクトル強度検出手段２１はコンピュータとソフトウェアにより構成されるものである。２２はスペクトル強度保持部であって，メモリであり，スペクトル強度観測装置５から出力されるスペクトル強度を保持するものである。２３は最大スペクトル強度判定部であって，スペクトル強度観測装置５の観測したスペクトルの最大強度のスペクトルを生じさせるマイクロ波発振器１のマイクロ波発振周波数を判定するものである。
【００２２】
３１はレーザ光源１であって，亜鉛イオンをドップラー効果を利用してレーザ冷却するものであり，奇数核亜鉛同位体イオンの基底状態の超微細構造の 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）から 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１）への遷移周波数よりわずかに低い周波数のレーザ光を発生するものである。レーザ光源１（３１）の照射によりそのレーザ光の方向に向かう亜鉛イオンがドップラー効果によりレーザ光を吸収してイオンが遷移し，そのイオンが下位の準位に落ちる時にレーザ冷却される。３２はレーザ光源２であって，奇数核亜鉛同位体イオンの基底状態の超微細構造の 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）から 2Ｐ3/2 （Ｆ＝２）への遷移を行わせるものであり，そのエネルギー準位の差のエネルギーに相当する遷移周波数のレーザ光を発生するものである。レーザ光源１およびレーザ光源２はいずれもイオントラップ装置２の亜鉛イオンをレーザ冷却するものであり，それにはレーザ光源１の周波数を遷移周波数よりわずかに低くする必要がある。レーザ光源１とレーザ光源２は，波長がわずかに異なる２つの光源であるが，ともに図９において後述する光源で実現できる。
【００２３】
図３の構成の動作を説明する。まず，レーザ光源１とレーザ光源２による奇数核亜鉛同位体イオンのレーザ冷却について説明する。レーザ光源１のレーザ光を亜鉛イオンに照射する。このレーザ光の照射により， 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）から 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１）へのイオンの遷移を生じる。しかし，図１の説明で述べたように，１つのレーザ装置の使用では， 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）状態にイオンが溜まるため，レーザ冷却ができなくなる。そこで，本発明ではレーザ光源２により 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）から 2Ｐ3/2 （Ｆ＝２）への遷移を生じさせる。これにより，亜鉛イオンの連続的な冷却サイクルが作られて，十分なレーザ冷却が可能になる。
【００２４】
レーザ冷却が十分になされた状態でレーザ光源２の照射を停止すると，イオンは 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）状態にイオンに溜まる。さらにレーザ光源１の照射も停止する。この状態でマイクロ波を一定時間照射すると， 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）のイオンはマイクロ波共鳴により一部 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）に遷移する。このマイクロ波照射は，ラムゼー法でおこない，連続した位相で発振しているマイクロ波を一定時間（Ｔ＝１〜１００秒）あけて，２回に分けて照射する。各照射時間は２回とも同じで，例えばｔ＝１００〜５００ｍ秒である。
【００２５】
この後，再びレーザ光源１による照射を行う。 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）に遷移した電子は，レーザ光源１の照射により 2Ｐ3/2 に励起され， 2Ｐ3/2 から 2Ｓ1/2 への電子の遷移に基づく発光スペクトル（光子）が，再びイオンが 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）状態にイオンに溜まるまで，スペクトル強度観測装置５により観測される。
【００２６】
このマイクロ波照射の発振周波数を小さなステップで掃引して印加することにより，発光スペクトル強度（観測できる光子数）を最大にするマイクロ波周波数を制御できる。この機構により，マイクロ波発振器１の出力する発振周波数が一定になるように精密に制御できる。
【００２７】
図４は，本発明の最大スペクトル強度検出手段の実施の形態を示す。図４（ａ）はスペクトル強度変化の一次微分をとることにより，最大スペクトル強度を判定するための構成を示す。図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）は一次微分により最適マイクロ波周波数を求める方法の説明図である。最大スペクトル強度検出手段２１はコンピュータであって，ＣＰＵ，メモリおよびソフトウェアにより構成されるものである。
【００２８】
図４（ａ）において，２１は最大スペクトル強度検出手段である。２２はスペクトル強度保持部であって，メモリである。２３は最大スペクトル強度判定部であって，コンピュータプログラムである。４１は一次微分値算出部であって，周波数掃引により得られたスペクトル強度変化を求めるものである。４２は最大値判定部であって，一次微分値算出部の微分値をもとに最大スペクトル強度を判定するものである。
【００２９】
図４（ｂ）は掃引マイクロ波周波数の時間と周波数との関係を示す。時刻t A とt B の間でマイクロ波発振周波数が小さなステップで連続的に増加する。図４（ｃ）は観測スペクトル強度とマイクロ波発振周波数の関係を示し，共鳴周波数ｆｏに対して，共鳴周波数ｆｅでは最適共鳴周波数からΔｆだけ発振共鳴周波数がずれていることを示す。共鳴周波数では微分値が０になる。図４（ｄ）は観測スペクトルと周波数の関係の一次微分を示す。周波数が増大する過程において一次微分値が正から負に変化する箇所を求め，微分値が０になる周波数を最適マイクロ波共鳴周波数に選択する。
【００３０】
図５は一次微分により最適マイクロ波周波数を求めるフローチャートである。スペクトル強度保持部にはスペクトル強度観測装置から観測したスペクトル強度が入力されて，保持される（Ｓ１）。マイクロ波周波数対スペクトル強度の関係から一次微分値を求め，保持する（Ｓ２）。周波数が増加経過において，一次微分値が正から負になる変化する部分であって，微分値が０の周波数を求める（Ｓ３，Ｓ４）。その周波数が求まればその周波数を最適マイクロ波周波数に設定する（Ｓ５）。Ｓ３，Ｓ４において，一次微分値が０の周波数が求められなければ掃引周波数範囲を変更する。
【００３１】
図６は本発明の最適マイクロ波周波数を検出する方法の別の実施の形態であって，共鳴周波数より低い周波数と高い周波数において各々スペクトル強度を求め，その強度差が０となるように高低の周波数を制御して，それらの平均値を正確なマイクロ波共鳴周波数とするものである。図６（ａ）において，２１は最大スペクトル強度検出手段である。２２はスペクトル強度保持部である。５１は等スペクトル強度検出手段であって，共鳴周波数より低い周波数と高い周波数において同じスペクトル強度の周波数を求めるものである。５２は平均値算出部であって，等スペクトル強度検出部５１の求めた等スペクトル強度の周波数の平均値を求めるものである。５３は信号強度大小判定部であって，周波数平均値と平均値を求めるもとになった周波数の大小を判定するものである。最大スペクトル強度判定部２３は周波数平均値が平均値のもとになった等スペクトル強度の周波数より大きければ，その平均値の周波数をマイクロ波共鳴周波数とする。なお，最大スペクトル強度検出手段２１はコンピュータであって，ＣＰＵ，メモリおよびソフトウェアにより構成されるものである。
【００３２】
図６（ｂ）は共鳴周波数ｆ0 と推定する周波数より低い側の周波数Ａと高い側の周波数Ｂとが検出された場合であり，周波数Ａと周波数Ｂとの平均値として共鳴周波数ｆ0 を求め, Ｉ0 ＝Ｉ（ｆ0 ）＞Ｉ（ｆA ）, Ｉ（ｆB ），でかつＩ（ｆA ）＝Ｉ（ｆB ）であるか判定する。Ｉ0 ＝Ｉ（ｆ0 ）＞Ｉ（ｆA ）, Ｉ（ｆB ），でかつＩ（ｆA ）＝Ｉ（ｆB ）であればｆ0 を求める最適周波数であるとする。ここで，Ｉ（ｆ）は周波数ｆでのスペクトル強度である。図６（ｂ）は共鳴周波数として予めきめた周波数に対して周波数の低い側と高い側に等スペクトル強度の周波数を検出できない場合を示し，この場合には共鳴周波数であると推定する周波数を変更する。
【００３３】
図７は等スペクトル強度の周波数の平均によりマイクロ波共鳴周波数を求める最大スペクトル検出部のフローチャートである。スペクトル強度保持部はスペクトル強度観測装置から観測したスペクトル強度を入力して，保持する（Ｓ１）。マイクロ波周波数対発光強度の関係から共鳴周波数と推定した周波数ｆ0 前後の等スペクトル強度の周波数を求め，保持する（Ｓ２）。Ｓ３で求めた周波数の平均値の周波数を求め，Ｓ４でＩ（ｆ0 ）とＩ（ｆA ），Ｉ（ｆB ）との大小を判定する。Ｓ４において，Ｉ（ｆ0 ）＞Ｉ（ｆA ），Ｉ（ｆB ）なら，求めたｆ0 を最適周波数とし，マイクロ波発振周波数とする（Ｓ５）。この周波数は亜鉛イオンのエネルギー準位に依存しており，変動が極めて少ない周波数である。Ｓ４でＩ（ｆ0 ），＞Ｉ（ｆA ），Ｉ（ｆB ）でなければ掃引周波数（もしくは周波数ｆ0 であると推定する周波数）を変更する（Ｓ６）。
【００３４】
図８は本発明の精密マイクロ波周波数発生装置の実施の形態２を示す。図２はレーザ冷却を行なわずに衝突冷却により亜鉛イオンを冷却し，その亜鉛イオンにレーザ光とマイクロ波を照射することによりマイクロ波の発振周波数が安定になるようにしたものである。
【００３５】
図８において，図１と共通番号の部分は共通部分を示す。図８において，２１は最大スペクトル強度検出手段であって，図３，図４，図６において説明したものと同じ構成のものである。発振周波数制御部１４は図３におけるものと同様である。
【００３６】
図８の構成の動作を説明する。イオントラップの亜鉛イオンはイオントラップに導入されているヘリウムガスの原子と衝突して運動エネルギーを失い，冷却される。レーザ光源３から出力されるレーザ光の波長は，亜鉛イオンの基底準位 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）の電子から上位準位 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１）に励起する光源であり，波長が２０２．６ｎｍである。
【００３７】
レーザ光の照射により亜鉛イオンの基底状態 2Ｓ1/2 にあったイオンは遷移状態 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１）に移動する。 2Ｐ3/2 のＦ＝１の状態からは基底状態のＦ＝２の状態（これを準位Ａとする）へのみ遷移できるが，励起の際にドップラー効果によりイオンが 2Ｐ3/2 のＦ＝２，３の状態にも励起されてしまい，これらのイオンは基底状態のＦ＝３の状態（これを準位Ｂとする）に遷移することも可能になる。光励起の後で準位Ａに戻ったイオンは再び光励起されるが，準位Ｂに遷移したイオンは光励起されずに準位Ｂに安定して存在する。その結果，図１の説明で前述したようにレーザを照射して数１００ｍ秒後には，全てのイオンが準位Ｂに移動してしまうので，イオンの遷移に伴う発光は十分な強度で観測できない。
【００３８】
この状態で，亜鉛イオンにマイクロ波の発振周波数を掃引して印加し（ラムゼー法でなく，１回だけの照射で良い），奇数核亜鉛同位体のイオンの基底状態の超微細構造の準位Ａと準位Ｂの間で共鳴吸収遷移を生じさせる。マイクロ波共鳴により準位Ｂに存在していたイオンは再び準位Ａにも存在できることになる。準位Ａに遷移したイオンはさらにその時照射されているレーザ光に励起され，上位のエネルギー準位 2Ｐ3/2 に遷移する。そのイオンは引き続き基底状態 2Ｓ1/2 に発光を伴って遷移するので，その発光スペクトルを観測する。すなわち，マイクロ波共鳴の併用によって， 2Ｐ3/2 から基底状態への連続した発光を観測できるようになる。マイクロ波吸収の確率が大きいほど，その発光は強くなるので，マイクロ波周波数が基底状態の超微細構造のエネルギー差（ 2Ｓ1/2 のＦ＝２とＦ＝３のエネルギー差）に近いほどスペクトル強度は大きくなる。
【００３９】
亜鉛イオンからの発光スペクトル強度の観測値を，最大スペクトル強度検出手段２１において，スペクトル強度保持部２２に保持する。最大スペクトル強度判定部２３において最大スペクトル強度を与えるマイクロ波周波数を検出する。この動作は図４もしくは図６において説明したものと同様なので説明を省略する。そこで，発振周波数制御部１４は最大スペクトル強度判定部２３の検出した最適マイクロ波周波数ｆ0 をマイクロ波発振部１０が出力するように発振周波数を制御する。図８の構成においても，亜鉛イオン固有の共鳴周波数に対して１０Ｈｚ程度の誤差内でマイクロ波発振周波数を制御することが可能である。
【００４０】
上記のレーザ光源（より厳密にはコヒーレント光源）は本発明者等が開発したものであり，上記の奇数核亜鉛同位体イオンの基底状態の超微細構造を利用したマイクロ波発振装置に適用できるだけでなく，偶数核亜鉛同位体イオンを一個の光源でレーザ冷却する光源としても使用できるものである。
【００４１】
以下に説明する全固体深紫外コヒーレント光源により亜鉛イオンのレーザ冷却を行なうことを可能にした。またそのレーザ光源を使用して上記のような奇数核亜鉛同位体イオンの基底状態の超微細構造を利用した精密マイクロ波周波数発生装置を実現できる。
【００４２】
図９は，そのような全固体深紫外コヒーレント光源の構成を示す。レーザ光の特長を備える光を一般にコヒーレント光と呼び，本光源ではレーザ発振ではなく，非線形光学効果で波長２０２．６ｎｍの光を得るので，コヒーレント光源として説明する。亜鉛イオンのレーザ冷却には，波長２０２．６ｎｍのコヒーレント光が必要であり，それを生成するために，波長２６６ｎｍと８５０ｎｍの光を利用した。波長２６６ｎｍの光は市販の波長５３２ｎｍの固体レーザ光源から第二高調波発生で得られる。また，波長８５０ｎｍの光は半導体レーザで大きな強度が得られる。そこで，この２つの光の和周波発生で，波長２０２．６ｎｍのコヒーレント光を発生する波長が可変の全固体光源を開発した。この和周波発生には６１°の大きな位相整合角が必要である。整合角が大きくなるにつれて，結晶の非線形光学効果が小さくなるが，６１°でも十分な強度が得られることを実証した。
【００４３】
図９に示すように，本発明の光源は５３２ｎｍ光を出力する固体レーザ５５，第二高調波発生用外部共振器５６，波長が可変の半導体レーザ５４，マスタレーザ・パワーアンプシステム５８および和周波発生用外部共振器５９により構成される。固体レーザ５５は半導体レーザ励起固体レーザであって，例えば，半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＶＯ4 レーザである。マスタレーザ・パワーアンプシステム５８はテーパ型半導体素子７３を備えていて，半導体レーザ５４の出力光を増幅して，波長８５０ｎｍを中心に高出力のレーザ光を出力する。
【００４４】
第二高調波発生用外部共振器５６において，６２はλ／４波長板であって，直線偏光を円偏光に変換するものである。６３はサーボ装置である。６４は非線形結晶β−ＢＢＯであって，入力光の第二高調波を発生するものである。６５は圧電素子であって，共振器の反射鏡を移動させるものである。６６は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって，円偏光を偏光面が互いに直交する２つの直線偏光に分けるものである。６７はλ／２波長板であって，直線偏光の偏光面の向きを調整するものである。
【００４５】
マスタレーザ・パワーアンプシステム５８において，７３はテーパ型半導体素子であって，半導体レーザ５４で発生するレーザ光を入力してその強度を増幅するものである。７１はアイソレータであり，矢印の向きにのみレーザ光線を通過させるものである。和周波発生用外部共振器５９において，６９は非線形結晶ＢＢＯであって，２６６ｎｍの入射光と８５０ｎｍの入射光の和の周波数の光を生成するものである。７０はサーボ装置である。７７１は圧電素子である。７７はＰＢＳである。７８は４分の１波長板である。
【００４６】
図９の構成において，第二高調波発生用外部共振器５６においてλ／２波長板は，外部共振器の特性に応じて直線偏光の向きを整える。λ／４波長板は直線偏光を円偏光に変換する。共振器の入射用鏡で反射した光の一部は，λ／４波長板を通過してＰＢＳ６６に導かれ，直交する２つの直線偏光に分割される。共振器長が最適化されていると，入射用鏡で反射した光は直線偏光となり，λ／４波長板を通過して完全な円偏光が得られる。この場合，ＰＢＳ６６で分割した２つの直線偏光は，同じ強度になる。共振器長が最適でない場合には楕円偏光になるので，分割した直線偏光の強度が異なる。そこで，サーボ装置６３はその成分の大きさの違いを検出し，その大きさの違いに応じた電圧を発生して，圧電素子６５に印加する。圧電素子６５はその電圧に応じて厚さがかわり，共振器の鏡の位置を最適な共振を保つように調整する。上記の動作により共振器内の光路長は，５３２ｎｍ光の波長の整数倍になるように最適化される。以上の手法はＨａｓｃｈ−Ｃｏｕｉｌｌａｒｄ法と呼ばれる。和周波発生用外部共振器５９の動作も同様であって，共振器の光路長は８５０ｎｍ光の波長の整数倍になるように常に最適化される。
【００４７】
図９のシステムにおける固体レーザの第二高調波発生による紫外光（２６６ｎｍ）発生の動作を説明する。固体レーザ５５（例えば，半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＶＯ4 レーザ）は，レーザ共振器内での第二高調波発生で，波長５３２ｎｍの単一モード連続光を発生させて出力する。出力された５３２ｎｍの光を第二高調波発生用外部共振器５６の共振器に導いた。第二高調波発生用外部共振器５６の共振器には，市販の外部共振器（Ｌａｓｅｒ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）を，大強度の光発生に耐えられるように改良して使用した。改良では，結晶ホルダーをペルチェ素子に貼り付け，結晶温度を制御することにより，ＢＢＯの温度上昇を低減させること等を行なった。図１０に得られた２６６ｎｍ光の強度を示す。４．５Ｗの５３２ｎｍ光を共振器に入射して，１Ｗ以上の２６６ｎｍ光出力を得た。一般に第二高調波発生では入射光強度の２乗に比例して出力光が大きくなるが，観測された強度は１以上からあまり増加しない。大きな２６６ｎｍ光強度が得られると，外部からの温度制御にも関わらず，結晶内で幾らかの温度不均一が生じて，その結果出力の上昇が抑制されたと考えられる。
【００４８】
図９の構成において，２０２ｎｍ光は２６６ｎｍ光と８５０ｎｍ光の和周波発生で得られる。波長８５０ｎｍの単一モード連続光を，半導体レーザ５４を用いたマスタレーザ・パワーアンプシステムから得た。マスタレーザとなる半導体レーザ５４（Ｎｅｗ  Ｆｏｃｕｓ  ６２２６）の光をプリズムペアで整形して，光アイソレータに通した後に  マスタレーザ・パワーアンプシステム５８に入射した。マスタレーザ・パワーアンプシステム５８には高利得のテーパ型素子を利用した市販の高出力型半導体レーザを改造して用いた。７．５ｍＷのマスターレーザ光をマスタレーザ・パワーアンプシステム５８に入射し，その強度を約５００ｍＷまで増幅した。
【００４９】
目標の波長の光である２０２ｎｍ光を効率良く発生するために，和周波発生では８５０ｎｍ光の強度を外部共振器内で増大させた。外部共振器は曲率半径１５０ｍｍの２つの凹面ミラーと，２つの平面ミラーからなる。凹面ミラーの間隔は１６０ｍｍで共振器一周の光路長は７７６ｍｍであった。８５０ｎｍ光に対して入射用ミラーは９７％，他の３枚のミラーは９９．５％以上の反射率をもつ。共振時には２つの凹面ミラーの中央に，直径約０．１ｍｍのやや楕円の焦点ができる。この場所に８５０ｎｍ光に対して端面をＡＲコートした長さ７ｍｍのＢＢＯ結晶を，位相整合角を満たして置いた。共振器の周回光路長を上述のλ／４波長板とＰＢＳを用いる手法で制御した。共振器内での８５０ｎｍ光の強度は，入射強度の約３０倍になった。そこで，共振器への入射強度が４２０ｍＷの時，約１３Ｗの８５０ｎｍ光が共振器内で結晶に入射される計算になる。
【００５０】
第二高調波発生用外部共振器からの出力光の断面強度分布は，ＢＢＯ結晶のｗａｌｋ−ｏｆｆのため楕円形になる。そこで，円筒レンズでこれをほぼ円形に修正した後に，和周波用共振器のＢＢＯ結晶に集光させた。結晶内で２６６ｎｍ光と８５０ｎｍ光の光路が十分重なるように２６６ｎｍ光の焦点を調節した。発生した２０２ｎｍ光は，２０２ｎｍ光で９５％の反射率，８５０ｎｍ光で９９％以上の透過率をもつミラーで共振器外部に取り出した。その後２０２ｎｍ光をプリズムで選別して，その強度を感度校正されたフォトダイオード（Ｈａｍａｍａｔｓｕ）で測定した。
【００５１】
図１０は本発明の光源の出力光の強度を示す説明図であって，図１０（ａ）は２６６ｎｍ光の強度を示し，図１０（ｂ）は得られた２０２ｎｍ光の強度を示す。８５０ｎｍ光の共振器への入射強度は４２０ｍＷである。図１０（ｂ）に示されるように０．８Ｗ以上の２６６ｎｍ光を入射しても，２０２ｎｍ光の出力強度はほとんど増えず，逆に強度が不安定になった。この時の共振器内の８５０ｎｍ光強度は入射強度の１３倍程度であり，２６６ｎｍ光の入射強度が１００ｍＷの時に比べ増大率が半減した。大強度の２６６ｎｍ光を入射したことにより結晶内部の温度不均一が生じて，共振器内の光の横モードが劣化したためと考えられる。この光源ではマスターレーザ光の波長を変えて２０１．５ｎｍから２０３．１ｎｍまでの和周波を発生でき，またマスターレーザ連続掃引により，２０２ｎｍにおいて７ＧＨｚ以上の連続周波数掃引が可能である。なお奇数核亜鉛同位体イオンの場合，周波数が８ＧＨｚ程度だけ異なる２つの２０２．６ｎｍコヒーレント光が必要になるが，これは図９の構成を２つ用意して対応できる。
【００５２】
図１１は本発明で用いるイオントラップ装置の構成であり，トラップされたイオンは直線状になるイオントラップ装置を示す。図１１において，９１は高周波電源である。トラップするイオンの周囲に配置され，イオントラップのための交流電場を発生する高周波電極（１３１，１３２，１３３，１３４）に，高周波電圧を印加するものである。９０は直流電源であって，イオンを高周波電極の軸方向にトラップする電場を発生するリング状電極に印加するものである。９２はレーザ光線であって，２０２．６ｎｍのレーザ光である。レーザ光線は高周波電極に平行な方向に入射する。９３は光電子増倍管である。９３１はレンズであって，トラップされたイオンから発生する光を集めて光電子増倍管に焦点を結ぶものである。９５はエタロンである。９６はガルバノ分光器である。９７はロックインアンプである。９８はチョッパである。１２０はオーブンであって，亜鉛原子を蒸発させるものである。亜鉛蒸気はノズルを通ってレーザ光線の入射方向に垂直な方向からトラップ内に導入させる。１２４は電子銃であって，電子線を生成して加速し，亜鉛原子に照射して，亜鉛原子をイオン化するものである。なお図１１において，ゼーマン効果によりエネルギー準位の超微細構造を分離するための静磁場を印加する装置は図示を省略している。
【００５３】
図１２（ａ）は亜鉛原子に電子線を照射してイオン化してトラップし，トラップされた亜鉛イオンにレーザ光を照射する構成の概念図を示す。オーブン１２０で発生した亜鉛蒸気はノズルによりイオントラップに導かれる。高周波電極の長さ方向に垂直な方向から亜鉛蒸気をトラップ内に移動させる。イオントラップにおいて，電子線を高周波電極の長さ方向に垂直な方向からトラップ内に照射して，亜鉛原子をイオン化する。亜鉛イオンは，４本の高周波電圧用電極（図１２（ａ）においては高周波電極１３１と１３３として２つのみを示す）と２つの直流電圧用電極（図１２（ａ）では図示を省略，図１１の直流電極１３６，１３７）によりトラップされる。トラップされた亜鉛イオンにレーザ光線９２を照射することにより亜鉛イオンはレーザ冷却され，一直線状に細くなる。レーザ光線の入射方向は紙面に垂直な方向である。
【００５４】
図１２（ｂ）は高周波電極の電圧印加方法とトラップされた亜鉛イオンを示す。１３１，１３２は高周波電極Ａであり，１３２と１３４は高周波電極Ｂである。二つの高周波電極Ａ（１３１，１３２）は同じ電位にする。同様に，二つの高周波電極Ｂ（１３３，１３４）は同じ電位にする。高周波電極Ａと高周波電極Ｂのいずれか一方を接地する（図１２（ｂ）では高周波電極Ｂの側を接地している）。
【００５５】
図１１に示すイオントラップによる亜鉛イオンの発光スペクトルを精密計測する方法を説明する。図１１に示すイオントラップ装置はトラップの中心軸に沿ってイオンを捕獲できるため（リニアトラップ），効率良くイオンをレーザ冷却できる。４本のロッド電極（高周波電極１３１，１３２，１３３，１３４）と２つのリング電極（直流電極１３６，１３７）は超高真空チャンバー内にある。チェンバー内はイオンポンプを用いて２×１０-7Ｐａ以下の真空圧に維持される。ロッド電極の直径は５．０ｍｍ，長さは５６ｍｍであり，トラップ全体の中心軸からロッドの中心の軸まで５．０ｍｍになるように平行に配置されている。周波数４．２ＭＨｚ，振幅±２５０Ｖの交流電圧が２つの対角線上に置かれたロッド電極に印加され，残る２つのロッド電極はアースされている。２つのリング電極は内径が１８ｍｍで１６ｍｍの間隔で配置されている。リング電極には１００Ｖの直流電圧が印加され，イオンをトラップの軸方向に閉じ込める。
【００５６】
天然同位体存在比の金属亜鉛をチェンバー内のオーブンで加熱し，ノズルを通じてトラップに亜鉛原子を流入させた。フィラメントより放出された電子は，約２５Ｖの加速電圧で原子に衝突してイオン化する。和周波発生で得られた２０２ｎｍ光は，トラップの中心軸に沿うように入射され，捕獲された亜鉛イオンを光励起する。イオンからの蛍光をレンズで集めて，光電子増倍管で検出した。光子計数法を用いて微弱な蛍光まで感度良く観測できた。レーザ冷却のために約０．２ｍＷの２０２ｎｍ光を発生させ，トラップの中央付近まで到達する強度は０．１５ｍＷであった。２０２ｎｍ光の一部を温度安定化されたファブリペローエタロンに導き，その透過光の強度変化を間隔１５０ＭＨｚの周波数マーカに用いた。このエタロンには波長２０２ｎｍで９８％の反射率のミラーを用いた。また，亜鉛イオンの光遷移を確認するために，ホロカソードランプを用いて光ガルバノスペクトルを観測できるようにした。
【００５７】
図１３は，イオントラップ装置で観測される発光スペクトルを入力して処理して，表示するコンピュータの構成を示す。図１３（ａ）において，１５０はＣＰＵである。１５１はインタフェースであって，図１３のフォトカウンタ，エタロン，ガルバノ分光器による計測値を入力するものである。１５２は記憶手段であって，フォトカウンタの計測値，エタロンを透過してフォトダイオードで検出した光強度の出力値，ガルバノ分光による計測値を保持するものである。１５３はフォトカウンタ計測値保持部である。１５４はエタロン出力値保持部である。１５５はガルバノ分光器出力値保持部である。１５６は表示処理手段であって，フォトカウンタの計測値，エタロンによる出力値，ガルバノ分光による出力値をディスプレイ等に表示出力する手段である。１５７はフォトカウンタ計測値表示処理部である。１５８はエタロン出力値表示処理部である。１５９はガルバノ分光器出力値表示処理部である。１００は表示手段であって，ディスプレイ，プリンタ等である。最大スペクトル強度検出手段２１は前述したものである。
【００５８】
図１３（ｂ）は，表示出力された，フォトカウンタ計測値，エタロン出力値，ガルバノ分光器計測値の関係を示す。
【００５９】
エタロン出力値はフォトカウンタ計測値の周波数を相対的に読み取る基準として使用できる。ガルバノ分光器出力表示はおよその亜鉛イオンからの表示出力としてモニタに使用できる。
【００６０】
図１４はレーザ冷却と同位体シフトの計測結果であり，レーザ冷却された亜鉛イオンの発光スペクトルを示す。その上段はエタロンで得られた周波数マーカであり，下段にある数字は観測されているイオンの質量数を示す。オーブンとフィラメントに約２分間電流を流し，イオンをトラップにため込んだ後，２０２ｎｍ光を約１０ＭＨｚ／ｓの速度で周波数掃引して観測した。図１４が示すように全ての偶数核の亜鉛イオン同位体を観測できた。質量数７０の同位体の存在比は０．６パーセントと非常に小さく，この測定が非常に高感度であることがわかる。フォトカウンタで検出された時間当たりの光子数から，質量数７０のＺｎ+ イオンが数個，図６のスペクトルで観測されたと見積もった。参照として観測する亜鉛イオンの光ガルバノスペクトルでは，ドップラー効果のために同位体を分離できていない。しかし，光ガルバノ分光の出力のピークと，エタロンによる周波数マーカを参照に用いることで，同じ周波数範囲でイオンをレーザ冷却した。
【００６１】
フォトカウンタで検出した光子数から数百個のイオンがトラップ内でレーザ冷却されたと見積もった。多数個のイオンをレーザ冷却した場合，そのスペクトル形状は，レーザ冷却による冷却効率と，イオンの相互作用がもたらす交流電場の吸収による加熱効率との競争に依存する。図１３の各スペクトルピークの高周波数側に見られる，突然の蛍光強度の消失は，２０２ｎｍ光の周波数がイオンの共鳴周波数に達して，ここを境にレーザ冷却からレーザ加熱に転じたことを示す。加熱されたイオンはドップラー効果により，レーザ光をほとんど吸収しない。即ち２０２ｎｍ光の周波数がイオンの共鳴周波数より僅かに小さい時，イオンは最も効率良く冷却されて，最も大きな発光スペクトル強度を得る事ができる。交流電場の吸収による加熱効率が大きいと，ピークの高周波数側の強度減少を緩やかにすると共に，蛍光スペクトルのピーク位置を低周波数方向にシフトさせる。図１４に見られる蛍光強度消失の鋭さは，レーザ冷却の効率が加熱効率より十分に大きいことを示す。観測されたスペクトル線の半値全幅は約５０ＭＨｚであった。励起状態に存在できるイオンの時間（寿命）を考慮して解析した結果，亜鉛イオンは０．１５Ｋ程度までレーザ冷却されていた。一般に交流電場の振幅が大きくなると，捕獲されるイオンの密度が大きくなり，加熱も大きくなる。一方，イオンの密度が小さいとスペクトルのＳ／Ｎ比が低下する。幾つかの振幅で実験を行なった結果，存在比が小さい70Ｚｎ+ イオンを十分な強度で観測するには，±２５０Ｖの振幅が必要であった。
【００６２】
亜鉛イオンについては，波長５８９ｎｍの３ｄ10４ｐ 2Ｐ1/2 −３ｄ9 ４ｓ 2Ｄ3/2 遷移で同位体シフトが既に観測されていた。この遷移では，ｓ軌道とｄ軌道の電子数が共に変化するため，非常に大きなシフトが低分解能の分光実験でも観測できる。我々は，今回観測した２０２ｎｍでの同位体シフトが，既に観測された５８９ｎｍでの同位体シフトと矛盾がないことを確認するため，Ｋｉｎｇ  Ｐｌｏｔを以下のように作成した。波長Ｘｎｍの遷移で同位体 QＺｎ+ から PＺｎ+ への同位体シフトＩＳP,Q X は質量効果ＭＳP,Q X と体積効果ＦＳP,Q X の和と見なせる。
【００６３】
ＩＳP,Q X ＝ＶP X −ＶQ X ＝ＭＳP,Q X ＋ＦＳP,Q X         （１）
ここで，ＶN X は NＺｎ+ イオンの遷移周波数である。質量効果ＭＳP,Q X は NＺｎ+ イオンの核質量である。ｍを電子質量として，
ＭＳP,Q X ＝ＫX （ＭP −ＭQ ）／（ＭP ＋ｍ）（ＭQ ＋ｍ）  （２）  
で表され，ここで，ＫX はＭN に依存せず，遷移に依存するパラメータである。66Ｚｎ+ と64Ｚｎ+ の組合せを基準にして，同位体シフトＩＳP,Q X に次式のパラメータ
μ(P,Q) 
＝( Ｍ66−Ｍ64)(ＭP ＋ｍ)(ＭQ ＋ｍ) ／( ＭP −ＭQ )(Ｍ66＋ｍ)(Ｍ64＋ｍ) （３）
を掛けると修正同位体シフトとして以下の式を得る。
【００６４】
μ(P,Q) ＩＳp,Q X ＝ＭＳ66X ＋μ(P,Q) ＦＳP,Q X           （４）
本発明者等は，観測した同位体シフトから修正同位体シフトμ(P,Q) ＩＳP,Q 202 を計算し，μ(P,Q) ＩＳP,Q 589 に対してプロットして，図１５のＫｉｎｇ  ｐｌｏｔ（μ(P,Q) ＩＳP,Q 202 ，μ(P,Q) ＩＳP,Q 589 を得た。ここで，黒丸は今回の実測から得られた修正同位体シフトであり，直線範囲は標準偏差を示す。また，数字はシフトを測った２つの同位体の質量数をしめす。このＫｉｎｇ  ｐｌｏｔにおいて，２つの遷移波長で得られた修正同位体シフトに一次関係が見られる。そこで，今回決定した２０２ｎｍでの同位体シフトは，報告されている５８９ｎｍでの同位体シフトに矛盾が無いことを確認した。      
【００６５】
図１５で示された関係は，最小二乗法を用いて次式で表される。
【００６６】
μ(P,Q) ＩＳP,Q 589 ＝（−２．０７）μ(P.Q) ＩＳP,Q 202 −１．４５  （５）
ここで，ＩＳP,Q 589 とＩＳP.Q 202 はＧＨｚで与えられる。また  式（５）の傾き−２．０７は，２つの遷移での体積シフトの比（ＦＳP,Q 589   ／ＦＳP.Q 202 ）の概算を与える。Ｋｌｏｃｈらの観測（非特許文献２参照）の後，Ｆｏｏｔらは波長５８９ｎｍでの同位体シフトにおける質量効果と体積効果の寄与を見積もった（非特許文献３参照）。ここで報告されたＭＳ66,64 ＝−３．５８ＧＨｚ，（４）式，（５）式を用いれば，ＭＳ66,64202＝１．０３ＧＨｚが計算できる。さらに，この値，表１の同位体シフト，（４）式を用いて，本発明者が測定した同位体シフトにおける質量効果と体積効果の寄与を見積もった。その結果を図１６に表で示す。
【００６７】
本発明の光源とイオントラップ装置により亜鉛イオンの超微細分裂（超微細構造の分裂）の予測結果を以下に説明する。本発明において，２０２ｎｍ光の光源を１つだけ使用したのでは，基底状態が超微細分裂している67Ｚｎ＋イオンをレーザ冷却できない。そこで，（５）式を用いて，４ｓ 2Ｓ1/2 −４ｐ 2Ｐ3/2 遷移での64Ｚｎ＋と67Ｚｎ＋間の遷移周波数シフトを見積もった。このシフトは，同位体効果によるシフト（同位体シフト）と超微細相互作用によるシフト（超微細分裂）の和とみなせる。Ｋｏｃｈらは４ｐ 2Ｐ1/2 −４ｓ2  2Ｄ3/2 遷移で64Ｚｎ+ から67Ｚｎ+ への同位体シフトを−４．４２ＧＨｚと導いた。この値を（５）式に代入して，４ｓ 2Ｓ1/2 −４ｐ 2Ｐ3/2 遷移での64Ｚｎ+ から67Ｚｎ+ への同位体シフトを１．１４ＧＨｚと見積もった。次に，超微細分裂を見積もるには，基底状態と４ｐ 2Ｐ3/2 状態の分裂を考慮する必要がある。同族のＺｎ+ ，Ｃｄ+ ，Ｈｇ+ について，基底状態の超微細分裂の理論予測があり，Ｃｄ+ とＨｇ+ で実験と一致している。一方，４ｐ 2Ｐ3/2 状態の超微細分裂の理論について情報が無い。しかしながら，一般的にｎｐ 2Ｐ3/2 状態の超微細分裂はｎｓ 2Ｓ1/2 状態に比べ小さく，従って，目的の超微細分裂は，４ｓ 2Ｓ1/2 状態の超微細分裂からおよそ見積もられる。４ｐ 2Ｐ3/2 状態の超微細分裂が十分小さいと仮定すれば，亜鉛イオンの４ｓ 2Ｓ1/2 −４ｐ 2Ｐ3/2 遷移は，４ｓ 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）−４ｐ 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１，２，３）遷移と４ｓ 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）−４ｐ 2Ｐ3/2 （Ｆ＝２，３，４）遷移の２つから成ると見なせる。この場合，超微細分裂による周波数シフトは，基底状態の超微細準位のエネルギーシフト
νhfs ＝（Ａ／２）〔Ｆ（Ｆ＋１）−Ｊ（Ｊ＋１）−Ｉ（Ｉ＋１）〕  （６）
から見積もれる。Ｆは原子の全角運動量を表す量子数である。Ｊは電子の全角運動量を表す量子数である。Ｉは核スピンの量子数である。ここで，超微細定数Ａ＝２．４ＧＨｚが超微細場強度の予測値４５１ｔｅｓｌａから得られる。（６）式の値のνhfs にＳ67,64202.6 を加えることで，４ｓ 2Ｓ1/2 （Ｆ＝２）−４ｐ 2Ｐ3/2 （Ｆ＝１，２，３）遷移と４ｓ 2Ｓ1/2 （Ｆ＝３）−４ｐ 2Ｐ3/2 （Ｆ＝２，３，４）遷移は，64Ｚｎ+ の遷移から，それぞれ＋４．１ＧＨｚと−３．１ＧＨｚだけ周波数シフトしていると概算した。そこで，この概算結果を参考にして，前述の図１，図３，図４，図５の装置構成により67Ｚｎ+ の基底状態における超微細分裂の精密計測を行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば，比較的簡単な構成で亜鉛イオンをレーザ冷却することで，約７．２ＧＨｚのマイクロ波を，周波数標準として利用できる精密な周波数で，安定に発生させることができる。本発明は，通信・計測・放送の分野で広く利用できる。
【００６９】
また，本発明のレーザ光源を使用すれば，偶数核の亜鉛イオン同位体に対して唯一の光源でレーザ冷却を行なうことができ，その光源も固体レーザおよび半導体レーザを使用して小型に構成することができる。さらに本発明の光源を使用すれば，奇数核の亜鉛イオン同位体のレーザ冷却を行なうことができ，その基底状態の超微細構造の実験的な分析を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明のマイクロ波発振周波数判定装置を示す図である。
【図２】亜鉛イオンのエネルギーダイアグラムを示す図である。
【図３】本発明の精密マイクロ波周波数発生装置の実施の形態１を示す図である。
【図４】本発明の一次微分により最適マイクロ波周波数を検出する方法の説明図である。
【図５】本発明の一次微分により最適マイクロ波周波数を検出する方法の説明図（フローチャート）である。
【図６】本発明の等スペクトル強度の周波数の平均値により最適マイクロ波周波数を検出する方法の説明図である。
【図７】本発明の等スペクトル強度の周波数の平均値により最適マイクロ波周波数を求めるフローチャートを示す図である。
【図８】本発明の精密マイクロ波周波数発生装置の実施の形態２を示す図である。
【図９】本発明のコヒーレント光源の構成を示す図である。
【図１０】本発明の光源の出力光の強度を示す図である。
【図１１】本発明のイオントラップ装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明のイオントラップの概念図である。
【図１３】本発明のイオントラップ装置のスペクトル表示のための手段と表示方法の説明図である。
【図１４】本発明の偶数核亜鉛イオンの発光スペクトルを示す図である。
【図１５】本発明の偶数核亜鉛イオンの発光スペクトルに基づくキングプロットを示す図である。
【図１６】本発明の偶数核亜鉛イオンの発光スペクトルの周波数シフトの表を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１：マイクロ波発振器
２：イオントラップ装置
３：レーザ光源
４：光センサ
５：スペクトル強度観測装置
１０：マイクロ波発振部
１１：周波数掃引部
１２：発振出力部
１３：アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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