干渉フィルタを用いた外部共振器半導体レーザーの開発
中川研究室
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学部 4 年

千葉学

背景・目的
今日、世界中で量子コンピュータ実現に向けた研究が行われている。我々の研究室では、光双極子トラップ中に単一の 87Rb原子をトラップし、その内部状態を量子ビットとして利用し量子情報処理を行う研究を行っている。単一原子をトラップするために青方離調させた D1 線(795nm)による光誘起衝突によって、光双極子トラップ中に数個トラップされた原子を光子の非弾性衝突によって、高効率でトラップを単一原子のみにすることを目標としている。[1]また我々の研究室では 87Rb原子を冷却し、その原子波を干渉させることによって重力加速度を計測する、原子干渉計を開発している。原子干渉計は重力波観測や地質調査への応用が期待されている。
その光源として D2 線(780nm)を利用して冷却用光源を必要としている。
現在研究室で用いている回折格子を用いた外部共振器型半導体レーザー(ECDL)で実験していたが、回転機構のため振動によって周波数がずれてしまう欠点があった。そこで私は、振動に強い干渉フィルタを用いた波長可変 ECDL を開発し、干渉フィルタと LD をそれぞれ交換することによって、D1 線光誘起衝突用光源と、D2 線 87Rb冷却用光源の開発を行った。

2フィルタ型 ECDL の原理

図 1；フィルタ透過型 ECDL 概略図
半導体レーザー(LD)のみで実験に使うことはできない。LD 電流を変えるのみでは波長選択の制御が困難であるからである。そこで外部で共振器を組む外部共振器半導体レーザー(ECDL)を作成し、ピエゾ電圧を変えることで外部共振器のミラーを動かすことによって波長選択を行う。
フィルタ透過型 ECDL とは図１のように、AR コートされた LD からコリメートレンズによってビームを平行にして出射した光を誘電体多層膜からなる干渉フィルタを透過させ、ピエゾにつけたミラーによって共振させる構造である。またレンズによってミラー面に焦点を合わせる Cat’s eye 機構によって振動に強い安定なレーザーになる。これにより LD、ミラーが振動によってずれても戻り光が LD にカップリングするため振動に強いレーザー
1になる。
選択される縦モードは、フィルタ透過率𝑇𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 、外部共振器透過率𝑇𝑐𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 、LD 共振器透過率𝑇𝐿𝐷 、LD 利得𝐺𝐿𝐷 とすると、𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑇𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 ∙ 𝑇𝑐𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 ∙ 𝑇𝐿𝐷 ∙ 𝐺𝐿𝐷
この積が最大のモードが選択されシングルモード発振する。
フィルタへの入射角𝜃、有効屈折率𝜂eff 、最大垂直透過波長𝜆0のときの最大透過波長は𝜆(𝜃) = 𝜆0 √1 −sin2 𝜃2𝜂effで表される。[2]用いたフィルタはデータシートより最大透過率 90%、半値全幅は 250GHz であった。
この入射角を変えることによってピークを動かし、また縦モード間隔である FSR(FreeSpectral Range)をピエゾ電圧と LD 電流を変えることで波長選択をしている。

図 2；フィルタによる波長選択3フィルタ型 ECDL の製作
共振器長L = 8cm、FSR＝c/2L = 1.9GHzでフィルタ型 ECDL を図 3 のように設計した。

アルミを用いて LD とレンズとミラーを一体構造にして、振動に強い設計にした。側面から微調ネジを入れることで金属ばねを動かしフィルタの入射角度を変える。また取り外し可能なフィルタマウント(図 3 右下)をつくり、干渉フィルタと LD を交換することで D1 線光誘起衝突用光源と D2 線冷却用光源を作成した。図 4 のように完成した。

図 3；フィルタ ECDL の設計
図 3；

図 4；フィルタ ECDL 完成図
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図 4

4

実験

4.1

線幅の測定(780nm)

線幅を 2 つのビートをスペクトルアナライザーで観測するヘテロダイン法(図５)によって求めた。求めるフィルタ ECDL の線幅はビート線幅の半分であるとする。最初に線幅を測定したとき図６のように 2MHz と線幅が想定より大きいものとなってしまった。原因としては LD のアライメントが悪く、戻り光とのカップリング効率が悪い。また LD 電源のアースが浮いていることによるラインノイズの影響が考えられた。これらの影響を改善した
結果、閾値が 60mA から 35ｍA まだ下がり、最終的な ECDL の線幅は約 170kHz であった。

図 6；ビート線幅の測定

図 5；ヘテロダイン法によるビート計測
4.2

飽和吸収分光による D1 線(795nm)観測

原子は Maxwell-Boltzmann 分布で運動しているため、吸収線はドップラー広がりを持っている。飽和吸収強度より強いパンプ光によって励起させることで基底状態の密度分布にくぼみができる。くぼみの幅Δ𝜔ℎ𝑜𝑙𝑒 は自然幅Γ、飽和吸収強度𝐼𝑠𝑎𝑡 、 ビーム強度𝐼とするとΔ𝜔ℎ𝑜𝑙𝑒 ＝Γ√1 +𝐼𝐼𝑠𝑎𝑡で表される。これを対向させたプローブ光によって吸収信号を観測する。これによって原子が速度 0 のドップラーフリーな吸収線が観測できる。この分光法を飽和吸収分光という。
私は作成したフィルタ型 ECDL を用いて D1 線の吸収線を観測した。実験光学系は図７のように組んだ。戻り光の影響を防ぐためアイソレータを通し、気体セル内でパンプ光とプローブ光が対向させるように入れた。発振器では、波長を掃引するために三角波を発生させ、ピエゾドライバでミラーを動かし、掃引した。そのプローブ光の吸収線をオシロスコープで観測した。

3図 7；飽和吸収分光実験系
結果は D1 線による吸収線は観測できたが、FSR が 1.9GHz と狭いため広く吸収線を見ることはできなかった。図８に 85Rbの準位図を示した。ここでは最もはっきり観測できた、
85

Rbの F=3 から F’=2、F’=3 遷移の吸収線を図９に示した。このように本来ドップラー幅に埋もれてしまう超微細構造の吸収線を飽和吸収分光で観測することができた。

150.659MHz
210.923MHz

794.979nm
377.107463380THz

794.981nm

1.2648GHz
1.770GHz

図 8； 𝟖𝟓𝐑𝐛の D1 線準位図
図 9；F=3 から F’=2、F’=3 の吸収線

5

まとめと今後の展望
設計通りのたたいても周波数が一定でアライメントがずれない、振動に強いフィルタ型ECDL が完成した。しかしアライメントが難しいため発振効率が悪く、戻り光のカップリング効率を上げるために、LD マウントを微調節できる機構を考える必要がある。線幅は170kHz 程度であった。今後は研究室のレーザーを回折格子型からフィルタ透過型へ置き換えて、原子干渉計用の光源として用いる予定である。
また飽和吸収分光法によって D1 線の吸収線を観測することができた。今後はレーザー吸収線にロックし、光双極子トラップ中に、作成した 795nm 光源で光を当てて 87Rb の単一トラップを実現することを目指す。

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参考文献

[1]” Preparation of a single atom in an optical microtrap” Alicia V Carpentier et al Laser
Phys. Lett.10 125501 (2013)[2] “Interference-filter-stabilized external-cavity diode lasers” A. Brusch, R. Le Targat,
X. Baillard, M. Fouch´ e, P. Lemonde, Phys. Rev. Lett. 96, 103003 (2006)
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