半導体レーザーの製作と安定化 その１
量子物質工学科 清水和子研究室

１

背景

我々の研究室では図 1 に示すようにAr＊と固体表面の相互作用を研究する予定である。図２に示
す冷却遷移を用いてAr＊をトラップし、714.9[nm]の光を入れて一旦 3P5(2Po1/2)4P[11/2]01 準位に上げると 3P5(2Po1/2)4S[1/2]00 準位に多くの原子が落ちる。この準位の原子はトラップされないので重力により落下して固体表面とファンデルワールス相互 作 用 が 起 き 3P5(2Po1/2)4S[1/2]00 →3P5(2Po1/2)4S[11/2]02 に遷移することを確かめる。
このことを利用して後々原子ビームの生成などに利用できる研究である。

714.9nm光Ar＊
811.7nm光？

図1２

畑瀬 宏

固体表面

Ar*と固体表面の相互作用

目的

Ar*原子源として磁気光学トラップ（MOT）で原子をトラップ・冷却する。そのために Ar*
原子の冷却遷移波長である 811.754[nm]の光を発振する外部共振器型半導体レーザーを製作し、Ar＊原子の自然幅 5.9[MHz]を考慮してレーザー周波数を 1〜2[MHz]程度に安定化させることを目指す。

３ 製作

３Ｐ５（２Ｐ０１/２）[１１/2]0 1４P

71４．９nm

３−１ 製作の概要
・ 図３は外部共振器型半導体レーザーの装置概略図である。
・ 周波数選択性をもたせるため回折格子からの一次光を LD に戻すリトロ配置をとる。
・ 回折格子と LD との角度を調節するためミラーマウントを用い、さらにＰＺＴ（圧電素子）で微調できるようにＰＺＴコントローラを製作する。
・ 温度制御のため温度コントローラーを作製する。
図2

Ar*のエネルギー準位図

３−２ 外部共振器型半導体レーザーの特性
まず製作した外部共振器型半導体レーザーを電流を変化させて室温 25℃で出力特性を測定した結果を図４に示す。波長の温度依存性を注入電流 100[mA]で測定すると図５に示すようになり 26〜27℃で冷却遷移波長である 811.754[nm]が発振した。温度を 26℃に固定して波長の電流依存性を測定したところ図６に示すように 103 [mA]付近で 811.754[nm]の光が発振した。811.754[nm]の光は得られたが安定性が低い（数十[MHz])ので偏光分光法を用いて安定化を行なった。

半導体レーザーの出力特性

ＰＯＷＥＲ[mW]

5040302010050

図360

図4

装置概略図

70110120LDの波長の電流依存性

814.000

812.000
波長 [nm]813.500
813.000
波長 [nm]100

LD の出力特性

波長の温度特性812.500
812.000
811.500

811.500
811.000
810.500

811.000
810.500

810.000

810.000
2022

図5４8090注入電流[mA]

242628温度 [℃]30LD の温度特性

323480859095
電流 [mA]

100105110

図６ LD の電流特性

安定化
４−１方法

レーザー周波数の安定化に用いられる基準は原子の共鳴信号である。室温の Ar 原子ドップラー幅は 363[MHz]で共鳴線の自然幅は 5.9[MHz]であり共鳴線がドップラー幅に埋もれている。よって原子に飽和させるほどの強い光（ポンプ光）を照射し、対向方向から弱い光（プローブ光）を当ててその透過光強度から原子の共鳴周波数を自然幅程度の分解能で測定することができる飽和吸収分光法の原理を利用した偏光分光法を用いた。
偏光分光法とはスピン偏極した原子に光を入射したとき、その光の偏光の向きによって異なる屈折率を示すことを利用する方法である。スピン偏極を起こすにはσ+（orσ−）の光を入射すると選択則によりΔm=1(or-1)の準位に励起されることを利用している。例えば
図７のような２準位系を考える。σ＋の光が入射すると選択則により m=-1/2 から m=1/2 だ
けに励起されて自然放出により m=1/2 か m=-1/2 の準位に落ちてくる。よってσ＋の光を入射し続ければ片方のスピン状態に偏らせることができる。このようにスピン偏極した原子はσ＋の光は吸収せずσ−の光だけ吸収するようになる。スピン偏極したことによりσ+の光とσ-の光の屈折率ｎ+とｎ-に違いが生じる。σ+の光の吸収がないため屈折率ｎ+の変化はないが、σ-の光は吸収により屈折率ｎ-に分散が生じる。ｎ-の分散は図８のように共鳴周波数の前後で正負が反転しているので、誤差信号として周波数安定化に利用できる。
n-励起状態σ+m＝-1/2
図７

４−２

ωω0

基底状態
m＝1/2

スピン偏極

図８

屈折率の分散実験

この屈折率の分散を誤差信号として取り出すために図９のような光学系を組んで安定化を試みた。ポンプ光としてσ+の円偏光をアルゴン放電セルに入射させスピン偏極を起こさせ、プローブ光として直線偏光（σ+＋σ−）を入射する。アルゴン放電セル内の原子はスピン偏極しているのでσ−の光は屈折率の分散が生じているので光の偏光方向がΔθだけ傾けられる。この傾けられた直線偏光の光は偏光ビームスプリッターによりＰ偏光とＳ偏光に分けられそれぞれの光の強度をＰＤで検出する。この２つの光の強度差によりスピン偏極によって生じた光の傾きΔθがわかり屈折率の分散から誤差信号としてＰＺＴコントローラーにフィードバックさせて周波数安定化を図ることが出来る。
（１） σ+半導体レーザー（２） σ+ +σ-BS

Ar＊セル
PBS１

λ/４波長板（５）λ/２波長板PBS3（４） σ++σ-ＰＢＳ２（３） σ+ +σ45°

45°+Δθ
ＰＺＴ
コントローラー

ＰＤ

図9

実験配置図

ミラー

差動増幅器

実際にピエゾに電圧をかけ周波数を掃引して差動増幅器の出力から得られた誤差信号は
図 10 のようになった。誤差信号の幅は 58.4[MHz]で高さは 11[V]であった。これらの値から誤差信号の傾きの逆数は 5.3[MHz/V]である。この値を用いる事により誤差信号の電圧を周波数に変換する事ができる。
得られた誤差信号を PZT コントローラーにフィードバックさせてレーザーの周波数安定化をしたものが図 11 である。図の真ん中から誤差信号のフィードバックを始めている。図からわかるとおり、レーザーの安定度が誤差信号のフィードバックをかける前では12.5[MHz]程度であったがフィードバック後では 3.7[MHz]程度に安定化した。

４３８MHz

誤差信号

11V
3.7MHz58.4MHz
400[ms]5.00[V]

図 10５

得られた誤差信号

12.5MHz
4.00[s]

図 115.00[V]フィードバック後の誤差信号

まとめ

冷却遷移波長 811.754nm の光をシングルモードで発振する外部共振器型半導体レーザーを製作した。
偏光分光法を用いてレーザー周波数を３〜４MHz に安定化させた。
しかし目標値まで安定化させることができなかったので今後原因を究明し、改良していきたい。
実際に製作した外部共振器型半導体レーザーは以下に示す。
LD：SHARP LT017MD
Grating：反射型 1800lines/mm
Mirror Mount：Newport U100−P
PZT：THORLABS AE0203D04
Collimation Lens & Tube：THORLABS LT220P−B
温度コントローラ：WAVELENGTH HTC−1500
Thermistor：SEMITEC 103AT2
Case：防塵・防水アルミダイカスト(160×160mm)