リチウム原子冷却のための半導体レーザー励起Nd: YVO4レーザーの開発
電気通信大学新世代レーザー研究センター

向山研究室

B4 三明祐大

Nd: YVO4 DPSS レーザーの動作原理は、図 2.１の様

1. 目的
本研究室の目標は、極低温フェルミ原子 Li におけに共振器中の結晶（Nd: YVO4 ）に対し波長 808nm のる P 波超流動状態の実現である。Li 原子の冷却の為

Pump 光を照射することで反転分布が形成され、波長には、Li 原子の共鳴光である 671nm の波長かつ高パ1342nm の光が増幅されることによりレーザー発振をワーで安定なレーザー光源が必要である。現在、我々可能としている。

は Li 原子冷却の為に、リング共振器色素レーザーにより波長 671nm、強度 300～450mW の光を得てい2.2

DPSS レーザーにおける熱的効果る。しかし、色素は使用していると劣化してしまうた

光共振器が安定に共振する為には、ビームの広がりめ定期的な色素交換の必要がある。そのため、交換のによって、共振器中でエネルギーの一部がミラーから度にレーザー媒質である色素の条件が変化し発振条件はずれ共振せず損失してしまう、回折損失を低く保つが変わってしまい、結果実験系のセットアップを調整必要がある。そのため、共振器を組む上でしばしば凹し直さなければならないという問題が生じてしまう。

面鏡が用いられる。

本研究の目的は、これらの問題を解決するために、常本実験での DPSS レーザーの共振器においては、に同じ条件での使用が可能で、強度が色素レーザーと熱レンズ効果を用いて安定条件を満たしている。熱レ同等もしくはそれ以上のレーザー光を得る光源を開発

ンズ効果とは、Pump 光を結晶が吸収することによっすることを目標とした。これらの条件を満たす光源とて発生する熱によって結晶中に温度勾配が生じ光の屈して我々は、Nd: YVO4を半導体レーザーで励起し折率にも勾配が生じることにより、結晶がレンズのよ1342nm の単一周波数のレーザー光を発生させ非線形うに振る舞う効果である。

光学結晶（LBO 結晶）を用いて第二高調波を発生させることで波長 671nm のレーザー光を得る試み[1]を2.3 シングルモード発振
共振器とレーザー媒質のみで DPSS レーザーを構行った。

成すると、通常は共振器に共鳴する複数の周波数モー2. 原理

ドで同時に発振を起こすマルチモード発振が起きる。

ここでは、節 2.1~節 2.3 において DPSS レーザー

マルチモード発振は複数の周波数成分を含むことから[2]の原理を、節 2.4~2.5 では第二高調波発生につい原子の冷却用光源としては使用できない。よって、シて述べたいと思う。

ングルモード発振であることが必要不可欠である。シ

2.1

ングルモード発振は、各モード間の利得に差を持たせDPSS レーザー

DPSS レ ー ザ ー と は "Diode-Pumped Solid-State

利得の大きなモードが発振することで実現している。

laser"の略で「半導体励起固体レーザー」とも呼ばれる。

周波数モードにおけるシングルモード発振はエタロン

図 2.1 の概略図ようにレーザー媒質を、LD(Leserが用いられることが多い。エタロンは薄いガラス板でDiode)を用いて励起し外部に共振器組むことで、レー構成され、FSR が広いファブリペロー共振器としてザー発振をさせるものである。

機能する。そのため、図 2.3 のようにエタロンとレーザー媒質の利得によって各周波数モードの利得の差を作りシングルモード発振を可能とする。

図 2.1DPSS レーザー概略図1

ることで高出力の第二高調波を発生させる試みを行った。

図 2.2

ゲインカーブ

2.4 第二高調波の発生原理

図 2.3

外部共振器概略図

ここでは、第二高調波の発生原理を述べたいと思

また、レーザー光を共振器で増幅するためには共振う。レーザー光の様に強い光を結晶に対し入射した事器長をレーザーが共鳴する条件に常に保持しておく必によって生じる様々な現象・効果を非線形光学効果と要がある、この事をロックするという。本研究では、呼ぶ。非線形光学効果が起きている時の、結晶内に生PDH 法（Pound-Drever-Hall 法）[3]と呼ばれる手法

じる分極 P は電場 E の高次の項に比例する成分を持を用いて、共振器のロックを行った。

ち、分極の光電場に対する依存性を記述する事がで

3. 実験

き、𝜀0 は真空の誘電率とすると、
P = P(0) + 𝜀0 (𝜒 (1) 𝐸 + 𝜒 (2) 𝐸2 + 𝜒 (3) 𝐸 3 + ⋯ ) (2.2)

ここでは、節 3.1~3.2 では DPSS レーザーの作製について、節 3.3~3.4 では第二高調波発生の実験についと表す事ができる。
この時P(0)は静的な分極𝜒 (1) 、𝜒 (2) 、𝜒 (3) をそれぞれて述べたいと思う。

１次・２次・３次の電気感受率と呼ぶ、第二高調波の3.1 DPSS レーザーの作製発生において重要となるのは二次の項であり、実際に作製した DPSS レーザーの概略図を図 3.1(2) 2(2.3)（図中の結晶はNd: YVO4を表す）に示す。Nd: YVO4に入射光の電場 E が角周波数 ω からなるとすると、Pump 光を集光するためのレンズの焦点距離及び、共E(t) = 𝐸(𝜔) cosωtと表すことができ、これを式(2.3)に振器出射部分のミラーの反射率は最適化を行い選択し代入すると、た。また、DPSS レーザーをハイパワーで出力させる

P(2) = 𝜀0 𝜒𝐸P(2) = 𝜀0 𝜒 (2) 𝐸𝜔2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜔
1= 2 𝜀0 𝜒 (2) 𝐸𝜔2 (1 + cos 2𝜔𝑡) (2.4)(2)

為には DPSS の発振を１方向に限定しなくてはならない。そのために、本研究では、出力されたレーザー≠0 ならば入射電場の 2

光の一部をアイソレーターを用いて共振器に戻すとい倍の周波数を持つ電場が発生することがわかり、そのう方法を用いることにより１方向発振が可能とした。となる。このことから、𝜒振幅が入射光の光電場の２乗に比例することがわかる。本研究では第二高調波を発生させる非線形光学結晶として LBO 結晶を選択した。
2.5 外部共振器を用いた第二高調波発生及びロック
非線形光学結晶に対し十分な強度の基本波を直接入射することで、第二高調波を得ることができるが、本研究では図 2.3 の様に外部共振器中に非線形光学結晶を配置することで、非線形光学結晶に入射するレーザー光を共振器で増幅し光強度を高め、変換効率を高め
図 3.1 DPSS レーザーの概略図
2

なお、DPSS レーザーで使用するNd: YVO4にはハイパワーの Pump 光が当たるため、温調をしない場合熱暴走を起こし、結晶が割れてしまう。そこで、図3.2 のような銅製の結晶ホルダーを作成しそのホルダーをペルチェ素子を用いて温調することで結晶を間接的に 25℃に温調した。また、Pump 光を出力する LDもハイパワーのレーザーを出力するため、高温になるので図 3.3 のように水冷装置によって冷却している。
図 3.4 シングルモード発振スペクトル
シングルモードでの出力パワーは図 3.5 に示す。図3.5 の横軸は Pump 光の出力、縦軸が波長 1342nmの出力を表している。これは、アライメントを最適化した状態で図 3.1 中の出力の所にパワーメーターを置き測定した。結果、最大 1.74W で出力が可能となった。
図 3.2 結晶ホルダー（𝐍𝐝: 𝐘𝐕𝐎𝟒 ）

図 3.5
図 3.3 LD の水冷シングルモード発振のパワー

3.3 第二高調波発生のためのセットアップ
ここでは、DPSS レーザーから得た波長 1342nm

3.2 DPSS レーザーののレーザー光用いて効率良く第二高調波を得るためにシングルモード発振及び出力の観測用いた外部共振器のセットアップと外部共振器を常にNd: YVO4を用いた DPSS レーザーにおいて周波数モ共鳴状態に保持するためのロックについて述べたいとードでのシングルモード発振をさせる為には、共振器思う。外部共振器及びロックの為のセットアップを図内にエタロンを入れることが求められるが、本実験に3.6（図中の結晶は LBO 結晶を表す）に示す。

おいては共振器内にエタロンを入れずに、周波数モードにおけるシングルモード発振が可能であった。レー
ザー外部に配置したファブリペロー干渉計で調べた結果を図 3.4 に表す。使用したファブリーペロー干渉計の FSR が 1.5GHz のものを使用した。青いラインはファブリペロー干渉計に共鳴した信号であり、赤いラインは PZT の印加電圧である。6 つみえる大きなピークがファブリペロー干渉計の共鳴である。この結果
から、DPSS レーザーがシングルモード発振している
図 3.6 外部共振器セットアップ概略図

事が観測できた。
3

外部共振器の中に波長 1342nm の光を入れる為のミの関係は、図 3.9 のようになり、結果波長 1342nm

ラーの反射率及び、図 3.6 中 P 点に焦点が来るようにを 1.7W 入射した時、波長 671nm を 260mw 得る事する為の F＝200mm のレンズの焦点距離は最適化をができた。

行い選択した。本研究では、LBO 結晶（3×3×7mm・角度位相整合、タイプⅠ）を使用した。LBO結晶は温度変化によって屈折率が変化してしまい、結果位相整合に影響を及ぼしてしまう。そこで、結晶の温度を一定に保つため図 3.7 の様に、銅製の結晶ホルダーを作成しそのホルダーをペルチェ素子を用いて温調することで結晶を間接的に 24℃に温調した。
図 3.9 波長 671nm の出力４．まとめと今後の展望
4.1 まとめ本研究では、Li の共鳴光である波長 671nm を第二高調波発生によって得るため基本波となる波長1342nm を DPSS レーザーの作製によって単一周波
図 3.7 LBO 結晶用ホルダー数で最大出力 1.74W 得ることに成功した。次にまた、外部共振器のロックは図 3.6 のセットアップ

DPSS レーザーによって発生した波長 1342nm の光で、PDH 法を用いてロックを行った。

を外部共振器によって増幅し、LBO 結晶に入射することで、波長 671nm のレーザー光を最大 260mW 得3.4

ロックの結果及び 671nm の出力ることに成功した。

図 3.6 のセットアップで PDH 法を用いてロックを4.2

今後の展望行った結果を図 3.8 に示す。図 3.8 において青い線はDPSS レーザーは現状、シングルモード発振の持続時外部共振器を FG（ファンクションジェネレーター）間が 10 分弱と短く、改善の必要があるので光学素子によって共振器長を掃引している時、PD が 671nmを光学上盤の上に配置することで、安定度上げる試みを検知し出力した信号を表し、赤い線はロックを行っを行いたいと思う。また、波長 671nm のレーザーのている時、PD が 671nm を検知し出力した信号であ

出力は最大 260mW であり、Li 原子の冷却系の実験る。図 3.8 より安定して波長 671nm が出力されていには 400mW の出力が必要とされる。そのため、外部る事が確認できた。

共振器のミラーの反射率の最適化を行いハイパワー化を試みたいと思う。そして、最終的に Li 原子の共鳴周波数への周波数安定化を行う予定である。

５．参考文献[1] U.Eismann, et al.OPTICS EXPRESS Vol. 21 No.
7 9094 (2013) .
[2] Tso Yee Fan, et al.IEEE JOURNAL OF
QUANTUM ELECTRONIC, Vol.24, No.6 (1988).

[3]E. D. Black, et al American Jonal of Physics 69
図 3.879(2001).

共振器のロック結果

実際に外部共振器のロックを行った状態での DPSS
レーザーの出力（横軸）と第二高調波の出力（縦軸）4