外部変調器を用いた広帯域可変周波数安定化レーザー
中川研究室 山崎智樹

１． 序論

２． 原理

我々の研究室では 87Rbを用いた可搬型の2.1原子干渉計の開発を行っている。原子干渉周波数変調(FM)分光法

計は非常に高精度な加速度測定や回転角、レーザー光源の周波数安定化のために回転速度の測定が行える。原子干渉計によFM 分光法を用いる。FM 分光法の概略図をって作られるセンサー類は微細構造定数の図 2.1 として示す。

測定や重力加速度の測定、等価原理の検証といった範囲に応用される[1]。我々の研究室では特にこの原子干渉計により重力加速度の測定を行うことを主な目標としている。
原子干渉計による重力加速度の測定では測定に用いるレーザー光の周波数の精度により測定結果の精度が決まる。よって用いるレーザー光源には周波数の安定化が求められる。加えて、原子干渉計には原子の冷却用のレーザー光源や原子干渉実験用のレー

図 2.1 FM 分光法

ザー光源といった異なる周波数の光源が必要となる。また実験のためにこれらを高速EOM(電気光学変調器)で変調された光に切り替える必要がある[2]。には、𝜔𝐿 ± 𝜔𝑟 のサイドバンドが発生してい本研究では原子干渉計に求められるレーる。これらのサイドバンドの強度は同じでザー光源作成のため光学系を作成し、そのあり、これによりサイドバンドの影響で光周波数安定化を行うことを目標としている。の振幅がうなることはない。しかし、この光−9重力加速度の精度は∆𝑔⁄𝑔 = 10 (9 桁)をがセルを通過した際に、セル内の原子によ目指しているため、周波数の安定化の精度

りサイドバンドの吸収が起こりサイドバン−9として∆𝑓⁄𝑓 = 10 (9 桁)を目指している。

ドの強度のバランスが崩れ、振幅にうなりが発生するようになる。このうなりは PD
で測定信号 V として観測することができる。
測定信号 V と参照信号をミキサーにいれローパスフィルター(LPF)に通すことで吸収線の周波数微分信号を得ることができる。
この信号を誤差信号という。この誤差信号
1

は入射光の周波数𝜔𝐿 が共鳴周波数𝜔0 のと３． 実験

き 0 になり、この共鳴周波数の前後で正から負に入れ変わる。よって共鳴周波数𝜔0か3.1

らずれるとそのずれに応じた出力を出している。これにより共鳴からずれた場合、共鳴実験系

先の課題を解決するために図 3.1 のよう周波数に戻るような信号となっている。まな光学系を作る。

た共鳴周波数付近での傾きが大きい程共鳴周波数に戻る力が強い。この誤差信号をレーザーの電流源やピエゾドライバーにフィードバックすることによりレーザーの安定化をする。

872.2

Rbの超微細構造原子干渉計に用いる 87Rbの超微細構造を

図 3.1 光学系概要

図 2.2 として示す。
LD から出てくる周波数𝜔𝐿 のレーザー光を EOM１に通すことで𝜔𝐿 + 𝜔𝑚1 のサイドバンドを立たせる。このサイドバンドを
FM 分 光 法 で 85Rb の 52 𝑆1⁄2, 𝐹 = 3 ↔
52 P3⁄2, CO(3,4)の吸収線にロックして周波数を安定化する。
この際０次光(𝜔𝐿 )は detector 光や blowing光として用いられ、EOM１の周波数を赤方離調することで Cooling 光として用いるこ
図 2.2

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Rbの超微細構造とができる。さらに EOM２でサイドバンドを立てこれを Repump 光として用いる。ま8722Rbの5 𝑆1⁄2 ↔ 5 P3⁄2 が吸収する光の波

た EOM１の周波数を調整することで０次長は 780nm である。そのためレーザー光源光の周波数を自由に調整することができ、として 780nm 程度のものを準備する必要

この 0 次光を Raman 光の一つとして使う。

がある。

同時に EOM２でサイドバンドを立てるとRaman 光のもう一つを作ることができる。
周波数の調整に EOM を用いることで電気回路による制御で周波数を高速に切り替えることができる。また EOM により周波数の調整を広い範囲で可能としている。
2

図において、青色の線は光ファイバ、黄色

85

3.2

Rbの超微細構造の線は光の経路、黒色の線は電気信号の経先の光学系ではレーザー光の 0 次光(𝜔𝐿 )路を示している。実験に用いた波長 1560nm

を 87Rb の52 𝑆1⁄2, 𝐹 = 2 ↔ 52 P3⁄2 , 𝐹 = 3に合外部共振型半導体レーザー（ECLD）、及びわせている。そのため周波数の安定化は制御回路は既存のものを使用した。EOM に

EOM１で発生させたサイドバンドを 85Rb

変調を加える発振器はシンセサイザーを使の 52 𝑆1⁄2 , 𝐹 = 3 ↔ 52 P3⁄2 , CO(3,4) の 吸 収 線用している。にロックして行っている。
図 3.2 として 85Rb

ECLD から出たレーザー光(1560nm)にの超微細構造を示す。

EOM１で 300MHz(ωm1 )の変調をかけサイドバンドを発生させる。このときロックインアンプ内の発信器によりサイドバンドを96kHz(ωr )でさらに変調をかけている。
PPLN でレーザー光に第二高調波を発生させ 1560nm の波長を 780nm にする。さらに空間中にレーザー光を出し、Rb Cell でサイドバンドを飽和吸収分光し PD で観測する。
PD で観測した信号と発信器の信号をロックインアンプ内のミキサーにいれ、ローパ

図 3.2

85

Rbの超微細構造スフィルタ(LPF)を通して得られた信号をオシロスコープで観測する。

8785

Rbと同様に Rbの52 𝑆1⁄2 ↔ 52 P3⁄2が吸収する光の波長は 780nm である

3.33.4

実験結果

EOM に 300MHz の変調をかけ、電流の誤差信号の測定値を調整することで誤差信号をオシロスコ実験装置を図 3.3 に示した。

ープで探し、得られた信号の記録をとった（図 3.4）。その際、吸収線の頂点付近にロックするために誤差信号の中心が 0 になるようにオフセット調整をした。測定した誤差信号は分かりやすくするため横軸を周波数に変換している。これは各吸収線の遷移周波数差とオシロスコープで測定された時間を対比させることで変換をした。また雑音を調べるために吸収の起こらない周波数

図 3.3 誤差信号を測定する光学系帯で電圧の測定をした（図 3.5）。

3のゆらぎ∆𝑓𝑛 は小さくなる可能性がある。
また今回の実験における S/N 比は S/N≅25であった。加えて、ロックインアンプに含まれるローパスフィルタについて、カットオフ周波数は 72Hz であった。

４． 結論
図 3.4 FM 分光法による誤差信号

実際に周波数の安定化までは至らなかったが、事前段階で重要な誤差信号の測定と周波数ゆらぎの見積もりはできた。見積もった周波数ゆらぎは目標値より大きかったが実際に安定化したときに小さくなる可能性がある。なので今後は実際に安定化を行いたい。
今回使ったロックインアンプは研究室にあったものを改造して使った。そのため特図 3.5 測定時のノイズ電圧に本実験用に作られたものではなかったた
め実験に最適なものではなかったと考えら

図 3.4 において、𝐹 = 3 →C.O.(3,4)の誤差れる。実際に誤差信号の S/N が良くなかっ信号の最大値と最小値の差は電圧がたため周波数のゆらぎが大きくなってしま

0.290V で周波数が 14.5MHz である。これっている。S/N はロックインアンプのローによりロックする信号の傾き𝛼は𝛼 =パスフィルタにも依存するので、そのこと2.00 × 10−2V/MHz となる。図 3.5 より雑音を考慮した上でロックインアンプを設計し電圧の標準偏差σ = 11.5mV となった。このたい。

信号をフィードバックした場合の周波数のゆらぎ∆𝑓𝑛 は∆𝑓𝑛 = 575 kHz と見積もれる。

５．参考文献よって誤差信号をフィードバックしたときに最低でも 575kHz まで安定化できる。

[1] Achim Peters and Steven Chu, et al.

波長 780nm のレーザー光の周波数の精“Measurement of gravitational acceleration

度 9 桁 ( ∆𝑓⁄𝑓 = 10−9 ) は 、 ∆𝑓780 = 𝑓780 ×by dropping atoms” Nature. Vol. 400, 26

10−9 ≅ 380 kHzとなる。よって実験から見August(1999)849

積もった周波数のゆらぎ∆𝑓𝑛 は目標 9 桁よ[2] Fabien Theron and Alexandre Bresson, et al.

りは大きい。しかし見積もりに用いた傾き𝛼“Narrow linewidth single laser source system

は共鳴周波数近傍の傾きより小さい。そのfor onboard atom interferometry” Appl. Phys.

ため実際に周波数安定化したときに周波数B,(2015)118:1-54