狭線幅遷移を用いたリチウム原子レーザー冷却のための323nm 光源の開発
電気通信大学

情報理工学部先進理工学科

4年

松田

優衣

使用時の限界温度。当研究室でもほぼ同程度の限1. 背景と目的界温度)を充分に下回る値であった。よってこの遷レーザー冷却により原子を冷却する手法として移を用いた冷却では、当研究室での Li6 原子のレドップラー冷却というものがある。ドップラー冷ーザー冷却の改良に非常に有用であることが見込

却とは原子の運動方向に対して正負の向きからレまれる。しかし先行研究での冷却法は MOT としーザーを照射することにより、原子に輻射圧を与て 323nm を利用するため、磁場や重力の影響やトえる。この輻射圧と呼ばれる力によって原子の運ラップの寿命の関係からドップラー冷却に最適な動量を減少させる。即ち冷却させるのである。輻

条件での冷却とは言いがたい。当研究室ではこの射圧は原子内部の電子が光を吸収し、遷移するこ323nm 光を実際に制作し Li6 原子の冷却用レーザとで原子に作用する。ドップラー冷却には冷却でーとして用いることを目標に掲げている。製作しきる限界温度が決まっており、原子の遷移に対したレーザーは先行研究とは異なり、MOT ではなくて吸収することができる冷却光周波数の幅に比例シングルビームとして用いる。

する。この幅は自然幅と呼ばれ、冷却に用いる遷移によって異なっている。Li6 原子を冷却するために用いられる遷移は通常遷移波長 671nm（赤色）に相当し、当研究室でも MOT（磁気光学トラップ）として利用されている。2011 年先行研究においてこの遷移よりも自然幅の更に狭い遷移でのドップラー冷却が達成された。[1]この遷移はレーザー光の波

長323nmに 相 当 す る 。

図 2：323nm 光の使用法および先行研究との比較

別のトラップ（ここでは共振器トラップ）によって原子を捕獲している状態で 323nm 光をシングルビームで挿入すれば磁場や重力の影響を受けず、323nm 光を冷却のためだけに使用することがで
図 1：従来及び先行研究で用いられた Li6 の冷却遷移きるためよりドップラー冷却の最適な条件を満た

先行研究での冷却限界温度は 60μK と、従来のしていると考えられるからである。先行研究程度、671nm の遷移での実際の限界温度 300μK(MOTもしくはそれ以下まで冷却限界温度を下げること11~2mW 程度である。図 2 の各素子を出た光の矢ができると見込まれる。
本研究では、従来用いていた遷移より自然幅の印の下に書いてある出力値は、目標 323nm 光のパ狭い遷移の吸収波長にあたる、323nm の CW レーワーを出力するための、レーザーの各地点におけザーの製作を目的とする。323nm 光が目標のパワるおおよその目標値である。半導体レーザーのパーで発振するよう各地点で目標パワーを定め、そワーだけでは倍波に変換されたレーザーのパワーれを達成できるような機構を整備する。

は非常に小さくなってしまいレーザー冷却には足りない。そこで、半導体レーザーから倍波共振器

2. 原理の間にテイパーアンプを挿入(以下 TA)、パワーを増幅させ、倍波共振器に挿入することで目標パワーの到達を目指す。

3. 実際の製作および結果実際の製作を 646nm の半導体レーザーから順に説明する。646nm 光は中心波長 652nm 光の LD

図 2：323nm 光発生の手法

323nm 光は半導体レーザーから 646nn を基本波を用い、その発振波長成分から 646nm 光だけを回として取り出し、倍波結晶に通すことで波長変換折格子を用いて LD の方へ回折させ、LD のへき開を行い 323nm の光を取り出す。目標パワーはどの面を用いて共振させる。こうすることで 646nm 光程度であればよいか。ドップラー冷却に最低限要を発振させることができる。このとき、646nm 光するパワーははっきりとはわからないが、飽和吸を回折させる回折格子の角度はブラッグ回折の公収強度を満たすパワー程度であれば輻射圧を受け式から以下のように求めることができる。

るだけの吸収が充分行われると考えられる。各遷移における飽和強度はIsat hc133 291.5  300 W m 2

飽和強度は単位面積あたりのパワーの形である。

したがって LD の出射面に対する回折格子の角度

ここからこの飽和強度を満たすようなパワーの値はおよそ 35°程度である。以下の図は LD と回折を求めると、格子の配置関係を表している。しかし、求めた角

Pideal  Isat  S  300    (260 10 6 ) 2度を用いて回折格子を配置させただけでは646nm 光は発振しない。これは中心波長に対して

 63.7 10 6  60W

646nm という波長があまりにも短波長であるこ即ち 0.06mW 程度である。また、原子の遷移に常とが原因である。このため中心波長そのものを短にレーザーの周波数が共鳴するよう飽和吸収分光波長側にシフトさせることが求められる。本研究を用いてロックを行う。これも飽和強度程度のパでは LD そのものをペルチェ素子で冷却することワーを要するため同じように 0.06mW 必要とする

により LD の中心波長を短波長側にシフトさせこと、後はレーザーを原子の位置まで運ぶために用の問題を解決した。

いる光学素子（ミラーやレンズ）による光の散乱や吸収を加味して全体で必要なパワーはおよそ2

q = 35.5

図 3：回折格子と LD の配置

図 5：製作した Bow-tie 型共振器

ミラー①（反射率 95%）、②(反射率 100%)は平面
表 1：646nm 光が途切れず発振したときの結果鏡であり、ミラー③、④(透過率 0.0015%)は凹面鏡

波長646nmとなっており、323nm の光を完全に透過するよう出力18mW加工されている。ミラー③と④の間に置かれた波

温度

14℃

長変換を担う BBO 結晶は銅製の結晶ホルダーによって支えられ、ペルチェ素子によって温調され結 果 か ら 14 ℃ ま で 温 度 を 下 げ れ ば 継 続 し てている。この BBO 結晶を透過した光は 323nm 光

646nm の光を発振させることができるが、室温よに変換され倍波としてミラー④から出力される。

りも大幅に低い温度であるため LD の機構全体に基本波の 646nm はミラー④で再び反射され、ミラ結露が生じてしまうことが懸念された。このためー①へと戻され、このサイクルを延々と繰り返す。

除湿機構を取り付け LD の箱の内部を常に湿度一度の波長変換で出力された 323nm 光は延々と10%程度に保った。

繰り返されるサイクルによって生み出されたそれぞれの 323nm の光と重なり合い強めあうことで、一度の出力と比べ非常に大きな出力となる。BBO結晶は現在発注中であり、323nm 光の観測は間に合わなかった。そこで結晶を入れていない空の共振器に 646nm 光を共振製作させ、ミラー④の後ろから僅かに漏れた出力を PD を用いて観測した。
機構全体で基本波がシングルモード発振を行うかを検証した。発振は PZT 素子に印加する電圧値を三角波の矩形で掃引することで共振器長をこの矩

図 4：LD646nm 全体の機構

目標パワー近くまで出力させた 646nm 光を製作

形で変化させる。こうして変化させた共振器調のした TA に入射させ、その出力を 200mW 近くま中で波長の整数倍となる共振器長で共振が行われ、で増幅させ、発振させた。増幅した光は倍波共振PD を用いてピークとして観測される。

器に入射させ、323nm の光を出力させる。
倍波共振器はミラー４枚を使った Bow-tie 型共振器とした。

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に共振器のミラーを再び共振が起こるようミラーマウントに取り付け、その透過光スペクトルのピークの強度を測定した。その結果ピークの強度は25μW であった。したがって先に述べた透過率を用いて共振器内のパワーを算出すると25  10 6Pin  167mW
1.5  10 4
これより共振器内のパワーは 170mW となる。し

図 6：シングルモード発振の観測
図の赤い三角波は PZT の掃引する矩形、青い線は PD でたがって観測された 646nm のスペクトルである。決まった周期で増幅率 強いスペクトルが観測されており、シングルモード発振

167
 33.4  305していることが分かる。この結果基本波はシングルよって共振器の増幅率は約 30 倍であったといえモード発振を行うことが示され、波長変換されたる。経験的に同じような性能の共振器を用いて波光がシングルモードであるための一つの条件を達

長 800nm 程度の光 200mW を 400nm 程度まで波成した。また共振器内部のパワーの増幅率を以下長変換することに成功している。その際の出力はの操作を行うことで求めた。

3~4mW 程度であったことからこの共振器を用いて基本波 646nm を倍波 323nm まで波長変換し、その光を 1~2mW 出力することは十分期待できると考えられる。

4. まとめと今後の展望

図 6：パワーの増幅率の測定

まず、646nm 光が共振器と共振するようミラーを設置し、その透過光スペクトルの強度が最大とな
図 7：製作したレーザーの全体像

るようにアライメントした。ミラー④を外し共振器内に入射した 646nm 光のパワーを測定した。結狭線幅遷移を用いたドップラー冷却は Li6 原子の果は 5mW であった。次にミラー①をマウントか冷却限界温度を大幅に下げることができると見込ら外し、ミラー④を再びマウントに取り付けた。

まれ、本研究でそのためのレーザー光源の製作をこれによってミラー④から 1 パスで透過した光の行った。まだ完成には至っていないものの、ほと0.8μW であった。こんどの機構の製作が完成し目標のパワーを出力すパワーを測定した。結果はのことからるのに十分な期待が持てるスペックであることが60.8  10
 1.5  10  2 %35  10分かった、今後の展望は実際の 323nm 光の観測と共振器調のロックや原子への共周波数にロックすより、ミラー④の透過率は 1.5×10-2%であった。次るための機構の製作を行いたい。
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