87Rbのリュードベリ状態の観測に向けたレーザー光の周波数安定化と周波数掃引
丹治研究室 茂木康伸
平成 31 年 3 月 8 日
リュードベリ状態に励起された原子はリュー1 序論

ドベリ原子と呼ばれ、大きな双極子モーメン

近年、光の量子力学的性質を利用した量子トや長い寿命などの特徴を持っている。

暗号通信などの量子情報処理技術の実用化が期待されている。このような技術を実現する

2.1.2 リュードベリブロッケード

ためには、光子を必要な時に必要な数だけ発リュードベリ原子は双極子モーメントが大生させることが重要である。このような背景きいことにより、1 個の原子がリュードベリの下、現在我々の研究室ではオンデマンドで状態に励起されると、その近傍の原子に摂動の光子発生を目指して、冷却原子のリュードを与え、他原子のリュードベリ励起が抑制さベリ状態を利用して単一光子を発生させる実れるリュードベリブロッケードが起こる (図験系の構築を行っている。ここで、リュード1)。これにより励起される原子を 1 個に制限

ベリ状態を観測する方法の一つとして電磁波できるため、単一光子源としての利用が可能誘起透明化(EIT)を利用しる方法が知られてとなる。

いる[1]。そこで本研究では EIT の観測に必要となる光源の作製を行った。
EIT の線幅は、1 MHz 程度と見積もられるため、それを観測するための光源には数百87kHz 程度の線幅で Rb のD2 線(𝐹 = 2→𝐹′ = 3 )付近に安定化され、自然幅(6 MHz)の数倍程度の掃引が可能であることが要求される。
図 1 リュードベリブロッケード概念図

2 原理

2.2

Doppler-free Dichroic Atomic Vapor

Lase Locking (DAVLL)
2.1 リュードベリ原子とリュードベリブロッケード
2.1.1 リューベリ原子
主量子数 n が非常に大きな電子状態である

Doppler-free DAVLL 法[2]は、レーザー光の周波数を原子の共鳴周波数に安定化させることに用いられ、飽和吸収分光法と DAVLL法の組み合わせによって説明される。

2.2.1 飽和吸収分光法

る。これらを別々に測定し、一方のシグナル原子は常温下で熱運動をしているため、ドからもう一方のシグナルを引くと、共鳴周波

ップラー効果によりその吸収スペクトルは広数を 0 点としてその前後で線形なスロープをがってしまい、原子の自然幅(6 MHz)持った信号を得ることが出来る。DAVLL 法はドップラー広がり(500 MHz)に埋もれてではこの信号をエラー信号として周波数安定しまう。そこで、ドップラーフリーの吸収ス化を行う。

ペクトルを得る一つの方法として用いられるのが飽和吸収分光法である。図 2 に飽和吸収分光法のセットアップを示す。

2.2.3 Doppler-free DAVLL
Doppler-free DAVLL では飽和吸収分光法と DAVLL 法を組み合わせることにより、図3 のように少し周波数差のある飽和吸収スペクトルを得る。そして、これらの差分を取ることで得られる信号をエラー信号としてレーザーにフィードバックをかけて周波数を安定

図2飽和吸収分光法のセットアップ化させる。

飽和吸収分光法では図 2 のように強い光であるポンプ光と弱い光であるプローブ光を対向させた状態でガスセルに入射させる。ここ
で、レーザー光の周波数が原子の共鳴周波数

図 3 飽和吸収スペクトルとエラー信号[2]に等しいとき、ポンプ光とプローブ光が共に、光軸方向の速度成分が 0 の原子に吸収されることで飽和が起こり、吸収スペクトルに鋭いくぼみが生じる。このくぼみはラムディップと呼ばれ、その線幅は自然幅と同程度となる。

3 実験
3.1 周波数安定化
3.1.1

2.2.2 DAVLL 法DAVLL 法の基本的な原理は、少し周波数差のある吸収スペクトルの差分を取ることで得られるエラー信号をもとに周波数安定化を行うというものである。
原子に磁場をかけると、ゼーマン効果によって準位の縮退がとけて、σ+とσ-遷移と呼ばれる互いに逆向きの円偏光成分と相互作用する遷移が観測される。このときそれぞれの遷移の共鳴周波数は互いに逆向きにシフトす

Doppler-free DAVLL による周波数安定化
本 研 究 の た め に 組 ん だ Doppler-free
DAVLL の光学系を図 4 に示す。ECDL から出た光を AOM に入射させ往復で 2 回透過させることにより、400 MHz の周波数シフトを起こす。その後 PBS によりプローブ光とポンプ光に分ける。ここで、プローブ光は s 偏光でありσ+偏光とσ-偏光の 1:1 の重ね合わせだと見なすことが出来るので、磁場のかかったガスセルを透過させることで周波数差のある 2 つの飽和吸収スペクトルを得ることが出来る。最後にλ/4 板と PBS を用いてσ+偏光とσ-偏光を直交する 2 つの直線偏光に変換し、分けることで 2 つの飽和吸収スペクトルを別々に測定する。そしてその差分を取ることで得られるエラー信号を用いてレーザーにフィードバックをかけることでレーザーの周波

図 7 安定化後のエラー信号数を安定化させた。

3.1.2 周波数安定性の評価
今回、2 つの方法で周波数安定性の評価を行った。まず初めに、飽和吸収スペクトルのピーク間の周波数が分かっていることを利用して安定化後の周波数揺らぎを計算した結果、180±40 kHz となった。次に、自己遅延ヘテロダイン法により得られたビート信号から安
図4Doppler-free DAVLL の光学系定化後の線幅を計算すると、140±40 kHz となった。

このとき、実際に得られた飽和吸収スペク
トルを図 5 に、エラー信号を図 6 にそれぞれ示す。さらに安定化後のエラー信号を図 7 に3.2 周波数掃引
本研究のために組んだ周波数掃引用の光学系を図 8 に示す。Doppler-free DAVLL によ示す。

り安定化された ECDL から出た光を AOM に入射させ往復で 2 回透過させることにより、400 MHz の周波数シフトを起こす。さらに、固定信号発生モジュール(EPLO)と voltagecontrolled oscillator (VCO)の信号を混合した信号で、共振周波数が 200 MHz の音響光学変調器(AOM)をドライブし、VCO の入力電図5得られた飽和吸収スペクトル圧を掃引することにより周波数の掃引を行った。

図 6 得られたエラー信号度の掃引が可能な光源の作製を行った。その結果、周波数の安定化に関しては、レーザー光を 140 kHz の線幅かつ 180 MHz の安定度87で Rb のD2 線( 𝐹 = 2→𝐹′ = 3 )に安定化することに成功した。しかしながら、周波数掃引に関しては、今回用いた手法で EIT 観測用光源としての要請を満たすような周波数掃引を行うことは困難であるという結果になった。
図 8 周波数掃引用の光学系

4.2 今後の展望
実際に周波数掃引を行った際に得られたデータを図 9 に示す。

今回行った周波数掃引において問題となったことは、VCO と EPLO の信号を混ぜたことによりサイドバンドの影響が大きくなってしまったことである。
そこで今後の展望として、VCO のみで安定した周波数掃引が可能であるかどうかを検証し、EIT の観測用光源としての使用を目指す。

図 9 AOM による周波数シフトの大きさとシフト前の信号とのビートの強度の関係

図 9 より、掃引時に強度が変わってしまっていることと、385 MHz 付近に意図せぬピークが現れていることが確認された。このピークは VCO の出力である 94 MHz の倍波によるものであるであると推定され、取り除くことは困難であると考えた。

参考文献[1] R. P. Abel, A. K. Mohapatra, M. G. Bason,
J. D. Pritchard, K. J. Weatherill, U. Raitzsch,
and C. S. Adams “Laser frequency stabilization
toexcitedstatetransitions

usingelectromagnetically induced transparency in acascade system” Phys. Lett. 110, 071107,(2009)[2] T. Petelski, M. Fattori, G. Lamporesi, J.
Stuhler,

4 まとめと今後の展望

andG.M.

Tino,“Doppler-freespectroscopyusingmagneticallyinduced

dichroism of atomic vapor: a new scheme for4.1 まとめ本研究では EIT 観測用の光源として、数百87kHz 程度の線幅で Rb のD2 線(𝐹 = 2→𝐹′ = 3 )付近に安定化され、自然幅(6 MHz)の数倍程

laser frequency locking” Eur. Phys. J. D,1-5(2002)