全光学的 BEC 生成のための光双極子トラップ用高出力レーザーの開発
中川研究室 鈴木 勇輝
平成 25 年 3 月 4 日

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背景・目的

プへ原子数の損失を抑えたローディングが本研究の目的は次の二点である。

難しく、高効率な蒸発冷却の為の条件が厳1. 光双極子トラップ中での BEC 生成しいという問題が挙げられる。また、BEC

2. BEC 原子を用いた原子干渉計の開発生成の再現性が低いという問題もある。ま我々の研究室では既にアトムチップ上の微た、光双極子トラップ用レーザー光源に既細な磁場に 87Rb 原子をトラップすること製品を用いていた。この光源にはレーザーでボーズ凝縮体の生成に成功し、原子干渉強度の不足などの問題と、修理に長時間要計の実験まで行われている。しかし、トラしてしまう問題があり、この問題を解決す

ップ原子はアトムチップに非常に接近したるためレーザー光源の製作が必要となった。

磁場にトラップされているため重力方向にレーザーを入射できず、前述したトランポリン式原子干渉計の実験は不可能であった。

2光双極子トラップ、蒸発冷却・トラップ寿命

一方で、全光学的手法により BEC を生成

光双極子トラップ寿命は 19W のとき数秒すれば、原子干渉計実験のためのレーザー程度と短く、一般的な蒸発冷却時間は 10s光路を確保することは容易であるため、光程度であるから十分なトラップ寿命ではな格子トラップなどの原子を三次元的にトラかった。この原因として考えられるのは、ップするなどの実験の将来性を望むこともトラップ中の原子が何らかの拍子に可能である。そこで我々は Rb 原子を磁気5S1=2F = 1 から F = 2 へ励起してしまい、光学トラップで捕獲し 1 μm のレーザー

その励起した状態で原子同士が衝突した際光によるクロス光双極子トラップに移行さに元の順位に遷移することでトラップポテせることによって全光学的な BEC の生成

ンシャルから飛び出すのに十分な運動量をを行っている。この手法の利点は、実験装得てしまうことである。当初は光双極子ト置及び実験方法が簡潔、BEC への光学アクラップに用いるレーザーはマルチモードのセスが容易、短時間で BEC を生成可能でファイバーレーザーを用いており、その周あることが挙げられる。これらの特徴は、

波数モードは図 6.5 に示したように、各モ今後行う予定である BEC を用いた原子干ード間周波数が 6MHz であった。これに対渉計の実験において、非常に大きな利点でして 5S1=2F = 1 から F = 2 準位間周波数ある。一方問題点として、光双極子トラッは 6.8GHz であり、この周波数と各モードの周波数間隔の整数倍が一致してしまうとトラップ中の原子は励起してしまうため、ファイバーレーザーの周波数間隔は非常に狭いという事が出来、原子は励起してしまっていると考えられる。そこで、光双極子
ト ラ ッ プ に 用 い る レ ー ザ ー を
YLR-50-1060-LP-SF,IPG Photonics
社製のシングルモードレーザーに変更し、再び寿命を測定した結果が図 6.6 である。
この図からわかるように、シングルモードレーザーを用いた場合にトラップ寿命の大幅な改善が見られ、蒸発冷却の初期パワー18W でトラップしても寿命は 17s で図 2 マルチ、シングルモードレーザーによるあり、十分なトラップ寿命を得る事が出来トラップ寿命への影響た。これ以降 BEC 生成に用いたレーザー光源は、YLR-50-1060-LP-SF,IPG Photonics

・蒸発冷却曲線社製のシングルモードレーザー光源である。

各蒸発冷却中のレーザーパワーは、まず初めの 17W からパワーを減衰していく。パワーが半分のところを次の点とし、半分になるまでの時間ｔを位相空間が最大となるように設定し、また次の点を探す、という方法で図 6.10 のような冷却曲線を設定した。また、理論曲線 U(t) は[1] で求められた最適な蒸発冷却のトラップポテンシャルの減衰曲線であり、その関数は、𝑡U(t) = U(0)(1 + )−𝛽𝜏𝛾𝑖 :初期弾性衝突レート、U(0) : 初期トラップポテンシャルと表すことができる。
図 1 マルチモードレーザーの周波数分布イメージ(1) 前で述べたような方法で設定した蒸発冷却曲線と理論曲線 U(t) はこの区間においてはほぼ一致していることがわかる。このことからこの区間では最適な蒸発冷却が行われているといえる。

(2) この区間では、位相空間密度の増加率が低下していることがわかる。この原因として考えられるのは、主にレーザーパワー減衰に伴うトラップ周波数低下や重力の影響、バックグラウンド圧力による影響がある。
トラップ周波数が低下することにより、三体衝突が起こりにくくなり、より影響が強いのはバックグラウンド圧力によるトラップ寿命の現象であると考えている。そのため、蒸発冷却終盤では理論曲線よりも減衰

図 3 蒸発冷却曲線を早めることでより効率的に冷却を行う事が出来た。
・BEC 生成以上のような冷却過程を行い、我々は BECを生成することに成功した。図 6.12 はＣＣＤカメラ(EVOLVE 512) を用いて吸収撮像法により得られた BEC の原子密度分布を表した図である。また、図 6.13 は横軸がＢＥＣ中心を通るように直線を引き、その直線上の原子密度分布をプロットしたものである。図 6.13(1) では、測定値はガウシ

図 3

図 2 位相空間密度、原子密度の時間変化

BECアンフィッティングとほぼ一致しており、るようになってくる。蒸発冷却終点近くでまだサーマルな原子であることがわかる。

は重力成分の影響が大きくなり、Z 軸方向

次に図 6.13(2) では中心あたりの測定値がのトラップポテンシャルに歪みを生じさせフィッティングから大きくずれており、こることとなる。この歪みはポテンシャルがれはサーマルと BEC の二つの原子分布が少し変化するだけで大きく変わる。そこで、存在しており、そのことからバイモーダル

蒸発冷却終点辺りでのレーザーパワーの揺状態と呼ばれる。この状態は、ＢＥＣへのらぎを計測した。このとき実験で用いてい相転移温度付近で現れるため、相転移温度

た レ ー ザ ー は 、 YLR-50-1060-LP-SF,IPG

Tc は 130nK 付近であるという事が出来る。 Photonics 社製のシングルモードレーザー
そして図 6.13(3) を見ると、BEC 特有の原光源である。下図のようにチャンバーを通子密度分布曲線である二次関数のフィッテ過したレーザーの一部をガラス板で反射さィング曲線が測定値とよく一致しているこせそのレーザー強度の計測を行った。とから BEC が生成されていることがわかる。

3 再現性の低さ
我々の BEC 生成再現性が低く、１０回に一回程度の頻度でしか生成できないという問題があった。その原因として蒸発冷却終盤のトラップポテンシャルの揺らぎが考えられる。光双極子トラップが十分大きいトラップポテンシャルである時には、重力の影響を無視する事が出来るが、蒸発冷却が進みトラップポテンシャルが低下してくると

図 6.14 のように重力によるトラップポテンシャルの変化が顕著に表れ

図 4

光双極子トラップ用レーザーのパワー安定度

図 6 からわかるように、変更前のレーザー光源では数分単位でレーザーのパワーが揺らいでいる。それに対して新しいレーザー光源によるレーザーパワーに大きな変化は見られない。このことから、パワー揺らぎの原因はＡＯＭや光学素子の熱レンズ効果、レーザー光源本体のパワー揺らぎ等が考えられる。次にこのパワー揺らぎの蒸発冷却への影響について考える。図 6.14 を見ると、蒸発冷却の終点近くではレーザーパワーが10%程度の変化でも大きくトラップポテン

図 5

重力によるトラップポテンシャル歪み

シャルに影響を及ぼすことがわかる。それたように、ＦＳＲの整数倍が 6.8GHz になに対して、図 6.17 では 30%程度もの強度ると光双極子トラップの原子トラップ寿命揺らぎを観測した。このレーザー強度揺らが減少する。

ぎによってトラップポテンシャル深さの不(3) 空間モード：シングルモードまたは 40安定さが生じてしまっており、これが再現μ m まで絞ることのできるマルチモーレ性低下の原因であると考えている。レーザーザー空間モードがマルチモードである場ー光源を、Seed 光から出力されたレーザー合、高次モードのレーザーはシングルモーをドに比べて集光性が悪いため一般的にはシフ

ァイ

バーアンプ

（NUA-1064-PC-0015-AO Nurern 社）にングルモードレーザーの方が良い。

より増幅する方式へ変更し, ＡＯＭ回折効(4) パワー安定性：パワー揺らぎが 1% 程率を再び 2.6% に設定して測定を行った。

度

レーザー光源:旧のデータは、図 6.18 と同じデータである。上図からわかるように、・レーザーの測定・評価変更後のレーザーパワーの強度揺らぎは下図のように光学系を組み、製作したレー1%程度と十分に抑えられている。今後、こザーの各特性を評価した。のレーザーを用いて光双極子トラップを行い、ＢＥＣ生成の再現性への影響を調べていきたい。

4固体レーザー(DPSS レーザー)
・必要とされる性能
以前と同じ条件で光双極子トラップ行うためには以下のような性能のＤＰＳＳレーザーが必要となる。
(1) 出力パワー18W
先に述べたように、トラップポテンシャルは 1mK 程度必要である。ビーム径を 40μm にするとき、必要な出力パワーは 18W と図 6製作した共振器

ミラー反射率 80%、85%のどちらが適しているのかを決定するためそれぞれのミラー反射率で共振器を組んで測定を行った。その結果を示したグラフが図 8 である。

なる。
(2) 周波数モード：シングルモードまたはマルチモードでも 6.8GHz に相当しない FSRを持っていること FSR が 6.8GHz に相当するということは、ＦＳＲの整数倍が6.8GHz になるということである。前述し
図 8

反射率による出力レーザーパワーへの影響

この図からわかるように、最大レーザー出力は反射率 80%の方が高いため 80%のミラーを使用することにした。

5.まとめ
本研究で私は、光双極子トラップ用レー次に、出力レーザーの空間モードを調べた。

ザーの安定性を１％程度の強度揺らぎまで

図 9 からわかるように、出力レーザーの断改善することが出来た。また、DPSS レー面が円形でなくレーザー強度分布でありマザーの開発を行い、必要なパワーであるルチモードである。

18W のレーザーを出力に成功した。

出力パワーは 20W 程度となり十分な出力パワーを得ることが出来た。

6.今後の予定・BEC製作した DPSS レーザーを用いて光双極子トラップを行い、BEC 生成を実現し再現性が改善することを確認したい。
・DPSS レーザー
空間モードが単一モードになるよう、ピ

図 9

空間モード

ンホールを入れて再度発信させる予定である。また、単一方向発振を実現するため、下図のような共振器を組んでいきたい。

参考文献[1]K. M. O ’Hara, M. E. Gehm, S. R.
Granade, and J. E.Thomas
PhysRevA.64.051403[2]K J Arnold and M D Barrett
arXiv:1101.1140v1 (2011)
図 10

レーザー強度分布[3]齋藤裕介, 福岡健太 井上 慎研究室
東京大学[4]Sanjay

KUMAR,

ShuuichiHIRAI,

Yuuki SUZUKI, Masahide KACHI,MarkSADGROVE,and Ken ‘ichi NAKAGAWA
Institute for Laser Science, University ofElectro-Communications[5]M.Robert-de-Saint-Vincent,J.-P.Brant
ut, Ch. J. Bord, A. Aspect, T. Bourdel andP. Bouyer
EPL,89(2010)10002
図 7

DPSS レーザー出力パワー