拡散レーザー冷却に⽤いる散乱体の評価と温度測定法に関する研究
岸本研究室
1.

1910390 武澤淳之介

研究背景・⽬的

原⼦を冷却してトラップするに当たり、有⽤とされる⽅法の１つは磁気光学トラップ(MOT)である。MOT は、対向させた円偏光レーザー光と⼀対のコイルに逆向きに電流を流して不均⼀磁場を作ることによって中⼼へと向かう輻射圧を⽣み出し原⼦を冷却・トラップする⽅法である。⼀般的に、この⽅法は 6
本のレーザー光の偏光および強度バランスと磁場勾配や地磁気補正を要する等、複雑な調整を伴う。⼀⽅、最近、⼗分⼩さい磁場環境下において拡散光のみを利⽤して原⼦を冷却する

図 1 磁気光学トラップ概要図

ことが可能な拡散レーザー冷却(DLC)の実現と応⽤が複数報告されてきている[1][2][3]。この⼿法
は、偏光や光強度バランスの繊細な調整を要しないため、より簡便な冷却技術の⼀つとなるが、トラップを形成できるわけではないため、この⼿法単体では捕縛までには⾄らない。そこで、この DLC 法を⽤いた原⼦の新たな冷却・トラップの組み合わせ⽅法を模索することが最終的な⽬的となる。
また、今回の研究では、まずこの拡散レーザー冷却で不可⽋となる重要な構成要素のうち、使⽤を検討している反射型拡散シートの評価を⾏うこととした。
2.

拡散レーザー冷却(DLC)装置

拡散レーザー冷却（DLC）装置は、⾼い反射率で乱反射がおきる表⾯間を複数回乱反射することを利⽤して、原⼦が拡散光の中で極低温までレーザー冷却する装置である。この DLC 装置で⽤いる拡散材料で重要となる要素は
⼤きく 3 つある。1 つ⽬は、装置をコーティングする拡散媒質の拡散反射率の⾼さ。2 つ⽬は、装置内部において拡散多重反射から均質な拡散光の内部状態を形成できるくらいの拡散⾓度の広さ。3 つ⽬が、内部から光が漏れないような装置⾃体の密閉性の⾼さである。今回、

図 2 先⾏研究における DLC 装置[1]DLC 装置を作成するにあたって使⽤を検討しているのがPMR10P1 -ポリテトラフルオロエチレン拡散反射シート（以下拡散シート）であり、裏⾯がシールのようになっているため、真空ガラスセルをコーティングして密閉性の⾼い DLC 装置の作成できると考えている。それにあたり、事前にこの反射型拡散シートについて 780nm 光源を⽤いて実際に拡散⾓度の広さ、反射率の⾼さについて測定を⾏った。
3.

反射型拡散シートの拡散特性測定

反射型拡散シートに関しての測定は図 3,4 の形で⾏なった。スクリーンの⼩さな⽳から光を通1して、図 3 のイメージ（オレンジの円）のように拡散シートからの反射光をスクリーン裏⾯からカメラで撮影して画像解析を⾏なった。スクリーンには撮影した画像の pixel を mm に変換する基準として⽅眼紙を⽤いた。図４は図 3 の設定の拡散シートに替えて、ミラーとレンズの組み合わせを利⽤し、ミラーからの反射光の広がり分布が拡散シートの時と同程度の広がりでスクリーンに映るように配置した。

図 3 反射型拡散シートの拡散⾓度の図 4 拡散シートの反射率の測定

測定のための光学系の例

測定した項⽬は、①

スクリーンとシート間の距離を変化させて拡散⾓度を求める測定②

スクリーンとシート間の距離が⼀定な条件で、拡散シートからの反射光のピーク値と𝑒 !" 半幅の⼊射レーザーパワー依存性を測定③

図４の設定で、ミラーからの反射光のピーク値と𝑒 !" 半幅の⼊射レーザーパワー依存性を測
定④拡散シートの反射率の測定（ミラーからの反射光と拡散反射光を⽐較して算出）の 4 つである。
②、③の測定は観測スクリーンの厚みから⼊射光パワーによっては拡散シートからの反射光が弱い部分でスクリーン裏⾯まで透過しきらずに裏⾯からの観測時に幅等の⾒積もりを誤る可能性があるため、画像解析からの結果と⼊射光パワーの関係を調べ、⼗分⼊射光パワー依存性が引きくなる条件で④の反射率測定を⾏う際に必要となる値を得た。また、画像解析の際は、⼊射光レーザーがスクリーン⽳を透過時に⽳の淵に⽣じる散乱光による影響を押させるため、拡散シートからの反射光の画像とミラーによる反射をさせた時の画像から、反射体（拡散シート、ミラー）がない⼊射光だけが透過する時の画像を差引いた。
4.

拡散シートの測定結果

これらの測定では画像解析の結果から以下の図 5 のように反射光と反射光が返ってこない場合のデータを差し引きすることによって反射光がガウシアン分布ととることがわかった。図 5 で、⻘は⼊射光が⽳の淵で散乱している影響が残っている反射光のプロット、緑が反射体なしの場合のプロット、⾚が⻘から緑を引いたプロットであり、この⾚のデータを図中の関数でフィッティングしたデータを使⽤した。

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図 5 スクリーン⽳の散乱光を除去するた

図 6 𝑒 !" 半幅とスクリーンとめの画像解析例

シート間の距離依存性①の測定から、スクリーンとシート間の距離に対して𝑒 !" 半幅は図６のようになった。このデー
タに対する近似直線の傾きから半幅拡散⾓度は約 64 度という結果を得られた。ここから⼗分な強度の拡散光が広く拡散反射していることを確認できた。②と③の測定では、どちらの場合においてもレーザー光の出⼒と反射光のピーク値はほぼ線形の形を持つことが確認できた。また、
𝑒 !" 半幅に関しては理想的には出⼒に関わらず横ばいになることが予想されたが、実際には低い出⼒時から強い出⼒に変化するにあたって飽和していく傾向が⾒られた。これは、特に低出⼒の場合、スクリーン裏⾯を通して拡散光を観測する際に、ピークからある程度離れた距離での拡散光強度が弱くなりすぎて、カメラの観測閾値以下となって幅が⼩さくなることが原因と考えられた。以下が出⼒と𝑒 !" 半幅の関係を調べた結果である。

図 7 拡散シートからの反射光の

図 8 ミラーからの反射光の𝑒 !" 半幅と出⼒の関係

𝑒 !" 半幅と出⼒の関係

このことから、④における反射率の測定の際に拡散反射光とミラーからの反射光を⽐較する際に、観測スクリーンの透過閾値の条件を揃えるために、拡散シートからの拡散反射ビームとミラーからの反射ビームの𝑒 !" 半幅がほぼ等しくなるようにした。また、その時のレーザー光の出⼒は図 7 から 0.500mW 以上は必要と考えた。実際に測定した時は、レーザー光の電流値を固定し3て出⼒を約 0.520mW で測定を⾏ったため、図 8 から 0.520mW の際に𝑒 !" 半幅がどの程度になるかを読み取って予め求めておいた拡散⾓度から拡散反射光測定時のスクリーン-拡散シート間の距離を計算して約 7mm の位置に設定して測定した。この測定の結果、反射率は約 92%と求めることができた。

温度評価法についての検討

5.

DLC の特徴として冷却された原⼦は全体的に分布する。そのため、⾶⾏時間撮像法といった⽅法のように単純にトラップから解放して全体の原⼦集団の広がりから速度分布の広がりを測る⽅法をとることは困難である。そこで、DLC 装置を実際に使⽤した際の原⼦の冷却温度の評価⽅法は以下の図のようなものを検討している。

図 9 温度評価法

図 9 のようにまず DLC 装置内の冷却された原⼦集団に対して、ある領域のみに光ポンピング光を差し込んで、その特定領域のみを励起させ特定の内部状態(図 7 中の⾚い領域）に移す。その後、その特定の内部状態にある狭い領域の原⼦集団がマクスウェル・ボルツマン分布に従って時間経過で内部に広がっていく様⼦を観察して間接的に温度を評価する。
6.

まとめと今後の展望

本研究は DLC 法を⽤いた原⼦の新たな冷却・トラップの組み合わせ⽅法を模索することが最終的な⽬的となり、その準備段階として装置作成に使⽤を検討している拡散反射シートに関しての拡散⾓度と反射率について測定を⾏った。その結果、拡散シートの拡散⾓度は𝑒 !" 半幅に対して約 64 度であり、反射率は約 92%と求められた。この反射率の場合、DLC 装置内部においてレーザー光が 9 回反射された時点で強度が半分程度に落ち込み、先⾏研究[1]における反射率約 98%の場合の 35 回に⽐べ強度が落ち込むのは早く、冷却効率に関して悪くなることが予想されるが、今後実際に DLC 装置に使⽤してこの反射率の有⽤性を評価する予定である。今回、反射光に対して観測スクリーンの影響が想像以上に多かったことから観測スクリーンを現在のものよりも薄いものに変更して同様の実験を⾏なって今回の結果と⽐較してより正確なデータを得ること、冷却⽤の光源、拡散レーザー冷却装置の開発、開発後に実際に冷却を⾏なってその冷却温度の評価をすることが今後の展望となる。

参考⽂献[1] J.-Y. Wan et al. Quasi-one-dimensional diffuse laser cooling of atoms. Physical Review A, 105, 033110, 2022.
[2] P. Liu et al. Scheme for a compact cold-atom clock based on diffuse laser cooling in a cylindrical cavity. Physical Review
A, 92, 062101, 2015.
[3] Y.-L. Meng et al. Satellite-borne atomic clock based on diffuse laser-cooled atoms. Frontiers in Physics, 10, 985586,
2022.

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