Sr 光格子時計トラップ用光源の開発	  	  	  	  	 	  	  	  	  	  	  	  植田研究室	  	  河野健太
813.42	  nm である。原子をトラップための電界が高いほど、原子の取りこぼしが減るので、高出力のトラップ用光源が要求され、なおかつ“魔法波長”に一致するように、狭線幅のレーザーが求められている。しかし、800 nm帯においては、高出力、狭線幅の光源は数多くはなく、チタンサファイアレ
1.イントロダクションーザーや、ＤＦＢ半導体レーザーと半	  Sr 光格子時計は 2001 年に東京大学
導体テーパーアンプを組み合わせた工学系研究科の香取秀俊准教授(当時)ものなどがトラップ光源として使用によって提案され、2005 年に実現さされてきたが、要求を満足に満たすもれた新しい原理の原子時計である。Srのではなかった。
光格子時計はクーリング用のレーザ	  そこで、狭線幅で比較的高出力なリーを用いて、原子の運動を止めた上で、 トロー型半導体外部共振器レーザー共振器内にレーザー光で周期的なポを製作し、さらに増幅器として Tm 添
テンシャルを作り、多数の原子をポテ加ファイバー増幅器を作製し、組み合ンシャルに個々に閉じ込め、独立に配わせてＭＯＰＡ構造とすることによ置することによって、互いの原子によりハイパワーでかつ狭線幅のシステる干渉とドップラーシフトを減らし、 ムを製作することにした。
遷移周波数の安定を高める機構とな	 っている[1]。
2.実験と結果
・概要
Sr 光格子時計用のトラップ光源として、fiber MOPA システムを実現する
ために、外部共振器型半導体レーザーを作製し評価を行った上、アンプに用いる Tm:ZBLAN ファイバーの評価を行った。	 

通常、電界のポテンシャルに原子を閉じ込めると、電界によるシュタルクシフトによって原子の遷移周波数がシフトしてしまい時計として使うことができなくなってしまう。しかし、“魔法波長”に設定することによって、遷移周波数のシフトを見かけ上、無くすことが出来る。	  Sr 原子の場合の魔法波長は波長2.1 ECLD の製作
一般に半導体レーザーは劈開した端面のフレネル反射を共振器として、発振している。
しかし、端面に無反射コーティングを施すことによって、共振器を外部に設けた外部共振器型半導体レーザーが多く開発されている。
外部共振器型半導体レーザーにはいろいろな構成があり、それぞれ長所、短所を持っているが、本実験では比較的狭線幅でかつ出力を大きく取れるリトロー型と呼ばれる構成の外部共振器型半導体レーザーを製作することにした。
リトロー型の外部共振器型半導体レーザーの構成は下の図 1 のようになっている。

図 2 のようになった。

図 2.ECLD 出力特性
発振の閾値は 47 mA で、最大出力は59 mW であった。	  	  	  図 1.ECLD 構成	 ・スペクトル制作した ECLD の回折格子の角度を変化させていき、波長 813.42 nm で同調させた(図 3)。

半導体 LD チップの片方の端面にHR コートを、もう片方の端面に ARコートを施し、AR コートをした端面側にコリメートレンズをつけ、出射先に回折格子を設置する。このことによって、共振器長を長くすることが出来る。そして、戻り光は回折格子によって選択された１次回折光を用い、0 次回折光をレーザー光として取り出して利用できる。そのため、狭線幅かつ高出力効率の外部共振器型半導体レーザーとなる。
・出力特性
製作した ECLD の出力特性は以下の	  	  	  	  	  図 3 ECLD スペクトル	 
2.2 	  Tm:ZBLAN ファイバーアンプ	  ファイバー増幅器では、増幅したい光の波長に適した希土類をコアに添加し利得媒質とする。添加される希土類で有名なものには、1.5μm 帯のエルビウム（Er）、1μm 付近のネオジ

ウム（Nd）,イッテルビウム（Yb）などがある。
800nm 前半に利得を持つ希土類にはThulium があるが、あまり多くは研究されていない。また、希土類を添加する母材によって、上準位寿命が大きく異なる。
本実験ではフッ化物ファイバーである ZBLAN を 用 い る こ と に し た 。
ZBLAN ファイバーは格子のフォノンエネルギーが小さいため、シリカなどの材料に比べ、比較的長い上準位寿命が得られる。また、Thulium のエネル
ギー準位は以下の図 4 のようになっている。

ーティングを溶かしながら、アセトンを付けたキムワイプでコーティングをふき取っていく方法を考えた。
・ファイバークリーブ
通常のシリカファイバーはダイアモンドカッターで端面に傷を付けて劈開するだけで綺麗な端面が得られるが、ZBLAN は非常に脆いため、そのようなことは出来ない。
そこで、超音波カッターである FK-11を用いて、綺麗な端面を得た(図 4)。

図 4.ファイバーの端面	  図 4.Tm	  準位Thulium を添加したファイバーアン
プは波長 813.42 nm においては準 3・吸収断面積、蛍光断面積の測定	  初めに白色光源へ Thulium fiber を準位系となっている。

接続し、ファイバーからの出射光の出力をスペクトルアナライザーで測定した。
次に、ファイバーを長さ L[cm]だけ切り取り、再び出射光の出力を測定した。
そして、吸収断面積σa(λ)を以下の式（1）から求めた。

・ZBLAN コーティング剥き
通常、シリカファイバーのコーティン
グは火で炙るだけで取れるが、ZBLAN ファイバーは融点が 300℃と低いため、そのような方法でコーティングを剥くのは出来ない。
そこでアセトンをぬるま湯で温め、コ!"!"!"!! ! = !" [cm2]式（1）	 
N : 添加されたイオン数/cm
L : 切り取ったファイバーの長さ[cm]
Pi : ファイバーを切りとる前の出力[W]Po: ファイバーを切り取った後の出力[W]

次に、誘導放出断面積!! を以下の式（２）から求めた。
!!!!

!! = !! exp[ ! ! ]	  [cm2]!	  式（2）	  Sr 光格子時計用トラップ光源にfiber MOPA を考案し、主レーザー用に Littrow 型 ECLD を制作し、出力59 mW,発振波長 813.42 nm を得た。
次に、アンプ用の Tm:ZBLAN ファイ
バーの吸収断面積、誘導放出断面積を測定した結果、増幅したい波長に吸収があるため、ファイバー全体に渡って強い反転分布を形成する必要があることがわかった。	  今後はファイバー全体に渡って強い反転分布を作ることができる高出力な励起光源を作製し、増幅実験を行いたいと考えている。

σe:誘導放出断面積	  [cm2]σa:吸収断面積	  [cm2]ε:ゼロフォノンエネルギー[J]kB:ボルツマン定数[ J/K]
T:絶対温度[K]h:プランク定数[Js]ν:周波数[1/s]

結果、本実験で増幅したい波長 813.42nm の吸収断面積、蛍光断面積はそれぞれ、2.1*10-21[cm2] 、8.4*10-21[cm2]と求められた。
Thulium 添加 ZBLAN ファイバーは
波長 813.42 nm では準 3 準位でアンプ動作をするが、増幅したい波長813.42 nm に比較的大きな吸収があるので、増幅をするためにはファイバー全体に渡って強い反転分布を作る必要があることがわかった。
3	  まとめと今後の展望

・謝辞
本研究では植田研の方々に加え、中川研究室の中川賢一先生からも多大なご協力を頂きましたことお礼申し上げます。

・参考文献[1]An optical lattice clock
Nature 435, 321-324