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K 原子による高フィネス光共振器の安定化に向けた光源の構築
丹治研究室 石井勇輔

１． 序章互作用の観測に支障をきたしてしまう。そこで先行研究では参照共振器を利用することでこの問題光による量子計算[1]や量子暗号通信[2]が近年を避けていた[4]。その際、図 1.2(a)に示すとおり盛んに研究されている。これらにおいては光同士4 箇所での安定化を行う必要があったが、それによを相互作用させることで情報を処理することが効り実験系全体を安定的に運用することに困難が生率的であると考えられている。光子同士は直接相じていた。そこで本研究では 39K 原子を用いること互作用することはできないが、物質を介することで図 1.2(b)の様に安定化が必要な箇所を 2 箇所にで実効的な相互作用を得ることができる。しかし減らすことで系全体の安定性の向上を図る。本研

これには通常高強度な光が必要となり、微弱光で究の目的はこの際に必要な波長 767 nm の光源のはこれは困難である。

構築とその周波数安定化である。

当研究室では光共振器中の物質を利用して、少数光子同士の相互作用の観測を目指している。このような光子間相互作用の観測の一例として真空場誘起透明化(VIT)[3]を用いた図 1.1 のような光ディレイスイッチが挙げられる。
(a)先行研究の方法[4]図 1.1 光ディレイスイッチの概略図(b)本研究の方法
図 1.2 先行研究における共振器安定化の方法

光ディレイスイッチでは VIT による被スイッチ光の群速度の低下を利用してパルスの分離を行い、２． フィルタ型外部共振器ダイオードレーザーこれをスイッチとして利用する。このようにして少数光子による光子間の相互作用を得るためには、光共振器の共振周波数を、光子間相互作用の媒介(ECDL)の作製と特性評価
2.1 フィルタ型 ECDL の作製物質として用いる原子(本研究では 87Rb 原子)の遷

本研究では、干渉フィルタを利用した ECDL を移周波数に対して安定化させる必要がある。とこ作製した。一般的な ECDL としてよく知られていろが 87Rb 原子の共鳴周波数の波長の光で実験共振

る Littrow 型[5]では、回折格子の角度によって共器を直接安定化させる場合、入射する光が共振器振構造の光軸調整と波長の選択を同時に行ってお中の原子の状態に影響を与えてしまい、光子間相1り、出射する光の方向が波長に依存してしまう。一にレーザー光を入射し、透過スペクトルを測定し方で本研究で作製したフィルタ型 ECDL は図 2.1た。その結果、図 2.3 のような幅の狭いピークが観のような構造を持ち、アウトプットカプラで共振測され、またピーク間隔が共振器の FSR 程度であ構造の光軸調整を、そして干渉フィルタによってったことから、ECDL がシングルモード発振をし波長選択を、それぞれ行う。従って、波長選択と発ていることが確認できた。

振条件の設定を独立に行えることから、Littrow 型のような従来型の ECDL より広い波長範囲での調整が可能である。またフィルタ型 ECDL にはキャッツアイ構造が採用されているため、アウトプットカプラの角度にずれが生じた場合でも、反射した光がレーザーダイオードの端面に集光する。これによって振動に対して強い構造となっている[6]。

図 2.3 ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトル

本研究では eagleyard 社のレーザーダイオード（EYP-RWE-0760-02515-SOT12-0000）を使用し、３． レーザー光の周波数安定化

レンズ 1, 2, 3 の焦点距離はそれぞれ 4.51 mm,3.1

18.40 mm, 11.00 mm とした。

Doppler-free Dichroic atomic vapor laser

locking (DAVLL)法
本研究ではレーザー光の周波数安定化を、
Doppler-freedichroic

atomicvapor

laserlocking(DAVLL)法という DAVLL 法と飽和吸収分光法を組み合わせた方法で行う。

図 2.1 フィルタ型 ECDL の概略図

3.1.1 飽和吸収分光法
2.2 フィルタ型 ECDL の発振の特性

ガスセルにレーザーを対向させて入射させた場作製した ECDL の発振特性を測定した結果、I-P

合、光の周波数がガスセル内の原子の共鳴周波数

特性は図 2.2 のようになり、閾値は 29.1 mA であと等しいときには光軸と垂直に運動する原子におった。

ける飽和効果によりプローブ光の透過率が増大する。それにより、透過したプローブ光の吸収スペクトルには共鳴周波数付近で図 3.1 のようなラムディップが生じる[7]。

図 2.2 ECDL の I-P 特性グラフ
図 3.1

さらに ECDL がシングルモード発振しているかル[7]どうかを確認するためにファブリ・ペロー共振器

2飽和吸収分光法で得られる吸収スペクト

3.1.2 DAVLL 法

ーブ光とポンプ光の 2 つに分けた。この時ポンプ原子に磁場をかけると、直交する円偏光の吸収ス

光がプローブ光よりも十分に強くなるようにλ/2ペクトルがゼーマン効果により逆方向にシフトす板の角度を調整した。これを 2 つの光を永久磁石る。DAVLL 法では図 3.2 に示すとおりシフトしたにより磁場をかけた K の飽和ガスセル中で交差さスペクトルの差分を取ることで得られる微分信号せ、透過したプローブ光をλ/4 板と PBS を用いてをエラー信号として利用し安定化を行う[8]。

直交する２つの円偏光成分に分ける。そして、これらを差分ディテクタ―で検出し、2 つのスペクトルの差分であるエラー信号を得る。

3.３
図 3.2(a)ゼーマンシフトした吸収スペクトルとラムディップの幅とロックの精度

飽和吸収分光法において入射する２つのレーザ(b)DAVLL 法のエラー信号[8]ー光が完全には対向していない場合、各原子の持つ速度に応じて飽和吸収が起こる周波数がシフト

3.1.3 Doppler-free DAVLL 法

し、それにより得られるラムディップの幅が広がDoppler-free DAVLL 法では、飽和吸収スペクトってしまう。実際、前節のセットアップにおいては、

ルに DAVLL 法を適用することによりエラー信号

ポンプ光とプローブ光のなす角はθ=0.716 °とを生成してレーザー周波数を安定化させる[8]。

なったため、この角度が共振器の安定性に及ぼす影響について考えた。
ポンプ光とプローブ光のなす角と飽和吸収の周波数のシフトの関係は原子のドップラー効果を考
慮すると、

図 3.3(a)ゼーマンシフトした飽和吸収スペクト∆𝜈 =2𝜋𝜑𝑢 sin 𝜃 sin
𝜆2(3.1)と求まる。ただし、λ＝767 nm、T＝300 K、𝑢 =ルと(b)Doppler-free DAVLL 法のエラー信号[8]√3.２ Doppler free DAVLL 法のセットアップ

2𝑘𝐵 𝑇であり、𝑘𝐵 はボルツマン定数、M は原子の質
𝑀量、𝜑は原子の進行方向と２つのレーザー光の光軸の張る面のなす角、θはポンプ光とプローブ光のなす角である。ラムディップの形状を表す関数はローレンツ関数のピーク周波数が式(3.1)に従って分布することから式(3.2)となった。
𝜋𝑔(𝜔) = ∫0
図 3.4 光学系

11+(𝜔−𝜔0 −2𝜋𝜑𝑢 sin 𝜃 sin )22𝜆𝛤2𝑑𝜑(3.2)

ここで𝛤は 39K の自然幅の半分である。これより予Doppler-free DAVLL 法による安定化に向けて、想されるラムディップは図 3.5 のようになり、その光学系のセットアップを行った。ECDL から出た半値全幅は 9.6 MHz となった。

光を偏光ビームスプリッタ―(PBS)によってプロ3４．まとめと展望
本研究では、少数光子による光子間相互作用の観測に向けて、光共振器の安定化に用いる光源及びその周波数安定化のための光学系を構築した。
光源としてはフィルタ型 ECDL を作製し、発振特性を測定したところ、閾値が 29.1 mA となった。
また、ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルからレーザーがシングルモード発振していることを図 3.5 ポンプ光とプローブ光のなす角が有限であ確認した。さらに、光源の周波数安定化に用いるることにより広がったラムディップ

Doppler-free DAVLL 法のセットアップにおいてここで、波長 767 nm のレーザー光に要求される得られることが予想されるラムディップ幅を評価

周波数の安定度について考える。安定化された共した結果、9.6 MHz となり、これを用いれば十分振器の、波長 780 nm 付近での共振周波数の揺らぎな共振器の安定性が得られることが予想される。

は、87Rb の線幅 6 MHz よりも十分に小さい必要が今後は作製したＥＣＤＬの線幅を測定し、実際にある。仮にこの揺らぎを 600 kHz とした時、共振

Doppler-free DAVLL 法によるレーザー周波数の器を安定化させるために用いる 767 nm の光に要安定化を行う。さらに、安定化されたレーザー光を求される周波数安定度は、図 3.6 に示すとおり、利用して共振器の安定化を行う。

参考文献[1] P Pillet et al,

Journal of Physics: Conference

Series 194 012066 (2009).

図 3.6 周波数と周波数揺らぎの関係図[2] R.P. Ablel et al, Appl. Phys. Lett. 94 071107
780 nmΔ𝑓767 = Δ𝑓780 ×767 nm(3.3)(2009).と表され、610 kHz 程度以下であることが分かる。

[3] H. Tanji-Suzuki, et al., Science,333 1266(2011).

これを実現するには、エラー信号のスロープの幅[4] 山嵜直樹,2018 年度,電気通信大学修士論文

がこの 10 倍程度の 6.1 MHz 程度以下であればよ[5]L. Ricci, et al, Opt. Commun. 117, 541(1995).

い。Doppler-free DAVLL 法におけるエラー信号の[6] X.Baillard et al, Optics Communications

最適なスロープの幅はラムディップの幅の 0.581

266,609-613(2006).

倍であり、これを 6.1 MHz 程度以下とする必要が[7] 上野隆 et al, 電子情報通信学会論文誌 J76-C-ある。従って、ラムディップの幅が約 12 MHz 程I, 10-17 (1993).

度より小さくなれば良い。本研究のセットアップ[8] T. Peteleski. et al,ではラムディップの幅が 9.6 MHz であり、これを(2003).

用いて波長 767 nm のレーザー周波数を安定化させれば、共振器の共振周波数の十分な安定度が得られると予想される。

4

Eur. Phys. J. D 22, 279-283