冷却 Rb 原子によるラマン遷移測定と原子干渉計への応用
電子物性工学科

中川研究室 中島 弥磨雄

1.背景
当研究室では、重力測定などを目的とした原子干渉計の製作を進めており、その干渉信号は誘導ラマン遷移を用いて測定する。この測定の為に、干渉計全体の制御や信号測定系が必要となる。
2.目的PC で干渉計全体の制御・測定が同時に行えるような系を製作する。そしてこれらを利用し、実際にラマン遷移の測定を行う。
3.ラマン遷移の原理
図 1 のように、冷却原子に対し、誘導放出光と誘導吸収光を照射することにより、原子のエネルギー状態が図 2 のようにF=2 からF=1 へと移る誘導ラマン遷移が起こる。今回の実験では、この誘導吸収光の周波数を掃引し、その透過光強度を測定する。
ここで、予想される信号の幅を計算より求める。誘導放出光、誘導吸収光の周波数をそれぞれνS、νM、そして F=2 とF=1 の周波数差をνhfs とし、ここで、次のようなδを定義する。

フォトダイオード

誘導放出光（νS , kS）

誘導吸収光（νM , kM）

冷却原子

図1 吸収・放出概念図

ν S −ν M = ν hfs − δ ‥‥(1)F’=3

また、冷却原子におけるラマン遷移吸収信号がピーク値を取るときのδの値は、

5P

h (k M + k S ) 2
δ=+ v(k M + k S ) ‥‥(2)
2m

32

離調 Δ
誘導放出 (νS)

より求まる。但し、v は5S

2 k BTv=
M ‥‥(3)12210

誘導吸収 (νM)
F=2
νhfs1である。全ての原子のエネルギー状が F=2 に揃い、冷却原子の温度は 20μK になっていると仮定し、(1)式よりδを計算すると、δ≒70kHz と求まる。また、その半値全幅はおよそ 500kHz である。

1νS周波数掃引
図2 87 Rbエネルギー準位図

4.制御・測定系の製作
干渉計全体 の制 御・測定はリポンプ光AOD
PC を利用して行うこととした。そ冷却光AODの為、制御にデジタル 出力ボー
コイル電流スイッチ
PCド(Interface 社製 PCI-2472C)、
ラマンレーザーAOD
デジタル出力ボード
測定にアナログデジタル 変換ボラマンレーザー掃引トリガー
トリガーード(Interface 社製 PCI-3513)
フォトダイオード
AD変換ボードを用いた。PCI-2472C のバスマ
スタ転送、PCI-3153 の FIFO メモ
リをそれぞれ利用することにより、
図3 PC接続図
作動時は CPU の能力に依存せずに出力や入力を行うことが可能となっている。また、これらの為に VisualBasic でプログラムを製作した。制御プログラムは 100μs 単位の制御、測定プログラムは 1μs 毎の信号取込を可能とし、共に繰り返しの動作を前提としている。PCI-3153 は、PCI-2472C からのトリガ信号によって取込のタイミングを取っている。また、測定データはバイナリファイルで保存される為、バイナリファイルからカンマ区切りファイルへの変換プログラムも同時に作成した[1]。
5.ラマン遷移用レーザー
ラマン遷移測定実験に用いた誘導吸収、誘導放出用レーザーは、光位相同期回路を利用し、その周波数差を正確に調整できるようになっている[2]。
6-1.Rb セルを用いたラマン遷移測定
冷却原子を用いたラマン遷移測定を行う前に、Rb セルを用いて Coherent Population Trapping 現象（以下 CPT）の確認を行った。この現象は、νS-νM=νhfs、つまりδ=0MHz の条件を満たすとき、原子干渉効果により、一部の原子が 2 つの準位(F=2,F=1)のコヒーレントな重ね合わせの状態にトラップされたままとなる現象である。この重ね合わせの状態と仮想準位のと間の光学的遷移は禁制であり、光学的に結合しなくなる[3]。よって、δ=0MHz のときには透過光強度が最大となるはずである。
実験配置図を図 3 に示す。2 本のレーザー光をビームスプリッターで重ね合わせ、Rb セルに照射した
後にフォトダイオードでその透過光強度を検出する。Rb セルには磁気シールドを施し、周りの磁場を遮断している。
PD
信号強度

Rbセル

BS[a.u.]レーザー(νM)レーザー(νS)

図3 CPT実験配置図-8-6-4-202δ [MHz]
図4 CPT実験結果

2468実験結果を図 4 に示す。このグラフは 10 回の測定値を積算したものである。0MHz 付近で透過光強度が最大となっており、理論と合致していることから、Rb セルを用いたこの 測定ではラマン遷移を確認できたと判断した。
6-2.冷却 Rb 原子を用いたラマン遷移測定
次に、磁気光学トラップ(以下 MOT)を用いて冷却した Rb 原子の誘導ラマン遷移測定を試みた。実験
配置を図 5 に示す。冷却光は直交する 6 方向から照射し、誘導吸収用、誘導放出用レーザーは図で示
すように上下から対向して原子に照射している。冷却原子集団の直径は約 2mm、ビーム径は約 3mm、それぞれのレーザー光強度は約 6.3mW/cm2 である。
MOT で冷却した原子に対し、更に 2ms 偏向勾配冷却を行い、およそ 20μK まで温度を下げる。内部状態をF=2 へ揃える為のリパンプ光も常に照射しているが、PGC を遮断した1ms後にリパンプ光も遮断し、この直後からラマン用レーザー光を照射、同時にνS 周波数掃引と測定を開始する。測定条件は、測定時間を 5ms、νS 周波数掃引範囲をδ=±5MHz とした。
zy
70000

x
信号強度

コイル

69800

69600

[a.u.]

69400

69200

冷却光・リパンプ光
誘導吸収用レーザー

69000-5-4-3-2-10

12345δ [MHz]

誘導放出用レーザー

図6 CPT実験結果

図5 MOT配置図

測定結果の１つを図 6 に示す。このグラフではδ=70kHz において信号のピークは見られず、先に予想した信号とは異なっていることが分かる。また、測定の度に異なる信号が得られ、今一つ再現性に欠けている。
7.実験結果今回、2 種類のラマン遷移測定を行った。Rb セルを利用したCPT の測定では、理論通りδ=0MHｚで透過強度が最大になるという結果が得られ、ラマン遷移が起こっていることを確認することができた。冷却
Rb 原子を用いた測定では、想定された信号と異なる結果が得られ、ラマン遷移を確認できるに至らなかった。

3

8.考察
冷却 Rb 原子における測定実験で、想定された信号が得られなかった原因については、以下のことが挙げられる。
・ ラマン用レーザー光照射によって、原子集団が吹き飛ばされている。
・ 吸収信号がラマン用レーザーのパワー揺らぎに埋もれている。
9.まとめ・ PC を利用して干渉計全体を制御、信号測定を行う為の系を製作し、動作することを確認した。
・ Rb セル内でのラマン遷移は確認できたが、冷却 Rb 原子を用いた測定では遷移を確認できなかった。
10.今後の課題
・ ラマン用レーザーの周波数揺らぎを抑える為、別に周波数安定化を施したレーザーに同期する。
・ ラマン遷移測定実験の条件見直し[参考文献][1]伊藤健一 : ルビジウム原子気体のボースアインシュタイン凝縮生成 ,学習院大学大学院自然科学研究科修士論文 (2001)[2]堀越宗一 : 光位相同期による原子干渉用光源の開発とその評価 ,電気通信大学電気通信学部電子物性工学科卒業論文 (2001)[3]仁木秀明・井澤靖和 : 応用物理 61, 927 (1992)

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