光と原子のコヒーレンス制御

高フィネス(>50000)のFabry‐ Perot 共振器にNd:YAG レーザーをロックさせ、相対ビート線幅を173mHz にまで狭窄化した周波数安定化技術が確立されました。この研究は、さらに二段振り子懸架と真空雰囲気により外来雑音をより遮断し、F.P.共振器の安定度を50dB 以上(@100Hz)向上させることに成功しました。また、このF.P.
共振器と沃素の飽和吸収の二周波数基準に同時安定化させることにで、長期・短期にわたる広帯域の周波数安定化が実現できるようになりました。このような安定化光源は重力波干渉計用光源、高分解能分光光源への応用が期待されています。

狭窄化された相対ビート線幅

二段振り子懸架された高フィネス共振器長期・短期周波数安定化システム

複数のレーザー光をその位相まで制御してやることによりコヒーレントに足しあわせることが可能になる。ここでは超高安定レーザーで必要とされた制御技術を用い、注入同期においてもマスターレーザーの安定性を保ったスレーブレーザー出力を実現している。二台のレーザーの結合効率は91 ％に達し、世界最高レベルを実現している。これらの技術は高出力超高安定化レーザーの開発に不可欠な物となっている。

超高安定レーザーマスターレーザー二台のレーザーの位相差を制御することで結合効率が変化する。最適条件では91 ％もの効率を実現している。
コヒーレント加算の実験システム

一般に半導体励起固体レーザーでは励起効率を良くさせるために、入射面からの指数関数的な吸収分布になる。しかし、高出力レーザーでは熱レンズなどの補正のために任意の吸収分布をさせることが要求される。当センターでこれまでの常識とは逆にレーザー媒質の１パス当たりの吸収率を下げ、外側に設けた円筒ミラーによる折り返しを使って、高い吸収率と吸収分布の任意性を同時に実現させる仮想点光源励起固体レーザー方式を提案、開発を進めている。

吸収強度の断面パターンを変化させ熱レンズを加味した場合にもっとも高品質なレーザー発振が可能な様に調整できる。

仮想点光源励起固体レーザーとその高出力高品質レーザーへの応用

三次元的な空間モードを持つ光を制御するためには横方向に閉じ込めが起きる光ファイバーの様な構造が必要になる。この特質を活かして、二重クラッド構造のファイバーレーザーにより量子効率に匹敵する出力をNd ガラス媒質から引きだすことに成功した。一方、高出力レーザーの場合には冷却のためにレーザー媒質の表面積対体積比が大きく、さらに励起に使用できる表面積対体積比も大きいものが望まれる。これらのスケーリングからファイバーレーザーは高出力高品質レーザーとしても重要であり、当センターで発案されたサイド励起ディスク型ファイバーレーザーは次世代の高出力レーザーとして注目されている。

ディスク型ファイバーレーザーの概念図。企業との共同研究により実証実験に成功している。

二重クラッド励起型ファイバーレーザーの励起-出力特性。スロープ効率として36.6 ｘ 2 ％を実現し、量子効率にひっ迫した性能を示している。

P-doped fiberYb-dopedfiber laser(1064 nm;CW 8-W)

FBGFBGR=100% R=100%1483.4nm 1239nm

Single-mode fiber

FBGR=100%1239 nm

2nd Stokes Raman Cavity

FBGR=15%1483.4nm

SpectralcontinuumFBGR=50%1483.4nmFeedback Cavity

CW白色光の発生システム；P添加ファイバーと石英ファイバー、波長選択ミラー（FBG）を組み合わせることによりCWにもかかわらず広帯域な白色光を発生させている。

30352010300-1025-20-301410

1435

1460 1485 1510W avelengt h (nm)1535201560Spect ral I ntensit y of RF L (dBm /nm)

Supercontinuum Cavity

Spect ral I nt ensity of SC (dBm /nm)

光通信でのラマン増幅器励起用の光源として、P添加ファイバーを用い、波長選択ミラーで共振器を組み、Yb添加ファイバーレーザー(波長1064nm,最大出力8.5W)を用いて励起することにより、波長1484nmにおいて3.14Wの高出力なラマンファイバーレーザーを発振させた。また、このラマンファイバーレーザーに石英ファイバーを融着することにより0dBmで１次ストークス光では33nm,２次ストークス光では100nmにも及ぶ広帯域なCW白色光を発生させた。

ラマンファイバーレーザーのスペクトル(青)と白色光のスペクトル(黒)の比較。

Tm-Ho添加ファイバーによる第二高調波発生当センターでは、波長2μmのファイバーレーザーを発振させるために、波長1064nm のファイバーレーザー から出た光をGe添加ラマンファイバーレーザーを用いて1120nmにシフトさせ、1120nm付近に吸収帯があるTm-Ho添加石英ファイバーを励起する実験を行っている。これは医療など様々な方面への応用が期待されている。また、Tm-Ho添加石英ファイバーでは石英ファイバーには希なSHG(第二高調波発生)が観測され、この現象について当センターでは様々な研究を行っている。

Tm-Ho添加石英ファイバーに赤外励起光を入れるとESAにより強い青発光が観測される

Tm-Ho添加石英ファイバーのSHG(第二高調波発生)とESAによる発光スペクトルが出力では観測される新しいレーザー材料、機能性光学材料の特性を評価し、データベース化することは、その材料の動特性を予測し最適な光学システムの設計が可能になるだけでなく、同族の材料でのデータを比較、共通性を見いだすことなどにより、新しい材料開発にも結びつく。
当センターではロシア科学アカデミー結晶光学研究所を筆頭にさまざまな研究所、企業との共同で新しい結晶の評価を行っている。

Yb:YLF レーザー結晶の吸収・発光スペクトルの偏光依存性

高精度屈折率分散測定用白色光干渉計（右）4桁以上の精度で求めたYb:QX レーザーガラスの分散測定（下）当センターでは神島化学工業(株)と共同でNd添加YAGセラミックスを用いた固体レーザーを研究開発している。この新製法によるYAGセラミックスは単結晶のものと光学、機械特性がほぼ同一で、仮想点光源励起システムによる高出力実験でも単結晶と同様な出力が得られている。これまですでに出力1.4kWが達成されており、その製作コストが廉価なこと、大型ロッド生成可能なこと、さらに自由成形、大量生産にも対応できることから、高出力レーザーや次世代多機能レーザーへの応用が期待されている。

セラミックYAGは微結晶を焼結して作られる。

仮想点光源励起システムを用いたNd:YAG単結晶とNd添加YAGセラミックスの出力比較

粒径およそ10μmの多結晶状構造を有する。

超短パルス高出力レーザーを集光させると、その強い電界により媒質の屈折率が変化し自己収束-束縛ビームが形成される。このビーム内では回折による拡がりと自己集束力がつり合い、ビーム径を保ったまま１０メートルに渡り伝播する。高い光強度と長い相互作用長が得られるため、自己位相変調によるスペクトル拡大が効率良く起き、真空紫外から赤外に至る超広帯域コヒーレント光の発生が起きる。
当センターで見いだされたこの発生法は新しい分光計測に応用されている。
超広帯域コヒーレント光のスペクトル

超短パルス2TW チタンサファイアレーザーシステム白色のレーザービーム内には、自己集束により形成された直径１００ミクロンのフィラメントが数千本含まれている。

高強度光によって誘起された分極と光の位相関係を変化させることにより、物質のエネルギー状態を変調すると、吸収・放出などの光学特性をはじめ、物質の性質を変化させることができる。 超広帯域のコヒーレント光を用いて、フェムト秒の時間領域で分極の位相を制御し、常温材料の光学制御を初めて可能にした。
小信号時の位相緩和(T2 = 15 fs)

高光強度下の吸収飽和(ωR/2π= 30 THz)

励起パルスの位相を周波数分解して直接計測し、位相関係と媒質の吸収・放出との関係を調べる。
左図(a)は励起パルスの位相関係、(b)は対応する時刻における有機色素の吸収・放出の様子。
高光強度下では、光位相により吸収放出の抑制が起こる（上図）。

当センターで開発されたKrF レーザーシステムはフェムト秒からナノ秒までのパルスを発生可能である。また、その波面乱れはλ/4 以下に抑えられており、高い集光強度を再現よく達成できる。このシステムを用いて物質との相互作用研究が行われている。これまで高密度プラズマ中でも超短パルスレーザー照射下では強い電子の非等方性が生じ、また、再結合過程でもＸ 線が偏光していることが初めて明らかになっている。
相互作用実験ターゲットチャンバー

超短パルス生成プラズマ中で観測されたF-He様イオンのスペクトル線の偏光度

9ビームKrFレーザーシステムの概略図

ダイヤモンドはその優れた材料特性から多くの応用が期待されている。特に気相合成法により多結晶ながら大面積で不純物濃度の少ない薄膜が得られるようになり、光電素子への応用が可能となってきた。当センターでは企業との共同研究を通じて多結晶ダイヤモンド内の光生成キャリヤーに対する粒界影響を明らかにし、その動特性を評価してきた。また、ダイヤモンドの高電界特性を利用した光伝導型の高出力THz 光源を提案し、ダイヤモンドからのTHz 波の観測に初めて成功した。
高出力THz 光源

ダイヤモンド光伝導特性を評価するための超短パルス深紫外ポンププローブシステム

超高電界印加を実現するためにTHz 発生用素子では2000 を越える微細ギャップを2 インチウエハ上に構成し、バイナリマスクを用いてコヒーレント制御している。

超低損失なレーザー鏡の存在はそれによる共振器の高Ｑ 値化を意味し、重力波干渉計を始めとするさまざまな新しい光計測を可能にする。一方、反射率が100 ％近くなった特性評価にはその測定方法自身の開発が必要であり、製造工程への定量データフィードバックが鏡質改善の鍵となる。当センターでは超安定化レーザーを用いた測定法を確立しOTF(Optical Test Facility)として国内外の鏡の評価を行っている。
国立天文台に設置された重力波干渉計用鏡。
この鏡の評価も当センターで行われている。

超安定化レーザーを用いた超高反射率鏡の測定システム

99.99%以上の反射率鏡での面分布測定結果

光学技術支援室新しい光学結晶の研究や新しいアイデアの光学素子を試行する場合には、その研究に応じた様々な光学加工、洗浄が必要になってくる。当センターでは光技術学支援室を用意し、研究支援推進員による光学研磨、超高品質ミラーの新しい洗浄法の開発などを行っている。

共鳴レーザー光の放出吸収を繰り返すことで原子の速度は低下し、やがて磁気光学トラップ内にトラップされるようになる。この中でさらに磁気量子状態を利用したドップラー冷却や蒸発冷却などにより、原子の温度はμK オーダーになり、波動性が顕著になってくる。この原子ビームを計算機生成されたホログラム光学系に通すことにより光同様のホログラムを得ることが可能である。

トラップされたNe 原子レーザー光を吸収・放出することでレーザー冷却が進む

トラップされたNe 原子生成された原子ホログラム像

中性原子は電荷を持たないためイオンのような静電レンズを作ることができない。当センターでは四重極子電場を用いることで中性原子でも収束可能な静電レンズを世界で初めて成功した。右図のように上下三つに分かれた電極に電場を印加することで下図のような原子ビームの集光が観測されている。

電場印加

中性原子静電レンズ

原子ビームが通る部分の電場を変化させることにより、原子ビームの位相を制御することが可能である。その応用して左図のようなバイナリー能動光学系とホログラムとの組み合わせにより、電界による再生像の制御が可能になった。下図ではφとπの置き換えを、右図ではJとFを連続的に変化させた制御を行った例である

電界を変化させることで原子により書かれたF とJの文字像を入れ換える。
バイナリー能動光学系

Φ->π固体表面近くにいる原子は急峻なファンデルワールスポテンシャルによる引力を受けて固体表面に引き寄せられる。非常に低速の原子は波動性が高いため、急峻なポテンシャル変化を感じるとインピーダンスミスマッチのために反射を起こす。下の図はシリコン表面にレーザー冷却されたネオン原子を当ててこの量子反射による反射率を測定した結果である。この研究は原子波に対しても光と同じような反射型光学素子を作れることを示している。

レーザー冷却によってμK 台にまで冷却された原子は波動的な性質が顕著に現われ、これをさらに冷却して原子の密度を上げると原子同士の波動関数が重なり、しまいには全ての原子が同じ波動関数で表される単一の量子状態に落ち込むボーズ・アインシュタイン凝縮が実現されます。
このような凝縮原子を用いれば光のレーザーと同様に位相が揃ったコヒーレントな原子波を発生する原子レーザーの実現が可能になり、これを原子干渉計や原子ホログラフィー等に応用することにより高精度計測や微細原子パターンの生成が可能になるものと期待されています。
当センターではこのような新しいコヒーレント原子光学の研究を行うため、Rb 原子を用いたボーズ凝縮および原子レーザーの開発を行っています。

原子や分子の吸収線を基準とした光周波数標準レーザーは度量衡における長さ標準として重要になります。このような光周波数標準は近年開発が進んでいる波長多重光ファイバー通信(WDM)においても各チャンネル周波数の維持管理のために求められています。当センターでは、この波長多重通信にも利用可能な1.5 μm 帯のアセチレン分子の吸収線を基準として用いた高精度な光周波数標準レーザーの開発を行っています。

1.5 μm 帯アセチレン安定化光周波数標準レーザー

1.5 μm 光ファイバー通信帯の光周波数標準

電子をごく少数しか持たない多価イオンは、原子物理学の新しい、興味ある研究対象である。多価イオンの精密な分光学的研究は、原子系に対する相対論的、量子電気力学的効果の検証を行う有力な手段である。また、多価イオンの持つ大きな静電ポテンシャルは、他の粒子や物質と相互作用する際に特異な効果をもたらす。そこには、ポテンシャル内部に無数に存在する空の束縛状態を経由する巨大共鳴現象や強い電子相関をもつ多電子励起状態の形成など、今までにない物理が展開される可能性が秘められている。このグループでは東京都立大学、東京大学原子核研究所、核融合科学研究所、理化学研究所などとの共同研究で多価イオンの分光学、物質との相互作用に関して系統的な研究を展開している。

多価イオン照射によりグラファイト表面上に形成されたナノメーターサイズの隆起構造

ネオン等電子数系列多価イオンのX線スペクトル。
原子核の電荷が僅かに異なるだけで、ラインの順序が入れ替わるなど大きな変化を示すことがある。

多価イオン発生装置Tokyo-EBIT

レーザー・マイクロ波共鳴分光法によりイオントラップに閉じ込められたイオンの超微細構造を精密に測定する研究を行っている。理化学研究所、高エネルギー加速器研究機構(KEK)との共同研究が進展しており、ここでは不安定な原子核をもつイオンが測定対象である。不安定核を標的とする場合、精密かつ高感度で分光測定を行うには、トラップに閉じ込められた少数のイオンを極限まで冷却することが必須である。サイクロトロンビームを用いて作られた不安定核イオンをイオントラップに捕獲し、それを短時間に冷却し、寿命内で生き残っているイオンの超微細構造を調べ、短寿命核の構造に関し新たな知見を得ることが目的である。

トラップされレーザー冷却されたCa+イオン左は単一イオン、右はイオンが結晶化している場合の蛍光写真

イオントラップ

レーザー・マイクロ波３重共鳴法による，9Be+イオンの強磁場中での超微細構造準位間の核スピンフリップ転位の精密分光スペクトルレーザーセンターでは学生のための研究導入プログラムとして創造力開発プログラムETL を毎年年度始めに行っています。
この中では７ つの光学に関係した実験を通してインストラクターとして教える側とプログラムを受講する学生側の双方の意識を高め、センター内で行われる最先端の研究に取り掛かる意識を持たせる役目をしています。

ETL で用いられたテキストは毎年CD-ROM化され、Web 上でも公開されています。

実験室の片隅を利用し、インストラクタの学生の様々なアイデアの実験が行われています。