87

Rb 原⼦のリュードベリ励起⽤ 780 nm レーザーの構築
丹治研究室

荒⽊陸

1. 序論

周波数に対して原⼦の⾃然幅(Rb: 6 MHz)程近年、量⼦計算や量⼦暗号通信などの分野で度以下の周波数揺らぎで安定化され、また原は光の量⼦性を⽤いた技術の研究が盛んに⾏⼦の⾃然幅の数倍の範囲で周波数可変である

われており、光の量⼦状態を⾃在に⽣成する87ことが必要となる。従って本研究では、Rb 原ことの重要性が増している。私たちの研究室

⼦の遷移周波数に対して安定化された光源及では光の様々な量⼦状態の⽣成の第⼀段階とび、その周波数シフトのための機構を構築すして、オンデマンドに単⼀光⼦を⽣成するたる。また、光源の周波数安定度と周波数シフめに、リュードベリ原⼦と光共振器を⽤いたト機構の評価を⾏う。

⾼効率な単⼀光⼦源の構築を⽬指している。
リュードベリ原⼦とは主量⼦数の⼤きい軌

2. レーザーの周波数安定化

道に電⼦が励起された状態であり、⼤きな電レーザーの周波数を安定化するためには飽⼦双極⼦モーメントを有するため原⼦同⼠の和吸収分光法と DAVLL(dichroic atomic

相互作⽤が⼤きいという特徴を持つ。⼀つのvapor laser locking)法を組み合わせた原⼦がリュードベリ状態にある時、その近傍

Doppler-free DAVLL 法[2]を⽤いた。にある原⼦は原⼦同⼠の相互作⽤によりリュ

2.1 飽和吸収分光法

ードベリ状態に励起されなくなる(ブロッケ

飽和吸収分光法は原⼦の熱運動によるドッード効果)(図 1)[1]。このブロッケード効果にプラー広がりの影響を取り除いた吸収スペク

よって励起された単⼀の原⼦を光共振器中でトルを得るための⼿段の⼀つである。この⽅脱励起させることで、単⼀光⼦を任意のタイ法では図 2 のようにレーザー光をポンプ光とミングで特定の空間モードに放出させることプローブ光に分割し、対向するようにガスセが可能になる。

ルに⼊射させる。

図 1. リュードベリブロッケード[1]87

Rb 原⼦のリュードベリ状態への⼆光⼦励起に⽤いる波⻑ 480 nm と 780 nm のレーザ
ー光源のうち、本研究では 780 nm のものを作製する。リュードベリ状態への遷移を精密に制御するためには、この光源が原⼦の遷移

図 2. 飽和吸収分光法のセットアップ

ガスセル中の気体原⼦は速度分布を持ち、そのうちのある特定の速度を持つ原⼦のみがレーザー光と共鳴する。それぞれのレーザー
光と共鳴する原⼦の速度はプローブ光の進⾏⽅向を速度が正の向きとして次の式で表すことができる。
𝜔 − 𝜔)
ポンプ光: 𝑣% =𝑘"𝜔 − 𝜔)
プローブ光: 𝑣+ = −= −𝑣%𝑘射することで、互いに逆⽅向にシフトした 2(1)つのスペクトルを得ることができる(図 5(a))。

(𝜔:レーザー周波数、𝜔) :原⼦の共鳴周波数)

レーザー周波数と原⼦の共鳴周波数が異なる
時(𝜔 ≠ 𝜔) )、式(1)よりポンプ光とプローブ光をそれぞれ別の原⼦が吸収するため、ポンプ光の存在は原⼦によるプローブ光の吸収率に影響を与えない。⼀⽅でレーザー周波数と原⼦の共鳴周波数が等しい時(𝜔 ≈ 𝜔) )、同じ原⼦がポンプ光とプローブ光の両⽅を吸収することができる。そのため、ポンプ光により原⼦の吸収が飽和することで、プローブ光の吸収率が低下する。従って、プローブ光の吸収スペクトルは図 3 のように共鳴周波数付近での強度が低下する形となり、これを飽和吸収

図 4. ゼーマン効果と選択則

これらの 2 つのスペクトルの差分を取ることで、図 5(b)に⽰すような、共鳴周波数で 0V となり、かつ線形に変化する誤差信号を作成することができる[4]。この⽅法では𝜎 2 偏光と𝜎 4 偏光を 1:1 の⽐率で含む直線偏光を利⽤して⼆つのスペクトルを⽣成するため、レーザーの強度変化に対して⼆つのスペクトルが同様に変化することから、零点が安定であることが利点として挙げられる。

スペクトルと呼ぶ[3]。飽和吸収スペクトルのくぼみはラムディップと呼ばれ、その線幅は原⼦の⾃然幅程度になることが知られている。

図 5. 誤差信号の⽣成[4]2.3 Doppler-free DAVLL 法
Doppler-free DAVLL 法では、飽和吸収ス
図 3. 飽和吸収スペクトル[3]ペクトルに対して DAVLL 法を適⽤すること

2.2 DAVLL 法で図 6 のようにスペクトル幅の狭い誤差信号

DAVLL 法は、原⼦の共鳴周波数で電圧が 0Vを作成する。となり、かつ線形に変化する電圧信号を作成する⽅法である。この⽅法では、遷移選択則により、励起される磁気副準位が励起光の偏光によって異なるという性質を利⽤する。図
4 のように磁場によってゼーマン分裂した原⼦に対して、直交する円偏光(𝜎 2 , 𝜎 4 )の光を⼊図 6. Doppler-free DAVLL 法の原理

実際に構築した Doppler-free DAVLL 法の実
験系の概略図を図 7 に⽰す。

図 7. Doppler-free DAVLL 法の実験系図 9. 観測したエラー信号

外部共振器型レーザー(ECDL)から出射したフェライト磁⽯の作る磁場によって⽣じた光を偏光ビームスプリッタ(PBS)によって分

図 8 の⼆つのスペクトル間の周波数差は12 ±2割し、強度 15 mW/cm のポンプ光と 6.921 MHz であり、磁場は、6.3 ± 0.5 G と⾒積

mW/cm のプローブ光として磁場のかかったもられた。最適な誤差信号を得るために必要ガスセルに対向するように⼊射した。ガスセな周波数シフト量は 5.5 MHz であったため、ルを通過したプローブ光はλ/4 板と PBS にフェライト磁⽯によって⼗分な磁場をかける

24

よって𝜎 偏光と𝜎 偏光に対応する 2 つの直ことができたと⾔える。

線偏光に分割され、それぞれをディテクター

2.5 周波数安定度の評価で検出することにより周波数シフトした⼆つ2.4 で得られた誤差信号を⽤いて ECDLの飽和吸収スペクトルを得た。さらに検出しの外部共振器⻑を制御するピエゾ素⼦にフィた信号の差分を取ることによって誤差信号をードバックをかけ、レーザーの周波数安定化作成した。

を⾏った。飽和吸収信号のピーク間の周波数

2.4 磁場発⽣⽅法の改善が既知であることを利⽤して誤差信号の傾き

先⾏研究ではソレノイドコイルを⽤いて磁(1.74 mV/MHz)を求め、安定化後の誤差信場を印加していたが、コイルで発⽣するジュ号の電圧揺らぎから周波数揺らぎを⾒積もっール熱によってガスセルに温度勾配が⽣じ、た。その結果周波数揺らぎは630 ± 80 kHzと⼊出射⾯となるガスセルの端⾯に Rb の固体なり、レーザーを 87Rb 原⼦の⾃然幅以下のが付着することでスペクトルの形状が歪ん安定度で安定させることができた。

だ。そこで、まずヒートガンを⽤いて、付着した個体の Rb を除去した後にフェライト磁⽯により磁場を印加した。この結果として得

3. ⾳響光学変調器を利⽤したレーザ
ー周波数シフトられた飽和吸収信号とエラー信号を図 8、図安定化させたレーザーに対して、⾳響光学変9 に⽰す。

調器(AOM)を利⽤してレーザー周波数をシフトさせる機構を構築した。AOM は RF 信号によって結晶中に発⽣する⾳響波を⽤いてレーザー光を回折させる光学素⼦である。AOMによる回折⾓は RF 周波数によって変化する
図 8.観測した飽和吸収信号

ため、周波数を変化させた時の光軸のずれをつれて強度が低下した。400 MHz から離れる抑制するためにダブルパス構造を⽤いた。

に従って強度が低下する原因として、まずAOM での回折効率が低下したことが考えられる。また、シングルモードファイバーにカップルされた回折光に対して測定を⾏ったため、キャッツアイ構造が不完全であることに

図 10. 周波数シフトのセットアップ

より RF 信号の周波数変化によって往路と復⼀回⽬に回折された光はレンズとミラーから路の光軸のずれが⽣じた可能性が考えられる。

成るキャッツアイ構造により反射されて400 ± 10 MHzの範囲の強度変化は 50%以内AOM に戻り、そこで⼆回⽬の回折が起こる。に収まったため、⾃然幅の 3 倍程度までの周

この回折光は RF 周波数に依らず⼊射光と重波数シフトについては⼤きな強度変化を伴わなる。これによって RF 周波数変化による光ず⾏えることが分かった。ただし今回の測定軸の変化を抑えることができる。

ではスペクトラムアナライザーでの強度の読

AOM を駆動する信号には固定信号発⽣器

み取り誤差が⼤きかったため、強度を⼀定に(HP8648C)の出⼒を RF 増幅器(ZFL-保てる周波数範囲を評価するためにはより⾼1000LN)で増幅したものを⽤いた。この周波い精度の⽅法で再測定を⾏う必要がある。

数を𝜐とすると、AOM で回折されたレーザーの周波数は 2 𝜐だけシフトする。
まず、周波数シフト量を測定するために、4. まとめと今後の展望
87

Rb 原⼦の遷移周波数に対して安定化されAOM を通過する前で分岐させた同じ光とのた光源及び、その周波数をシフトさせるためビート信号をスペクトラムアナライザで観測の機構の構築を⾏った。Doppler-free DAVLLし、光の周波数が AOM の駆動周波数の⼆倍法を⽤いた結果 630kHz(<6 MHz)の周波数揺変化することを確認した。この時、レーザーらぎでレーザーを安定化できた。また、AOMの周波数変化に伴って、ファイバーから出射による周波数シフトは実現したが、周波数がされるレーザー光の強度が変化することが観シフトされた光の強度の測定⽅法は改善する測された(図 11)。

必要がある。今後は作製した 780 nm レーザーを⽤いてリュードベリ状態の観測を⽬指す。

5. 参考⽂献[1] P Pillet et al. JPCS 194 012066 (2009)

図 11. 周波数シフトによる強度変化

AOM の中⼼周波数の 2 倍である 400 MHz付近で強度は最⼤になり、そこから離れるに[2] T. Peteleski et al.

Eur. Phys. J. D 22, 279 (2003)[3] Atomic Physics, C J. Foot et al. (2005)[4] Kristan L. Corwin et al. OSA Pub. 37 , 3295(1998)