Doppler-free DAVLL を用いた外部共振器型ダイオードレーザーの周波数安定化
丹治研究室

櫻井明彦

平成 29 年 3 月 10 日

1

序論
日常目にする光は古典的な波として理解されるが、強度の弱い光の場合波の性質と粒子としての性質の両方が現れる。このような光子が持つ量子力学的性質を利用する技術が世界中で提案されている。中でも量子暗号通信は実用化が近い技術で、インターネット等の通信技術が普及している現代において重要性が増しているものである。量子暗号は一つの光子に暗号化する鍵を乗せることで安全に暗号鍵を配布するものである。安全である理由は単一光子がこれ以上分割することができず、

図 1: 87 Rb 原子の準位構造

盗聴などにより観測された場合に量子状態に痕跡を残すためである。量子暗号の実用化や量子情報処理技術の発展のためには単一光子発生は非常に重要なものである。しかし、現状としてオン・デマンドで光子を一つだけ発生させることは難しい。
本研究室では、ファブリー・ペロー型光共振器中2原理2.1Filter 型外部共振器ダイオードレー
ザーにトラップしたルビジウム原子を用いた単一光子子源の実現のための中性原子集団生成を行う実験

外部共振器型ダイオードレーザー (external cavity diode laser: ECDL) とは、レーザーダイオー系の構築に向けたものの一部である。磁気光学トドの外部に共振器を設置することにより、単一縦ラップ (magnetical-optical trap : MOT) での中性モード発振を実現するとともに、実効的な共振器原子集団の生成を目指し、それに用いるレーザー長を大きくすることによって発振線幅を狭くするの参照光となる外部共振器型ダイオードレーザーことが可能なレーザー光源である。ダイオードのの作製と周波数安定化を行った。レーザー周波数ゲイン帯域と共振器の縦モードの周波数が重なるは 87 Rb の吸収線に安定化させるため、87 Rb の自ところにおいて引き込み現象が起き、レーザー発然幅 6 MHz 以下の安定性を目標とした。

振が起こる。今回作製した filter 型 ECDL [1] で発生を目指している。本研究はそのような単一光はさらに干渉フィルターを用いて共振器の縦モードを切り取ることができるのでレーザーの発振波1長を選択することができる。干渉フィルターは屈効果を考慮すると 2 つのビームは共に速度 v ≈ 0

折率の異なる誘電体が積層された誘電体多層膜のの同じ速度の原子と相互作用するため、原子は光フィルターであり、フィルター面と入射光のなす強度の強いポンプ光を吸収し、プローブ光はその角度によって透過する波長帯域が異なるという性ままガスセルを透過する。そのためプローブ光の質を持つ。

吸収スペクトルを観測すると、元々ドップラー広がりにより線幅が 1 GHz ほどあるものの頂点に狭いディップを得ることができる。このディップはラムディップと呼ばれ、ディップの線幅は自然幅程度になる。
図 2: ECDL の概略図

2.3
2.2

飽和吸収分光法

Dopller-free Dichroic AtomicVapor Laser Locking (DAVLL)

Dopller-free DAVLL [2] を用いることで原子の原子に準位間のエネルギーに対応する周波数の吸収線にレーザーの周波数を安定化させることがでレーザー光を照射すると、原子はレーザー光を吸きる。今回の実験では安定化の基準として MOT収し励起される。励起した原子はある時間が経過による冷却及び捕獲を目指す Rb 原子を用いた。

すると蛍光を発しながら基底状態に遷移する。こDopple-free DAVLL の基本的な原理は、図 4 のよの吸収を利用してレーザー光の周波数を決定する

うに少し周波数差のある飽和吸収スペクトルの差ものがレーザー分光であるが、その一つに今回用分を取ることで得られるエラー信号を用いてレーいた飽和吸収分光法 [2] がある。図 3 に飽和吸収ザーにフィードバックをかけて周波数を安定化さ分光法のセットアップを示す。

せるというものである。

図 4: Doppler-free DAVLL 基本原理
図 3: 飽和吸収分光法のセットアップ
周波数差のある飽和吸収スペクトルは、磁場に飽和吸収分光法は強い光により原子の遷移を飽よるゼーマンシフトで準位の分裂を生じさせ、そ和させることで、通常は大きなドップラー広がり

れに対して σ+ 偏光と σ− 偏光を用いて異なる磁を持つ室温の原子気体においても自然幅程度のス気副準位に原子を遷移させることで得ることがでペクトルを観測することができる手法である。こきる。磁場はガスセルに導線を巻きつけることでの方法では、ビームスプリッター (BS) によりレー発生させた。得られた 2 つの飽和吸収スペクトル

ザー光を弱いプローブ光と強いポンプ光に分け、2の差分を取ることで共鳴周波数で強度が 0 となるつのビームを対向させてガスセルに入射し、透過エラー信号を得ることができる。磁場を変化させしたプローブ光の光強度を検出する。レーザー周てディップのずれを調整することでエラーシグナ

波数が共鳴周波数とほぼ等しいとき、ドップラー

2ルの傾きを最大化することができ、ロックの精度

飽和吸収分光に必要なポンプ光のパワー強度は飽が向上する。Dopller-free DAVLL 法の特徴として和強度 (Isat ) 程度であり、87 Rb の場合、Isat =3.58パワーの揺らぎに対して安定性があるということ

mW/cm2 である [3]。 ポンプ光のビーム断面積はが挙げられる。たとえレーザーのパワーが揺らい0.00471 cm2 であり飽和吸収分光に必要なパワーだとしても 2 つの飽和吸収スペクトルは同じようは 1.69 µW となる。よって作製した ECDL からはに揺らぐため差分信号を取った際に強度がゼロに飽和吸収分光に十分なパワーが出力されているこなる点が変化しないためである。とが確かめられた。

3実験

3.2

飽和吸収スペクトルの測定3.1作製した ECDL の出力光強度測定

3.2.1

飽和吸収スペクトルの測定方法

本研究のために組んだ Doppler-free DAVLL の作製した ECDL の発振特性を調べるために閾値光学系を図 7 に示す。ECDL から出た光は AOM

電流付近の光強度を測定したものを図 5 に示す。図を往復で 2 回透過することで 400 MHz の周波数シ5 より、作製した ECDL の閾値電流は 14.77 ± 0.06

フトを受けた後、PBS によりプローブ光とポンプmA となった。

光に分けられる。プローブ光は s 偏光であり、これは σ+ 偏光と σ− 偏光の 1:1 の重ね合わせだとみなすことができるので、ガスセルを透過したプ
ローブ光をλ/4 板と PBS を用いて σ+ 及び σ−偏光に対応する直交する２つの直線偏光に分けることで、少し周波数差のある 2 つの飽和吸収スペクトルを得ることができる。ゼーマンシフトを起図 5: 発振付近の電流ー光出力特性

こすための磁場はガスセルに巻いたソレノイドコイルにより発生させ、本研究では 11 G をかけた。

次に電流値を上げていったときの光出力特性を
図 6 に示す。電流値を上げていくにあたって PDでの反射光により LD が破損してしまうことを防ぐため光路にアイソレータを挿入した。図 6 はあ
らかじめ測定したアイソレータ透過率 (71.8%) を用いて、測定されたパワーを ECDL 出射直後のパワーに換算してプロットしたものである。

図 7: DAVLL の光学系

3.2.2

飽和吸収スペクトルの測定結果と周波数安定性の評価

図 6: 光出力特性

ピエゾ素子にかける電圧を掃引したときに得られた飽和吸収スペクトルが図 8 である。赤線が σ+3

偏光、緑線が σ− 偏光による飽和吸収スペクトルをの傾きから、図 10 において観測された中心周波数示している。ピエゾドライバに入力するファンクのゆれの大きさを求めると 302 kHz となった。

ションジェネレータ (FG) の信号は周波数 50 Hz、振幅 700.0 mVp-p、オフセット電圧＋ 350 mVoc に4設定し、ピエゾドライバのオフセット電圧は 16.63

V とした。またこの飽和吸収スペクトルの差分をまとめと今後の展望
本研究では光共振器中の冷却原子集団を用いた取ることで得られたエラー信号を図 9 に示す。今光の量子状態の制御を目指し、磁気光学トラップ回ロックしたスロープを赤点線で囲った。このス(MOT) でのルビジウム原子トラップの基盤となるロープに対してロックした際のエラー信号を図 10

光源の作製と周波数安定化を行った。に示す。

光源である ECDL の閾値電流は最適化の結果14.7 mA となった。また、MOT により Rb 原子を冷却する上で発振周波数が原子の共鳴周波数に安定化されている必要があるので Dopller-free DAVLLを用いて周波数安定化を行った。その結果 Rb 原子の F = 2 → F ′ = 3 の遷移に対して 302 kHz 程度の周波数揺らぎで安定化させることができた。
本研究で作製したレーザーは MOT に使用する
図 8: 飽和吸収スペクトル

その他の光源の周波数をロックする上で参照光となるものである。今後の展望としてはまず周波数オフセットロックを用いて MOT 用レーザーと repumpレーザーの周波数を安定化させる。また光源の準備が整った後は MOT により原子を冷却することを目指している。

参考文献
図 9: 得られたエラー信号[1] X. Baillard,P. Rosenbusch ”Interference-filterstabilized external-cavity diode lasers” et al. Optics Communications 266,609-613(2006).
[2] T. Petelski, M. Fattori, G. Lamporesi, J. Stuhler,and G.M. Tino, Doppler-free spectroscopy using
magnetically induced dichroism of atomic vapor:a new scheme for laser frequency locking Eur.
Phys. J. D,1 − 5(2002)[3] Daniel Adam Steck,”Rubidium 87 D LineData”,Oregon Center for Optics and Departmentof Physics, University of Oregon (2015)

図 10: ロック後のエラー信号
図 8 の飽和吸収ピーク間の時間差と異なる遷移間の周波数差及び図 9 の赤点線で囲ったスロープ

4