2021 Fiscal Year Annual Research Report
狭線幅かつ高安定な周波数安定化レーザーに関する研究
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18H03886
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
洪 鋒雷 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10260217)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
和田 雅人 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (20635817)
赤松 大輔 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (90549883)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | レーザー分光 / 周波数安定化レーザー / 光コム / 原子・分子物理 / 超精密測定 / 量子エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでレーザーの狭線幅化は1.5 μmの半導体レーザー、周波数安定化は1 μm のNd:YAGレーザーで行われた来たが、今年度より1.5 μmの半導体レーザーによる狭線幅化と周波数安定化を同時に実施した。具体的には、狭線幅化レーザーの周波数を、干渉計内のAOMの駆動周波数を制御することで変調し、ヨウ素分子の共鳴周波数に安定化することで狭線幅化レーザーの周波数ドリフト低減させた。狭線幅化レーザーをヨウ素分子の共鳴周波数に安定化したことで、狭線幅化のみのときに生じていた周波数ドリフトを平均時間0.2 s以降で抑えることに成功し、平均時間5 sでは1×10－13に達した。また、線幅という観点で見た場合において、当研究室の測定可能線幅までの領域では狭線幅化レーザーをヨウ素分子の共鳴周波数に安定化しても悪影響を及ぼしていないことがわかった。これにより、光ファイバーマイケルソン干渉計によるレーザーの狭線幅化とヨウ素分子吸収線によるレーザーの周波数安定化のハイブリッド安定化方式を実現をした。
一方、２ｍのヨウ素セルを用いて実現したヨウ素安定化Nd:YAGレーザーの周波数安定度を向上させ、評価するために、相互作用長を45 cmから6 mまで変化させ、相互作用長が短期安定度に与える影響を調査した。相互作用長を大きくすることで達成可能な限界の安定度を追求し、その結果を飽和分光の理論モデルを用いた計算で再現した。相互作用長が長すぎる場合安定度が頭打ちになってしまうことを飽和分光の理論モデルに基づく計算で再現した。
我々1542 nmレーザー光の3倍波発生を用いて、514 nm波長帯のヨウ素分子超微細構造を測定し、理論的な解析を行うことにより超微細構造定数を求めている。これにより、この波長帯の振動バンドにおいてヨウ素分子超微細構造定数の回転量子数に対する依存性で新しい知見を見出している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
我々は、1.5 μmの半導体レーザーによる狭線幅化と周波数安定化を同時に実施した。狭線幅化レーザーをヨウ素分子の共鳴周波数に安定化したことで、狭線幅化のみのときに生じていた周波数ドリフトを平均時間0.2 s以降で抑えることに成功し、平均時間5 sでは1×10－13に達した。狭線幅化と周波数安定化を同時に実施し、周波数ドリフトを抑えることができたので、計画通りに進んでいる。また、線幅という観点で見た場合において、当研究室の測定可能線幅までの領域では狭線幅化レーザーをヨウ素分子の共鳴周波数に安定化しても悪影響を及ぼしていないことがわかった。これは計画通りに順調に展開していることを示している。
一方、ヨウ素安定化Nd:YAGレーザーの周波数安定度を向上させ、評価するために、相互作用長を45 cmから6 mまで変化させ、相互作用長が短期安定度に与える影響を調査した。相互作用長が長すぎる場合安定度が頭打ちになってしまうことを飽和分光の理論モデルに基づく計算で再現した。このように、レーザーの周波数を極限まで押し上げるには条件を明らかにできたことが研究の大きな進展を示している。
我々1542 nmレーザー光の3倍波発生を用いて、514 nm波長帯のヨウ素分子超微細構造を測定し、理論解析によるこの波長帯の振動バンドにおいてヨウ素分子超微細構造定数の回転量子数に対する依存性で新しい知見を見出している。このような基礎データは研究を進めていく上で重要なので、大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザーの周波数安定化において、長時間運転が可能でメンテナンスフリーという実用性の観点を捉え、光時計などの応用で必要となる狭線幅かつ高安定なレーザーを、原理から実証まで研究を進める。そのために、光ファイバーマイケルソン干渉計によるレーザーの狭線幅化とヨウ素分子吸収線によるレーザーの周波数安定化のハイブリッド安定化方式を研究し、その実現可能性を明らかにする。また、システムの評価と改良により、長期連続運転可能な光周波数中継器を実現し、光時計への応用を実証する。さらに、より短い波長帯のヨウ素吸収線を探索し、ガスセルによる安定化としては未踏の周波数安定度の実現を目指す。
これまでにヨウ素安定化Nｄ；YAGレーザーのシステムにおいて2 mのヨウ素セルを使ってレーザー周波数の向上を進めてきたが、今後は1.5 μmの半導体レーザーにおいて2 mのヨウ素セルを投入し、その3倍波の514 nm波長帯のより狭い線幅の吸収線を利用して周波数安定化を行う。相互作用長、変調周波数、ヨウ素セル圧力、光パワーなどの最適化を行って、ガスセルで未踏の周波数安定度の実現を目指す。
2台の同様なレーザーシステムを構築する。そうすることで、システムの評価と改良が可能となる。改良は短期の安定度のみならず、長期連続運転も可能となるように進める。
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