| 研究課題/領域番号 |
17H01151
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
保坂 一元 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, 研究グループ付 (50462859)
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| 研究分担者 |
洪 鋒雷 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10260217)
鈴山 智也 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 (30359111)
小林 拓実 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, 研究員 (40758398)
稲場 肇 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, 研究グループ長 (70356492)
赤松 大輔 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 (90549883)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 光時系 / Yb光格子時計 / 不確かさ評価 / 絶対周波数計測 |
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| 研究実績の概要 |
本研究のテーマは光周波数標準を用いた高精度な時系(光時系: optical time scale)を構築し、光周波数標準が国際原子時(TAI)へ貢献可能な事を実証することである。光周波数標準としてYb光格子時計を用い、また、連続運転発振器として、水素メーザーを用いる。光格子時計を基準に、水素メーザーの周波数の揺らぎを定期的にステアリングし、この水素メーザーとTAIを比較する。この方法により従来よりも高安定な時系の構築を目指す。
本研究の課題の一つは、光格子時計の長期運転の実現である。光格子時計は多数の光源から構成される複雑な装置であり、長期運転が難しい。そのため、周波数安定化レーザーの堅牢性の向上、システムの小型化および省電力化を行う必要がある。当研究所では、これまでYb光格子時計、Sr光格子時計を開発してきたが、光時系構築のために長期運転可能なYb光格子時計(3号機)を新たに開発することにした。
平成29年度は、光格子時計の装置開発および、光格子時計としての動作確認を行った。まず、光格子中への原子の捕獲、時計遷移の観測に成功した。次に、時計の不確かさ評価、絶対周波数計測を行った。開発した光格子時計は数時間程度の連続運転をできるレベルになった。そして、1ヶ月程度にわたり毎日数時間の運転を行う事に成功した。 平成29年度に得られた結果は、国内学会、国際学会で発表した。また、論文投稿予定である。
光格子時計の開発と並行して、水素メーザーのステアリングのシミュレーションを行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度は、主に光格子時計の長期運転に向けた装置開発を行った。光格子時計は、長期運転専用の部屋の中で構築し、部屋外から時計を監視、制御できるようにした。冷却用レーザー、光双極子トラップ用レーザー、時計遷移励起用レーザー等の光源５個すべてをEr添加光ファイバーコムを用いて周波数安定化した。狭線幅が要求される光源(冷却用光源、時計遷移励起光源)に関しては、狭線幅コムを用いて、高安定共振器に安定化した波長1064 nm狭線幅レーザーの線幅を位相ロック技術を用いて、各レーザーに転送することで線幅狭窄化を実現した。これらの工夫を行うことで、1日に数時間程度の運転を毎日行うことができるレベルになった。
不確かさ評価では、光格子によるACシュタルクシフト、黒体輻射シフト、原子間衝突シフト、ゼーマンシフト、時計レーザーによるACシュタルクシフトなどを評価した。時計遷移の不確かさは、主に光格子によるシフト、黒体輻射シフトで制限される結果となった。光時系の構築というアプリケーションにおいては十分な不確かさを達成した。
絶対周波数計測は、水素メーザーを中間発振器として用いて、TAIと比較することで行った。これは、将来、光格子時計を用いてTAIを校正するプロセスの逆のプロセスであり、この測定により現時点の比較精度の限界を知ることが重要である。現在は測定結果の解析を行っている。
水素メーザーのステアリングのシミュレーションは、モンテカルロ法を用いておこなった。実際の水素メーザーの挙動に合うようにパラメータを選び、時系列データを乱数を使って生成した。この時系列データを用いて、仮想的に光格子時計によるステアリングを行った。この方法から、どの程度の頻度でステアリングを行うのが最適かを見積もることができる。現在は、シミュレーションで得られたデータと上記の実測データとの整合性を確認している。
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| 今後の研究の推進方策 |
Yb光格子時計3号機のこれまでの最高連続運転時間は6時間程度である。これ以上の運転を続けるためには、光源の周波数安定化のフィードバック（ロック）が外れた際にロックをやり直す等の作業のために、人が装置を監視し続ける必要がある。この方法で、原理的には24時間以上の連続運転も可能だが、現実的ではない。これを解決するために、自動的にロックをやり直すシステムの開発を検討している。
不確かさは光格子によるシフト、黒体輻射シフトで制限されることがわかった。これらの不確かさを改善することで、時計の信頼度がより向上する。光格子によるシフトは、光格子レーザーのパワーが高いことが問題になっている。パワーを下げた状態でも十分な原子数を捕獲できるよう改善を図る予定である。 黒体輻射シフトは、レーザー冷却に用いるアンチヘルムホルツに電流を流す時間が長く、そこから発生する熱が問題になっている。そのため、電流を流す時間を少なくする予定である。また、長期的にはクライオ環境下に原子を置くシステムを開発し、黒体輻射に起因する不確かさを低減する方法を検討中である。
絶対周波数計測の解析結果から、水素メーザーのシミュレーションの妥当性およびステアリングの頻度の検討を行う。さらに、今後も定期的に光格子時計を運転することで、水素メーザーの長期の動きをモニターする。これまで水素メーザーの動きは、複数台の水素メーザーの比較から推測されているが、光格子時計によるモニターの結果とどの程度整合性がとれるかを調べることは重要である。
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