| 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, 総括研究主幹 (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 / 無人連続運転 |
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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光格子時計を用いることにした。また、連続運転発振器として、水素メーザーを用いることにした。光格子時計を基準に、水素メーザーを定期的にステアリングし、水素メーザーとTAIをリンクする。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、レーザービームのアライメントの堅牢性の向上を行うことが重要である。昨年度では、光時系構築のためのYb光格子時計を新たに1台立ち上げて、不確かさ評価を行った。しかし、まだ長期運転できる装置には仕上がっていなかった。今年度は、昨年度に引き続き、装置改良を進め、長期運転に向けて大きく前進した。特に、レーザーのロックを自動で復帰する機構の開発に成功し、長期運転に必要なコア技術を得た。この技術に関しては、特許出願を行った。
これまで、光格子時計は1日に数時間程度の運転を行う程度であったが、1週間に80%以上の稼働率で無人連続が可能であることを実証した。今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。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
今年度は、主に光格子時計の長期運転に向けた様々な装置開発を行った。1)556 nmの2次冷却用光源を外部共振器型半導体レーザーからファイバーレーザーに交換した。2)光周波数コムのマルチブランチ化を行い、多数のレーザーをコムに安定化できるシステムを構築した。3)光周波数コムのロックを自動で復帰するリロック機構を開発した。4)光周波数コムとレーザーのオフセットロックのリロック機構を開発した。5)399 nm光によるオプティックスの損傷を低減するために、エンドキャップファーバー、オプティカルコンタクト偏光ビームスプリッタを導入した。6)リモートで時計の一部を制御、監視できるシステムを構築した。
上記2), 3)は、レーザーの位相同期を自動復帰する機構である。光共振器へのロック等と違い、位相同期はキャプチャーレンジが狭く、ロックが外れやすいため、リロック機構の開発が急務であった。しかし、キャプチャーレンジが狭いために、リロックも困難であった。そこで今回、遅延線を使って、レーザー周波数位相同期のキャプチャーレンジ内にいるか否か判定する回路を開発し、リロックを可能にした。
時計の不確かさを低減も進めた。昨年度の不確かさ評価では、光格子による光シフトに起因する不確かさが大きかった。光格子のポテンシャルの深さを下げることで、不確かさ低減が期待されたが、十分な数の原子をトラップできなかった。今年度は、1次冷却用レーザーの改良を行うことで、1次冷却で集められる原子数を増やすことに成功した。これにより、光格子ポテンシャルを低減することができ、光シフトの不確かさを10^-17レベルに低減した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度は1週間の連続運転を実証したが、さらなる長期運転を可能にするための改良を行う。今回、Yb原子蒸気の真空窓へのコーティングによる、レーザー光の透過率低減が、運転時間をリミットする要因になることが明らかになった。そのため、窓を加熱してコーティングを低減する機構を開発する予定である。
連続運転が実証できたので、本研究の目標である国際原子時への貢献へあと一歩というところまできた。国際原子時へ貢献するためには、水素メーザーの周波数を数ヶ月間測定し、国際度量衡局に報告する必要があるが、今年度にこの測定をスタートさせる予定である。連続運転による水素メーザー周波数測定の他に、断続運転による測定も考えている。これは水素メーザーの周波数安定度が良いことを利用して、周波数がドリフトしない間は、測定を行わない方法である。現在、水素メーザーのシミュレーションを行っており、最適な測定頻度を検討している。
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ている。光格子によるシフトを現状よりも低減するためには、原子数の増大のほかに、原子温度の低減を考える必要がる。原子温度は、2次冷却の温度でほぼ決まっているが、ドップラー冷却温度よりも温度が高いため、低減の余地がある。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下げる方法を検討中である。
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