| 研究課題/領域番号 |
17K14367
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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 |
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)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 光時系 / Yb光格子時計 / 長期連続運転 |
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| 研究実績の概要 |
本研究のテーマは次世代の時刻供給を担う連続稼動可能で高安定な光時計(レーザーの光周波数を基準とする時計)の開発である。現状では、マイクロ波時計である水素メーザーが時刻を供給しているが、これに変わる光時計を開発し、より安定な時系を構築することが最終目標である。候補として、ヨウ素安定化レーザー、高安定光共振器にロックしたレーザー、原子ビーム時計を考えたが、現在では、原子ビーム時計が良い候補になるではないかと考えている。原子ビーム時計の開発に向けた研究をスタートさせたが、真空チェンバーの振動という予想外の問題に直面し、その改善に時間を要し、進展が少なかった。
一方で、連続稼働可能な光時計として、将来の秒の定義候補となっている光格子時計も候補に入れるべきである。光格子時計を連続稼働発振器として開発できれば、安定度だけでなく確度も保証されるので魅力的である。実際、光格子時計の長期運転に関する研究は世界で盛んに行われている。そのため、光格子時計の連続運転の可能性に関する研究も行った。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る。そのため、周波数安定化レーザーの堅牢性の向上、アライメントを堅牢化することが重要である。昨年度は、長期運転に向けて、Yb原子を使った光格子時計を新たに開発した。今年度は、開発した光格子時計が長期運転できるように改良を進めた。
今年度の成果として、光格子時計を1週間で80%以上の稼働率で動かすことに成功し、将来の時刻供給の役割を果たす可能性があることを示すことができた。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)
3: やや遅れている
理由
原子ビーム時計は、当研究グループが保有するSr光格子時計の真空装置を用いて開発を行う予定で進めていたが、真空チェンバーの振動という予想外の問題に直面した。冷却Sr原子をトラップするためのアンチヘルムホルツコイルの磁場を変化させたときに、真空窓にわずかな磁性による振動が生じた。この振動は原子時計の確度、安定度ともに影響を与えるうる可能性があり、真空窓をすべて磁性の少ないものに取り替える措置を講じた。これにより、真空装置の振動を大幅に低減することに成功した。
今年度は、Yb光格子時計の長期運転に向けて改良を行った。まず、556 nmの2次冷却レーザーにファイバーレーザーを導入した。ファイバーレーザーは、半導体レーザーよりも堅牢な周波数ロックを可能にする。次に、光格子時計に用いるすべての光源の周波数を、ファイバーコムで制御できるシステムを構築した。また、ファイバー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。アライメントを堅牢化を行うために、光学系の小型化にも取り組んだ。
ファイバーコムのリロック機構は、従来からよく行われている光共振器へのリロックと異なり、キャプチャーレンジが狭いために難しい。そこで今回、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デジタル回路をField Programable Gate Array (FPGA)を用いて開発した。この方法で、光格子時計の無人運転を可能にした。
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| 今後の研究の推進方策 |
原子ビーム時計の開発を進めていく。まずは、光源の堅牢化を行う。689 nmの外部共振器型半導体レーザーを用いる予定であるが、ロックが外れてやすいことが明らかになった。そのため、リロック機構の導入および、干渉フィルター型外部共振器の開発を進める予定である。689 nmは狭線幅であることが求められるが、これには、ファイバーコムを用いた線幅転送を行う予定である。高安定光共振器に安定化したマスターレーザーの線幅をファイバーコムを使って、689 nmに転送する方法である。この方法では、ロックの数が増えるが、今回開発したリロック機構により、堅牢に動作すると期待している。
原子ビーム時計の原理は次のようなものを想定している。原子オーブンを加熱し、熱ビームを生成する。熱ビームの進行方向に対して垂直な方向から689 nmレーザービームを照射し、レーザー光の共鳴と脱励起により原子から発生する蛍光を検出する。Ca原子を使った原子ビーム時計と同様に、ラムゼー分光法を採用する予定である。
Yb光格子時計の昨年度の最高連続運転時間は6時間程度であったが、今回は24時間以上の運転を続けることができるようになった。これ以上の運転を続けるための改良を進める予定である。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。窓がコーティングされるのを防ぐ工夫を施す必要がある。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
想定外の現象の発見(真空装置の振動)により当初の研究計画よりも研究が遅れ、研究に必要な経費を次年度で使用することにしたため。
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