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2021 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 18H03886
研究機関横浜国立大学

研究代表者

洪 鋒雷  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10260217)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2023-03-31
キーワードレーザー分光 / 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
研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Laser frequency measurement in the short-wavelength region using an intermediate laser and a frequency noise cancellation method2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kojima, Kohei Ikeda, Yuto Tanabe, Daisuke Akamatsu, and Feng-Lei Hong
    • 雑誌名

      Opt. Lett.

      巻: 47 ページ: 30~33

    • DOI

      10.1364/OL.446366

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Generation of 116mW output power at 461 nm in a periodically poled lithium niobate waveguide2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Hisai, Yoshiki Nishida, Hiroshi Miyazawa, Takumi Kobayashi, Feng-Lei Hong, and Daisuke Akamatsu
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 61 ページ: 020701~020701

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac4a05

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hyperfine structure of molecular iodine measured using a light source with a laser linewidth at the megahertz level2021

    • 著者名/発表者名
      Kazumichi Yoshii, Chaoyun Chen, Haruki Sakagami, and Feng-Lei Hong
    • 雑誌名

      OSA Continuum

      巻: 4 ページ: 1452~1460

    • DOI

      10.1364/OSAC.420628

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-resolution spectroscopy of molecular iodine using a narrow-linewidth laser at telecom wavelength2021

    • 著者名/発表者名
      Kohei Ikeda, Rei Kato, Yuma Goji, Daisuke Akamatsu, and Feng-Lei Hong
    • 雑誌名

      IEEE Xplore Digital Library

      巻: 0 ページ: 1~2

    • DOI

      10.1109/CLEO/Europe-EQEC52157.2021.9542225

  • [雑誌論文] 光コム・光周波数標準におけるPPLN導波路の応用2021

    • 著者名/発表者名
      洪 鋒雷、吉井一倫
    • 雑誌名

      光アライアンス

      巻: 32 ページ: No. 7, 14-18

  • [学会発表] 514 nm波長帯のヨウ素分子高分解能分光(II)2022

    • 著者名/発表者名
      吉木万由子, 加藤令偉, 松永祥吾, 池田幸平, 赤松大輔, 洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 556 nmヨウ素分子超微細構造の絶対周波数計測2022

    • 著者名/発表者名
      田邉悠斗, 小嶋優輝, 坂本裕磨, 河野託也, 赤松大輔, 洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] High resolution spectroscopy of molecular iodine using a narrow-linewidth laser at telecom wavelength2021

    • 著者名/発表者名
      Kohei Ikeda, Rei Kato, Yuma Goji, Daisuke Akamatsu, and Feng-Lei Hong
    • 学会等名
      2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] A narrow-linewidth and frequency-stabilized laser at the telecom wavelength for the realization of an “optical H-maser2021

    • 著者名/発表者名
      Feng-Lei Hong
    • 学会等名
      Asia Pacific Workshop on Time and Frequency 2021 (ATF 2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Laser frequency measurement at UV-wavelength region using an intermediate laser and a frequency noise cancellation method2021

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kojima, Kohei Ikeda, Yuto Tanabe,,Daisuke Akamatsu and Feng-Lei Hong
    • 学会等名
      International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] レーザー狭線幅化用ファイバー干渉計の温度依存性2021

    • 著者名/発表者名
      郷治侑真, 西原幹恭, 加藤令偉, 池田幸平, 和田雅人 稲場肇, 赤松大輔, 洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] 2mヨウ素セルを用いたヨウ素安定化Nd:YAGレーザー (III)2021

    • 著者名/発表者名
      加藤令偉, 吉木万由子, 松永祥吾, 郷治侑真, 赤松大輔, 洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] 514 nm波長帯のヨウ素分子高分解能分光2021

    • 著者名/発表者名
      吉木万由子, 加藤令偉, 松永祥吾, 赤松大輔, 洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] レーザーの線幅狭窄化用ファイバー干渉計の温度制御2021

    • 著者名/発表者名
      西原幹恭,郷治侑真,西田卓史,和田雅人,稲場 肇,赤松大輔,洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2021
  • [学会発表] 514nm波長帯のヨウ素分子高分解能分光と周波数計測2021

    • 著者名/発表者名
      吉木万由子,加藤令偉,松永祥吾,池田幸平,赤松大輔,洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2021
  • [学会発表] 556nmヨウ素分子超微細構造遷移の精密分光2021

    • 著者名/発表者名
      田邉悠斗,小嶋優輝,坂本裕磨,河野託也,赤松大輔,洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2021
  • [学会発表] 2mセルを用いたヨウ素安定化Nd:YAGレーザーの安定度の評価2021

    • 著者名/発表者名
      松永祥吾,加藤令偉,吉木万由子,赤松大輔,洪 鋒雷
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2021
  • [学会発表] Yb 原子 556 nm 遷移付近のヨウ素分子精密分光2021

    • 著者名/発表者名
      坂本裕磨、田邉悠斗、小嶋優輝、河野託也、赤松大輔、洪 鋒雷
    • 学会等名
      第6回フォトニクスワークショップ
  • [学会発表] 光コムの低繰り返し化と短波長化2021

    • 著者名/発表者名
      洪 鋒雷
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会 第42回年次大会
    • 招待講演
  • [備考]

    • URL

      http://hong-lab.ynu.ac.jp/

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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