| 研究課題/領域番号 |
19K03699
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
小林 淳 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50579753)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 光共振器 / 光コム / 精密分子分光 |
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| 研究実績の概要 |
近年のレーザー冷却技術の発展によって、原子および分子気体の精密分光実験が実現されており、レーザー周波数の安定度に対する需要が高まっている。最先端の光格子時計等による光原子時計の実験では、15-18桁の原子分光実験が実現され、そこでは光コムを使った光周波数安定化や光周波数比較の技術が必須となっている。
他方で、従来の光コムはモードロックレーザー発振を安定に維持する必要があり、技術的な困難を伴うとともに、非常に高価であるため、多くの研究室では、市販の波長計(精度は7桁程度)を用いるしかなく、技術的な大きな跳びが存在している。
本研究の目的は、高安定かつ高フィネスな光共振器の共鳴周波数間隔の精密な測定技術を開発することにより、従来のモードロックレーザー型の光コムに変わる、安価・安定・容易な『光共振器型の光コム』を開発することである。これによって、GPS信号で容易に得られる12桁のマイクロ波周波数の安定度を、光周波数の安定度へと移すことが可能になる。本研究ではさらに、この技術を原子・分子の精密分光実験へと応用することを目指している。
令和元年度は、京都大学量子光学研究室との共同研究により、高安定な光共振器へのレーザー周波数の安定化技術を開発を行い、投稿論文で報告した。令和2年度は、コロナ禍の発生や私自身の北海道大学への異動があったために、この研究を今までと同じように進めることがやや困難になってしまった。京都大学の量子光学研究室とは週1回ペースでオンラインでのミーティングを行うことによって参加している。さらに、北海道大学においても高安定な光共振器やレーザーの準備などの研究を進めている。ただし、当初の予定よりも遅延があることは否めない。
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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
研究実績の概要に書いた通り、令和２年度は、初頭からコロナ禍が発生してしまい、また7月からは私の北海道大学への異動があった。これらのことから、従来の形で研究を進めることが出来なかった。
前年度までは京都大学の量子光学研究室と共同して研究を進めており、高フィネスで高安定な光共振器に対して、半導体レーザーの周波数を安定化させる技術開発を進めており、その成果を投稿論文の形にまとめていた。ところが、今年度は私が北海道大学へ異動してしまい、地理的に大きく離れてしまったために同様の形では進めることができなくなってしまった。そこで今年度の1年間は、週1回のペースでミーティングを行うことによって共同して研究を進めてきた。前年度はレーザーの光共振器に対する安定度を評価し、それが5Hz以下であることを確認したが、原子分光に対しては数100Hzの線幅となっており、その性能を十分に発揮できていなかった。今年度は原子分光の線幅としても大きな改善を達成し、30Hz程度での分光実験を実現している。さらにこれを用いて、原子の共鳴周波数の同位体シフトの精密な測定に向けて研究を進めている。
また、北海道大学でも、同様な高フィネスで高安定な光共振器および、それに安定化するためのレーザーの準備を進めている。テストとして、やや不安定な光共振器に対して、レーザー周波数を安定化する実験を行い、そのテストに成功している。しかし、高安定な光共振器に対しては準備段階にある。
以上のことから、今年度においても有意な進捗はあるものの、全体としての進捗はやや遅れていると判断される。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度は、コロナ禍および私の異動等があり、残念ながら落ち着いて研究を進めることができなかった。しかし令和3年度からは、私が任期のないポストを得たこともあり、落ち着いた環境で研究が進められると考えている。
令和3年度も昨年度通り、京都大学との共同研究と北海道大学での研究を平行して続けるつもりであるが、特に北海道大学での研究をより推進させていく方針である。私は異動前はJSTさきがけの専任研究者であり、学生がつかないポストであったために、単独で研究を進めてきた。しかし、異動後は毎年学生が配属されるために、学生を指導しつつ協力して研究を進めることで、大きな推進力になると考えている。
現在、光共振器の準備中であるが、今後これを温度安定化された真空チャンバー内に入れることで、気圧・温度等による変化を抑え、さらに高安定な除振テーブルに乗せることで振動による不安定さも除去する。さらに除振台も含めた系全体を防音ＢＯＸ内に入れることで、音による振動からも完全に隔離された、極めて安定な環境を整備する。これによって、光共振器の共鳴周波数は高度に安定化されたものとなる。
共振器に対してレーザー周波数を安定化する技術はすでに開発済みであり、これを適用して安定化を行う。本研究ではさらに、安定化されたレーザーが光共振器から透過してきた光を用いて共鳴周波数間隔(ＦＳＲ)の高精度な測定を実現する。透過してきた光は、すでに共振器に対して、十分に安定化されたものであるため、これを用いることで高精度なFSR測定が実現される。
さらに、安定化されたレーザーを用いて、特に分子の振動準位間隔の精密分光に用いることで、電子・陽子質量比の恒常性検証実験の高精度化などの基礎物理学的研究へと応用させる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究実績に書いた通り、令和2年度はコロナ禍の発生と私自身の異動が重なったことなどにより、当初の計画通りに研究を進めることが困難な状況であった。研究にやや遅れが生じたために、予算が基金であることも考慮して、令和2年度に購入予定だった物品の購入を令和3年度に遅らせることにした。そのため、令和3年度は令和2年度に購入予定であった、ファイバー型電気光学変調器、マイクロ波信号発生器、および光学部品や電子回路部品等消耗品の購入を行う予定である。
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