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本研究の最終年度では、ポジトロニウムのレーザー冷却実現のために構築した高速周波数シフト紫外パルスレーザーの特性評価を行い、所望の性能を有するか検証した。
ポジトロニウムのレーザー冷却の実現にあたり重要な特性として、光周波数の高速なシフトと、レーザーが出力する光パルス列を構成する単一パルスの線幅が適切であることが要求される。これら2つを評価するために、レーザー光の時間分解分光測定を行った。
まず、ストリークカメラを用いた測定により、光周波数が1マイクロ秒あたり約600GHzという変化率で線形に変化することを直接観測した。この変化率は、ポジトロニウムのレーザー冷却に最適化した値であり、設計通りの性能が得られていることが確認できた。
また、構築したレーザーが出力する光パルス列を構成するそれぞれの単一パルスがもつ線幅を評価した。ストリークカメラで測定するには線幅が狭く周波数分解能が不足したため、より周波数分解能の高い時間分解分光法手法を採用した。時間分解のために、光パルス列から単一のパルスを取り出す機構を導入し、取り出した単一パルスの線幅を評価することとした。取り出したパルスは、高分解能を有する光周波数フィルターであるエタロンを透過させ、透過光周波数と透過率の関係から線幅を評価した。測定の結果、単一パルスの線幅は半値全幅で約10GHzと分かった。この値は、ポジトロニウムの準位構造や光の反跳速度などから決定されるレーザー冷却における最適値とおよそ等しい値であり、設計値が実現している。
本研究により、ポジトロニウムのレーザー冷却を実現するための光源の構築が完了し、冷却の実証に向けた準備が整った。構築の過程で、光周波数の制御手法を開拓し、その性能の定量的な評価を実装することができた。本研究によりポジトロニウムのレーザー冷却が実現すれば、反物質の精密科学に大きな進展が期待できる。
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