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2018 Fiscal Year Annual Research Report

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

Research Project

Project/Area Number 18H03886
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

洪 鋒雷  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10260217)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 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, 研究員 (20635817)
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)
吉井 一倫  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 助教 (90582627)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Keywords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
Outline of Annual Research Achievements

ヨウ素分子吸収線の信号対雑音比及び線幅の最適化のために、ヨウ素セル内のヨウ素の圧力を自由に設定できるようにする必要がある。我々は、セルのコールドフィンガーの温度を低い温度に下げられるような温調機構を2種類設計・製作した。まず、従来の温調機構にシリコンゴムの全面カバーなどの改良を加えることで、温調機構の結露を防ぎ、-20℃以下という従来より10℃低い到達温度を実現した。
レーザーの狭線幅化を行うために、光ファイバーマイケルソン干渉計構築する必要がある。ファイバー遅延線を用いたマイケルソン干渉計においては、密閉化、真空化、温度安定化、防音、および除振された安定な環境に光ファイバーを設置することで、実験室環境と比べ、10 Hz以下のファイバーノイズを30 dB以上低減できることがわかった。
狭線幅かつ高安定な周波数安定化レーザーの応用においては、高速制御型の狭線幅光周波数コムの実現が不可欠である。我々は、モード同期エルビウムファイバーレーザーのリング共振器内に小さなファイバーピグテール付きの光学ベンチを挿入し、そこに自由空間型電気光学変調器及び小型光学部品を取り付けることで狭線幅光周波数コムを実現した。達成した制御帯域が約850 kHzで、レーザーの線幅や周波数安定度の評価も行った。
我々はさらに、光コムのマルチブランチ化を図り、1つのモード同期レーザーから8ブランチの光周波数コムの発生を実証した。また、レーザーの線幅とヨウ素分子吸収線の線幅との関係を調べるために、コインサイズの半導体レーザーを用いたヨウ素分子の精密分光と周波数安定化を実施した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

我々は、ヨウ素分子吸収線の信号対雑音比及び線幅の最適化のために、ヨウ素セルのコールドフィンガーの温度を低い温度に下げられるような温調機構を2種類設計・製作した。従来の温調機構にシリコンゴムの全面カバーなどの改良を加えることで、-20℃以下という従来より10℃低い到達温度を実現している。このことから、ヨウ素セルのコールドフィンガーの温調機構の設計・製作は計画通りに進んでいる。
また、ファイバー遅延線を用いたマイケルソン干渉計においては、安定な環境に光ファイバーを設置することで、実験室環境と比べ、10 Hz以下のファイバーノイズを30 dB以上低減できることを見出している。このことから、レーザーの狭線幅化に必要なファイバー遅延線を用いたマイケルソン干渉計においても、計画はおおむね順調に進んでいると考えている。
さらに、高速制御型の狭線幅光周波数コムの実現において、モード同期エルビウムファイバーレーザーのリング共振器内に小さなファイバーピグテール付きの光学ベンチを挿入し、そこに自由空間型電気光学変調器及び小型光学部品を取り付けることで狭線幅光周波数コムを実現している。達成された制御帯域、レーザーの線幅及び周波数安定度の総合評価により、この狭線幅光周波数コムは、狭線幅かつ高安定な周波数安定化レーザーの光を光コムのカバーするすべての波長域に転送できることがわかった。さらに、光コムのマルチブランチ化及びレーザーの線幅とヨウ素分子吸収線の線幅との関係の研究成果を合わせて考えると研究計画が順調に進んでいると言える。

Strategy for Future Research Activity

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。
今後は、2 mヨウ素セルを用いて、セル内のヨウ素圧力を下げて、狭い吸収線幅と高い信号対雑音比を同時に実現した上で、ヨウ素分子の超微細構造信号によるレーザー周波数の安定化を実施する。また、ヨウ素安定化レーザーの周波数安定度評価を行い、繰り返しによる周波数の再現性、周波数不確かさ評価及び絶対周波数計測を実施する。
レーザーの狭線幅化に必要な光ファイバーマイケルソン干渉計の研究においては、それぞれの環境要因がもたらす位相雑音の評価を行う。また、位相雑音を引き起こす主な環境要因を抑えたときにレーザーの狭線幅化どのような影響を与えるのか、このような評価も行う。
さらに、周波数の安定化を行う上で欠かせない位相変調において、残留振幅変調の存在が安定化に悪影響を与えている。残留振幅変調の低減に関する研究も行う予定である。

Remarks

洪研究室 横浜国立大学
http://hong-lab.ynu.ac.jp/

  • Research Products

    (25 results)

All 2019 2018

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Narrow-linewidth and highly stable optical frequency comb realized with a simple electro-optic modulator system in a mode-locked Er:fiber laser2019

    • Author(s)
      Yu Asahina, Kazumichi Yoshii, Yuko Yamada, Yusuke Hisai, Sho Okubo, Masato Wada, Hajime Inaba, Takemi Hasegawa, Yoshinori Yamamoto and Feng-Lei Hong
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Pages: 038003

    • DOI

      10.7567/1347-4065/aafb2a

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Precision spectroscopy and frequency stabilization using coin-sized laser modules2019

    • Author(s)
      Junia Nomura, Kazumichi Yoshii, Yusuke Hisai, and Feng-Lei Hong
    • Journal Title

      Journal of Optical Society of America B

      Volume: 36 Pages: 000631

    • DOI

      10.1364/JOSAB.36.000631

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of 8-branch Er:fiber frequency comb for Sr and Yb optical lattice clocks2019

    • Author(s)
      Yusuke Hisai, Daisuke akamatsu, Takumi Kobayashi, Sho Okubo, Hajime Inaba, Kazumoto Hosaka, Masami Yasuda, and Feng-Lei Hong
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 27 Pages: 6404-6414

    • DOI

      10.1364/OE.27.006404

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Evaluation of laser frequency offset locking using an electrical delay line2018

    • Author(s)
      Yusuke Hisai, Kohei Ikeda, Haruki Sakagami, Tomoyuki Horikiri, Takumi Kobayashi, Kazumichi Yoshii, and Feng-Lei Hong
    • Journal Title

      Applied Optics

      Volume: 57 Pages: 5628-5634

    • DOI

      10.1364/AO.57.005628

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Compact frequency-stabilized pump laser for wavelength conversion in ling-distance quantum communication2018

    • Author(s)
      Kohei Ikeda, Yusuke Hisai, Kazumichi Yoshii, Hideo Kosaka, Feng-Lei Hongs, and Tomoyuki Horikiri
    • Journal Title

      Journal of Optical Society of America B

      Volume: 35 Pages: 2023-2028

    • DOI

      10.1364/JOSAB.35.002023

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 導波路型PPLNを用いた 広帯域光コム発生とその発生メカニズム2019

    • Author(s)
      吉井一倫,野邑寿仁亜,池田幸平,Chaoyun Chen , 田口佳穂,久井裕介,洪鋒雷
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第39回年次大会(東海大学 高輪キャンパス)
  • [Presentation] デュアルコム分光計による13C2H2吸収線の観測とスペクトルの規格化2019

    • Author(s)
      加藤英毅, 池田孝介, 朝比奈優, 増田裕行, 大久保章, 稲場肇, 吉井一倫, 洪鋒雷
    • Organizer
      第14回ナノテク交流シンポジウム(横浜市立大学)
  • [Presentation] 量子情報実験のための光周波数コム及びファイバーリンク2019

    • Author(s)
      竹内媛香, 朝比奈優, 郷治侑真, 吉井一倫, 新関和哉, 田村秀平, 都野智暉, 堀切智之, 洪鋒雷
    • Organizer
      第14回ナノテク交流シンポジウム(横浜市立大学)
  • [Presentation] Yb 原子冷却のための光源と真空装置の開発2019

    • Author(s)
      門馬知彦 、野邑寿仁亜 、久井裕介、吉井一倫 、赤松大輔 、小林拓実 、洪鋒雷
    • Organizer
      第14回ナノテク交流シンポジウム(横浜市立大学)
  • [Presentation] 封じ切りガスセルによるデュアルコム分光計におけるスペクトルの規格化2019

    • Author(s)
      加藤英毅, 池田孝介, 朝比奈優, 増田裕行, 大久保章,稲場肇, 吉井一倫, 洪鋒雷
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会(九州大学伊都キャンパス)
  • [Presentation] Ybディスペンサー原子源を用いた 小型レーザー冷却装置の開発2019

    • Author(s)
      野邑寿仁亜,門馬知彦, 久井裕介,吉井一倫, 小林拓実,赤松大輔, 洪鋒雷
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会(九州大学伊都キャンパス)
  • [Presentation] 導波路型PPLNによる 1.5 µmレーザー光の3倍波発生2019

    • Author(s)
      池田幸平、Chaoyun Chen、吉井一倫、大久保章、柏木謙 洪鋒雷、稲場肇
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会(九州大学伊都キャンパス)
  • [Presentation] An 8-branch optical frequency comb for laser frequency stabilization and measurement in optical lattice clocks2018

    • Author(s)
      Yusuke Hisai, Daisuke Akamatsu, Takumi Kobayashi, Sho Okubo, Hajime Inaba, Kazumoto Hosaka, Feng-Lei Hong, Masami Yasuda
    • Organizer
      Conference on Lazers and Electro-Optics (CLEO2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Determination of the offset frequency of a broadband frequency comb generated in a waveguide-type periodically poled lithium niobate crystal2018

    • Author(s)
      Kazumichi Yoshii, Junia Nomura, Kaho Taguchi, Yusuke Hisai, Feng-Lei Hong
    • Organizer
      Conference on Lazers and Electro-Optics (CLEO2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A High-Speed-Controllable Fiber Comb Using a Compact Optical-Bench System2018

    • Author(s)
      Yu Asahina, Yuko Yamada, Yusuke Hisai, Kazumichi Yoshii, and Feng-Lei Hong
    • Organizer
      CLEO Pacific Rim 2018 (CLEO-PR2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Frequency-Stabilized Pump Laser for Wavelength Conversion in Long-Distance Quantum Communication2018

    • Author(s)
      Kohei Ikeda, Yusuke Hisai, Tomoyuki Horikiri, Kazumichi Yoshii, Hideo Kosaka, Feng-Lei Hong
    • Organizer
      CLEO Pacific Rim 2018 (CLEO-PR2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Offset Frequency Measurement of a Broadband Optical Comb Generated in a Waveguide-Type Periodically- Poled Lithium Niobate Crystal2018

    • Author(s)
      Junia Nomura, Kaho Taguchi, Yusuke Hisai, Kazumichi Yoshii and Feng-Lei Hong
    • Organizer
      CLEO Pacific Rim 2018 (CLEO-PR2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-Compact Frequency-Stabilized Lasers at Visible Wavelengths2018

    • Author(s)
      Kazumichi Yoshii,Yusuke Hisai,Junia Nomura, and Feng-Lei Hong
    • Organizer
      CLEO Pacific Rim 2018 (CLEO-PR2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 導波路型 PPLN による広帯域光コム発生の分極反転周期依存性2018

    • Author(s)
      池田幸平、Chaoyun Chen、 野邑寿仁亜、田口佳穂、吉井一倫、洪鋒雷
    • Organizer
      日本物理学会2018秋季大会(同志社大学:京田辺キャンパス)
  • [Presentation] 狭線幅半導体レーザーを用いたヨウ素分子の高分解能分光2018

    • Author(s)
      坂上 春稀, 千葉 友, 小林 拓実, 朝比奈 優, 大久保 章, 稲場 肇, 吉井 一倫, 洪 鋒雷
    • Organizer
      日本物理学会2018秋季大会(同志社大学:京田辺キャンパス)
  • [Presentation] 低繰り返し周波数光コムを用いたデュアルコム分光計の開発2018

    • Author(s)
      池田 孝介, 加藤 英毅, 山田 優子, 朝比奈 優, 増田 裕行, 大久保 章, 稲場 肇, 吉井 一倫, 洪 鋒雷
    • Organizer
      日本物理学会2018秋季大会(同志社大学京田辺キャンパス)
  • [Presentation] 低繰り返し周波数デュアルコム分光計の開発2018

    • Author(s)
      加藤英毅,池田孝介,朝比奈優,増田裕行,大久保章,稲場肇, 吉井一倫,洪鋒雷
    • Organizer
      Optics Photonics Japan 2018 (OPJ2018:筑波大学東京キャンパス文京校舎)
  • [Presentation] Yb原子レーザー冷却用の小型な 真空およびレーザー装置の開発2018

    • Author(s)
      野邑寿仁亜,門馬知彦, 久井裕介,吉井一倫, 小林拓実,赤松大輔, 洪鋒雷
    • Organizer
      Optics Photonics Japan 2018 (OPJ2018:筑波大学東京キャンパス文京校舎)
  • [Presentation] 導波路型PPLNによる短波長可視域光コムの発生2018

    • Author(s)
      Chaoyun Chen, 池田幸平, 野邑寿仁亜, 久井裕介, 吉井一倫, 洪鋒雷
    • Organizer
      Optics Photonics Japan 2018 (OPJ2018:筑波大学東京キャンパス文京校舎)
  • [Presentation] 導波路型PPLNを用いた 広帯域光コムの発生とそのメカニズム2018

    • Author(s)
      吉井一倫,野邑寿仁亜,池田幸平,Chaoyun Chen,田口佳穂,久井裕介,洪鋒雷
    • Organizer
      東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会

URL: 

Published: 2019-12-27  

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