JP3811778B2 - レーザー周波数安定化装置、及びレーザー周波数安定化方法 - Google Patents
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Description
この発明は、薄いセルに互いに直交するプローブ光とポンプ光を照射し、サブドップラー分光スペクトルを得、そのスペクトルを用いてレーザー周波数の安定化を図る方法、およびそのような方法に用いられる周波数安定化レーザー装置などに関するものである。
レーザーは、様々な研究分野での基本ツールである。レーザーを用いた測定において高い精度や再現性を実現するためには、レーザー光の周波数を特定の基準に一致するように制御する（すなわちレーザーの周波数を安定化する）必要がある。セル中においては、様々な速度を持った原子が運動しているため、原子固有の共鳴周波数は個々の原子の速度に応じた大きさの周波数シフト（ドップラーシフト）を含んでいる。レーザー光を照射したときに得られる吸収スペクトルは、様々な速度の原子の吸収スペクトルの重ねあわせとなり、ドップラー（Doppler）スペクトルとして観測される。このスペクトルでは、原子固有の共鳴線がはっきりと分離して観測できない。そこで、様々な分光法を用いることにより、そのドップラースペクトルから原子が本来持っている固有の共鳴スペクトルをはっきりと分解させたサブドップラースペクトル（Sub-Doppler）を得ている。よりよいレーザーの周波数安定度を得るために、絶対周波数基準として原子や分子のサブドップラースペクトルが一般的に用いられる。
従来から、レーザー周波数の安定化のために飽和吸収分光法が知られている［H. Talvitie, M. Merimaa, E. Ikonen: Opt. Commun. 152, 182 (1998), S. Ohshima, Y. Nakadan, Y. Koga: IEEE J. Quantum Electron. QE-23, 473 (1987), U. Tanaka, T. Yabuzaki: Jpn. J. Appl. Phys. 33, 1614 (1997)］。また、同様の目的のために選択反射分光法により観測される狭原子（分子）線を使用する方法が知られている［R. N. Li, S. T. Jia, D. Bloch, M. Ducloy: Opt. Commun. 146, 186 (1998)］。
近年、薄い蒸気セルを使用する透過分光法がサブドップラースペクトルの新しい手法として、またレーザー周波数を安定させる有用な技術として注目されるようになった。また、極薄のＣｓセル（端壁ギャップ（セルの長さ）10−100μｍ）を用いる単一光ビーム透過分光法も知られている［S. Briaudeau, S. Saltiel, G. Nienhuis, D. Bloch, M. Ducloy: Phys. Rev. A 57, R3169 (1998)］。他方で、薄い蒸気セルの光ポンピングは、非マクスウェル速度分布を生じ、それはプローブ光の吸収スペクトル内のサブドップラー構造として現われることが知られている［A. Izmailov: Opt. Spectrosc. 75, 25 (1994), M. Tachikawa, K. Fukuda, S. Hayashi, T. Kawamura: Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1559 (1998)］。
サブドップラー分光として、薄いセル中のセシウム（Ｃｓ）原子を光ポンピングし、薄いセル特有の速度選択性を利用する技術が知られている（例えば、M. Otake, K. Fukuda, M. Tachikawa: Appl. Phys. B 74, 503 (2002)（非特許文献１））。この文献では、半導体レーザーからの一本のレーザー光が二つの経路へ分割され、一方の光はＣｓ原子のD2線により光ポンピングし、他方の光はその光と垂直方向からセルへ入射、同じ共鳴線の吸収を調べることによって得られるＣｓのD2線の超微細構造スペクトルが観測されている。このポンプ・プローブ技術を用いれば、比較的に厚いセル（端壁ギャップ0.5−5ｍｍ）でも、比較的良好な信号対雑音（S/N）比を与え、鋭敏な共鳴信号を得ることができ、レーザー周波数安定化装置を製作できる。
M. Otake, K. Fukuda, M. Tachikawa: Appl. Phys. B 74, 503 (2002)
本発明は、原子のサブドップラー分光スペクトルを用いてレーザー周波数の安定化を図る方法、およびそのような方法に用いられる周波数安定化レーザー装置を得ることを目的とする。
本発明は、従来よりも簡便かつ適切な装置により、レーザー周波数の安定化を図る方法等を提供することを目的とする。
本発明は、従来よりも簡便かつ適切な装置により、レーザー周波数の安定化を図る方法等を提供することを目的とする。
上記課題の少なくともひとつは、以下の発明により解決される。
本発明の第１の発明は、
（１）気体を封じ込めたセル２と、外部共振器型レーザー３と、前記外部共振器型レーザーの周波数を調整するためのレーザー周波数調整手段４（注入電流調整手段、圧電素子）と、前記外部共振器型レーザーからのレーザー光をポンプ光とプローブ光とに分割するレーザー光分割手段５（ＢＳ）と、前記プローブ光を前記セルの平らな面に導入するための第１の光学系と、前記ポンプ光を前記セルの側面に導入するための第２の光学系とを有し、前記プローブ光がセルを通過した後の光強度を測定する光検出器６と、前記ポンプ光を一定の時間間隔で遮光するＯＮ／ＯＦＦ手段７（チョッパー）と、前記光検出器が検出したプローブ光の強度、当該プローブ光の一次微分信号、ポンプ光がＯＮの時とＯＦＦの時のプローブ光の強度の差、および一次微分信号の差を求める演算手段８と、前記演算手段が求めた一次微分信号の差を用いて、前記外部共振器型レーザーのレーザー周波数に関する情報を求め、前記レーザー周波数調整手段にフィードバックすることにより前記外部共振器型レーザーの周波数の安定化を図るフィードバック手段９とを有するレーザー周波数安定化装置である。
（２）本発明の第１の発明の好ましい態様は、前記セルが四角柱状、又は円柱状である上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（３）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、３ｍｍ〜７ｍｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（４）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セルが円柱状であり、前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、５ｍｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（５）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子である上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（６）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子であり、前記外部共振器型レーザーが、セシウム原子のＤ2線に周波数が同期されるように調整される上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（７）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記外部共振器型レーザーが、１台の外部共振器型レーザーであり、最大強度を示す波長が８５０ｎｍ〜８５４ｎｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（８）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記レーザー周波数調整手段４は、前記外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する注入電流制御手段１０と、前記外部共振器型レーザーに印加される電圧を制御する電圧制御手段１１（圧電素子）のいずれか、又は両方を含む上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（９）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記ＯＮ／ＯＦＦ手段が、所定の速度で回転する光学チョッパーである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（１０）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記レーザー光分割手段により分割されたレーザー光の一方であるプローブ光を前記円柱状のセルの平らな面に導入するための第１の光学系（レンズ）と、前記レーザー光分割手段により分割された残りのレーザー光であるポンプ光を前記円柱状のセルの側面に導入するための第２の光学系（レンズ）とを有し、前記第２の光学系には、前記ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段（レンズ）がある上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
本発明の第１の発明は、
（１）気体を封じ込めたセル２と、外部共振器型レーザー３と、前記外部共振器型レーザーの周波数を調整するためのレーザー周波数調整手段４（注入電流調整手段、圧電素子）と、前記外部共振器型レーザーからのレーザー光をポンプ光とプローブ光とに分割するレーザー光分割手段５（ＢＳ）と、前記プローブ光を前記セルの平らな面に導入するための第１の光学系と、前記ポンプ光を前記セルの側面に導入するための第２の光学系とを有し、前記プローブ光がセルを通過した後の光強度を測定する光検出器６と、前記ポンプ光を一定の時間間隔で遮光するＯＮ／ＯＦＦ手段７（チョッパー）と、前記光検出器が検出したプローブ光の強度、当該プローブ光の一次微分信号、ポンプ光がＯＮの時とＯＦＦの時のプローブ光の強度の差、および一次微分信号の差を求める演算手段８と、前記演算手段が求めた一次微分信号の差を用いて、前記外部共振器型レーザーのレーザー周波数に関する情報を求め、前記レーザー周波数調整手段にフィードバックすることにより前記外部共振器型レーザーの周波数の安定化を図るフィードバック手段９とを有するレーザー周波数安定化装置である。
（２）本発明の第１の発明の好ましい態様は、前記セルが四角柱状、又は円柱状である上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（３）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、３ｍｍ〜７ｍｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（４）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セルが円柱状であり、前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、５ｍｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（５）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子である上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（６）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子であり、前記外部共振器型レーザーが、セシウム原子のＤ2線に周波数が同期されるように調整される上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（７）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記外部共振器型レーザーが、１台の外部共振器型レーザーであり、最大強度を示す波長が８５０ｎｍ〜８５４ｎｍである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（８）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記レーザー周波数調整手段４は、前記外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する注入電流制御手段１０と、前記外部共振器型レーザーに印加される電圧を制御する電圧制御手段１１（圧電素子）のいずれか、又は両方を含む上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（９）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記ＯＮ／ＯＦＦ手段が、所定の速度で回転する光学チョッパーである上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（１０）本発明の第１の発明の好ましい別の態様は、前記レーザー光分割手段により分割されたレーザー光の一方であるプローブ光を前記円柱状のセルの平らな面に導入するための第１の光学系（レンズ）と、前記レーザー光分割手段により分割された残りのレーザー光であるポンプ光を前記円柱状のセルの側面に導入するための第２の光学系（レンズ）とを有し、前記第２の光学系には、前記ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段（レンズ）がある上記（１）に記載のレーザー周波数安定化装置である。
（１１）本発明の第２の発明は、外部共振器型レーザーからのレーザー光を分割し、ポンプ光とプローブ光を得る光分割工程と、前記光分割工程で分割されたポンプ光を気体が封入されたセルの側面に導入し、プローブ光を前記セルの平らな面に導入する光導入工程と、一定周期でポンプ光をセルに照射する／照射しないを繰り返し、この周期と同期したロックイン検波を行い、ポンプ光照射時と遮蔽時とのサブドップラースペクトルの一次微分信号の差分を得る一次微分信号取得工程と、前記一次微分信号取得工程により取得された一次微分信号の差分から得られたエラー信号をレーザー周波数調整手段にフィードバックするフィードバック工程を含む、原子のサブドップラースペクトルを利用したレーザー光の周波数の安定化方法である。
本発明によれば、原子のサブドップラー分光スペクトルを用いてレーザー周波数の安定化を図る方法、およびそのような方法に用いられる周波数安定化レーザー装置を提供することができる。
本発明によれば、従来よりも簡便かつ適切な装置により、レーザー周波数の安定化を図る方法等を提供することができる。
本発明によれば、従来よりも簡便かつ適切な装置により、レーザー周波数の安定化を図る方法等を提供することができる。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図９は、本発明の一実施態様に係るレーザー周波数安定化装置の構成を示す図である。図９に示されるように、本発明のレーザー周波数安定化装置１は、気体を封じ込めたセル２と、外部共振器型レーザー３と、前記外部共振器型レーザーの周波数を調整するためのレーザー周波数調整手段４と、前記外部共振器型レーザーからのレーザー光をポンプ光とプローブ光とに分割するレーザー光分割手段５（ＢＳ）と、前記プローブ光がセルを通過した後の光強度を測定する光検出器６と、前記ポンプ光を一定の時間間隔で遮光するＯＮ／ＯＦＦ手段７（チョッパー）と、前記光検出器が検出したプローブ光の強度、当該プローブ光の一次微分信号、ポンプ光がＯＮの時とＯＦＦの時のプローブ光の強度の差、および一次微分信号の差を求める演算手段８と、前記演算手段が求めた一次微分信号の差を用いて、前記外部共振器型レーザーのレーザー周波数に関する情報を求め、前記レーザー周波数調整手段にフィードバックすることにより前記外部共振器型レーザーの周波数の安定化を図るフィードバック手段９とを有する。図中、１０は、注入電流制御手段を表し、図中、１１は、電圧制御手段を表す。
（セル）
セルとしては、気体を封入できるセルであれば特に限定されるものではなく、公知のガスセルを用いることができる。
セルの形状としては、四角柱状、円柱状のものが挙げられ、好ましくは円柱状のものである。
セルが円柱状の場合、その円柱の直径は、特に限定されるものではないが、例えば、１ｍｍ〜１００ｍｍであり、好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍであり、より好ましくは２０ｍｍ〜４０ｍｍである。
セルの長さとしては、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。本明細書の実施例により確認されたように、セル内部の厚さ（気体が封入される部分の長さ）としては、例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍが挙げられ、好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍであり、よりに好ましくは３ｍｍ〜７ｍｍであり、さらに好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍであり、特に好ましくは５ｍｍである。
セルとしては、気体を封入できるセルであれば特に限定されるものではなく、公知のガスセルを用いることができる。
セルの形状としては、四角柱状、円柱状のものが挙げられ、好ましくは円柱状のものである。
セルが円柱状の場合、その円柱の直径は、特に限定されるものではないが、例えば、１ｍｍ〜１００ｍｍであり、好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍであり、より好ましくは２０ｍｍ〜４０ｍｍである。
セルの長さとしては、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。本明細書の実施例により確認されたように、セル内部の厚さ（気体が封入される部分の長さ）としては、例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍが挙げられ、好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍであり、よりに好ましくは３ｍｍ〜７ｍｍであり、さらに好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍであり、特に好ましくは５ｍｍである。
（外部共振器型レーザー）
外部共振器型レーザーは複数台用いることもできるが、好ましくは１台の外部共振器型レーザーを用いる。外部共振器型レーザーが１台であれば、装置が複雑になることを防ぐことができる。外部共振器型レーザーとしては、最大強度を示すレーザー光の波長が８５０ｎｍ〜８５４ｎｍであるものが好ましく、特に８５２ｎｍ付近に最大強度をもつレーザー光を発する外部共振器型レーザーが好ましい。外部共振器型レーザーとしては、セシウム原子のＤ２線に周波数が同期されるように調整されるものが好ましい。
外部共振器型レーザーは複数台用いることもできるが、好ましくは１台の外部共振器型レーザーを用いる。外部共振器型レーザーが１台であれば、装置が複雑になることを防ぐことができる。外部共振器型レーザーとしては、最大強度を示すレーザー光の波長が８５０ｎｍ〜８５４ｎｍであるものが好ましく、特に８５２ｎｍ付近に最大強度をもつレーザー光を発する外部共振器型レーザーが好ましい。外部共振器型レーザーとしては、セシウム原子のＤ２線に周波数が同期されるように調整されるものが好ましい。
（レーザー周波数調整手段）
レーザー周波数調整手段４は、好ましくは外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する注入電流制御手段１０と、外部共振器型レーザーに印加される電圧を制御する電圧制御手段１１（圧電素子）のいずれか、又は両方を含む。注入電流制御手段としては、外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する公知の電流調整器を用いることができる。電圧制御手段は、好ましくは圧電素子を含み、後述のフィードバック手段からの制御情報に基づいて外部共振器型レーザーに印加する電圧を制御する回路を有する。
レーザー周波数調整手段４は、好ましくは外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する注入電流制御手段１０と、外部共振器型レーザーに印加される電圧を制御する電圧制御手段１１（圧電素子）のいずれか、又は両方を含む。注入電流制御手段としては、外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する公知の電流調整器を用いることができる。電圧制御手段は、好ましくは圧電素子を含み、後述のフィードバック手段からの制御情報に基づいて外部共振器型レーザーに印加する電圧を制御する回路を有する。
（レーザー光分割手段）
レーザー光分割手段は、レーザー光を２つに分割するための手段である。したがって、レーザー光分割手段としては、レーザー光を２つに分割することのできるものであれば特に限定されることはなく、例えば公知の光学素子などのビームスプリッターを用いることができる。
レーザー光分割手段は、レーザー光を２つに分割するための手段である。したがって、レーザー光分割手段としては、レーザー光を２つに分割することのできるものであれば特に限定されることはなく、例えば公知の光学素子などのビームスプリッターを用いることができる。
（光検出器）
光検出器は、光の強度を測定する装置である。光検出器としては、レーザー光の強度を測定することのできるものであれば特に限定されるものではなく、公知の光検出器を用いることができる。光検出器としては、例えば、特開１０−２８４７７２号公報、特開２００１−２８５０６４号公報、特開２００２−７６８９０号公報、中桐ら, 電波研究季報 Vol. 29, No. 149 pp。 97-115 (1983)などに記載されたものを用いることができる。
光検出器は、光の強度を測定する装置である。光検出器としては、レーザー光の強度を測定することのできるものであれば特に限定されるものではなく、公知の光検出器を用いることができる。光検出器としては、例えば、特開１０−２８４７７２号公報、特開２００１−２８５０６４号公報、特開２００２−７６８９０号公報、中桐ら, 電波研究季報 Vol. 29, No. 149 pp。 97-115 (1983)などに記載されたものを用いることができる。
（ＯＮ／ＯＦＦ手段）
ＯＮ／ＯＦＦ手段は、光をある時間間隔で、遮ったり、遮らなかったりするための手段である。ＯＮ／ＯＦＦ手段としては、光の所定の時間間隔で遮ることのできるものであれば、特に限定されるものではなく、公知のＯＮ／ＯＦＦ手段を用いることができる。ＯＮ／ＯＦＦ手段としては、例えば公知の光学チョッパーを用いることもできるし、一定の時間間隔で光を発振する装置を用いても良い。光学チョッパーの時間間隔としては１．５ｋＨｚ程度のものが挙げられる。
ＯＮ／ＯＦＦ手段は、光をある時間間隔で、遮ったり、遮らなかったりするための手段である。ＯＮ／ＯＦＦ手段としては、光の所定の時間間隔で遮ることのできるものであれば、特に限定されるものではなく、公知のＯＮ／ＯＦＦ手段を用いることができる。ＯＮ／ＯＦＦ手段としては、例えば公知の光学チョッパーを用いることもできるし、一定の時間間隔で光を発振する装置を用いても良い。光学チョッパーの時間間隔としては１．５ｋＨｚ程度のものが挙げられる。
（演算手段）
演算手段は、例えば、第１のロックイン増幅器と、第２のロックイン増幅器を含むものが挙げられる。この演算手段によれば、第１のロックイン増幅器は、光検出器の出力を増幅する。また、第２のロックイン増幅器は、前記ＯＮ／ＯＦＦ手段から、ポンプ光が照射された／照射されない時間に関する情報を入手し、第１のロックイン増幅器の出力をポンプ光照射時（例えば図２（ａ））、とポンプ光遮蔽時（例えば図２（ｂ））のものに分けて、それらの差分スペクトル（周波数弁別スペクトル；例えば、図２（ｃ））を求める。
演算手段は、例えば、第１のロックイン増幅器と、第２のロックイン増幅器を含むものが挙げられる。この演算手段によれば、第１のロックイン増幅器は、光検出器の出力を増幅する。また、第２のロックイン増幅器は、前記ＯＮ／ＯＦＦ手段から、ポンプ光が照射された／照射されない時間に関する情報を入手し、第１のロックイン増幅器の出力をポンプ光照射時（例えば図２（ａ））、とポンプ光遮蔽時（例えば図２（ｂ））のものに分けて、それらの差分スペクトル（周波数弁別スペクトル；例えば、図２（ｃ））を求める。
なお、ロックイン増幅器とは、ロックイン検出を用いる増幅器のことをいう。ロックイン検出とは、信号を変調する事によって、そのスペクトルを雑音スペクトルの主成分から離れた周波数帯域に移し、位相敏感検波により、よいS/Nで検出する方法をいう。
（フィードバック手段）
フィードバック手段は、例えば、上記の差分（ポンプ光照射／遮蔽時のサブドップラースペクトルの１次微分信号の差分）を用いて、外部共振器型レーザーにフィードバックする情報を求める。すなわち、例えば、上記差分が図２（ｃ）のグラフによって表される場合、まず、セシウム原子のF=4→F’=3成分、F=4→F’=4成分またはF=4→F’=5成分へロックする。この例では信号強度が０となる部位の周囲の環境からF=4→F’=4成分とF=4→F’=5成分をロック位置として特に好ましく用いることができる。例えば、F=4→F’=5成分へロックした場合、差分スペクトルの強度が負になれば、例えば図２（ｃ）のグラフに基づいて外部共振器型レーザーの周波数を下げ、差分スペクトルの強度が正になれば、例えば図２（ｃ）のグラフに基づいて外部共振器型レーザーの周波数を上げるようにフィードバック情報を求める。
フィードバック手段は、例えば、上記の差分（ポンプ光照射／遮蔽時のサブドップラースペクトルの１次微分信号の差分）を用いて、外部共振器型レーザーにフィードバックする情報を求める。すなわち、例えば、上記差分が図２（ｃ）のグラフによって表される場合、まず、セシウム原子のF=4→F’=3成分、F=4→F’=4成分またはF=4→F’=5成分へロックする。この例では信号強度が０となる部位の周囲の環境からF=4→F’=4成分とF=4→F’=5成分をロック位置として特に好ましく用いることができる。例えば、F=4→F’=5成分へロックした場合、差分スペクトルの強度が負になれば、例えば図２（ｃ）のグラフに基づいて外部共振器型レーザーの周波数を下げ、差分スペクトルの強度が正になれば、例えば図２（ｃ）のグラフに基づいて外部共振器型レーザーの周波数を上げるようにフィードバック情報を求める。
フィードバック情報としては、例えば、レーザー周波数調整手段としての圧電素子からなる電圧調整手段に、印加される電圧に関する情報などが挙げられる。
（光学系）
レーザー光の光通路を制御する光学系としては公知の技術を用いて調整することができる。本発明においては、例えば、プローブ光をセルの平らな面に導入するための第１の光学系と、ポンプ光をセルの側面に導入するための第２の光学系とを有し、前記第２の光学系には、ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段があるものが挙げられる。このような、ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段としては、レンズや、対向する一対のレンズ３７などが挙げられる。
レーザー光の光通路を制御する光学系としては公知の技術を用いて調整することができる。本発明においては、例えば、プローブ光をセルの平らな面に導入するための第１の光学系と、ポンプ光をセルの側面に導入するための第２の光学系とを有し、前記第２の光学系には、ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段があるものが挙げられる。このような、ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段としては、レンズや、対向する一対のレンズ３７などが挙げられる。
（レーザー周波数安定化方法）
次に、上記の構成を有する周波数安定化装置の動作、すなわちレーザー周波数の安定化方法について説明する。本発明のレーザー周波数安定化方法は、例えば、外部共振器型レーザーからのレーザー光を分割し、ポンプ光とプローブ光を得る光分割工程と、前記光分割工程で分割されたポンプ光を気体が封入されたセルの側面に導入し、プローブ光を前記セルの平らな面に導入する光導入工程と、一定周期でポンプ光をセルに照射する／照射しないを繰り返し、この周期と同期したロックイン検波を行い、ポンプ光照射時と遮蔽時とのサブドップラースペクトルの一次微分信号の差分を得る一次微分信号取得工程と、前記一次微分信号取得工程により取得された一次微分信号の差分から得られたエラー信号をレーザー周波数調整手段にフィードバックするフィードバック工程を含む、原子のサブドップラースペクトルを利用したレーザー光の周波数の安定化方法である。
次に、上記の構成を有する周波数安定化装置の動作、すなわちレーザー周波数の安定化方法について説明する。本発明のレーザー周波数安定化方法は、例えば、外部共振器型レーザーからのレーザー光を分割し、ポンプ光とプローブ光を得る光分割工程と、前記光分割工程で分割されたポンプ光を気体が封入されたセルの側面に導入し、プローブ光を前記セルの平らな面に導入する光導入工程と、一定周期でポンプ光をセルに照射する／照射しないを繰り返し、この周期と同期したロックイン検波を行い、ポンプ光照射時と遮蔽時とのサブドップラースペクトルの一次微分信号の差分を得る一次微分信号取得工程と、前記一次微分信号取得工程により取得された一次微分信号の差分から得られたエラー信号をレーザー周波数調整手段にフィードバックするフィードバック工程を含む、原子のサブドップラースペクトルを利用したレーザー光の周波数の安定化方法である。
（実施例１）
図１に、ＥＣＤＬ（外部共振器型ダイオードレーザー）２１の周波数を安定化するための装置の例を示す。セル２２として円筒形（直径３ｃｍ）、厚さ３ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラスで造られたＣｓ蒸気セルを用いた。セルは、長さが０．５、１、２、５、１０ｍｍの５通りのものを用意した。Ｃｓ原子の密度は、室温で約３×１０１０個／ｃｍ３とした。原子の速度が変化するような衝突に対する平均自由行程は、１．４ｍである。ＥＣＤＬ（Ｎｅｗｆｏｃｕｓ６２２６）は、ＣｓのＤ２線の近く８５２ｎｍで発振する。５００ｋＨｚ（５０ｍｓ）の発振線幅は、圧電素子（ＰＺＴ）を含む電圧調整器２３に取り付けられる外部格子から、光学的にフィードバックすることで得た。その周波数は、ＰＺＴ電圧を変更することによって調整した。
図１に、ＥＣＤＬ（外部共振器型ダイオードレーザー）２１の周波数を安定化するための装置の例を示す。セル２２として円筒形（直径３ｃｍ）、厚さ３ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラスで造られたＣｓ蒸気セルを用いた。セルは、長さが０．５、１、２、５、１０ｍｍの５通りのものを用意した。Ｃｓ原子の密度は、室温で約３×１０１０個／ｃｍ３とした。原子の速度が変化するような衝突に対する平均自由行程は、１．４ｍである。ＥＣＤＬ（Ｎｅｗｆｏｃｕｓ６２２６）は、ＣｓのＤ２線の近く８５２ｎｍで発振する。５００ｋＨｚ（５０ｍｓ）の発振線幅は、圧電素子（ＰＺＴ）を含む電圧調整器２３に取り付けられる外部格子から、光学的にフィードバックすることで得た。その周波数は、ＰＺＴ電圧を変更することによって調整した。
レーザー光を、光アイソレータ２４を通過させ、ＢＳ（ビームスプリッター）２５により２つの経路へ分割した。片方の光は、一対のレンズ３７で拡大した後に、側壁からセルへ導いた。ポンプ光は、セル内の全体に照射された。なお、ポンプ光は、直線偏光である。他方の光は、直線偏光され、５ｍｍの直径を有する光となり、プローブ光としてセルの中心部を通過した。プローブ光強度は、２０μＷ／ｃｍ２であった。ガラス表面の反射により生じる交差共鳴を観測しないように、プローブ光の強度を、充分に低く保った。
線形吸収信号を得るために、プローブ光を高度に敏感な低雑音光検知器（Ｎｅｗｆｏｃｕｓ２００１）２６へ焦点を合わせた。電流調整器２７によりインジェクション電流を１０ｋＨｚで変調することによって、レーザー周波数を変調した。周波数変調振幅は、約２５ＭＨｚであった。光検出器からの出力信号を、変調周波数でロックイン検波した。ロックイン増幅器（アンプ）＃１（２８）の低域通過フィルタの時定数は、１００μｓであった。図２に、ロックイン増幅器からの一次微分信号の典型的な観測結果を示す。ロックイン増幅器からの出力信号をレーザー周波数に対する曲線グラフにする。ポンプ光がセルを照射するとき、図２ａに示すように３つの超微細成分が互いに分割される。それらはＦ＝４超微細準位からＦ＝３準位へと遅い原子の分布変動から生じる。ポンプ光が遮断された場合は、その成分がドップラースペクトルに埋もれてしまい、3つの超微細成分に分解されない（図2b参照）。そのプロファイルは、ドップラー広がりに起因するプロファイルを含む微分信号である。３つの超微細成分を分解するために、図２ａに示す出力信号からドップラー広がりを除くように光学チョッパーを使用した。光学チョッパー２９の変調周波数は、１．５ｋＨｚであった。図２ｃに、ロックイン増幅器＃２（３０）からの合成信号を示す。ロックイン増幅器の時定数は３ｍｓであった。レーザー周波数は、図２ｃの復調信号を誤差信号として使用することにより超微細成分のピークへロックした。出力を、積分器と比例増幅器とで構成されるサーボコントローラを通じてＰＺＴへフィードバックした。
なお、図１中、３１は、関数生成器であり、ロックイン増幅器１や電流調整器に対し、所定の関数情報を与える。図１中、３２は、ビームスプリッターであり、このビームスプリッターにより分波されたビームは、ビート周波数の測定に用いられる。図１中、３３、及び３４はアテニュエーターであり、光強度を制御する。図１中、３５、及び３６は、光学素子であり、光路などを調整する。
なお、図１中、３１は、関数生成器であり、ロックイン増幅器１や電流調整器に対し、所定の関数情報を与える。図１中、３２は、ビームスプリッターであり、このビームスプリッターにより分波されたビームは、ビート周波数の測定に用いられる。図１中、３３、及び３４はアテニュエーターであり、光強度を制御する。図１中、３５、及び３６は、光学素子であり、光路などを調整する。
一般的に、レーザー光源の周波数安定度は、同じ方法で安定化された２セットのレーザー光源によるビート周波数のアラン分散を測定することによって評価される。白色雑音の影響下では、アラン分散の平方根は次の式で定義される。
ここに、Ｑは周波数弁別のために使用される共鳴の鋭さを表す係数（Q値）である。S/Nは誤差信号の信号対雑音比であり、τは平均化時間である［H. Talvitie, M. Merimaa, E. Ikonen: Opt. Commun. 152, 182 (1998)］。誤差信号のライン幅が狭くなるほどQ値は大きくなる。薄セル分光法において、セル長が長くなるとS/Nは改善されるが、同時に共鳴のライン幅は広がる。周波数安定化に対する最適なセル長を見つけるために、ロックイン検出されたスペクトルのライン幅とS/Nを測定した。
図3に、誤差信号ライン幅のセル長に対する依存性を示す。ライン幅は一次微分信号のピークとピークの周波数差から決定される。測定されたライン幅は、長いセル長に対し速度選択性を鈍らせるため、セル長の増加に伴い広くなる。非共鳴的に励起された原子がF=4→F’=5成分に主に寄与するため、そのサブドップラースペクトルはF=4→F’=4成分よりも鋭敏である[ M. Otake, K. Fukuda, M. Tachikawa: Appl. Phys. B 74, 503 (2002)]。
図4に一次微分信号のS/Nのセル長に対する依存性を示す。S/Nは、一次微分信号における雑音振幅で割られたピーク間振幅によって与えられる。評価されたS/Nはセル長5ｍｍまで増加している。しかしながら、10ｍｍセルのS/Nは5ｍｍセルのそれより小さい。セル長が長くなったとき、光を吸収する原子数は増加するが、スペクトルはさらに広がる。この二つの要因のトレードオフな関係において、一次微分信号の振幅はセル長５ｍｍで最大値を取る。
図5にライン幅とS/Nの比がセル長に対してプロットされている。この結果から、今回の実験において、一番の周波数安定度はセル長5ｍｍで得られることがわかる。
次に、ECDL光源を2セット作成し、5ｍｍセルを使って周波数安定化を図り、2つのレーザー間のビート（うねり）信号によって、レーザー光の周波数安定度を測定した。片方のレーザーはF=4→F’=4成分へロックされ、他方はF=4→F’=5成分へロックされ、ビート周波数250MHｚを生じた。ポンプ光強度は1.3mW/cm2であり、このときF=4→F’=4成分のライン幅対S/Nの比率とF=4→F’=5成分の場合のそれとがほぼ同じであった。
図6に、平均化時間τの関数としてのビート周波数のアラン分散σｙの平方根を示す。周波数安定化していないレーザーと安定化した場合のレーザーのアラン分散との比較の結果から、平均化時間が0.5秒以上でサーボループによって周波数安定度が10倍ないし100倍改善されていることがはっきりと観測されている。白色雑音の影響下では、アラン分散の平均化時間に対する傾きは式（1）によって評価される。図6に示される周波数安定度σｙは10秒より短いτに対し、理論的に推定された傾きの線とよく一致する。周波数変動は、この範囲内では、ほとんど白色雑音よるものであることがわかる。最小σｙは5秒で6.2×10-11であった。実験室の空調の不完全さによる室温変動のため、10秒以後の平均化時間において、周波数安定度は悪化した。
これまでに示した実験の条件では、光検出器の出力信号のノイズはプローブ光のショットノイズが支配的である。ショットノイズによって誘起される周波数変動は、入射光強度と周波数弁別スペクトルの傾きから評価できる。図6における実線はアラン分散の平方根のショットノイズリミットである。実験値はこのショットノイズリミットより二倍大きく、この違いは、電気回路における熱雑音や音響雑音のような他のノイズ源によって引き起こされていると考えられる。この安定度は、光検出器入射パワーが6μWの時に、達成される。プローブ光強度を大きくすれば、よりよい安定度が期待される。
低いレーザーパワーでのこの周波数安定化方法の実現可能性を評価するために、サブドップラー信号のポンプ光強度に対する依存性を調べた。図7では、観測された一次微分信号の振幅がポンプ光強度に対してプロットされている。F=4→F’=4成分とF=4→F’=5成分の両方ともポンプ光強度に対し単調に増加している。F=4→F’=4成分に対する曲線は、F=4→F’=5成分に対する曲線より、より低い光強度でフラットになる傾向がある。これは以下のように説明される。レーザー周波数がF=4→F’=5共鳴線に近いとき、F=4→F’=4遷移を通して光励起が起こる。この非共鳴遷移に対する飽和強度は、共鳴の場合すなわちレーザー周波数がF=4→F’=4遷移に近いときより、ずっと大きくなる[ M. Otake, K. Fukuda, M. Tachikawa: Appl. Phys. B 74, 503 (2002)]。500μW/cm2以下という弱いポンプ光強度でさえ、一次微分信号は適度によいS/Nで観測される。
図8aにポンプ光強度がかなり弱いとき（100μW/cm2）に観測された一次微分スペクトルを示す。セル長は5ｍｍ、プローブ光強度は20μW/cm2である。同じレーザー強度とセル長で得られた飽和吸収信号を図8bに比較のために示めす。薄セル分光法のS/NとスペクトルQ値は従来の飽和吸収スペクトルのそれと同じくらい良い値である。
飽和吸収分光において、F=4→F’=4（ΔF=0）共鳴線と、F=4→F’=3遷移とF=4→F’=5遷移とで生じるクロスオーバー共鳴線C2が互いに重複している（図8b参照）。薄セル分光法では、ΔF=0遷移のクリアな観測を妨げるクロスオーバー共鳴線が原理的に生じないことが主な利点として挙げられる。
ドップラー広がりによるバックグランドを取り除くために、今回は光チョッパーによるon-offロックイン検出を行った。基底状態の原子数分布の緩和は、原子とセルの端面との衝突によるものが主である。この緩和の時定数は、端面間の飛行時間によって決まり、5ｍｍのセル、200ｍ/ｓの原子では25μ秒になる。従って原子系は数十kHzのon-off変調を許容できる。
本発明を使って周波数安定化されたレーザーの発振周波数と、原子の共鳴周波数とのずれについて、文献[ M. Otake, K. Fukuda, M. Tachikawa: Appl. Phys. B 74, 503 (2002)]で示されたレート方程式モデルから、この周波数シフト量を見積もった。F=4→F’=4成分の周波数のロックポイントは共鳴中心より30kHz低く、F=4→F’=5成分のロックポイントは740kHz低いという結果が得られた。
ドップラー広がりによるバックグラウンドによる周波数のロックポイントの統計的なシフトは、吸収信号の三次微分信号を使うことでも大きく低減できる。一次微分信号に比べて三次微分信号は、ライン幅は狭くなるがS/Nは小さくなる[A. Izmailov, K. Fukuda, M. Kinoshita, M. Tachikawa: Laser Phys., in press.]。実際に一次および三次微分信号のQ値とS/Nを、同じ実験条件で比較を行った。三次微分信号のQ値は一次微分信号のそれより3倍大きくなった。しかしながら、三次微分信号のS/Nは一次微分信号のそれの1/40になった。周波数安定化にとっては、光チョッパーによるon-offロックイン検出による一次微分信号の方が三次微分信号を使用するよりも良好である。
以上から、薄いセルを使って観測されるサブドップラースペクトルは、外部共振器型半導体レーザー光源の周波数を安定化する目的に、使用できることが立証された。この実験では、一番良い周波数安定度は5ｍｍのセル長を使用したときに得られた。光強度20μW/cm2のプローブ光を使って、6.2×10-11の最小σyが平均化時間5秒で達成された。サブドップラー共鳴線は100μW/cm2というかなり弱いポンプ光強度でさえ、はっきりと観測された。この分光法は、スペクトル解析や周波数安定化を本質的に複雑にするクロスオーバー共鳴線を生じない方法である。
本発明は、レーザー光の周波数を安定化することができるので、外部共振器型レーザーを用いるあらゆる技術に用いることができる。
本発明によればレーザー光の周波数を安定化できるので、本発明は、たとえば原子時計など極めて正確なレーザー周波数を用いる分野において利用することができる。
本発明によればレーザー光の周波数を安定化できるので、本発明は、たとえば原子時計など極めて正確なレーザー周波数を用いる分野において利用することができる。
１ レーザー周波数安定化装置
２ セル
３ 外部共振器型レーザー
４ レーザー周波数調整手段
５ レーザー光分割手段
６ 光検出器
７ ＯＮ／ＯＦＦ手段
８ 演算手段
９ フィードバック手段
１０ 注入電流制御手段
１１ 電圧制御手段
２１ ＥＣＤＬ
２２ 蒸気セル
２３ 電圧調整器
２４ 光アイソレーター
２５ ビームスプリッター
２６ 低雑音光検出器
２７ 電流調整器
２８ ロックイン増幅器＃１
２９ 光学チョッパー
３０ ロックイン増幅器＃２
３１ 関数生成器
３２ ビームスプリッター
３３ アテニュエーター
３４ アテニュエーター
３５ 光学素子
３６ 光学素子
３７ 一対のレンズ
２ セル
３ 外部共振器型レーザー
４ レーザー周波数調整手段
５ レーザー光分割手段
６ 光検出器
７ ＯＮ／ＯＦＦ手段
８ 演算手段
９ フィードバック手段
１０ 注入電流制御手段
１１ 電圧制御手段
２１ ＥＣＤＬ
２２ 蒸気セル
２３ 電圧調整器
２４ 光アイソレーター
２５ ビームスプリッター
２６ 低雑音光検出器
２７ 電流調整器
２８ ロックイン増幅器＃１
２９ 光学チョッパー
３０ ロックイン増幅器＃２
３１ 関数生成器
３２ ビームスプリッター
３３ アテニュエーター
３４ アテニュエーター
３５ 光学素子
３６ 光学素子
３７ 一対のレンズ
Claims (11)
- 気体を封じ込めたセルと、
外部共振器型レーザーと、
前記外部共振器型レーザーからのレーザー光の周波数を調整するためのレーザー周波数調整手段と、
前記外部共振器型レーザーからのレーザー光をポンプ光とプローブ光とに分割するレーザー光分割手段と、
前記プローブ光を前記セルの平らな面に導入するための第１の光学系と、
前記ポンプ光を前記セルの側面に導入するための第２の光学系とを有し、
前記プローブ光が前記セルを通過した後の光強度を測定する光検出器と、
前記ポンプ光を一定の時間間隔で遮光するＯＮ／ＯＦＦ手段と、
前記光検出器が検出したプローブ光の強度、当該プローブ光の一次微分信号、ポンプ光がＯＮの時とＯＦＦの時のプローブ光の強度の差および一次微分信号の差を求める演算手段と
前記演算手段が求めた一次微分信号の差を用いて、前記外部共振器型レーザーからのレーザー光のレーザー周波数に関する情報を求め、前記レーザー周波数調整手段にフィードバックすることにより前記外部共振器型レーザーの周波数の安定化を図るフィードバック手段とを有する、
レーザー周波数安定化装置。 - 前記セルが四角柱状、又は円柱状である請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、３ｍｍ〜７ｍｍである請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記セルが円柱状であり、前記セルのセル内部の気体が封入されるセル内部の二つの平らな面の間の長さが、５ｍｍである請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子である請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記セル内に封じ込めた気体が、セシウム原子であり、
前記外部共振器型レーザーが、セシウム原子のＤ2線に周波数が同期されるように調整される請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。 - 前記外部共振器型レーザーが、１台の外部共振器型レーザーであり、最大強度を示す波長が８５０ｎｍ〜８５４ｎｍである請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記レーザー周波数調整手段は、前記外部共振器型レーザーに注入される電流を制御する注入電流制御手段と、前記外部共振器型レーザーに印加される電圧を制御する電圧制御手段のいずれか、又は両方を含む請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記ＯＮ／ＯＦＦ手段が、所定の速度で回転する光学チョッパーである請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 前記第２の光学系には、前記ポンプ光のビーム径を広げるための光学手段がある請求項１に記載のレーザー周波数安定化装置。
- 外部共振器型レーザーからのレーザー光を分割し、ポンプ光とプローブ光を得る光分割工程と、
前記光分割工程で分割されたポンプ光を気体が封入されたセルの側面に導入し、プローブ光を前記セルの平らな面に導入する光導入工程と、
一定周期でポンプ光をセルに照射する／照射しないを繰り返し、この周期と同期したロックイン検波を行い、ポンプ光照射時と遮蔽時とのサブドップラースペクトルの一次微分信号の差分を得る一次微分信号取得工程と、
前記一次微分信号取得工程により取得された一次微分信号の差分から得られたエラー信号をレーザー周波数調整手段にフィードバックするフィードバック工程を含む、
原子のサブドップラースペクトルを利用したレーザー光の周波数の安定化方法。
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