5 mm

薄いセル中のCs原子を用いた
レーザー周波数安定化
明大理工、通総研A
木下基、福田京也A、細川瑞彦A、A.Izmailov、立川真樹
概要
互いに直交するprobe光とpump光を薄いセルに照射し、薄
いセル特有の速度選択性を利用することで、Sub-Doppler分
光を行うことができる。
今回は、それにより得られたスペクトルを用いてレーザー
の周波数安定化を試みることで、本分光法の実用性を検証
する。
原理
pump
F’=3 or 4
Cs D2 line
6P3/2
probe
F=4
6S1/2
F=3
0.5~10 mm
x
wall collision
z
薄いセル特有の速度選択性によって
F=3状態には遅い原子だけが遷移する。
薄いパイレックス製ガラスセル
実験配置図
beat
optical
isolator
N.D.filter optical chopper
B.S.
Ref.
1.2~1.5 kHz
ECDL
B.S.
current
driver
PZT
driver
lens
N.D.filter
detector
current
modulation
function
generator
cell
lock-in
amplifier
Ref.
10 kHz
lock-in
amplifier
feedback
P.C.
実験結果
pump ON
4→3
signal intensity (a.u.)
透
過
光
強
度
signal intensity (a.u.)
pump OFF
200 MHz
4→4
4→5
200 MHz
frequency
frequency
pump ON
signal intensity (a.u.)
一
次
微
分
signal intensity (a.u.)
pump OFF
200 MHz
0
frequency
200 MHz
0
4→5
4→3
4→4
frequency
一次微分信号における
pump光ON/OFFの差
signal intensity (a.u.)
4→4 4→5
4→3
0
200 MHz
frequency
本実験では、F=4→F’=4およびF=4→F’=5遷移に
よるスペクトルを用いて周波数安定化を行う。
パラメーターの最適化
主なパラメーター
レーザー光強度
セルの厚さ
スペクトル線幅
アラン分散:  
S/N比
を最小にするパラメーターを選ぶ
レーザー光強度について
線幅
signal amplitude (a.u.)
振幅（S/N比）
0
本実験の範囲内では、
レーザー光強度によ
る大きな変化はみら
れなかった。
4→5
4→4
1
2
3
4
5
pump-laser intensity (mW/cm2)
6
レーザー光強度は
強いほうが望ましい
rate方程式による解析
dN 3 (vx , vz ) 1  a3
1  a4
1

N 3 (vx , vz ) 
N 4 (vx , vz )  ( N 3 (vx , vz )  N 3 (vx , vz ))
dt


T
dN 4 (vx , vz ) a3
a
1
1
 N 3 (vx , vz )  4 N 4 (vx , vz )  N 5 (vx , vz )  ( N 4 (vx , vz )  N 4 (vx , vz ))
dt
τ


T
   i ( N i(vx , vz )  N 4 (vx , vz ))
N
5
i  3, 4 , 5
dN 3 (vx , vz )
1 1 
  3 ( N 4 (vx , vz )  N 3 (vx , vz ))     N 3 (vx , vz )
dt
 T 
dN 4 (vx , vz )
1 1 
  4 ( N 4 (vx , vz )  N 4 (vx , vz ))     N 4 (vx , vz )
dt
 T 
dN 5 (vx , vz )
1 1 
  5 ( N 4 (vx , vz )  N 5 (vx , vz ))     N 5 (vx , vz )
dt
 T 
N 4
N 3
i
N4
N3
時間変化を０と置き、N4の定常解を得た
ai

1
T
rate方程式の解析より得られたスペクトル
signal intensity (a.u.)
4→3
4→4
4→5
0
200 MHz
frequency
signal amplitude (a.u.)
スペクトル振幅の計算値
0
4→5
4→4
1
2
3
4
5
pump-laser intensity (mW/cm2)
6
セルの厚さについて
S/N
悪い
良い
線幅
狭い
広い
厚
薄
the ratio of linewidth to S/N
(a.u.)
セルの厚さ
100
4→4
10
4→5
1
0.1
1
5 mm 10
cell thickness (mm)
100
系１
F=4→F’=4にlock
beat
signal
系２
F=4→F’=5にlock
アラン分散
square root of Allan variance
10-7
free run
10-8
10-9
lock
10-10
6.2  10-11
10-11
0.01
0.1
1
sampling time (sec)
5s
10
100
本分光法による周波数安定化の利点
簡便かつコンパクトである
高いレーザー光強度を必要としない
cross over resonanceがない
まとめ
薄いセル中のCs原子を用いた高分解能分光法により得られ
たスペクトルを利用して周波数安定化を行ったところ、平均
時間５秒で6.2  10-11の安定度が得られた。
本分光法は周波数安定化に有効であることが確かめられた

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