高分解能原子分光を用いたレ-ザ-周波数の超高安定化

レ-ザ-干渉計を利用した重力波検出装置において、その検出感度を決定する重要な要因の1つが光源のレ-ザ-の周波数安定度である。特に重要になるのは周波数の短期安定度であるが、重力波検出には長時間連続観測が不可欠であり、更に到来方向の測定には再現性の高井複数の検出器を設置する必要があること等を考慮すると長期安定度、再現性もともに高いのが望ましい。本研究は、周波数の短期安定度、長期安定度、再現性のいづれもが同時に極めて高い光源を開発するのが目的である。平成3年度では、周波数の超高安定化の方法の開発のために、半導体レ-ザ-を用いた研究を行った。まず、短期安定度を向上させるために、半導体レ-ザ-の外部に共焦点ファブリペロ共振器を製作・設備し、この共振器からの反射光を再びレ-ザ-に帰還させる方法を採り、実験を行った。短期安定度の精密測定は未だ行っていないが、スペクトル巾が100KH_zよりはるかに低くすることができた。更にそのレ-ザ-周波数を連続可変にするために、レ-ザ-電流、温度、外部共振器の位置と長さを連動して変化できるようにした。このようにして周波数の短期安定度を向上させたレ-ザ-の長期安定度と再現性とを高めるためには何らかの絶対周波数基準が必要である。本研究ではルビジウム原子を用い、我々が開発した高分解能分光法で得られるドップラ-・フリ-スペクトルを周波数基準に利用した。この方法では原子には交番磁場を与え、レ-ザ-光は2分し、互いに対向させて原子に与える。この方法の特徴はレ-ザ-周波数を変調することなしに鋭い誤差信号スペクトルが直接得られることである。この誤差信号を外部共振器長の制御に用い、レ-ザ-周波数の短期、長期安定性、再現性の全てを同時に、しかも大巾に高められることがわかった。

レ-ザ-干渉計を利用した重力波検出装置において、その検出感度を決定する重要な要因の1つが光源のレ-ザ-の周波数安定度である。特に重要になるのは周波数の短期安定度であるが、重力波検出には長時間連続観測が不可欠であり、更に到来方向の測定には再現性の高井複数の検出器を設置する必要があること等を考慮すると長期安定度、再現性もともに高いのが望ましい。本研究は、周波数の短期安定度、長期安定度、再現性のいづれもが同時に極めて高い光源を開発するのが目的である。平成3年度では、周波数の超高安定化の方法の開発のために、半導体レ-ザ-を用いた研究を行った。まず、短期安定度を向上させるために、半導体レ-ザ-の外部に共焦点ファブリペロ共振器を製作・設備し、この共振器からの反射光を再びレ-ザ-に帰還させる方法を採り、実験を行った。短期安定度の精密測定は未だ行っていないが、スペクトル巾が100KH_zよりはるかに低くすることができた。更にそのレ-ザ-周波数を連続可変にするために、レ-ザ-電流、温度、外部共振器の位置と長さを連動して変化できるようにした。このようにして周波数の短期安定度を向上させたレ-ザ-の長期安定度と再現性とを高めるためには何らかの絶対周波数基準が必要である。本研究ではルビジウム原子を用い、我々が開発した高分解能分光法で得られるドップラ-・フリ-スペクトルを周波数基準に利用した。この方法では原子には交番磁場を与え、レ-ザ-光は2分し、互いに対向させて原子に与える。この方法の特徴はレ-ザ-周波数を変調することなしに鋭い誤差信号スペクトルが直接得られることである。この誤差信号を外部共振器長の制御に用い、レ-ザ-周波数の短期、長期安定性、再現性の全てを同時に、しかも大巾に高められることがわかった。