ガスセル周波数安定化レーザの周波数安定度極限追求と単一イオン光時計への応用

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光周波数標準の候補の一つである単一イオン光時計では,イオンが一個であるため信号対雑音比が悪く,基準スペクトルを検出するため100秒程度の積算時間が必要である.一方,基準スペクトル線を検出するレーザは,その発振線幅がイオンのスペクトル幅より狭い必要がある.発振線幅の狭窄化は光共振器の共鳴に高速で負帰還制御を行うことで実現する.しかし,光共振器の共鳴周波数は熱膨張などにより,10秒以上では変動する.そこで,イオンの信号に制御がかかるまでの10～100秒の間の周波数安定度を,ガスセル安定化レーザを用いて改善した光時計のシステムを考える.この目的のため,Cs 6S-8S二光子吸収線を基準スペクトルとしてレーザ周波数を安定化し,その周波数安定度を追求する.二光子吸収では,対向する光子を同時に吸収させることでドップラーフリーのスペクトルを得る.さらに,二光子吸収の信号強度は光強度の二乗に比例し大きくなるため,ガスセルを光共振器内に設置し共振器内光強度が外部よりも増強されることを利用しスペクトル強度を改善する.一方で,二光子吸収では光強度に比例した光シフトが生じる.昨年度に行ったシフト量の予備計測の結果から,長期周波数ゆらぎが共振器内光強度のゆらぎによって生じる光シフトと同程度であった.このため,光強度安定化を行い安定度の改善を試みた.はじめに,レーザの発振周波数を共振器の共鳴周波数に安定化する.次に共振器長に変調を加え,共振器の共鳴をCs6S-8S遷移に安定化する.続いて,音響光学変調器を用いて共振器内光強度の安定化を行う.このレーザを2台構築し両者のビート周波数のゆらぎから安定度をアラン分散で評価した.光強度安定化により積算時間10秒以降の安定度が改善し,アラン分散の平方根は積算時間10秒まで1.4×10^<-13>(τ/s)^<-1/2>,積算時間16秒で最大安定度4.4×10^<-14>となった.