Fraunhofer CAP： 局所重力勾配の検出用の高性能でコンパクトなテーパーアンプ

課題

陥没穴の発見、古いパイプラインの探知、油田枯渇の地図作成などの用途向けに、局所的な重力勾配を高感度に測定する実用的かつ経済的なツールに対する普遍的なニーズがあります。 フラウンホーファー応用フォトニクスセンター（英国グラスゴー）の量子技術ビジネスユニットの研究者は現在、産業界のパートナーであるAlter Technology TÜV Nord UK Ltd社との共同作業で、携帯型ソリューションとして原子干渉計を使用することを目標にしています。

Dr. Loyd McKnight博士は、量子技術ビジネスユニットの責任者であり、「私たちが得意とする原子干渉用レーザシステムを応用して、携帯用システムを製作できることを実証したい」と説明しています。原子干渉法では、レーザ冷却を用いて真空容器内に超低温原子（例：ルビジウム）の小さな雲を作り出します。 これらの原子は局所的な重力の影響を受け、超安定レーザでその状態を整えることで、その波動的な振る舞いを利用した高感度な計測を行うことができます。 McKnight氏は、「この確立された技術を、実験室での現象から実用的なフィールド機器にすることは、大きな挑戦です」と付け加えています。また、原子干渉計の動作には、ワット級の出力、狭い安定した線幅、低い振幅および位相ノイズなど、非常にうまく動作するレーザビームが必要であると指摘しています。 これらのレーザは、複雑で高価、かつかさばるため、携帯型の経済的な重力センサーに使用するには理想的な部品とは言えません。

ソリューション

通信用途で広く使われている分布帰還型（DFB：Distributed Feedback）デバイスと呼ばれる特殊な半導体レーザがあり、小さなパッケージから低ノイズの出力を供給することができます。 この場合、ルビジウム蒸気の安価なセルに出力を「ロック」することで、能動的かつ安価に安定化させることができます。 ただし、DFBは数十ミリワットしかなく、この用途に必要な出力は得られません。

幸いにも、フラウンホーファーのCAPチームは、Coherentのテーパーアンプチップによって、完璧な解決策を見いだしました。 これらのデバイスは、小型チップの高品質の光学性能と大型チップの高出力を実現する新しいチップ設計を採用しています。 McKnight氏は次のように説明しています。「DFBとテーパーデバイスを従来のマスターオシレータ出力増幅器（MOPA）配置で組み合わせることで、重力センサーに必要なレーザビーム性能を得ることができるようになりました。 これらのテーパーチップは高品質な増幅を行うため、最終的なMOPA出力は、良好なビーム品質や狭い線幅など、安定化DFBオシレータの光学特性をすべて維持しつつ、必要なワット数の出力を備えています。 また、わずか2個の小型半導体レーザチップで構成されている高性能レーザは、低消費電力でコンパクトなポータブルセットアップに最適です」。

成果

研究チームは、このレーザ配置で3×10⁸個以上のルビジウム原子を1 Hz以上の繰り返し周波数で冷却・捕捉することに成功し、提案する重力センサーに必要な要件を満たしました。 現在は、システムのサイズ、重量、出力の低減に尽力しています。 マクナイト氏は次のように結論付けています。「これと同じレーザベースの量子エンジンは、航空機や潜水艦などによる慣性位置検出にも使えますが、ファイバージャイロよりも長期絶対精度が高くなります。 私たちは、共同研究者とともに、この技術の現場実証を進めています」。

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