ホワイトペーパー
コールドアトム アプリケーション用、安定性の高いレーザソース
コールドアトム研究の歴史は、原子物理学分野の一環として始まりましたが、現在では広範かつ極めて学際的な研究活動へと成長しています。この分野は現在、レーザ冷却/トラッピングの開発［1］とボース・アインシュタイン凝縮（BEC）［2］の実証を基盤とし、原子、分子、光学（AMO）物理学、理論モデリング、凝縮物質物理学、量子化学、レーザ技術、その他の分野を含んでいます。さまざまな磁気光学技術の恩恵を受けた結果、BECは操作、探査、調査が可能となり、基礎物理学、原子時計、量子情報、センシング、計測学、超伝導の色々な面を扱う研究者にとって、強力なツールとなっています。
幅広い研究に裏付けられた、コールドアトムを用いる機能要素をベースとする次世代技術機器の開発は、世界中から大きな注目を集めています［3～5］。たとえば、いわゆる「アトムトロニクス」分野では、半導体レーザ、トランジスタ、メモリー素子など、従来のエレクトロニクス部品と同等の素子を作り出すことが検討されています。こうした取り組みにおいて一般的に主な礎となるのは、BEC、原子のトラッピングポテンシャル、そして原子を移動、操作、検出する手段です。コールドアトムの世界で実現された礎を活用して、実用的な超精密測定センシング機器（重力計、加速度計、磁場センサーなど）、量子情報とコンピューティング要素を作り出す取り組みが、続けられています。
このホワイトペーパーでは、コールドアトム分野で重要な手法の1つである遠離調非共鳴レーザ光を用いた原子のトラッピング、冷却、操作について説明します。光双極子トラップ、蒸発冷却、光格子の技術と主なアプリケーションについて概況をまとめ、こうした技術が、使用されるレーザシステムに課す厳しい要件について説明します。また、ここで紹介するアプリケーションでうまく利用されている、Coherentの超低ノイズ連続波レーザ製品ラインの背景にある技術についても、知見をお伝えします。
光双極子トラップとは、レーザビームを用いてコールドアトムの雲を閉じ込める、すでに確立されている技術です［6］。ここで使用される原子は、トラップにロードされる前に、従来のドップラー冷却技術でmK～μK温度まで冷却されています。こうした光トラップが生じるのは、光波の振動電場が電気双極子モーメントを原子内へ誘導し、その結果、光強度の極値により引き付けられたり反発したりするためです。力の符号は、光の周波数が特定の原子種の原子共鳴周波数より低いか（ωレーザ < ωres、赤色離調トラップ）高いか（ωレーザ> ωres、青色離調トラップ）によって異なります。
最も単純な双極子トラップであれば、原子をトラップする必要がある実験で特定領域の光強度を上げるために、単一の赤色離調レーザビームを集束させるだけで生じます。複数のレーザビームを交差させることで、異なる形状のトラップを作り出すこともできます（図1）。青色調光は、「ボックス」タイプのトラップなど、さまざまな形状を作り出すトラップポテンシャルがあります。
図1. 光双極子トラップ
光双極子トラップは、コールドアトム実験における汎用性ある手段です。まず、ロード済みトラップにより、原子を定義された空間に閉じ込めることができます。その後、この原子を実験のある部分から別の部分に移動することも可能です。保存型トラップであるため、光励起は誘発されず、力は原子の位置のみに依存します。
光双極子トラップは、ドップラー冷却技術がmK範囲温度で下限に達した80年代～90年代に、重要な役割を果たしました。この下限よりも低い温度を扱うには、主に光子散乱により引き起こされる加熱効果が妨げとなっていました。達成された温度は、原子BECを生成するには高すぎたのです。そこで、原子の温度をさらに下げるために開発されたのが蒸発冷却です。蒸発冷却の原理は、前述の非共鳴レーザビームまたは不均一磁場を用いることで生成される、ポテンシャルトラップに依存しています［6］。原子が閉じ込められると、レーザ強度を制御することでトラップの高さが低くなります。次に、最も速い（「最も熱い」）原子がトラップから脱出（「蒸発」）し、残りの原子がより低い温度で再熱するにつれて、運動エネルギーを運び去ります（図2）。トラップの高さを下げ、原子がBECを形成するまでこのプロセスを繰り返します。この手法は現在、数μK～nKの低温原子温度が必要とされる実験において、なんらかの形で一般的に使用されています。
図2.気化冷却
非共振レーザ光を使用することで提供されるもうひとつの強力なツールは、光格子です。安定した非共鳴光を使用することにより、複数のレーザビームを干渉させて光格子を生成します。光双極子トラップにおける「バルク」トラップの代わりに、光格子は周期的なパターンで配置された多数の微視的なポテンシャル井戸を提供します（図3）。このような潜在的ランドスケープは、赤色調光、青色調光、またはその両方の組み合わせによって、さまざまな形状を作り出すことができます。3D光格子は、光の干渉パターンが結晶格子を表し、冷たい原子が電子を模倣する、はるかに大きなスケールで固体結晶の構造を模倣することができます。このような欠陥のない調整可能な格子により、数秒の範囲での測定時間が可能になり、固体物理学におけるいくつかの重要な疑問に答える調査モデルとして機能します。いくつかの研究のハイライトは、以下の非網羅的リストに記載されています。
相転移 – 超低温原子を扱い、光格子の配置と磁場で超低温原子の状態を操作できるため、さまざまな量子相へのアクセスができます。これらの物質の状態、特性、遷移ダイナミクスの研究は、凝縮物性物理学や超伝導体を扱う研究者にとって、非常に興味深いものです。たとえば、超流動BECからモット絶縁体への可逆的転移は、徹底的に研究されました［7］。
原子時計 – 計測学の重要技術である原子時計は、かつてマイクロ波技術を用いていました。光原子時計は過去10年間で急速に発展しており、現在、光格子ベースの原子時計が、安定性と体系的不確かさ性能においてリードしています。
図3. 光格子に閉じ込められたコールドアトム
二原子分子 – これまでの研究はほとんどが、1つの原子タイプ（通常は冷却段階で調整可能なレーザ光源で簡単にアクセスできる遷移線を特徴とする中性アルカリタイプの原子 - Rb、Cs、Li、Na、Kだが、Ca、Sr、Yb、Dyなど構造がさらに複雑な原子も）を冷却し操作することで行われてきました。現在は、さらなる機能を提供する、超低温極性二原子分子への関心も高まっています。このようなペアリングは、光会合プロセスまたはフェシュバッハ共鳴を通じて作り出される可能性があります。これは量子相互作用を研究している研究者にとって、光格子内に配置した場合の多体現象や長距離の双極子間相互作用について研究する際に、制御力の高い方法をもたらすものです。実験室で作成されたこのような超低温二原子分子は、ナトリウム - カリウム（NaK）、カリウム - ルビジウム（KRb）、リチウム - ルビジウム（LiRb）のペアで実証されました。このような技術により、同核冷却分子（K2、Rb2、Na2）も作成されました。この低温分子の「合成」生成に加えて、分子の直接冷却にも多大な努力が払われています。
量子シミュレーター – 光格子内のコールドアトムは、量子物理学において理論的にも数値的にもまだ実現できない、特定の問題のモデルとして機能できる可能性のある実験システムを設計する手段をもたらします。このようなシミュレータには、実験のパラメータを制御し、原子状態を操作し、結果を読み取る手段が必要です。このような実験では、これまで説明してきたツール（さまざまな量子相や二原子分子など）がよく使用されます。このようなシミュレーターモデルは、従来のコンピューティングでは解決できない問題に知見をもたらす可能性があります。
レーザ源の要件
上記で説明した実験はマイクロケルビン～ナノケルビン温度の原子を扱うため、ノイズ源に対して超高感度であり、最終的には実験の分解能や測定時間が制限されます。レーザシステムがこれに影響を与えることは、避けられません。さまざまなレーザシステムで、ポンプダイオード、緩和振動ノイズ、電子制御、非線形効果に起因する強度ノイズが発生する可能性があります。周波数ノイズ（レーザ放射周波数のジッター）は、キャビティの熱機械特性の影響を受ける可能性があります。また、トラップ周波数など特定の周波数に対して、実験がより高感度になる可能性もあります。コールドアトム研究用のレーザ源を購入する際には、レーザの安定性の問題に加えて、考慮すべきことが他にもあります。大規模で複雑な実験装置の構成要素の一部であるレーザは、再調整や積極的なメンテナンスを必要とせず、信頼性の高い日常動作を提供できることが重要です。実験中に計画外のダウンタイムが発生すると、理科学研究のスループットに悪影響を及ぼします。このため、信頼性の高いターンキーで使いやすいシステムが求められているのです。
光双極子と格子冷原子の実験では、1μm付近の連続発振（CW）、遠方共鳴波長がよく選択されます（赤色離調トラップの場合）。この波長は、ほとんどの原子が光励起を回避できる十分なスペクトル補正をもたらし、数十ワットまで出力拡張可能なイッテルビウムをドープした固体レーザやファイバーレーザから、市販で手軽に入手できます。高出力には、光双極子トラップの深さが増すという利点があります。その他の重要なレーザパラメータは、次のとおりです。
レーザ線幅 – 明確に定義された干渉パターンには、狭線の単一周波数放射が不可欠です。このパラメータを指定する場合は、レーザ線幅の測定時間を考慮する必要があります。
相対強度ノイズ（RIN）– 強度の変化を受けて低温原子の加熱速度が増すため、可能な限り低いノイズが望まれます。
周波数ノイズ – レーザの周波数ノイズは原子の加熱速度にも影響するため、特に実験中のレーザが外部基準に対して周波数が安定していない場合は、変動を最小限に抑えることが望まれます。
Mephisto – 最も要求の厳しいアプリケーション向けのレーザ
CoherentのCW高安定レーザ光源に対するアプローチは、非平面リング オシレータ（NPRO）技術を基盤としています。この技術はスタンフォード大学で発明されて以来［8］、入手できる限り最も低ノイズのCWレーザアーキテクチャとして認識されています。Mephistoレーザ全機種の基礎となる技術であり、マスターオシレータキャビティでは、個別の光学素子ではなくモノリシック結晶のみが利用されています（図4）。このようなレーザは、超めて低い周波数と振幅ノイズを発生します。レーザの位相ノイズが極めて低いため、1kHz未満の固有線幅を100ミリ秒間、利用できます。さらに、この狭輝線は、NPRO結晶温度の調整または統合された高速ピエゾ電気トランスデューサ（PZT）による微調整で、中心発光周波数付近まで高い精度により調整できます。これでユーザーはレーザ放射を完全に制御できるようになりますが、これは原子冷却/トラッピング実験で非常に重要なことです。この制御があれば、さらに高い周波数安定性が必要な場合に、レーザを外部基準にロックすることもできます。たとえば、レーザの周波数制御が可能ならば、ユーザーはレーザを外部の高安定性キャビティまたはヨウ素線にロックしたいと考えるかもしれません。
Mephisto製品は効率的な干渉構造の作成に重要な狭線幅と低位相ノイズ性能以外に、ノイズイーター（NE）技術でさらに改善される低振幅ノイズも提供します。多くのダイオード励起固体レーザやファイバーレーザの場合と同じく、強度ノイズの顕著な原因となるのが、励起ダイオードと緩和振動です。ノイズイーターはフィードバック信号をポンプダイオードへ送ることで、これら2つの成分を効果的に排除します。Mephisto製品の背景にある技術について、詳しくは［9］を参照してください。
図4. NPRO結晶の概略図。オレンジの矢印は励起光、青の矢印はレーザモードの経路を示します。
Mephistoは優れた安定性パラメータにより、最も要求の厳しい低ノイズレーザアプリケーションの一部で選ばれるレーザです。重力波検出［10］、干渉測定、低信号ヘテロダイン、計測学などの類似アプリケーションで選ばれています。原子物理学実験では、非共鳴波長を用いて十分な深さがあるポテンシャルトラップと高精度で安定した光格子を形成する際に、高い安定性と高出力が特にメリットとなります。
NPROマスターオシレータからの直接出力電力は、最大2Wまで市販されています。出力がさらに高い場合は、熱の影響による横モードおよび縦モードの不安定性により、レーザ性能が損なわれる可能性があります。しかし、このホワイトペーパーで説明されているアプリケーションでは、超狭線幅、低ノイズ、高周波数安定性を維持しつつ、はるかに高い電力、つまり数十ワットが必要とされます。
図5. Coherent Mephisto MOPA
図6. Mephisto MOPA設計の概略図
この電力制限を克服するため、Coherentではマスターオシレータ電力増幅器（MOPA）を採用しています。この構成では、NPROオシレータがシード光源として使用されます。このシードレーザの出力は、最大4つの増幅段（ダイオード励起ネオジムバナジン酸塩結晶、図6）を使用して、段階的に増幅されます。MOPA構成により、レーザのパラメータはシードレーザ内で定義され、NPRO結晶は最適な出力レベルで動作します。
MOPAはMephistoの妥協なき安定性標準で、1064nm時に最大55Wの電力増幅を、工場で統合されたシングルボックスソリューションとして提供します。そのため、同様の超狭線幅、位相雑音スペクトル、周波数調整機能が利用できます。コールドアトムアプリケーションで重要なのは、レーザ振幅ノイズへの影響が最小限であり、50kHzを超える周波数でさらにノイズが加わらないことです。低い周波数では、MOPA制御電子機器によりわずかな増加が生じます（図7を参照）。RINスペクトルを使用すると、光トラップ内のレーザノイズによるコールドアトムの加熱速度を計算できます［11］ – 図8。Mephisto MOPAから生じる低強度ノイズのため、加熱速度は他のレーザ技術と比較して大幅に低くなります。良好なビームパラメータと極めて長いコヒーレンス長（1km超）により、特にビームスプリッタや再帰反射器により複数ビームが形成される実験環境で、ビーム操作がしやすくなります。コールドアトムを用いる理科学実験のほとんどは、波長可変レーザ、ゼーマン低速、真空チャンバー、原子源、関連するオプトエレクトロニクスなどを含めて、比較的複雑なものです。このため、完全統合されたレーザシステムと操作しやすいターンキー操作を含むシングルボックスソリューションを提供することが、当社にとって重要なのです。これがあれば、ユーザーはレーザのメンテナンスではなく実験に集中できます。Coherentはパルス発振全固体レーザ技術に基づくMephisto MOPAに加え、CW単一周波数ファイバー増幅器もNuAmp製品ラインから提供しています。NuAmp製品は最大50Wの電力増幅を提供し、ファイバーによるビーム配信を可能にし、1030～1110nmの波長範囲で利用できます。
図7. シードレーザとMOPAの出力出力（55W）から測定された相対強度ノイズ（RIN）
図8. MOPAからのレーザ強度ノイズによる低温原子の加熱速度
概要
安定したCWレーザは、コールドアトム研究のさまざまな実験法で使用されます。Coherent Mephisto MOPAは、NPRO技術と確立されたレーザ出力増幅技術を使用して、安定性が極めて高いレーザ光源を、厳しく現場試験されたターンキーシングルボックスソリューションで提供します。超狭線幅と市場をリードする位相、強度安定パラメータにより、光双極子トラップまたは光格子が用いられる実験で、最小のノイズと最長の測定時間が実現します。