光学系

実際に冷却原子を作るための実験系を説明する．まずは光学系についてである．冷却原子を 作るためにはSlow beam，Trap beam，Repump beamという3つの光が必要となる．これ らの光は図5.13のような光学系を用いて，リング色素レーザーから出た光の周波数を音響光 学変調器を用いてシフトさせることにより作られている．また，対物レンズと凸レンズを置い てビームの直径を広げている．ビームの直径はSlow beamとRepump beamが1.5 cm程度，

Trap beamが2.5 cm程度である．

HWP PBS F 200

Trap beam Slow

beam Repump

beam

downshift 80 MHz upshift 1572 MHz

RDL

AOD AOM AOM

upshift 800 MHz

EOM AOM

E OM downshift

500 MHz

×10

×20

×20

sideband

±1712 MHz

sideband

±1732 MHz

HWP

HWP HWP F 100

F 200 F 50

F 200 F 150

F 100

F 200 HWP

PBS

図5.13 光学系

レーザー冷却を行うためには閉じた遷移が必要となるので，ナトリウムのD2線を用いる．

Slow beam，Trap beam，Repump beamはナトリウムのD2線に図5.14のように共鳴して いる．ここで，νl はレーザーの周波数を表している．RDLの発振波長は589.0 nmに設定し ており，パワーは300 mWである．

1772 MHz 16 MHz 36 MHz 60 MHz

F = 1 F = 2 F’= 0 F’= 1 F’= 2 F’= 3

3S1/2

3P3/2

Slow beam

60 MHz

ν

20 MHz

Trap beam

Repump beam

図5.14 ナトリウムのD2線のエネルギー準位

ここからはそれぞれの光の役割を説明していく．

5.7.1 Slow beam

1772 MHz 16 MHz 36 MHz 60 MHz

F = 1 F = 2 F’= 0 F’= 1 F’= 2 F’= 3

3S_1/2 3P3/2

Slow beam

60 MHz

ν

図5.15 Slow beam RDL から出た光が EOM を通ることにより ±

1712 MHzのサイドバンドが立てられ，その後AOM によって 500 MHz だけ downshift されて，Slow beamとなる．つまりSlow beamは

ν_slow1 =ν_l+ 1712−500 =ν_l+ 1212 [MHz]

ν_slow2 =ν_l−500 [MHz]

νslow3 =νl−1712−500 =νl−2212 [MHz]

の3つの周波数成分を持っている．しかし，νslow3

は原子に共鳴しないので，吸収されない．

Slow beam は原子を減速するための光である．

ドップラーシフトを考慮して，低く設定しておく．

図5.15 の点線の部分がドップラーシフトを表して いる．また，ν_slow1 の周波数成分は Repump光の 役割も担っている．

5.7.2 Trap beam

1772 MHz 16 MHz 36 MHz 60 MHz

F = 1 F = 2 F’= 0 F’= 1 F’= 2 F’= 3

3S1/2

3P3/2

60 MHz

ν

20 MHz

Trap beam

図5.16 Trap beam RDLから出た光がAODによって80 MHzだけ

downshiftされてTrap beamとなる．つまりTrap beamの周波数は

ν_trap=ν_l−80 [MHz]

である．

Trap beamはF = 2↔F^′ = 3 間の共鳴より20 MHz程度レッドシフトしている．F^′ = 3 に励起さ れた原子は，

∆F = 0,±1

という遷移選択則があるため，自然放出し必ず F = 2に落ちる．つまり，原子は吸収と自然放出を行い，

F = 2 ↔F^′ = 3 間を行き来する．この閉じた遷移 により効率的に磁気光学トラップを働かせることが できる．

5.7.3 Repump beam

1772 MHz 16 MHz 36 MHz 60 MHz

F = 1 F = 2 F’= 0 F’= 1 F’= 2 F’= 3

3S1/2

3P3/2

60 MHz

ν

20 MHz

Trap beam

Repump beam

図5.17 Repump beam RDLから出た光がAOMによって1572 MHzだ

けupshiftされ，さらにAOMによって80 MHzだ け upshift されて Repump beam となる．つまり Repump beamの周波数は，

νrepump =νl+ 1572 + 80 =νl+ 1652 [MHz]

である．

Trap beam を吸収することにより，ほとんどの

原子は F^′ = 3 に励起されるが，中にはF = 2 → F^′ = 2 の遷移をする原子もある．すると，F^′ = 2 の原子は自然放出して，F = 1 にも落ちる．一度 F = 1 にも落ちてしまうと，Trap beam と相互作 用しなくなり，トラップから漏れていってしまう．

そこで，Repump beamを用いて，再び F = 2 に ポンプする必要がある．