第 5 章 光周波数コムを使ったメタン分子 ν 3 バンドの絶対周波数測定 78
5.2 実験
5.2.3 周波数の測定方法
メタンの遷移周波数測定は以下の手順で行った．最初に，frepを増減してf1.06µmbeat の符 号を決め，波長1.06µmレーザーを光周波数コムに安定化した．次に，波長1.55µmレー ザーの周波数を粗調し中赤外光の周波数を遷移周波数に近づけ，PDH法で中赤外光の周 波数をCEACの縦モード共振周波数に安定化し，PZT1に三角波電圧を印加して共振器長 を掃引して飽和吸収スペクトルを観測した．その後，CEACのモード周波数を飽和吸収線 の中心に安定化し，再びfrepを増減してf1.55µmbeat の符号を決めた．このとき，ビート周波 数の符号は，レーザー周波数νlaser とそれに最も近い光周波数コムのモード周波数νcomb
(a)f1.06µmbeat (b)f1.55µmbeat
図5.5 観測したf1.06µmbeat とf1.55µmbeat ．周波数スパンは70 MHz，中心周波数は35 MHzである．
を使って
fbeat ≡νlaser−νcomb (5.6)
で定義する．frep，f1.06µmbeat ，f1.55µmbeat の絶対値はそれぞれ周波数カウンターを使ってゲー トタイム1 sで同時に記録した．記録したデータ1組は，200回の測定の平均をとった．
また，データの再現性を確かめるため，1つの吸収線につき最低 2回の測定を別の日に 行った．最後に，光周波数コムのモード数間隔∆nは，HITRAN2008の吸収線周波数デー
タ[114]を使用して計算した．HITRANデータベースは，多くの吸収線でドップラー限界
分解能のFT-IRを基にしており，理論計算による外挿値も含んでいる．∆nの決定に誤り
があると，遷移周波数の測定値はfrep の整数倍だけずれる．しかし，本章で測定した吸
収線はFT-IRによって観測されたもので，HITRANデータの不確かさは悪く見積もって
±20MHz以下である．これは，frepが65 MHzの光周波数コムのモード数間隔を決定す るには十分な精度である．HITRAN2008の吸収線周波数をfHITRANとすると，モード数 間隔は
∆n= [
fHITRAN+ (f1.55µmbeat −f1.06µmbeat )
frep + 1
2 ]
(5.7)
で求められる．ここで[ ]はGauss記号である．これから，メタン分子の遷移周波数fCH4
は
fCH4 = ∆nfrep−(f1.55µmbeat −f1.06µmbeat ) (5.8) で与えられる．
図5.4には，fCEO を測定するためのf–2f 干渉計が含まれていないが，遷移周波数測 定実験の間，スペクトラムアナライザでfCEOをモニターした．この測定ではfCEOを制 御していないので，fCEOの線幅は100 kHz以上であった．しかし，これは長時間平均さ れた中赤外光周波数測定値の不確かさを増やすことはなかった．
図5.6 はf1.06µmbeat とf1.55µmbeat の符号決定方法を示している．具体的には以下の手順で 決める．まず，fCEO を固定してfrep を制御しているシンセサイザーの発振周波数を操 作し，frep を増減しがらスペクトラムアナライザでf1.06µmbeat を観測する．ここで，frep
が増加したときにf1.06µmbeat も増加した場合にはf1.06µmbeat <0，逆の場合にはf1.06µmbeat >0 である．次に，中赤外光の周波数を遷移周波数に固定してfrep を増減し，スペクトラム アナライザでf1.55µmbeat を観測する．frep が増加したときにf1.55µmbeat も増加した場合には f1.55µmbeat > 0，逆の場合にはf1.55µmbeat < 0である．この間，差周波光の周波数は常に飽和 吸収線に安定化されている．
1.55 μm 1.06 μm
ECLD Nd:YAG
ν
frep
図5.6 ビート周波数の符号決定方法．(1)から(4)は，f1.06µmbeat とf1.55µmbeat の符号の組 み合わせのパターンを表している．表の↑と↓は周波数の増減を表す．右上の表は，
frepの増減に対してf1.06µmbeat とf1.55µmbeat が増加した場合，減少した場合に対応する符 号の組み合わせを示している．右下の表は，(1)から(4)の組合せとf1.06µmbeat ，f1.55µmbeat の符号の対応を示している．ここで，+と−はそれぞれビート周波数の符号である．