セシウム原子ビームのレーザ冷却とトラッピングに関する実験

Abstract

通信総合研究所(CRL)では、原子泉型周波数標準器の基礎技術としてビームのレーザ冷却とトラップ技術の研究を行っており、今回、セシウム原子ビームをゼーマン周調法を用いてレーザ冷却(ビームの減速)し、低速度化した原子を磁気、光学トラップで閉じ込めることに成功した。本文では、原子泉型セシウム標準器、原子ビームのレーザ冷却、原子のトラップ、および実験方法と結果について述べた。レーザ冷却ではビームが減速されるに従ってドップラー効果により共鳴周波数が変化してしまう。これに対して減速を継続させるため、レーザの周波数は一定にしておき原子の周波数を変化させる方法を用いた。すなわち、原子の共鳴周波数が外部磁界により変化するゼーマン効果を利用したゼーマン同調法により、ドップラーシフトを打ち消すような磁界分布をビーム軸上に作り、同調を取り、連続的な冷却を実現した。レーザ周波数は磁気、光学トラップの原理に基づき、原子の共鳴周波数からわずかに負に離調させている。磁気、光学トラップは4重極磁界と4本のレーザービームで構成した。同調用ソレノイドコイル部は約110cm、加熱温度は空気中ヒータ部で140度C、原子初速度は約250m/sで実験した結果、トラップされた原子の密度は約4×10｛8｝個/立方センチメートル、寿命は0.25秒であった。原子泉型標準器の実現のためには、真空度の改善、レーザ周波数安定化による安定なトラップの実現、トラップ原子数および寿命の増加が必要である。

Communications Research Laboratory (CRL) has carried out the research on the technologies of beam laser cooling and trapping as the basic technology for atomic beam frequency standard, and this time, it performed the laser-cooling of cesium atomic beam by using the Zeeman tuning method (slowing-down of beam), and succeeded in confining the slowed-down atoms with a magnet-optical trap. In this paper, atomic beam type cesium standard, the laser cooling of atomic beam, the trapping of atoms, and the experimental method and the results are described. In laser cooling, as beam is slowed down, the resonance frequency results to change due to Doppler effect. In order to continue the slowing-down against this, the method of keeping the frequency of laser constant, and changing the frequency of atoms was used. Namely, the distribution of magnetic field such that Doppler shift is canceled by the Zeeman tuning method which utilizes the Zeeman effect, in which the resonance frequency of atoms changes due to an external magnetic field, was made on beam axis, and it was synchronized, in this way, the continuous cooling was realized. Based on the principle of the magnet-optical trap, laser frequency was detuned to slightly negative side from the resonance frequency. The magnet-optical trap was composed of a quadruple magnetic field and four laser beams. The experiment was carried out with the solenoid coil part for tuning of about 110 cm, the heating temperature of 140 C in the heater part in the air and the initial velocity of atoms of about 250 m/s, and as the results, the density of the trapped atoms was about 4X10(8) atoms/cubic centimeter, and the life was 0.25 s. For realizing an atomic beam type standard, it is necessary to improve the degree of vacuum, to realize a stable trap by stabilizing laser frequency, and to increase the number and the life of trapped atoms.