[論文レビュー] A Cold-Strontium Laser in the Superradiant Crossover Regime

Matthew A. Norcia, James K. Thompson|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、88Srにおける7.5 kHz帯域幅の電気双極子禁制遷移3P1–1S0にフォーカスした冷たいストロンチウムレーザーを実証し、原子のリポンピングにより準安定状態のレーザーを達成した。悪いキャビティ（スーパーレイランス）と良いキャビティの領域を行き来するように調整することで、引き込み係数が0.09(2)に達し、原子のコherー二ティが支配的であることを確認するとともに、キャビティ長の変動に対する周波数感度を最大で10倍まで低減した。

ABSTRACT

Recent proposals suggest that lasers based on narrow dipole-forbidden transitions in cold alkaline earth atoms could achieve linewidths that are orders of magnitude smaller than linewidths of any existing lasers. Here, we demonstrate a laser based on the 7.5 kHz linewidth dipole forbidden $^3 $P$_1$ to $^1 $S$_0$ transition in laser-cooled and tightly confined $^{88}$Sr. We can operate this laser in the bad-cavity regime, where coherence is primarily stored in the atoms, or continuously tune to the more conventional good-cavity regime, where coherence is primarily stored in the light field. We show that the cold-atom gain medium can be repumped to achieve quasi steady-state lasing, and demonstrate up to an order of magnitude suppression in the sensitivity of laser frequency to changes in cavity length, the primary limitation for the most frequency stable lasers today.

研究の動機と目的

• 超狭帯域の電気双極子禁制遷移を利用した冷たいアルカリ土類金属原子に基づくレーザーの開発を目的とし、超狭帯域幅を達成すること。
• 原子増幅媒体のリポンピングにより準安定状態のレーザーを実現すること。
• スーパーレイランス（悪いキャビティ）状態での動作を実証し、レーザー周波数がキャビティ共鳴に依存するのではなく原子遷移に依存することを示すこと。
• キャビティ長の変動に対するレーザー周波数感度を低減し、最先端の周波数安定レーザーにおける主な制限要因を克服すること。
• リポンピングによる有効原子帯域幅の調整により、悪いキャビティと良いキャビティの領域の間の遷移を探索すること。

提案手法

• レーザー冷却された88Sr原子を、高品質因数キャビティ（品質因数 = 24,000、κ = 2π × 160 kHz）内に1次元光格子で強く閉じ込める。
• レーザー発振遷移は、689 nmで7.5 kHz帯域幅の3P1（mJ=0）から1S0への遷移であり、688/689 nmの光励起とリポンピングによって駆動される。
• 3P1、mJ=–1および3S1状態を介した非相関励起によりリポンピングを実現し、3P0および3P2状態からの原子集団回復のための追加レーザーを用いる。
• レーザー出力を周波数安定化689 nm光源と混合し、キャビティ周波数をスキャンすることで、引き込み係数P = Δfl/Δfcを測定する。
• 周波数同期を各実験で維持することで、低周波数ノイズを低減し、ホモダイン検出によるパワースペクトルからレーザー帯域幅を特徴付ける。
• 461 nm MOTビームからのレイリー散乱を用いてリポンビーム強度を変化させることで、有効原子帯域幅を制御し、良いキャビティと悪いキャビティの領域を行き来するようにシステムを調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リポンピングを用いて、冷たい88Sr原子における超狭帯域の電気双極子禁制遷移で準安定状態のレーザーを達成できるか？
• RQ2 悪いキャビティ状態において、レーザー周波数がキャビティ共鳴に依存するのではなく、原子遷移に依存する程度はどの程度か？
• RQ3 悪いキャビティと良いキャビティの動作領域の間の遷移において、引き込み係数P = Δfl/Δfcはどのように変化するか？
• RQ4 放射される光の帯域幅は何か？ また、自然帯域幅やリポンピングによる広がりと比較するとどうなるか？
• RQ5 キャビティ長の変動に対する感度を低減させることで、周波数安定性の向上を達成できるか？

主な発見

• リポンピングによる加熱がレーザーを終了させるまでの間、最大60,000個の原子がそれぞれ約35光子を放射する準安定状態の動作を達成した。
• 低リポンピングパワー（w = 2π × 14 kHz）での測定で、引き込み係数P = 0.09(2)が得られ、原子に主にコherー二ティが保持されている悪いキャビティ状態での動作を確認した。
• 有効原子帯域幅を461 nmレーザーからのレイリー散乱により大きく（2γ′⊥ ≈ 2π × 3 MHz）した場合、引き込み係数はP = 0.97(3)に増加し、コherー二ティが光場に保持されている良いキャビティ状態への遷移を示した。
• 測定された帯域幅は6.0(3) kHz（ローレンツ型）および4.7(3) kHz（ガウス型）であり、自然帯域幅の7.5 kHzよりも狭く、レーザー同期に起因する周波数狭帯域化を示した。
• 悪いキャビティ状態では、キャビティ長の変動に対する感度が10倍低減しており、周波数安定性の向上において顕著な利点を示した。
• 87Srのさらに狭帯域の1S0–3P0遷移を用いたサブHz帯域幅のレーザー実現への道筋を示しており、耐障害性の高い屋外用周波数標準の実現が期待される。