[論文レビュー] Lasing and suppressed cavity-pulling effect of Cesium active optical clock

Zhichao Xu, Wei Zhuang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、455.5 nmの速度選択的励起を用いた四準位セシウム能動的光時計において、レーザー発振とキャビティ引き込みの抑制を実証した。1469.9 nm遷移を用い、ファインネス 4.3 の深く悪いキャビティ状態（deep bad-cavity regime）で動作させることで、キャビティ引き込みが 38.2–41.4× 減少し、量子限界帯域幅 ~6–7 Hz を達成し、光時計の安定性が少なくとも2桁向上した。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the collective emission behavior and suppressed cavity-pulling effect of four-level active optical clock with Cesium atoms. Thermal Cesium atoms in a glass cell velocity selective pumped with a 455.5 nm laser operating at 6S$_{1/2}$ to 7P$_{3/2}$ transition are used as lasing medium. Population inverted Cesium atoms between 7S$_{1/2}$ and 6P$_{3/2}$ levels are optical weakly coupled by a pair cavity mirrors working at deep bad-cavity regime with a finesse of 4.3, and the ratio between cavity bandwidth and gain bandwidth is approximately 45. With increased 455.5 nm pumping laser intensity, the output power of cesium active optical clock at 1469.9 nm from 7S$_{1/2}$ level to 6P$_{3/2}$ level shows a threshold and reach a power of 13 $μ$W. Active optical clock would dramatically improve the optical clock stability since the lasing frequency does not follow the cavity length variation exactly, but in a form of suppressed cavity pulling effect. In this letter the cavity pulling effect is measured using a Fabry-Perot interferometer (FPI) to be reduced by a factor of 38.2 and 41.4 as the detuning between the 1469.9 nm cavity length of the Cs active optical clock and the Cs 1469.9 nm transition is set to be 140.8 MHz and 281.6 MHz respectively. The mechanism demonstrated here is of great significance for new generation optical clocks and can be applied to improve the stability of best optical clocks by at least two orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 熱いセシウム原子を用いた四準位セシウム能動的光時計において、レーザー発振と集団放出を実現すること。
• 従来のシステムで光時計安定性を劣化させるキャビティ引き込み効果を抑制すること。
• レーザー周波数が主に原子遷移に依存し、キャビティ長の変動とは無関係であることを実証すること。
• 能動的フィードバック機構を用いて、光時計安定性を顕著に向上させること。
• 能動的原子系を用いて、10 Hz未満の帯域幅を実現する次世代光時計の基盤を築くこと。

提案手法

• 455.5 nmレーザーによる励起を用いて、7S₁/₂ と 6P₃/₂ 遷移間の人口逆転を達成するため、ガラスセル内に熱いセシウム原子を用いた増幅媒質とする。
• ファインネス = 4.3 の深く悪いキャビティ状態で、1469.9 nm遷移に2枚のキャビティミラーを結合させ、キャビティ帯域幅と増幅帯域幅の比が約45となるようにする。
• 原子遷移からの周波数差が140.8 MHzおよび281.6 MHzのときのキャビティ引き込み効果を測定するために、ファブリ・ペロー干渉計（FPI）を用いる。
• 量子限界帯域幅の式を用いる：Δν = (Γ_cavity / 2n_cavity) × (N_p / (N_p - N_s)) × (1 / (1 + a))²、ここで a はキャビティ帯域幅と増幅帯域幅の比である。
• 1469.9 nmで出力パワー13 μWを測定し、キャビティ内平均光子数を n_cavity = 3.8×10⁴ と計算する。
• 1469.9 nmの悪いキャビティ（bad-cavity）と632.8 nmの良いキャビティ（good-cavity）を併用する二波長キャビティ系を設計し、PDH法を用いて632.8 nmレーザーをロックすることで、1469.9 nmの安定性を2桁向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱い原子と速度選択的励起を用いた四準位セシウム能動的光時計で、レーザー発振を達成できるか？
• RQ2 1469.9 nm遷移を用いた悪いキャビティ状態で、キャビティ引き込み効果はどの程度抑制できるか？
• RQ3 測定された抑制係数（38.2–41.4×）は、キャビティ帯域幅と増幅帯域幅に基づく理論予測とどのように一致するか？
• RQ4 この能動的光時計の量子限界帯域幅を10 Hz未満にまで低下させられるか？
• RQ5 この能動的フィードバック機構により、光時計の安定性が少なくとも2桁向上するか？

主な発見

• 1469.9 nmでのレーザー発振が13 μWの出力パワーを伴って実験的に確認され、能動的光時計システムにおける集団放出が裏付けられた。
• ファブリ・ペロー干渉計による測定で、周波数差が140.8 MHzおよび281.6 MHzのとき、キャビティ引き込み効果がそれぞれ38.2および41.4倍に抑制された。
• キャビティ帯域幅と増幅帯域幅の比が37.2および40.4と測定され、抑制係数とよく一致した。
• 2つの周周波数差条件下での1469.9 nm出力の量子限界帯域幅は、それぞれ7.3 Hzおよび6.2 Hzと計算された。
• キャビティ引き込みが抑制されたため、システムは安定したレーザー周波数を原子遷移に主に依存して維持することができた。
• PDH法による632.8 nmの良いキャビティレーザーのロックを実装する予定の二波長キャビティ設計により、1469.9 nmの安定性が2桁向上すると予想される。