[論文レビュー] Observation of polarization quantum noise of laser radiation in Rb vapor cell

A. S. Zibrov, Irina Novikova|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2005

Quantum optics and atomic interactions参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、ルビジウム-87蒸気セルを通過するレーザー光の偏光量子ノイズが、電磁誘導透過（EIT）条件下でどのように変化するかを調査した。ステップ状のノイズスペクトルが観測され、顕著な量子ノイズ増幅が示されたが、真空中の圧縮は検出されなかった。これは、光学的に濃い媒体における放射エネルギー捕獲とデコherenceが原因であるとされ、同様の設定で理論的に予測される最大8 dBの圧縮が実現されなかった。

ABSTRACT

We present experimental study of polarization quantum noise of laser radiation passed through optically think vapor of Rb87. We observe a step-like noise spectrum. We discuss various factor which may result in such noise spectrum and prevent observation of squeezing of quantum fluctuations predicted in Matsko et al. PRA 63, 043814 (2001).

研究の動機と目的

• Rb-87蒸気セルを通過するレーザー放射の偏光量子ノイズを、EIT条件下で実験的に調査すること。
• Matskoら（2001）が予測したように、⁸⁷RbのD₁線で真空中の圧縮が観測可能かどうかを検証すること。
• 光学的に濃いEIT媒体で、標準量子限界以下のノイズ低減が実現できない要因を特定・分析すること。
• 放射エネルギー捕獲、ドーピラー効果、光学的損失が原子のコherenと圧縮の抑制に与える影響を評価すること。
• 拡張キャビティダイオードレーザーが、高精度測定におけるFM-AM変換ノイズを最小限に抑える性能を評価すること。

提案手法

• 795 nm（⁸⁷RbのD₁遷移）の線形偏光レーザー光ビーム（1–8 mW）を、約95 °Cのイソトープで強化された⁸⁷Rbを含む2.5 cmの円筒形ピュキシガラスセルに照射した。
• 30 μmのピンホールを用いた空間フィルタリングにより、ほぼガウス的ビームプロファイル（透過率約70％）を実現し、強度非均一性を低減した。
• 強いコントロール場を印加してEITを生成し、ゼーマン準位 |m_F = -1⟩ と |m_F = +1⟩ 間の強い非線形分散とコherent結合を実現した。
• 高い消光比（5×10⁻⁶）を持つ偏光子と半波長素子を用いて、局所発振子の偏光を制御する位相感受性のホモダイン検出方式を採用した。
• 50:50非偏光ビームスプリッタとバランスドフォトダイオードを用いて、直交する2つのモードのノイズスペクトルを測定し、位相変調により量子ノイズ成分を抽出した。
• EITの線幅 Γ は、Γ = Ω² / √(γ_bc γ_a) × 1/√(ηκL) の式で計算した。ここで、Ω はレーザー強度（I）から推定され、γ_a ≈ 6 MHz、γ_bc ≈ 10⁵ Hz、N ≈ 2×10¹² cm⁻³ とされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EIT条件下の⁸⁷Rb蒸気セルにおけるD₁遷移で、偏光量子ノイズの真空中の圧縮が観測可能か？
• RQ2 光学的に濃いEIT媒体で、標準量子ノイズ限界以下のノイズ低減が実現できない主な要因は何か？
• RQ3 放射エネルギー捕獲は、濃い原子蒸気中の原子コherenと真空中の圧縮抑制にどのように影響するか？
• RQ4 光学的損失、ドーピラー・シフト、非一様な強度プロファイルが、観測されたステップ状のノイズスペクトルにどの程度寄与しているか？
• RQ5 拡張キャビティを備えたダイオードレーザーを用いているにもかかわらず、この装置でFM-AM変換が顕著なノイズ源となっているか？

主な発見

• あるホモダイン検出位相において、量子ノイズが2桁増加し、20 MHz付近でピークを示すステップ状のスペクトル形状が観測された。
• 観測されたノイズスペクトルはEIT透過窓と強く相関しており、位相と強度の揺らぎが最も相関する窓の縁付近で最大のノイズが観測された。
• 実験条件下（Ω ≈ 25 MHz、N ≈ 2×10¹² cm⁻³）でEIT線幅Γは約20 MHzと推定され、観測されたノイズスペクトルのピークとよく一致した。
• 放射エネルギー捕獲がデコherenceの主な原因であると特定され、自発的放射された光子の再吸収が、特に密度 ≥10¹⁰ cm⁻³ の場合に原子コherenを破壊した。
• Matsko ら（2001）の理論的予測（最大8 dBの圧縮）にもかかわらず、測定可能な真空中の圧縮は観測されず、放射エネルギー捕獲と光学的損失の併存が原因であるとされた。
• 低位相ノイズの拡張キャビティダイオードレーザーを用いているため、FM-AM変換は主なノイズ源ではないと結論づけられ、観測されたノイズは原子媒体そのものとその非線形応答に起因する内在的ノイズであるとされた。