JP2002328199A - 原子のレーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シリコンやゲルマニウムなどの半導体原子を含
む各種の原子をレーザー冷却することを可能にする。 【解決手段】エネルギー準位における基底状態の冷却下
準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷
却する原子のレーザー冷却方法であって、レーザー冷却
の対象となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁
気副準位に応じた複数の異なる偏光をそれぞれ有する所
定波長のコヒーレント光を、所定の時間間隔でずらして
順次に原子に照射するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子のレーザー冷
却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用
いるコヒーレント光源に関し、さらに詳細には、シリコ
ン原子やゲルマニウム原子などのようにエネルギー準位
における冷却下準位として複数の磁気副準位を有する各
種の原子をレーザー冷却する際に用いて好適な原子のレ
ーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー
冷却に用いるコヒーレント光源に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、ボース・アインシュタイン凝縮の
実証に始まって、原子波レーザーや非線形原子波光学の
開拓など、原子のレーザー冷却の応用分野における進展
には大変めざましいものがある。

【０００３】このレーザー冷却応用分野において、これ
までレーザー冷却の対象とされてきたアルカリ金属原子
などの代わりに、シリコンやゲルマニウムなどの半導体
原子をレーザー冷却することが実現できるようになれ
ば、工学的観点からも新たな展開を期待することがで
き、その応用分野は計り知れないものがある。

【０００４】このため、シリコンやゲルマニウムなどの
半導体原子を含む各種の原子をレーザー冷却するための
技術の提案が、強く要望されるようになってきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来からの要望に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、シリコンやゲルマニウムなどの半
導体原子を含む各種の原子をレーザー冷却することを可
能にした原子のレーザー冷却方法およびその装置ならび
に原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源を提供
しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による原子のレーザー冷却方法およびその装
置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源は、以下に説明するような手法に基づいてなされたも
のである。

【０００７】ここで、原子のレーザー冷却とは、原子が
レーザー光と衝突（散乱）して光の吸収と自然放出とを
繰り返すことにより、原子の運動エネルギーを自然放出
光に逃がし、その結果、原子が冷却される冷却法を意味
するものである。

【０００８】こうした原子のレーザー冷却の過程は、原
子を十分に減速する段階と十分に減速した原子を冷却す
る段階とに分けることができる。そして、こうした原子
の減速や原子の冷却には、図１に説明されているような
散乱力が働いている。

【０００９】以下、「散乱力による原子の減速」と「散
乱力による原子の冷却」とについて、それぞれ詳細に説
明する。

【００１０】まず、散乱力による原子の冷却について説
明するが、この散乱力による原子の冷却とは、所謂、
「ドップラー冷却」である。即ち、ドップラーシフト
が、自然幅の数倍程度まで減速された原子の冷却には最
も効果的に作用する。

【００１１】ここで、自然放出を使って原子の冷却を行
うには、放出光子の平均エネルギーが吸収光子の平均エ
ネルギーより大きくなるということが必要である。ドッ
プラー冷却とは、ドップラー効果を利用することによ
り、放出光子の平均エネルギーが吸収光子の平均エネル
ギーより大きくなるという状態を実現するものである。
特に、効果的な負の離調量は、共鳴の自然幅（半値半
幅）程度である。

【００１２】ところで、シリコンの自然幅（半値全幅）
は２８ＭＨｚ程度であることから、ドップラー冷却に
は、それと同程度以下、即ち、２８ＭＨｚ程度の線幅の
レーザーが必要となる。また、このレーザーは、ドップ
ラー冷却温度である２２０マイクロケルビンに到達する
のに約１３０マイクロ秒かかるので、連続波（ＣＷ：Ｃ
ｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）光源とする必要があ
る。

【００１３】なお、シリコンの自然幅（半値全幅）と、
ドップラー冷却温度と、ドップラー冷却温度である２２
０マイクロケルビンに到達するのに要する時間（停止時
間）とは、図２に示す数式により求められる。

【００１４】次に、散乱力による原子の減速について説
明する。ここで、シリコンの融点は１４１４℃であり、
一方、ゲルマニウムの融点は９５８．５℃であって、両
者の融点はともに高融点である。

【００１５】電子ビーム蒸発により表面から飛び出した
シリコン原子の速度は、約１０００ｍ／ｓ（メートル毎
秒）を中心としたボルツマン分布になる。その半値幅は
約１５００ｍ／ｓ以上と広く、共鳴する周波数領域で約
６ＧＨｚ（ギガヘルツ）ある。

【００１６】即ち、速度拡がりによるドップラー拡がり
（ドップラー幅）は、融点温度で約６ＧＨｚである。

【００１７】従って、単一周波数コヒーレント光源を用
いた場合には、その単一周波数コヒーレント光源の周波
数を時間とともに変化させてチャープ冷却することによ
り、原子を減速することが可能となる。

【００１８】一方、原子を減速するには、ピコ秒レーザ
ーを用いるようにしてもよい。即ち、フーリエ変換限界
のパルスでは、１００ピコ秒は１０ＧＨｚの周波数帯域
を持つことができる。つまり、ピコ秒レーザーを用いた
場合には、ドップラー速度拡がりをしている原子ビーム
を同時に減速することができる。

【００１９】なお、ドップラー幅は、図３に示す数式に
より求められる。

【００２０】ここで、シリコン原子をレーザー冷却する
ことが困難であるのは、上記したように冷却波長が短い
という点だけではなく、基底状態におけるエネルギー準
位、即ち、基底準位たる冷却下準位が複数の磁気副準
位、具体的には３つの磁気副準位を有するという点に起
因している。

【００２１】即ち、シリコン原子においては、基底準位
たる冷却下準位として３つの磁気副準位が存在するた
め、アルカリ金属原子のような磁気光学トラップを作る
ことができず、このことがシリコン原子をレーザー冷却
することの困難性の大きな原因となっていた。

【００２２】図４（ａ）（ｂ）を参照しながらさらに詳
細に説明すると、シリコン原子においては、基底状態に
おけるエネルギー準位、即ち、基底準位たる冷却下準位
（３ｓ^２３ｐ^{２ ３}Ｐ_１，Ｊ＝１）は、磁気量子数ｍ
が「ｍ＝−１」、「ｍ＝０」および「ｍ＝＋１」の３つ
の磁気副準位が縮退している。

【００２３】ここで、シリコン原子をレーザー冷却する
ためには、シリコン原子にレーザー光を照射して励起
し、基底状態の冷却下準位から励起準位たる冷却上準位
（３ｓ３ｐ^２４ｓ ^３Ｐ_０，Ｊ＝０）へエネルギー準位
を上げる必要がある。

【００２４】そして、シリコン原子はレーザー光の照射
により励起されて冷却上準位へ上がることになるが、冷
却下準位から冷却上準位へ励起されたシリコン原子は自
然放出寿命を終えると、再び基底状態の冷却下準位へと
戻ることになる。

【００２５】ところが、シリコン原子が冷却上準位から
冷却下準位へ戻る際には、冷却上準位にあるシリコン原
子は「ｍ＝−１」と「ｍ＝０」と「ｍ＝＋１」との３つ
の磁気副準位へ３分の１ずつ均等に戻ることになる（図
４（ｂ）に示す連立微分方程式より解が得られる。）。

【００２６】一方、基底状態の冷却下準位の「ｍ＝−
１」の磁気副準位にあるシリコン原子は、右回りの偏光
（σ＋）のレーザー光を照射された場合に冷却上準位へ
励起されるものであり、また、基底状態の冷却下準位の
「ｍ＝０」の磁気副準位にあるシリコン原子は、直線偏
光（π）のレーザー光を照射された場合に冷却上準位へ
励起されるものであり、また、基底状態の冷却下準位の
「ｍ＝＋１」の磁気副準位にあるシリコン原子は、左回
りの偏光（σ−）のレーザー光を照射された場合に冷却
上準位へ励起されるものである。

【００２７】従って、例えば、直線偏光のレーザー光を
シリコン原子に照射することによりレーザー冷却を行お
うとした場合には、基底状態の冷却下準位の中で「ｍ＝
０」の磁気副準位にあるシリコン原子のみが冷却上準位
へ励起されることになる。そして、冷却上準位へ励起さ
れたシリコン原子は、自然放出寿命を経過した後にその
３分の１ずつしか基底状態の冷却下準位の中の「ｍ＝
０」の磁気副準位へ戻らないので、次第に基底状態の冷
却下準位から冷却上準位へ励起されるシリコン原子の数
が減って行き、アルカリ金属原子のような磁気光学トラ
ップを作ることができないものであった。

【００２８】また、同様に、ゲルマニウム原子も冷却下
準位として複数の磁気副準位が存在するため、レーザー
冷却することが困難であった。

【００２９】本発明は、こうした困難性を克服するため
に、冷却下準位として複数の磁気副準位が存在する原子
をレーザー冷却するにあたって、基底状態の冷却下準位
たる複数の磁気副準位に応じた複数の偏光を有するレー
ザー光をそれぞれ、所定の時間間隔でずらして順次に原
子に照射するようにしたものである。即ち、所定の時間
毎に順番に異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射する
ように、時間的にレーザー光の偏光を制御するものであ
る。

【００３０】そして、このように所定の時間毎に順番に
異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射する場合に、１
光子の吸収・放出に要する時間、即ち、原子の自然放出
寿命の２倍の時間間隔で光子が次々と原子に当たるよう
にすると、基底状態の冷却下準位にある原子を効率的に
冷却上準位へ励起することができる。

【００３１】そして、本発明のうち請求項１に記載の発
明は、エネルギー準位における基底状態の冷却下準位と
して複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する
原子のレーザー冷却方法であって、レーザー冷却の対象
となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準
位に応じた複数の異なる偏光をそれぞれ有する所定波長
のコヒーレント光を、所定の時間間隔でずらして順次に
原子に照射するようにしたものである。

【００３２】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記
所定の時間間隔を、１光子の吸収・放出に要する時間た
る原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔としたもので
ある。

【００３３】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、エネルギー準位における基底状態の冷却下準位とし
て複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する原
子のレーザー冷却装置であって、所定波長のコヒーレン
ト光を発生するコヒーレント光源と、上記コヒーレント
光源から出射されたコヒーレント光の偏光を制御して、
所定の時間間隔で異なる偏光のコヒーレント光を原子に
照射する偏光制御手段とを有し、上記偏光制御手段によ
り照射されるコヒーレント光の偏光は、レーザー冷却の
対象となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁気
副準位に応じた複数の異なる偏光とそれぞれ対応したも
のである。

【００３４】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、エネルギー準位における基底状態の冷却下準位とし
て複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する原
子のレーザー冷却装置であって、レーザー冷却の対象と
なる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準位
に応じた複数の異なる偏光をそれぞれ有する所定波長の
コヒーレント光をそれぞれ出射する複数のコヒーレント
光源を有し、上記複数のコヒーレント光源から出射され
る複数の異なる偏光をそれぞれ有する所定波長のコヒー
レント光を、所定の時間間隔でずらして順次に原子に照
射するようにしたものであり、上記複数のコヒーレント
光源から出射されるコヒーレント光の偏光は、レーザー
冷却の対象となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数
の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光とそれぞれ対応
したものである。

【００３５】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記
複数のコヒーレント光源の少なくとも１つは、２つの異
なる偏光のコヒーレント光を選択的に出射するようにし
たものである。

【００３６】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
は、本発明のうち請求項３、請求項４または請求項５の
いずれか１項に記載の発明において、上記所定の時間間
隔を、１光子の吸収・放出に要する時間たる原子の自然
放出寿命の略２倍の時間間隔としたものである。

【００３７】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源であ
って、所定波長のコヒーレント光を出射するモード同期
（ロック）ピコ秒レーザーと、上記モード同期（ロッ
ク）ピコ秒レーザーから出射される所定波長のコヒーレ
ント光の波長変換を行う波長変換素子と、上記波長変換
素子により波長変換されたコヒーレント光から所望の波
長のコヒーレント光を選択して出射する波長分散素子
と、波長分散素子から出射されたコヒーレント光の波長
を計測し、該計測結果に基づいて、上記モード同期（ロ
ック）ピコ秒レーザーが所定波長のコヒーレント光を出
射するように上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザー
にシグナルを出力するフィードバック回路とを有するよ
うにしたものである。

【００３８】また、本発明のうち請求項８に記載の発明
は、エネルギー準位における基底状態の冷却下準位とし
て複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する原
子のレーザー冷却装置であって、所定波長のコヒーレン
ト光を発生するコヒーレント光源と、半波長板と音響光
学素子とを有し、上記コヒーレント光源から出射された
コヒーレント光の上記半波長板による偏光を制御して、
所定の時間間隔で異なる偏光のコヒーレント光を原子に
照射する偏光制御手段とを有し、上記音響光学素子を使
用して時間的に周波数を変化させてチャープ冷却を行っ
て原子を散乱力により減速するとともに、上記音響光学
素子を使用して時間的に上記半波長板による偏光を分離
するとともに周波数を最適化して原子を散乱力により冷
却するようにしたものである。

【００３９】また、本発明のうち請求項９に記載の発明
は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源であ
って、第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザ
ー光生成システムと、第２の波長のレーザー光を生成す
るとともに上記第１のレーザー光生成システムにおいて
生成された上記第１の波長のレーザー光を導入し、上記
第１の波長のレーザー光と上記第２の波長のレーザー光
との和周波混合により第３の波長のレーザー光を生成す
る第２のレーザー光生成システムとを有するようにした
ものである。

【００４０】また、本発明のうち請求項１０に記載の発
明は、エネルギー準位における基底状態の冷却下準位と
して複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する
原子のレーザー冷却装置であって、第１の波長のレーザ
ー光を生成する第１のレーザー光生成システムと、第２
の波長のレーザー光を生成するとともに上記第１のレー
ザー光生成システムにおいて生成された上記第１の波長
のレーザー光を導入し、上記第１の波長のレーザー光と
上記第２の波長のレーザー光との和周波混合により第３
の波長のレーザー光を生成する第２のレーザー光生成シ
ステムとを有するコヒーレント光源と、半波長板と音響
光学素子とを有し、上記コヒーレント光源から出射され
たコヒーレント光の上記半波長板による偏光を制御し
て、所定の時間間隔で異なる偏光のコヒーレント光を原
子に照射する偏光制御手段とを有し、上記音響光学素子
を使用して時間的に周波数を変化させてチャープ冷却を
行って原子を散乱力により減速するとともに、上記音響
光学素子を使用して時間的に上記半波長板による偏光を
分離するとともに周波数を最適化して原子を散乱力によ
り冷却するようにしたものである。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明による原子のレーザー冷却方法およびその装
置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源の実施の形態の一例を詳細に説明する。

【００４２】図５には、本発明による原子のレーザー冷
却装置（以下、「本発明レーザー冷却装置」と適宜に称
する。）の実施の形態の一例の概念構成説明図が示され
ている。なお、この図５に示す本発明レーザー冷却装置
は、例えば、シリコン原子やゲルマニウム原子などのよ
うな各種の原子を冷却する際に用いることができるもの
である。

【００４３】即ち、この本発明レーザー冷却装置５０
は、所定の波長のコヒーレント光を発生して出射するコ
ヒーレント光源部５２と、コヒーレント光源部５２から
出射されたコヒーレント光の偏光を変化させる偏光制御
部５４とを有して構成されている。

【００４４】ここで、本発明レーザー冷却装置５０のコ
ヒーレント光源部５２は、例えば、コヒーレント光とし
て所定の波長のレーザー光を生成して出射する２段階の
外部共振器型波長変換部として構成することができ、ま
た、本発明レーザー冷却装置５０の偏光制御部５４は、
例えば、時間的に偏光を制御することが可能な複屈折結
晶から構成される電気光学素子と波長板との組み合わせ
よりなる位相変調器として構成することができる。な
お、電気光学素子とは、複屈折結晶に印加した電界によ
って屈折率が変化し、そこを通過するレーザー光の位相
を変化させるものである。

【００４５】ここで、本発明レーザー冷却装置５０を用
いてシリコン原子を冷却する場合において、例えば、コ
ヒーレント光源部５２として上記した２段階の外部共振
器型波長変換部を用い、また、偏光制御部５４として上
記した位相変調器を用いる場合には、コヒーレント光源
部５２たる外部共振器型波長変換部の１段目では、波長
７４６ｎｍのレーザー光（例えば、波長７４６ｎｍのＮ
ｄ：ＹＶＯ_４第２高調波励起のリング型単一モードチタ
ンサファイアレーザー光を用いることができる。）を外
部共振器に導き、共振器内に配設したＬＢＯ結晶により
波長３７３ｎｍの第２高調波を４０％の変換効率で発生
させるようにする。

【００４６】続いて外部共振器型変換部の２段目では、
この波長３７３ｎｍのレーザー光と波長７８０ｎｍのレ
ーザー光（例えば、波長７８０ｎｍの単一モード半導体
レーザー光を用いることができる。）を第２の外部共振
器に導き、２波長のレーザー光を同時共振をさせること
により各々の光強度を同時に増大させ、共振器内のＢＢ
Ｏ結晶による和周波混合により６０ｍＷを越える２５２
ｎｍの光を発生させるようにする。

【００４７】偏光制御部５４では、複屈折結晶から構成
される電気光学素子と波長板との組み合わせにより位相
変調器を構成し、時間的に偏光を制御する。

【００４８】上記したように、電気光学素子とは、複屈
折結晶に印加した電界によって屈折率が変化し、そこを
通過するレーザー光の位相を変化させるものであるが、
図６には、複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の
様子が示されている。複屈折結晶によれば、図６（ａ）
に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相が−π／２ずれ
た場合には、左回りの偏光（σ−）が実現される。ま
た、図６（ｂ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相
のずれがない場合には、直線偏光（π）が実現される。
さらに、図６（ｃ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で
位相がπ／２ずれた場合には、右回りの偏光（σ＋）が
実現される。

【００４９】ここで、図７に示すように、１光子の吸収
・放出に要する時間は、自然放出寿命（τ）の２倍とな
る。

【００５０】具体的にシリコン原子について説明する
と、自然放出寿命は５．５ｎｓ（ナノ秒）（τ＝５．５
ｎｓ）であり、自然放出寿命（τ）の２倍は１１ｎｓ
（２τ＝１１ｎｓ）である。

【００５１】従って、シリコン原子においては、１１ｎ
ｓ毎に光子が当たると効率的に１光子の吸収・放出が行
われて、シリコン原子の冷却が行われる。

【００５２】ここで、周期は「１１ｎｓ×４＝４４ｎ
ｓ」であるので、偏光制御部５４としての位相変調器の
周波数ｆｍが２２．７ＭＨｚ（メガヘルツ）より下であ
れば、効率よくシリコン原子の冷却を行うことができ
る。

【００５３】そして、図４（ｃ）に示すように、自然放
出寿命の略２倍の時間間隔である１２．５ｎｓ毎に、シ
リコン原子に照射されるレーザー光の偏光を右回り偏光
（σ＋）と直線偏光（π）と左回りの偏光（σ−）とに
順次に変化させることによって、シリコン原子を冷却す
ることができる。

【００５４】シリコン原子をレーザー冷却する際に１つ
の偏光方向の光を用いる場合には、冷却下準位の３つの
磁気副準位のうち２つの暗準位になっている冷却サイク
ルが閉じなくなるが、上記したように時間的に偏光方向
を変化させることで、暗準位を作ることなく冷却サイク
ルを閉じることができる。このため、シリコン原子をレ
ーザー冷却することができるようになる。

【００５５】なお、コヒーレント光としてレーザー光を
照射するコヒーレント光源部５２としては、散乱力によ
りシリコン原子を減速させる場合と、散乱力によりシリ
コン原子を冷却させる場合とに応じて、ＣＷレーザー
（連続レーザー）を用いたコヒーレント光源とピコ秒レ
ーザーを用いたコヒーレント光源とを適宜に使い分ける
ようにすればよい。

【００５６】図５においては、単一のコヒーレント光源
部５２、より具体的には、１台のコヒーレント光源装置
を用いて原子をレーザー冷却する場合の実施の形態につ
いて説明したが、次に、図８（ａ）（ｂ）を参照しなが
ら、複数のコヒーレント光源部、より具体的には、３台
のコヒーレント光源装置を用いてシリコン原子やゲルマ
ニウム原子などのような各種の原子をレーザー冷却する
場合の実施の形態について説明する。

【００５７】即ち、図８（ａ）に示す本発明レーザー冷
却装置８０は、右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光
（例えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント
光源部としての第１コヒーレント光源装置８１と、この
第１コヒーレント光源装置８１から照射されたコヒーレ
ント光を反射する反射ミラー８２と、直線偏光（π）の
コヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２
のコヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装
置８３と、この第２コヒーレント光源装置８３から照射
されたコヒーレント光を反射する反射ミラー８４と、左
回り偏光（σ−）のコヒーレント光（例えば、レーザー
光）を照射する第３のコヒーレント光源部としての第３
コヒーレント光源装置８５と、この第３コヒーレント光
源装置８５から照射されたコヒーレント光を反射する反
射ミラー８６とを有している。

【００５８】この図８（ａ）に示す本発明レーザー冷却
装置８０においては、図８（ｂ）に示すように、原子の
自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、第１コヒー
レント光源装置８１と第２コヒーレント光源装置８３と
第３コヒーレント光源装置８５とを順次に交互に照射す
ればよい。

【００５９】次に、図９（ａ）（ｂ）を参照しながら、
複数のコヒーレント光源部、より具体的には、２台のコ
ヒーレント光源装置を用いてシリコン原子やゲルマニウ
ム原子などのような各種の原子をレーザー冷却する場合
の実施の形態について説明する。

【００６０】即ち、図９（ａ）に示す本発明レーザー冷
却装置９０は、偏光を右回り偏光（σ＋）と左回り偏光
（σ−）とに交互に切り替えながらコヒーレント光（例
えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント光源
部としての第１コヒーレント光源装置９１と、この第１
コヒーレント光源装置９１から照射されたコヒーレント
光を反射する反射ミラー９２と、直線偏光（π）のコヒ
ーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２のコ
ヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装置９
３と、この第２コヒーレント光源装置９３から照射され
たコヒーレント光を反射する反射ミラー９４とを有して
いる。

【００６１】この図９（ａ）に示す本発明レーザー冷却
装置９０においては、図９（ｂ）に示すように、それぞ
れ原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、
「第１コヒーレント光源装置９０から右回り偏光（σ
＋）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装
置９３から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第
１コヒーレント光源装置９０から左回り偏光（σ−）の
コヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置９３
から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒ
ーレント光源装置９０から右回り偏光（σ＋）のコヒー
レント光を照射→第２コヒーレント光源装置９３から直
線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレン
ト光源装置９０から左回り偏光（σ−）のコヒーレント
光を照射→・・・」という順番で照射する。

【００６２】次に、図１０を参照しながら、原子のレー
ザー冷却に用いるコヒーレント光源の実施の形態の一例
について説明する。

【００６３】この図１０に示す原子のレーザー冷却に用
いるコヒーレント光源の実施の形態の一例は、散乱力に
よるシリコン原子の減速を行うための光源（以下、「シ
リコン減速用ピコ秒コヒーレント光源」と称する。）で
あり、例えば、図５に示す本発明レーザー冷却装置５０
のコヒーレント光源部５２や、図８（ａ）に示す本発明
レーザー冷却装置８０の第１のコヒーレント光源部、第
２のコヒーレント光源部あるいは第３のコヒーレント光
源部や、図９（ａ）に示す第１のコヒーレント光源部あ
るいは第２のコヒーレント光源部として用いることがで
きることは勿論であり、また、後述する図１２に示す本
発明レーザー冷却装置におけるコヒーレント光源として
用いることができる。

【００６４】この図１０に示すシリコン減速用ピコ秒コ
ヒーレント光源１００は、波長２５２．４ｎｍのコヒー
レント光を照射することができるように構成されてお
り、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１と、第
１波長変換素子１０２と、第２波長変換素子１０３と、
波長分散素子１０４と、半透過ミラー１０５と、全反射
ミラー１０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数
制御用エラーシグナル発生器１０８とを有して構成され
ている。なお、半透過ミラー１０５と、全反射ミラー１
０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数制御用エ
ラーシグナル発生器１０８とによって、モード同期（ロ
ック）ピコ秒レーザー１０１へフィードバック信号とし
てエラーシグナルを入力するためのフィードバック回路
が形成されている。

【００６５】ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レー
ザー１０１は、波長７５７ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０
００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００
ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。

【００６６】まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザ
ー１０１から出射された波長７５７ｎｍのコヒーレント
光は第１波長変換素子１０２に入射され、第１波長変換
素子１０２により波長７５７ｎｍのコヒーレント光とそ
の第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光とが得
られる。

【００６７】そして、第１波長変換素子１０２から出射
された波長７５７ｎｍおよび波長３７８ｎｍのコヒーレ
ント光は第２波長変換素子１０３に入射され、第２波長
変換素子１０３により波長７５７ｎｍのコヒーレント光
とその第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光と
その第３高調波の２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが
得られる。

【００６８】さらに、第２波長変換素子１０３から出射
された波長７５７ｎｍ、波長３７８ｎｍおよび波長２５
２．４ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１０４に入
射され、波長分散素子１０４からは波長２５２．４ｎｍ
のコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１０５を
透過してシリコン原子の散乱力による減速のために用い
られる。なお、波長分散素子１０４は、例えば、プリズ
ム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルター
などにより構成される。

【００６９】一方、半透過ミラー１０５により反射され
た波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラ
ー１０６によって反射されて、波長計やシリコンホロー
カソード管などから構成されるレーザー波長分光部１０
７に入射される。

【００７０】このレーザー波長分光部１０７において入
射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結
果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８へ入力さ
れる。

【００７１】周波数制御用エラーシグナル発生器１０８
においては、入力された計測結果に基づいて、モード同
期（ロック）ピコ秒レーザー１０１が常に波長７５７ｎ
ｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルを
フィードバックする。

【００７２】こうしたフィードバック制御により、常に
波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に
照射することが可能となる。

【００７３】また、図１１には、図１０に示したシリコ
ン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００の他の実施の形
態の一例が示されている。なお、図１０に示した構成と
同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と同
一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な
説明は省略する。

【００７４】図１１に示すシリコン減速用ピコ秒コヒー
レント光源１００’は、波長２５２．４ｎｍのコヒーレ
ント光を照射することができるように構成されており、
モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’と、第１
波長変換素子１０２’と、第２波長変換素子１０３’
と、波長分散素子１０４’と、半透過ミラー１０５’
と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０
７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’と
を有して構成されている。なお、半透過ミラー１０５’
と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０
７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’と
によって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０
１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力
するためのフィードバック回路が形成されている。

【００７５】ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レー
ザー１０１’は、波長１００９．６ｎｍでパルス幅１ｐ
ｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅
１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射す
る。

【００７６】まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザ
ー１０１’から出射された波長１００９．６ｎｍのコヒ
ーレント光は第１波長変換素子１０２’に入射され、第
１波長変換素子１０２’により波長１００９．６ｎｍの
コヒーレント光とその第２高調波の波長５０４．８ｎｍ
のコヒーレント光とが得られる。

【００７７】そして、第１波長変換素子１０２’から出
射された波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光は第２波
長変換素子１０３’に入射され、第２波長変換素子１０
３’により波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光とその
第２高調波の波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが
得られる（波長２５２．４ｎｍは、波長１００９．６ｎ
ｍの第４高調波である。）。

【００７８】さらに、第２波長変換素子１０３’から出
射された波長５０４．８ｎｍおよび波長２５２．４ｎｍ
のコヒーレント光と第１波長変換素子１０２’から出射
された波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光とが、波
長分散素子１０４’に入射され、波長分散素子１０４’
からは波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光のみ出射さ
れ、半透過ミラー１０５’を透過してシリコン原子の散
乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素
子１０４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多
層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。

【００７９】一方、半透過ミラー１０５’により反射さ
れた波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミ
ラー１０６’によって反射されて、波長計やシリコンホ
ローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部
１０７’に入射される。

【００８０】このレーザー波長分光部１０７’において
入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測
結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’へ入
力される。

【００８１】周波数制御用エラーシグナル発生器１０
８’においては、入力された計測結果に基づいて、モー
ド同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’が常に波長１
００９．６ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラ
ーシグナルをフィードバックする。

【００８２】こうしたフィードバック制御により、常に
波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に
照射することが可能となる。

【００８３】次に、図１２を参照しながら、原子のレー
ザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１０に示す
１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００を
用いた本発明レーザー冷却装置（偏光制御機能を付加し
たシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の実施の形
態の一例について説明する。なお、図１０に示した構成
と同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と
同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は
省略する。

【００８４】この本発明レーザー冷却装置１１０は、偏
光制御部として、第１半波長板１１１と、位相変調器１
１２と、第２半波長板１１３と、変調器ドライバー１１
４と、周波数変換器１１５とが配設されている。

【００８５】ここで、周波数変換器１１５はモード同期
周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換
することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍
の周期で変調器ドライバー１１４から変調信号が位相変
調器１１２に出力されるように、変調器ドライバー１１
４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１１２から
出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコン原子の自
然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定され
ている。

【００８６】つまり、この偏光制御部により、波長２５
２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の
略２倍の周波数で切り替わるように制御されることにな
る。

【００８７】次に、図１２に示す本発明レーザー冷却装
置の他の実施の形態の一例として、図１３を参照しなが
ら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源とし
て図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレン
ト光源１００’を用いた本発明レーザー冷却装置（偏光
制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント
光源）の実施の形態の一例について説明する。なお、図
１１に示した構成と同一または相当する構成には、図１
１に用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、ま
た、図１２に示した構成と同一または相当する構成に
は、図１２に用いた符号と同一の符号に「’」を付して
示すことにより、その詳細な説明は省略する。

【００８８】この本発明レーザー冷却装置１１０’は、
偏光制御部として、第１半波長板１１１’と、位相変調
器１１２’と、第２半波長板１１３’と、変調器ドライ
バー１１４’と、周波数変換器１１５’とが配設されて
いる。

【００８９】ここで、周波数変換器１１５’はモード同
期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変
換することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２
倍の周期で変調器ドライバー１１４’から変調信号が位
相変調器１１２’に出力されるように、変調器ドライバ
ー１１４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１
１２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコ
ン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるよう
に設定されている。

【００９０】つまり、この偏光制御部により、波長２５
２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の
略２倍の周波数で切り替わるように制御されることにな
る。

【００９１】次に、図１４を参照しながら、所定波長の
コヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いる
コヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いた本発明レ
ーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速
／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の実施の形態の一例に
ついて説明する。

【００９２】この図１４に示す本発明レーザー冷却装置
１２０においては、上記したＣＷレーザーとして、具体
的には、１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを用
いている。

【００９３】この本発明レーザー冷却装置１２０は、シ
リコン原子に関して散乱力による減速と散乱力による冷
却との双方を実施することができる。

【００９４】即ち、本発明レーザー冷却装置１２０は、
原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波
長２５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザー１２１を用
いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１２２
と、位相変調器１２３と、第２半波長板１２４と、変調
器ドライバー１２５と、発振器１２６と、第１レンズ１
２７ａと、音響光学素子１２８と、第２レンズ１２７ｂ
と、音響光学素子ドライバー１２９とが配設されてい
る。

【００９５】ここで、シリコン原子を散乱力により減速
する場合には、音響光学素子１２８を使用して時間的に
周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。

【００９６】また、シリコン原子を散乱力により冷却す
る際には、音響光学素子１２８は時間的に偏光を分離す
る効果と周波数を最適化するのに都合がよい。

【００９７】なお、シリコン用ＣＷレーザー１２１と第
１半波長板１２２との間に電気光学シフター（ＥＯシフ
ター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせいだ方
がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に電気
光学シフターを当該位置に配設するようにしてよい。

【００９８】なお、波長２５２．４ｎｍのシリコン用Ｃ
Ｗレーザー１２１としては、例えば、波長１００９．６
ｎｍのファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調
波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５０
４．８ｎｍの半導体レーザーの第２高調波を用いるよう
にしてもよいし、あるいは、波長２５２．４．ｎｍの半
導体レーザーを用いるようにしてもよい。

【００９９】ここで、上記したシリコン用ＣＷレーザー
１２１として用いることのできるコヒーレント光源、即
ち、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源とし
て適用できる深紫外域の波長のＣＷレーザー光を発生す
るコヒーレント光源の構成について、図１５乃至図１７
を参照しながら詳細に説明する。

【０１００】図１５には、シリコン用ＣＷレーザー１２
１として用いることのできるコヒーレント光源５００の
概略構成が示されており、このコヒーレント光源５００
は、第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザー
光生成システムとしての第１段階（Ｆｉｒｓｔ ｓｔａ
ｇｅ）外部共振器型波長変換システム１０００と、第２
の波長のレーザー光を生成するとともに第１段階外部共
振器型波長変換システム１０００において生成された第
１の波長のレーザー光を導入し、第１の波長のレーザー
光と第２の波長のレーザー光との和周波混合により第３
の波長のレーザー光を高効率に発生させる第２のレーザ
ー光生成システムとしての第２段階（Ｓｅｃｏｎｄ ｓ
ｔａｇｅ）外部共振器型波長変換システム２０００とよ
りなる、２段階の外部共振器型波長変換システムから構
成されている。

【０１０１】そして、コヒーレント光源５００の第１段
階外部共振器型波長変換システム１０００は、Ｎｄ：Ｙ
ＶＯ_４レーザーの第２高調波により励起されて波長７４
６ｎｍのレーザー光を出射するリング型単一モードチタ
ンサファイヤレーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａ
ｓｅｒ ７４６ｎｍ）１００２と、リング型単一モード
チタンサファイヤレーザー１００２から出射されたレー
ザー光を調整して出射するアイソレータ（ＩＳＲ）１０
０４と、アイソレータ１００４から出射されたレーザー
光のモード整合を行うためのモード整合用レンズ（Ｍ
Ｌ）１００６と、モード整合用レンズ１００６から出射
されたレーザー光が入射される共振器本体１００８と、
共振器本体から出射されたレーザー光を集光する第１集
光レンズ１０１０と、第１集光レンズ１０１０から出射
されたレーザー光をさらに集光する第２集光レンズ１０
１２と、第２集光レンズ１０１２から出射されたレーザ
ー光の光路を変えるための全反射ミラー１０１４と、全
反射ミラー１０１４から出射されたレーザー光のモード
整合を行うためのモード整合用レンズ（ＭＬ）１０１６
と、共振器本体１００８を構成する入力結合ミラー（Ｍ
１）１００８−１（後述する。）を透過したレーザー光
の偏光を利用した誤差信号発生器（ＨＣ）１０１８と、
誤差信号発生器１０１８から出力された誤差信号に基づ
いて共振器本体１００８を構成する全反射ミラー（Ｍ
２）１００８−２（後述する。）の配設位置を微動する
ピエゾ素子（ＰＺＴ）１００８−５（後述する。）を駆
動するサーボ機構（ｓｅｒｖｏ）１０２０とを有して構
成されている。

【０１０２】ここで、共振器本体１００８は、モード整
合用レンズ１００６から出射された波長７４６ｎｍのレ
ーザー光を共振器本体１００８内へ導入する入力結合ミ
ラー１００８−１と、ピエゾ素子１００８−５の駆動に
より配設位置を微動する全反射ミラー１００８−２と、
全反射ミラー（Ｍ３）１００８−３と、共振器本体１０
０８の外部へレーザー光を出射する出力ミラー１００８
−４と、全反射ミラー１００８−２の設定位置を微動す
るピエゾ素子１００８−５と、全反射ミラー１００８−
３と出力ミラー１００８−４とを結ぶ光路上に配置され
たＬｉＢ_３Ｏ_５結晶（ＬＢＯ）１００８−６とを有して
構成されている。

【０１０３】このＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６は、波
長７４６ｎｍのレーザー光の第２高調波（波長３７３ｎ
ｍ）を発生する。また、ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６
の切り出し角度は「θ＝９０°」、「φ＝３７．５°」
であり、結晶長は１５ｍｍであり、入力側（全反射ミラ
ー１００８−３側）に波長７４６ｎｍの無反射コーティ
ングを施し、出力側（出力ミラー１００８−４側）に７
４６ｎｍと３７３ｎｍとの無反射コーティングを施し
た。

【０１０４】入力結合ミラー１００８−１は、波長７４
６ｎｍのレーザー光の２％を透過し、波長３７３ｎｍの
レーザー光は透過せず、波長７４６ｎｍのレーザー光の
９８％を反射し、波長３７３ｎｍのレーザー光の９９．
９％以上を反射するように設定されている。また、全反
射ミラー１００８−２は、波長７４６ｎｍのレーザー光
を透過せず、波長３７３ｎｍのレーザー光を透過せず、
波長７４６ｎｍのレーザー光の９９．９％以上を反射
し、波長３７３ｎｍのレーザー光の９９．９％以上を反
射するように設定されている。また、全反射ミラー１０
０８−３は、波長７４６ｎｍのレーザー光を透過せず、
波長３７３ｎｍのレーザー光を透過せず、波長７４６ｎ
ｍのレーザー光の９９．９％以上を反射し、波長３７３
ｎｍのレーザー光の９９．９％以上を反射するように設
定されている。また、出力ミラー１００８−４は、２重
に多層膜コーディングが施されていて、波長３７３ｎｍ
のレーザー光の９５％を透過し、波長７４６ｎｍのレー
ザー光の９９．９％以上を反射するように設定されてい
る。

【０１０５】そして、上記した４枚のミラー（入力結合
ミラー１００８−１、全反射ミラー１００８−２、全反
射ミラー１００８−３および出力ミラー１００８−４）
は、モード整合用レンズ１００６から出射された波長７
４６ｎｍのレーザー光が、当該レーザー光を入射された
入力結合ミラー１００８−１を透過して全反射ミラー１
００８−２へ進行し、全反射ミラー１００８−２から全
反射ミラー１００８−３へ進行し、全反射ミラー１００
８−３からＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６を通過して出
力ミラー１００８−４へ進行し、出力ミラー１００８−
４から入力結合ミラー１００８−１へ進行する光路とな
るように配置されている。従って、入力結合ミラー１０
０８−１、全反射ミラー１００８−２、全反射ミラー１
００８−３および出力ミラー１００８−４によって囲ま
れた領域におけるレーザー光の光路は、Ｘ字形状に交差
することになる。

【０１０６】ここで、全反射ミラー１００８−３からＬ
ｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６を通過して出力ミラー１０
０８−４へ進行したレーザー光のなかの波長３７３ｎｍ
のレーザー光は、その９５％が透過して第１集光レンズ
１０１０へ進行する。また、出力ミラー１００８−４か
ら入力結合ミラー１００８−１へ進行したレーザー光の
なかの波長７４６ｎｍのレーザー光は、その２％が透過
して誤差信号発生器１０１８へ進行する。

【０１０７】そして、コヒーレント光源５００の第２段
階外部共振器型波長変換システム２０００は、波長７８
０ｎｍのレーザー光を出射する単一モード半導体レーザ
ー（ＬＤ ７８０ｎｍ）２００２と、単一モード半導体
レーザー２００２から出射されたレーザー光を調整して
出射するアイソレータ（ＩＳＲ）２００４と、アイソレ
ータ２００４から出射されたレーザー光のモード整合を
行うためのモード整合用レンズ（ＭＬ）２００６と、モ
ード整合用レンズ２００６から出射されたレーザー光が
入射される共振器本体２００８と、共振器本体２００８
から出射された波長２５２ｎｍのレーザー光を反射して
コヒーレント光源５００の外部へ誘導する高反射ミラー
（ＨＲ２５２）２０１０と、共振器本体２００８を構成
する入力結合ミラー（Ｍ５）２００８−１（後述す
る。）を透過したレーザー光の偏光を利用した誤差信号
発生器（ＨＣ）２０１２と、誤差信号発生器２０１２か
ら出力された誤差信号に基づいて単一モード半導体レー
ザー２００２を駆動するサーボ機構（ｓｅｒｖｏ）２０
１４と、共振器本体２００８を構成する入力結合ミラー
（Ｍ６）２００８−２（後述する。）を透過したレーザ
ー光の偏光を利用した誤差信号発生器（ＨＣ）２０１６
と、誤差信号発生器２０１６から出力された誤差信号に
基づいて共振器本体２００８を構成する全反射ミラー
（Ｍ７）２００８−３（後述する。）の配設位置を微動
するピエゾ素子（ＰＺＴ）２００８−５（後述する。）
を駆動するサーボ機構（ｓｅｒｖｏ）２０１８とを有し
て構成されている。

【０１０８】ここで、共振器本体２００８は、モード整
合用レンズ２００６から出射された波長７８０ｎｍのレ
ーザー光を共振器本体２００８内へ導入する入力結合ミ
ラー２００８−１と、第１段階外部共振器型波長変換シ
ステム１０００から出射された波長３７３ｎｍのレーザ
ー光を共振器本体２００８内へ導入する入力結合ミラー
２００８−２と、ピエゾ素子２００８−５の駆動により
配設位置を微動する全反射ミラー（Ｍ７）２００８−３
と、共振器本体２００８の外部へレーザー光を出射する
出力ミラー（Ｍ８）２００８−４と、全反射ミラー２０
０８−３の設定位置を微動するピエゾ素子２００８−５
と、全反射ミラー２００８−３と出力ミラー２００８−
４とを結ぶ光路上に配置されたβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶
（ＢＢＯ）２００８−６とを有して構成されている。こ
のβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６は、後述するよう
に和周波混合により波長２５２ｎｍのレーザー光を発生
する。

【０１０９】入力結合ミラー２００８−１は、２重に多
層膜コーディングが施されていて、波長７８０ｎｍのレ
ーザー光の２％を透過し、波長３７３ｎｍのレーザー光
の０．０２％を透過し、波長７８０ｎｍのレーザー光の
９８％を反射し、波長３７３ｎｍのレーザー光の９９．
８％を反射するように設定されている。また、入力結合
ミラー２００８−２は、２重に多層膜コーディングが施
されていて、波長３７３ｎｍのレーザー光の２％を透過
し、波長７８０ｎｍのレーザー光の０．０２％を透過
し、波長３７３ｎｍのレーザー光の９８％を反射し、波
長７８０ｎｍのレーザー光の９９．８％を反射するよう
に設定されている。また、全反射ミラー２００８−３
は、波長７４６ｎｍのレーザー光を透過せず、波長３７
３ｎｍのレーザー光を透過せず、波長７４６ｎｍのレー
ザー光の９９．９％以上を反射し、波長３７３ｎｍのレ
ーザー光の９９．９％を反射するように設定されてい
る。また、出力ミラー２００８−４は、３重に多層膜コ
ーディングが施されていて、波長２５２ｎｍのレーザー
光に対しては８４％透過するが、波長３７３ｎｍならび
に波長７８０ｎｍのレーザー光に対しては９９．８％以
上の反射率をもつ。

【０１１０】そして、上記した４枚のミラー（入力結合
ミラー２００８−１、入力結合ミラー２００８−２、全
反射ミラー２００８−３および出力ミラー２００８−
４）は、モード整合用レンズ２００６から出射された波
長７４６ｎｍのレーザー光が、当該レーザー光を入射さ
れた入力結合ミラー２００８−１を透過して入力結合ミ
ラー２００８−２へ進行し、入力結合ミラー２００８−
２から全反射ミラー２００８−３へ進行し、全反射ミラ
ー２００８−３からβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６
を通過して出力ミラー２００８−４へ進行し、出力ミラ
ー２００８−４から入力結合ミラー１００８−１へ進行
する光路となるように配置されているとともに、第１段
階外部共振器型波長変換システム１０００から出射され
た波長３７３ｎｍのレーザー光が、当該レーザー光を入
射された入力結合ミラー２００８−２を透過して全反射
ミラー２００８−３へ進行し、全反射ミラー２００８−
３からβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６を通過して出
力ミラー２００８−４へ進行し、出力ミラー２００８−
４から入力結合ミラー１００８−１へ進行し、入力結合
ミラー１００８−１から入力結合ミラー２００８−２へ
進行する光路となるように配置されている。従って、入
力結合ミラー２００８−１、入力結合ミラー２００８−
２、全反射ミラー２００８−３および出力ミラー２００
８−４によって囲まれた領域におけるレーザー光の光路
は、Ｘ字形状に交差することになる。

【０１１１】ここで、全反射ミラー２００８−３へ進行
したレーザー光のなかの波長２５２ｎｍのレーザー光
は、その８４％が透過して高反射ミラー（ＨＲ２５２）
２０１０へ進行する。また、出力ミラー２００８−４か
ら入力結合ミラー２００８−１へ進行したレーザー光の
なかの波長７４６ｎｍのレーザー光は、その２％が透過
して誤差信号発生器２０１２へ進行し、入力結合ミラー
２００８−１から入力結合ミラー２００８−２へ進行し
たレーザー光のなかの波長３７３ｎｍのレーザー光は、
その２％が透過して誤差信号発生器２０１６へ進行す
る。

【０１１２】次に、コヒーレント光源５００における動
作の概要について説明すると、まず、第１段階外部共振
器型波長変換システム１０００において、リング型単一
モードチタンサファイヤレーザー１００２から出射され
る波長７４６ｎｍのレーザー光を共振器本体１００８に
導入し、共振器本体１００８内で光強度を増強させ、共
振器本体１００８内のＬｉＢ_３Ｏ_５結晶２００８−６に
より第２高調波（波長３７３ｎｍ）を効率よく発生させ
る。

【０１１３】続いて、第２段階外部共振器型波長変換シ
ステム２０００において、第１段階外部共振器型波長変
換システム１０００で得られた第２高調波の波長３７３
ｎｍのレーザー光と単一モード半導体レーザー２００２
の波長７８０ｎｍのレーザー光とを共振器本体２００８
に導き、波長３７３ｎｍのレーザー光の共振を保ちつ
つ、共振器長を固定し、波長７８０ｎｍのレーザー光の
周波数を微調整し、安定化することによって両波長を二
重に共振させる。この二波長同時に共振させることによ
り各々の光強度を同時に増大させ、共振器本体２００８
内のβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６による和周波混
合により波長２５２ｎｍのレーザー光を高効率に発生さ
せるものである。

【０１１４】次に、第１段階外部共振器型波長変換シス
テム１０００における第２高調波発生の詳細について説
明する。

【０１１５】第１段階外部共振器型波長変換システム１
０００においては、リング型単一モードＣＷチタンサフ
ァイヤレーザー１００２から出力される波長７４６ｎｍ
のレーザー光は、Ｘ字形状の光路を備えた共振器本体１
００８にモード整合用レンズ１００６を通して導入され
る。この共振器本体１００８は偏光を利用し、全反射ミ
ラー１００８−２に付設されたピエゾ素子１００８−５
に誤差信号をフィードバックしながら内部の光強度を増
強している。

【０１１６】上記したように、非線形光学結晶として用
いたＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６の切り出し角度は
「θ＝９０°」、「φ＝３７．５°」であり、結晶長は
１５ｍｍであり、入力側に波長７４６ｎｍの無反射コー
ティングが施され、出力側に７４６ｎｍと３７３ｎｍと
の無反射コーティングが施されている。

【０１１７】また、外部共振本体１０８８の光路の１周
の損失が２％と見積もれるため、入力結合ミラー１００
８−１の反射率を９８％として、光学的なインピーダン
ス整合を図った。

【０１１８】出力ミラー１００８−４は、上記したよう
に、２重に多層膜コーティングが施されていて、波長３
７３ｎｍのレーザー光の９５％を透過し、波長７４６ｎ
ｍのレーザー光を９９．９％を反射するように構成され
ている。なお、全反射ミラー１００８−３および出力ミ
ラー１００８−４の焦点距離は１００ｍｍであり、共振
器本体１００８の光路の一周の長さは６５０ｍｍとし
た。

【０１１９】４枚のミラー（入力結合ミラー１００８−
１、全反射ミラー１００８−２、全反射ミラー１００８
−３および出力ミラー１００８−４）とＬｉＢ_３Ｏ_５結
晶２００８−６との配置は、共振器本体１００８のモー
ドと入力ビームのモードとが一致し、ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶
２００８−６の中央でのビームウエストサイズが最適に
なるように計算された最適値３５μｍになるように設定
した。最適条件では、単一光路の変換効率が「９．１×
１０^−５Ｗ^−１」になる。外部共振器１００８から出射
された第２高調波は、非線形結晶のウオークオフにより
生じる縦横異なる発散角を補償するために、２枚の集光
レンズ１０１０，１０１２により、横方向、縦方向を独
立に平行化した。

【０１２０】図１６は、測定された第２高調波出力の入
力基本波依存性を示している。最大５００ｍＷの第２高
調波出力を得たが、これは、ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８
−６や出力ミラー１００８−４の透過率を考慮すると、
ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６の直後では５２０ｍＷ以
上の出力が出ていたことを意味する。入力基本波から第
２高調波出力への変換効率は、実に４０％以上である。

【０１２１】測定されたエンハンスメント・ファクター
は７２で、単一光路の変換効率が最適値の６５％の
「５．９×１０^−５Ｗ^−１」になっていることを示して
いる。この原因として、ミスアライメントによるビーム
ウエストの食い違いなどがあげられる。不完全なコーテ
ィングによる損失を含む、一周の損失が１％と見積もら
れる。入力結合ミラー１００８−１の反射率を最適化す
ることにより、光学的なインピーダンス整合の向上を図
ることができる。

【０１２２】次に、第２段階外部共振器型波長変換シス
テム２０００における和周波発生の詳細について説明す
る。

【０１２３】図１５の下部に示す第２段階外部共振器型
波長変換システム２０００における共振器本体２００８
は、第１段階外部共振器型波長変換システム１０００に
おける共振器本体１００８と同様にＸ字形状の光路を備
えており、テーパー型増幅器半導体レーザー２００２か
ら出力される波長７８０ｎｍのレーザー光の入力結合ミ
ラー２００８−１と、第１段階外部共振器型波長変換シ
ステム１０００における共振器本体１００８で得られた
第２高調波（波長３７３ｎｍ）の入力結合ミラー２００
８−２を備えている。

【０１２４】上記したように、これら２枚の入力結合ミ
ラーはそれぞれの波長で９８％の反射率を持つが、もう
一方の波長に対しては９９．８％以上の反射率を持つ。
また、出力ミラー２００８−４は、３重に多層膜コーテ
ィングしてあり、波長２５２ｎｍに対しては８４％透過
するが、３７３ｎｍならびに７８０ｎｍの波長に対して
は９９．８％以上の反射率を持つ。

【０１２５】全反射ミラー２００８−３ならびに出力ミ
ラー２００８−４として曲率５０ｍｍの凹面鏡を使い、
共振器長を第１段階外部共振器型波長変換システム１０
００における共振器本体１００８の約半分の約３００ｍ
ｍに設定した。

【０１２６】また、第２段階外部共振器型波長変換シス
テム２０００の非線形結晶として、１０ｍｍ長の４７．
４°カットβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６を用いて
いる。β−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６の両端面で２
つの入力光（波長７８０ｎｍのレーザー光および第２高
調波（波長３７３ｎｍのレーザー光））に対しての無反
射コーティングを施し、特に、出力側で波長２５２ｎｍ
光に対して、９５％の透過が得られるように更にコーテ
ィングしている。

【０１２７】第２段階外部共振器型波長変換システム２
０００における共振器本体２００８では、異なる２つの
周波数の光を共振させるフィードバックループが形成さ
れることになる。

【０１２８】即ち、第１のフィードバックループによ
り、全反射ミラー２００８−３に取り付けてあるピエゾ
素子２００８−５を使って、波長３７３ｎｍの光を共振
させるように共振器長を制御した。即ち、共振器長を固
定した後、単一モード半導体レーザー２００２の発振周
波数がちょうど安定化した共振器周波数に一致するよう
にフィードバックをかけ、波長３７３ｎｍのレーザー光
と波長７８０ｎｍのレーザー光との同一共振器での同時
共振を実現した。

【０１２９】図１７に、波長７８０ｎｍのレーザー光の
入力パワーを横軸にとり、共振器本体２００８から取り
出した波長２５２ｎｍのレーザー光の出力の測定値を縦
軸にとって示す。波長３７３ｎｍのレーザー光が４８０
ｍＷ、波長７８０ｎｍのレーザー光が３８０ｍＷのと
き、５０ｍＷの波長２５２ｎｍのレーザー光を共振器本
体２００８から取り出すことができた。出力ミラー２０
０８−４やβ−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶２００８−６の透過率
から、発生した波長２５２ｎｍのレーザー光は６０ｍＷ
を越えていて、和周波の変換効率は７％と見積もられ
る。エンハンスメント・ファクターは、波長７８０ｎｍ
のレーザー光に対して９２、波長３７３ｎｍのレーザー
光に対して３４、全共振器内損失は、波長７８０ｎｍの
レーザー光に対して０．６％、波長３７３ｎｍのレーザ
ー光に対して２．５％であった。これらの損失を考慮す
ると、共振器のフィネスは、波長７８０ｎｍのレーザー
光に対して２４１、波長３７３ｎｍのレーザー光に対し
て１４１と計算できる。

【０１３０】自由スペクトル域とフィネスとの関係から
線幅を求めると、波長７８０ｎｍのレーザー光に対して
４．１ＭＨｚ、波長３７３ｎｍのレーザー光に対して
７．１ＭＨｚと見積もることができた。

【０１３１】この結果から、波長２５２ｎｍのレーザー
光の線幅は高々１２ＭＨｚと見積もられ、シリコン原子
のレーザー冷却遷移の自然幅の２９ＭＨｚ以内であるこ
とがわかる。

【０１３２】また、単一モード半導体レーザー２００２
から出射されるレーザー光の波長を７８０ｎｍから７８
５ｎｍに変化させ、最適な結晶の角度に調節すると、波
長２５１ｎｍから波長２５３ｎｍまでの波長範囲を、ほ
ぼ５０ｍＷの出力を低下させることなく同調することが
できた。同調範囲が広いことは、シリコンの同位体制御
を容易に可能にするものである。

【０１３３】なお、上記においては、本発明をシリコン
原子の冷却に適用することを中心に説明したが、本発明
はシリコン原子以外の他の原子にも同様に適用すること
ができることは勿論である。

【０１３４】以下、本発明をシリコン原子以外の他の原
子に適用する一例として、本発明をゲルマニウム原子に
適用する場合について説明する。

【０１３５】まず、図１８を参照しながら、ゲルマニウ
ム原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の実施
の形態について説明する。

【０１３６】この図１８に示すゲルマニウム原子のレー
ザー冷却に用いるコヒーレント光源の実施の形態の一例
は、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための
光源（以下、「ゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント
光源」と称する。）であり、例えば、図５に示す本発明
レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２や、図
８（ａ）に示す本発明レーザー冷却装置８０の第１のコ
ヒーレント光源部、第２のコヒーレント光源部あるいは
第３のコヒーレント光源部や、図９（ａ）に示す第１の
コヒーレント光源部あるいは第２のコヒーレント光源部
として用いることができることは勿論であり、また、後
述する図２０に示す本発明レーザー冷却装置におけるコ
ヒーレント光源として用いることができる。

【０１３７】この図１８に示すゲルマニウム減速用ピコ
秒コヒーレント光源１３０は、波長２７１．０ｎｍのコ
ヒーレント光を照射することができるように構成されて
おり、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１と、
第１波長変換素子１３２と、第２波長変換素子１３３
と、波長分散素子１３４と、半透過ミラー１３５と、全
反射ミラー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周
波数制御用エラーシグナル発生器１３８とを有して構成
されている。なお、半透過ミラー１３５と、全反射ミラ
ー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周波数制御
用エラーシグナル発生器１３８とによって、モード同期
（ロック）ピコ秒レーザー１３１へフィードバック信号
としてエラーシグナルを入力するためのフィードバック
ループが形成されている。

【０１３８】ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レー
ザー１３１は、波長８１３ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０
００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００
ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。

【０１３９】まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザ
ー１３１から出射された波長８１３ｎｍのコヒーレント
光は第１波長変換素子１３２に入射され、第１波長変換
素子１３２により波長８１３ｎｍのコヒーレント光とそ
の第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光と
が得られる。

【０１４０】そして、第１波長変換素子１３２から出射
された波長８１３ｎｍおよび波長４０６．５ｎｍのコヒ
ーレント光は第２波長変換素子１３３に入射され、第２
波長変換素子１３３により波長８１３ｎｍのコヒーレン
ト光とその第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレ
ント光とその第３高調波の２７１．０ｎｍのコヒーレン
ト光とが得られる。

【０１４１】さらに、第２波長変換素子１３３から出射
された波長８１３ｎｍ、波長４０６．５ｎｍおよび波長
２７１．０ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１３４
に入射され、波長分散素子１３４からは波長２７１．０
ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１３
５を透過してゲルマニウム原子の散乱力による減速のた
めに用いられる。なお、波長分散素子１３４は、例え
ば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいは
フィルターなどにより構成される。

【０１４２】一方、半透過ミラー１３５により反射され
た波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラ
ー１３６によって反射されて、波長計やゲルマニウムホ
ローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部
１３７に入射される。

【０１４３】このレーザー波長分光部１３７において入
射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結
果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８へ入力さ
れる。

【０１４４】周波数制御用エラーシグナル発生器１３８
においては、入力された計測結果に基づいて、モード同
期（ロック）ピコ秒レーザー１３１が常に波長８１３ｎ
ｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルを
フィードバックする。

【０１４５】こうしたフィードバック制御により、常に
波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原
子に照射することが可能となる。

【０１４６】また、図１９には、図１８に示したゲルマ
ニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０の他の実施
の形態の一例が示されている。なお、図１８に示した構
成と同一または相当する構成には、図１８に用いた符号
と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳
細な説明は省略する。

【０１４７】図１９に示すゲルマニウム減速用ピコ秒コ
ヒーレント光源１３０’は、波長２７１．０ｎｍのコヒ
ーレント光を照射することができるように構成されてお
り、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’と、
第１波長変換素子１３２’と、第２波長変換素子１３
３’と、波長分散素子１３４’と、半透過ミラー１３
５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光部
１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３
８’とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１
３５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光
部１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３
８’とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー
１３１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを
入力するためのフィードバックループが形成されてい
る。

【０１４８】ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レー
ザー１３１’は、波長１０８４ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜
１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０
００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。

【０１４９】まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザ
ー１３１’から出射された波長１０８４ｎｍのコヒーレ
ント光は第１波長変換素子１３２’に入射され、第１波
長変換素子１３２’により波長１０８４ｎｍのコヒーレ
ント光とその第２高調波の波長５４２ｎｍのコヒーレン
ト光とが得られる。

【０１５０】そして、第１波長変換素子１３２’から出
射された波長５４２ｎｍのコヒーレント光は第２波長変
換素子１３３’に入射され、第２波長変換素子１３３’
により波長５４２ｎｍのコヒーレント光とその第２高調
波の波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光とが得られ
る。

【０１５１】さらに、第２波長変換素子１３３’から出
射された波長５４２ｎｍおよび波長２７１．０ｎｍのコ
ヒーレント光と第１波長変換素子１３２’から出射され
た波長１０８４ｎｍのコヒーレント光とが、波長分散素
子１３４’に入射され、波長分散素子１３４’からは波
長２７１．０ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透
過ミラー１３５’を透過してゲルマニウム原子の散乱力
による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１
３４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜
ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。

【０１５２】一方、半透過ミラー１３５’により反射さ
れた波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミ
ラー１３６’によって反射されて、波長計やゲルマニウ
ムホローカソード管などから構成されるレーザー波長分
光部１３７’に入射される。

【０１５３】このレーザー波長分光部１３７’において
入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測
結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’へ入
力される。

【０１５４】周波数制御用エラーシグナル発生器１３
８’においては、入力された計測結果に基づいて、モー
ド同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’が常に波長１
０８４ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシ
グナルをフィードバックする。

【０１５５】こうしたフィードバック制御により、常に
波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原
子に照射することが可能となる。

【０１５６】次に、図２０を参照しながら、原子のレー
ザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１８に示す
１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３
０を用いた本発明レーザー冷却装置（偏光制御機能を付
加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の
実施の形態の一例について説明する。なお、図１８に示
した構成と同一または相当するの構成には、図１８に用
いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳
細な説明は省略する。

【０１５７】この本発明レーザー冷却装置１４０は、偏
光制御部として、第１半波長板１４１と、位相変調器１
４２と、第２半波長板１４３と、変調器ドライバー１４
４と、周波数変換器１４５とが配設されている。

【０１５８】ここで、周波数変換器１４５はモード同期
周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換
することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略
２倍の周期で変調器ドライバー１４４から変調信号が位
相変調器１４２に出力されるように、変調器ドライバー
１４４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１４２
から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲルマニウム
原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように
設定されている。

【０１５９】つまり、この偏光制御部により、波長２７
１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の
略２倍の周波数で切り替わるように制御されることにな
る。

【０１６０】次に、図２０に示す本発明レーザー冷却装
置の他の実施の形態の一例として、図２１を参照しなが
ら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源とし
て図１９に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒー
レント光源１３０’を用いた本発明レーザー冷却装置
（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コ
ヒーレント光源）の実施の形態の一例について説明す
る。なお、図１９に示した構成と同一または相当する構
成には、図１９において用いた符号と同一の符号を用い
て示すこととし、また、図２０に示した構成と同一また
は相当する構成には、図２０に用いた符号に「’」を付
して示すことにより、その詳細な説明は省略する。

【０１６１】この本発明レーザー冷却装置１４０’は、
偏光制御部として、第１半波長板１４１’と、位相変調
器１４２’と、第２半波長板１４３’と、変調器ドライ
バー１４４’と、周波数変換器１４５’とが配設されて
いる。

【０１６２】ここで、周波数変換器１４５’はモード同
期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変
換することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の
略２倍の周期で変調器ドライバー１４４’から変調信号
が位相変調器１４２’に出力されるように、変調器ドラ
イバー１４４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調
器１４２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲ
ルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替
わるように設定されている。

【０１６３】つまり、この偏光制御部により、波長２７
１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の
略２倍の周波数で切り替わるように制御されることにな
る。

【０１６４】次に、図２２を参照しながら、所定波長の
コヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いる
コヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いた本発明レ
ーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム
減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の実施の形態の一
例について説明する。

【０１６５】この、図２２に示す本発明レーザー冷却装
置１５０においては、上記したＣＷレーザーとして、具
体的には、１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを用い
ている。

【０１６６】この本発明レーザー冷却装置１５０は、ゲ
ルマニウム原子に関して散乱力による減速と散乱力によ
る冷却との双方を実施することができる。

【０１６７】即ち、本発明レーザー冷却装置１５０は、
原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波
長２７１ｎｍのゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１を用
いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１５２
と、位相変調器１５３と、第２半波長板１５４と、変調
器ドライバー１５５と、発振器１５６と、第１レンズ１
５７ａと、音響光学素子１５８と、第２レンズ１５７ｂ
と、音響光学素子ドライバー１５９とが配設されてい
る。

【０１６８】ここで、ゲルマニウム原子を散乱力により
減速する場合には、音響光学素子１５８を使用して時間
的に周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。

【０１６９】また、ゲルマニウム原子を散乱力により冷
却する際には、音響光学素子１５８は時間的に偏光を分
離する効果と周波数を最適化するのに都合がよい。

【０１７０】なお、ゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１
と第１半波長板１５２との間に電気光学シフター（ＥＯ
シフター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせい
だ方がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に
電気光学シフターを当該位置に配設するようにしてよ
い。

【０１７１】なお、波長２７１ｎｍのゲルマニウム用Ｃ
Ｗレーザー１５１としては、例えば、波長１０８４ｎｍ
のファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調波を
用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５４２ｎｍ
の半導体レーザーの第２高調波を用いるようにしてもよ
いし、あるいは、波長２７１ｎｍの半導体レーザーを用
いるようにしてもよい。

【０１７２】なお、上記した実施の形態においては、冷
却対象の原子としてシリコン原子とゲルマニウム原子を
取り扱ったが、これに限られるものではないことは勿論
であり、冷却対象の原子として種々の元素の原子を取り
扱うようにすることができる。

【０１７３】即ち、取り扱う原子を構成する所定の種類
の原子、例えば、各種の同位体の中の所望のものの原子
共鳴線と一致もしくは正または負に離調した波長を備え
たコヒーレント光を、コヒーレント光源装置から当該原
子ビームに照射することにより、上記した実施の形態と
同様の作用効果を得ることができる。

【０１７４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、シリコンやゲルマニウムなどの半導体原子
を含む各種の原子をレーザー冷却することを可能にした
偏光制御による原子のレーザー冷却方法およびその装置
ならびに光源装置を提供することができるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】中性原子に働く力（散乱力）の説明図である。

【図２】シリコンの自然幅（半値全幅）と、ドップラー
冷却温度と、ドップラー冷却温度である２２０マイクロ
ケルビンに到達するのに要する時間（停止時間）とを求
める数式を示す図表である。

【図３】ドップラー幅を求める数式を示す図表である。

【図４】本発明の原理を示す説明図であり、（ａ）はエ
ネルギー準位を示し、（ｂ）は各エネルギー準位に存在
するシリコン原子の数を求めるための連立微分方程式で
あり、（ｃ）は各偏光のコヒーレント光を照射するタイ
ミングを示すタイミングチャートである。

【図５】本発明による原子のレーザー冷却装置の実施の
形態の一例の概念構成説明図である。

【図６】複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の様
子を示す説明図であり、（ａ）はｏ軸とｅ軸との間で位
相が−π／２ずれた場合に左回りの偏光（σ−）となる
ことを示し、（ｂ）はｏ軸とｅ軸との間で位相のずれが
ない場合に直線偏光（π）となることを示し、（ｃ）は
ｏ軸とｅ軸との間で位相がπ／２ずれた場合に右回りの
偏光（σ＋）となることを示す。

【図７】１光子の吸収・放出に要する時間が自然放出寿
命（τ）の２倍となることを示す説明図である。

【図８】第１乃至第３のコヒーレント光源として３台の
コヒーレント光源装置を用いて原子をレーザー冷却する
場合を示す説明図であり、（ａ）は本発明による原子の
レーザー冷却装置の実施の形態の一例の概念構成説明図
であり、（ｂ）は各偏光のコヒーレント光を照射するタ
イミングを示すタイミングチャートである。

【図９】第１および第２のコヒーレント光源として２台
のコヒーレント光源装置を用いて原子をレーザー冷却す
る場合を示す説明図であり、（ａ）は本発明による原子
のレーザー冷却装置の実施の形態の一例の概念構成説明
図であり、（ｂ）は各偏光のコヒーレント光を照射する
タイミングを示すタイミングチャートである。

【図１０】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源の実施の形態の一例を示す構成説明図であり、より詳
細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための
光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント
光源の構成説明図である。

【図１１】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源の他の実施の形態の一例を示す構成説明図であり、よ
り詳細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うた
めの光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレ
ント光源の構成説明図である。

【図１２】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源として図１０に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒ
ーレント光源を用いた本発明レーザー冷却装置（偏光制
御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光
源）の実施の形態の一例の構成説明図である。

【図１３】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源として図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒ
ーレント光源を用いた本発明レーザー冷却装置（偏光制
御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光
源）の実施の形態の一例の構成説明図である。

【図１４】１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを
原子冷却に用いるコヒーレント光源として用いた本発明
レーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減
速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の実施の形態の一例
の構成説明図である。

【図１５】図１４において符号１２１により示す波長２
５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザーとして用いるこ
とのできるコヒーレント光源の構成を示す概略構成説明
図である。

【図１６】図１５に示すコヒーレント光源の第２高調波
発生における入出力特性を示すグラフであり、波長７４
６ｎｍの入力光に対する波長３７３ｎｍの出力光の入出
力特性を示す。

【図１７】図１５に示すコヒーレント光源の波長２５２
ｎｍ和周波発生における入出力特性を示すグラフであ
り、波長３７３ｎｍの入力光を４８０ｍＷで一定とした
場合における、波長７８０ｎｍの入力光に対する波長２
５２ｎｍの出力光の入出力特性を示す。

【図１８】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源の実施の形態の一例を示す構成説明図であり、より詳
細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うた
めの光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレ
ント光源の構成説明図である。

【図１９】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源の他の実施の形態の一例を示す構成説明図であり、よ
り詳細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行
うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒ
ーレント光源の構成説明図である。

【図２０】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源として図１８に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒
コヒーレント光源を用いた本発明レーザー冷却装置（偏
光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒー
レント光源）の実施の形態の一例の構成説明図である。

【図２１】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光
源として図１９に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒
コヒーレント光源を用いた本発明レーザー冷却装置（偏
光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレン
ト光源）の実施の形態の一例の構成説明図である。

【図２２】１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを原子
冷却に用いるコヒーレント光源として用いた本発明レー
ザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／
冷却用ＣＷコヒーレント光源）の実施の形態の一例の構
成説明図である。

【符号の説明】

５０ 本発明レーザー冷却装置 ５２ コヒーレント光源部 ５４ 偏光制御部 ５００ コヒーレント光源 １０００ 第１段階（Ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ）
外部共振器型波長変換システム １００２ リング型単一モードチタンサファイヤ
レーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａｓｅｒ ７４
６ｎｍ） １００４ アイソレータ（ＩＳＲ） １００６ モード整合用レンズ（ＭＬ） １００８ 共振器本体 １００８−１ 入力結合ミラー（Ｍ１） １００８−２ 全反射ミラー（Ｍ２） １００８−３ 全反射ミラー（Ｍ３） １００８−４ 出力ミラー １００８−５ ピエゾ素子（ＰＺＴ） １００８−６ ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶（ＬＢＯ） １０１０ 第１集光レンズ １０１２ 第２集光レンズ １０１４ 全反射ミラー １０１６ モード整合用レンズ（ＭＬ） １０１８ 誤差信号発生器（ＨＣ） １０２０ サーボ機構（ｓｅｒｖｏ） ２０００ 第２段階（Ｓｅｃｏｎｄ ｓｔａｇ
ｅ）外部共振器型波長変換システム ２００２ 単一モード半導体レーザー（ＬＤ ７
８０ｎｍ） ２００４ アイソレータ（ＩＳＲ） ２００６ モード整合用レンズ（ＭＬ） ２００８ 共振器本体 ２００８−１ 入力結合ミラー（Ｍ５） ２００８−２ 入力結合ミラー（Ｍ６） ２００８−３ 全反射ミラー（Ｍ７） ２００８−４ 出力ミラー（Ｍ８） ２００８−５ ピエゾ素子（ＰＺＴ） ２００８−６ β−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶（ＢＢＯ） ２０１０ 高反射ミラー（ＨＲ２５２） ２０１２ 誤差信号発生器（ＨＣ） ２０１４ サーボ機構（ｓｅｒｖｏ） ２０１６ 誤差信号発生器（ＨＣ） ２０１８ サーボ機構（ｓｅｒｖｏ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H079 AA04 AA12 BA04 CA24 KA18 2K002 AA07 AB12 BA03 CA02 HA20 5F072 HH07 JJ20 MM20 SS08 YY20

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギー準位における基底状態の冷却
   下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー
   冷却する原子のレーザー冷却方法であって、 レーザー冷却の対象となる原子の基底状態の冷却下準位
   たる複数の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光をそれ
   ぞれ有する所定波長のコヒーレント光を、所定の時間間
   隔でずらして順次に原子に照射するようにしたものであ
   る原子のレーザー冷却方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の原子のレーザー冷却方
   法において、 前記所定の時間間隔は、１光子の吸収・放出に要する時
   間たる原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔である原
   子のレーザー冷却方法。
3. 【請求項３】 エネルギー準位における基底状態の冷却
   下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー
   冷却する原子のレーザー冷却装置であって、 所定波長のコヒーレント光を発生するコヒーレント光源
   と、 前記コヒーレント光源から出射されたコヒーレント光の
   偏光を制御して、所定の時間間隔で異なる偏光のコヒー
   レント光を原子に照射する偏光制御手段とを有し、 前記偏光制御手段により照射されるコヒーレント光の偏
   光は、レーザー冷却の対象となる原子の基底状態の冷却
   下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光
   とそれぞれ対応したものである原子のレーザー冷却装
   置。
4. 【請求項４】 エネルギー準位における基底状態の冷却
   下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー
   冷却する原子のレーザー冷却装置であって、 レーザー冷却の対象となる原子の基底状態の冷却下準位
   たる複数の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光をそれ
   ぞれ有する所定波長のコヒーレント光をそれぞれ出射す
   る複数のコヒーレント光源を有し、 前記複数のコヒーレント光源から出射される複数の異な
   る偏光をそれぞれ有する所定波長のコヒーレント光を、
   所定の時間間隔でずらして順次に原子に照射するように
   したものであり、 前記複数のコヒーレント光源から出射されるコヒーレン
   ト光の偏光は、レーザー冷却の対象となる原子の基底状
   態の冷却下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の異
   なる偏光とそれぞれ対応したものである原子のレーザー
   冷却装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の原子のレーザー冷却装
   置において、 前記複数のコヒーレント光源の少なくとも１つは、２つ
   の異なる偏光のコヒーレント光を選択的に出射するもの
   である原子のレーザー冷却装置。
6. 【請求項６】 請求項３、請求項４または請求項５のい
   ずれか１項に記載の原子のレーザー冷却装置において、 前記所定の時間間隔は、１光子の吸収・放出に要する時
   間たる原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔である原
   子のレーザー冷却装置。
7. 【請求項７】 原子のレーザー冷却に用いるコヒーレン
   ト光源であって、 所定波長のコヒーレント光を出射するモード同期（ロッ
   ク）ピコ秒レーザーと、 前記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーから出射され
   る所定波長のコヒーレント光の波長変換を行う波長変換
   素子と、 前記波長変換素子により波長変換されたコヒーレント光
   から所望の波長のコヒーレント光を選択して出射する波
   長分散素子と、 波長分散素子から出射されたコヒーレント光の波長を計
   測し、該計測結果に基づいて、前記モード同期（ロッ
   ク）ピコ秒レーザーが所定波長のコヒーレント光を出射
   するように前記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーに
   シグナルを出力するフィードバック回路とを有する原子
   のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源。
8. 【請求項８】 エネルギー準位における基底状態の冷却
   下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー
   冷却する原子のレーザー冷却装置であって、 所定波長のコヒーレント光を発生するコヒーレント光源
   と、 半波長板と音響光学素子とを有し、前記コヒーレント光
   源から出射されたコヒーレント光の前記半波長板による
   偏光を制御して、所定の時間間隔で異なる偏光のコヒー
   レント光を原子に照射する偏光制御手段とを有し、 前記音響光学素子を使用して時間的に周波数を変化させ
   てチャープ冷却を行って原子を散乱力により減速すると
   ともに、前記音響光学素子を使用して時間的に前記半波
   長板による偏光を分離するとともに周波数を最適化して
   原子を散乱力により冷却するものである原子のレーザー
   冷却装置。
9. 【請求項９】 原子のレーザー冷却に用いるコヒーレン
   ト光源であって、 第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザー光生
   成システムと、 第２の波長のレーザー光を生成するとともに前記第１の
   レーザー光生成システムにおいて生成された前記第１の
   波長のレーザー光を導入し、前記第１の波長のレーザー
   光と前記第２の波長のレーザー光との和周波混合により
   第３の波長のレーザー光を生成する第２のレーザー光生
   成システムとを有する原子のレーザー冷却に用いるコヒ
   ーレント光源。
10. 【請求項１０】 エネルギー準位における基底状態の冷
    却下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザ
    ー冷却する原子のレーザー冷却装置であって、 第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザー光生
    成システムと、第２の波長のレーザー光を生成するとと
    もに前記第１のレーザー光生成システムにおいて生成さ
    れた前記第１の波長のレーザー光を導入し、前記第１の
    波長のレーザー光と前記第２の波長のレーザー光との和
    周波混合により第３の波長のレーザー光を生成する第２
    のレーザー光生成システムとを有するコヒーレント光源
    と、 半波長板と音響光学素子とを有し、前記コヒーレント光
    源から出射されたコヒーレント光の前記半波長板による
    偏光を制御して、所定の時間間隔で異なる偏光のコヒー
    レント光を原子に照射する偏光制御手段とを有し、 前記音響光学素子を使用して時間的に周波数を変化させ
    てチャープ冷却を行って原子を散乱力により減速すると
    ともに、前記音響光学素子を使用して時間的に前記半波
    長板による偏光を分離するとともに周波数を最適化して
    原子を散乱力により冷却するものである原子のレーザー
    冷却装置。