JP3855035B2 - 原子のレーザー冷却方法およびその装置 - Google Patents

Description

【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：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ 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。
【００３８】
また、本発明のうち請求項７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。
【００４０】
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、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Ｎｄ：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ＢＢＯ結晶による和周波混合により６０ｍＷを越える２５２ｎｍ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＝５．５ｎｓ）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、１１ｎｓ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＝４４ｎｓ」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９３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〜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。
【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２５２．４ｎｍ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１０７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７５７ｎｍ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。
【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１ｐｓ〜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１０３’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１００９．６ｎｍ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１００９．６ｎｍ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。
【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１１４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２５２．４ｎｍ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１１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。
【００９０】
つまり、この偏光制御部により、波長２５２．４ｎｍ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１２７ａ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ＣＷレーザー１２１としては、例えば、波長１００９．６ｎｍ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５０４．８ｎｍ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１２１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 ｓｔａｇｅ）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 ｓｔａｇｅ）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：ＹＶＯ_４レーザーの第２高調波により励起されて波長７４６ｎｍ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 ｌａｓｅｒ 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）１００４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（ＭＬ）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１０１２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（Ｍ１）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（Ｍ２）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１００８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３７３ｎｍ）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７４６ｎｍ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７４６ｎｍ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１００８−３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、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１００８−１を透過して全反射ミラー１００８−２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１００８−３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ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶１００８−６を通過して出力ミラー１００８−４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７８０ｎｍ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）２０１４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２００８−３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％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２００８−４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３７３ｎｍ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１０００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１００８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１００８−１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３７３ｎｍのレーザー光の９５％を透過し、波長７４６ｎｍ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２００８−２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１０００における共振器本体１００８の約半分の約３００ｍｍ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２０００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４８０ｍＷ、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２００８−４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７８５ｎｍ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〜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。
【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２７１．０ｎｍ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８１３ｎｍ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。
【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１０００ＧＨｚ〜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。
【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１０８４ｎｍ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。
【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２７１．０ｎｍ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２７１．０ｎｍ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１５７ａ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ＣＷ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２５２．４ｎｍ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７４６ｎｍ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２５２ｎｍ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２５２ｎｍ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 ７４６ｎｍ）
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 ｓｔａｇｅ）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 ７８０ｎｍ）
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）

Claims (8)

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. 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. 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. 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。
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、
   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。

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