アプリケーションノート：サイエンティフィック

Scientific

TOPTICA 社の狭線幅 CW レーザとその周辺機器は高精度な波長可変や周波数安定化が可能で、量子光学、原子光学、計量・計測標準、分光、干渉法、ホログラフィなどサイエンティフィックアプリケーションにおいて高い成果をあげています。基礎研究分野や種々のテクニカルアプリケーションに精通した経験豊かなスタッフが、アプリケーションに最適なソリューションの開発・提案をサポートいたします。

原子光学：レーザ冷却＆レーザトラップ
 ボース-アインシュタイン凝縮＆フェルミ縮退ガス
 イオンレーザ冷却＆トラップ
 量子インフォメーション
 標準
 分光
 光励起＆ EIT
リュードベリ励起
 レーザ磁場測定
 干渉法＆ホログラフィ
 LIDAR シーディング
 レーザガイドスター／天文学

■ 原子光学：レーザ冷却＆レーザトラップ

＊ドップラークーリング
＊Sisyphus／偏光勾配冷却＆光糖蜜
＊ラマン冷却＆エキゾチックレーザ冷却スキーム
＊磁気光学トラップ（MOT）
＊原子泉

物質波と光原子間相互作用に関する多くの研究により、現代の原子光学の基礎と多方面での応用が導かれました。中性原子のレーザ冷却が初めて成功したのは 1985 年頃で、1997 年には Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips による“レーザ光による原子の冷却法と捕捉法の開発”がノーベル賞を受賞しました。これに続いて異なるレーザ冷却／トラップ法が多数開発され、また他の多くの原子種のレーザ冷却が実現されました。レーザ冷却の最終的な温度はマイクロケルビンレベルまで達成されています。レーザ冷却は現在、一般的な原子と光の相互作用の研究だけでなく、ボースアインシュタイン凝縮、フェルミ縮退ガス、原子干渉計、原子衝突研究の極低温原子源としても使用されています。また時間、周波数、加速度、回転、同位体比、基本定数などの高精度測量にも応用できます。

[ アプリケーション詳細 ]
Articles: Frequenzkonvertierte cw-Lasersysteme fur Forschung und Industrie

■ ボース-アインシュタイン凝縮＆フェルミ縮退ガス

＊ボース-アインシュタイン凝縮（BEC）
＊フェルミ縮退ガス（DFG）
＊縮退ガスにおける相互作用調節
＊分子の BEC
＊固体物理学シミュレーションのための光格子の縮退ガス

自然は、固体、液体、気体の三つ、またはプラズマを加えた四つのいずれか状態にあります。物質の状態は相互作用エネルギーと温度によって決まります。1924 年、ボースとアインシュタインによる革命的な論文が発表されました。この論文は、粒子間に相互作用が全くまたはほとんどない場合でも、粒子が低温で相転移を起こすことを理論的に説明したものです。この相転移は粒子間相互作用には由来せず、整数のスピンをもつ粒子（いわゆるボソン粒子）に起こり、それら粒子を識別できない量子統計効果だけに依存します。これは衝撃的な予測であり、1995 年に三つの研究グループにより希薄原子ガス内でこの相転移が実際に観測されるまでに 71 年を要しました。そのわずか 6 年後“希薄なアルカリ原子ガスにおけるボース・アインシュタイン凝縮の実現及び凝縮体の特性についての基礎的研究”により E. A. Cornell, W. Ketterle, C. E. Wieman にノーベル物理学賞が授与されました。ヘッドラインはよりシンプルに“物質の新しい状態が明らかに: ボース・アインシュタイン凝縮”というものでした。これはこの後爆発的に広がりを見せる研究分野のほんの始まりにすぎませんでした。ボース・アインシュタイン凝縮だけでなく、1 nK 未満の宇宙温度における極低温事象と、それらが一つの巨大な物質波として振る舞うといったようなユニークな特性も観測されています。半整数のスピンをもつ相互作用の弱い粒子（フェルミオン）は、ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）に至る相転移を起こしません。それでもなおこれら粒子を量子統計効果に従うように冷却することはできます。このような系はフェルミ縮退ガス（DFG）と呼ばれ、やはり粒子の変わった振る舞いが観測されます。BEC 及び DFG のいずれのタイプの縮退量子気体も、固体系の研究を導く光格子で調査されています。こういった原子の相互作用を正確に調整するための新しい方法は、High-Tc 超電導効果の研究、分子 BEC の生成、双極子 BEC の研究に応用されています。

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Articles: Frequenzkonvertierte cw-Lasersysteme fur Forschung und Industrie

■ イオンレーザ冷却＆トラップ

＊ドップラークーリング
＊Sisyphus／偏光勾配冷却＆光糖蜜
＊ラマン冷却＆エキゾチックレーザ冷却スキーム
＊磁気光学トラップ（MOT）
＊原子泉

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Articles: Frequenzkonvertierte cw-Lasersysteme fur Forschung und Industrie

■ 量子インフォメーション

＊量子コンピュータ
＊量子テレポーテーション
＊量子暗号
＊単一光子または量子もつれ光子源

量子論の定式化と承認の後、この理論を人類の利益に転嫁する可能性について研究者が議論するまでにそう長い時間は要しませんでした。量子コンピュータは量子論の応用として最も著名なものの一つで、実現されれば計算速度が飛躍的にあがることが期待されます。結合量子メカニカルシステムは全て、量子コンピュータへの応用が可能です。固体システム、トラップイオン、光格子内原子、線形光学要素をもつ光子は、量子コンピュータ研究における“きも”です。固体システムとトラップイオンについては最初の量子的操作が実現されていますが、深い研究はまだ始まったばかりです。

量子コンピュータの基礎はいわゆる“もつれ合い状態”で、一部の状態が他の部位の状態と完全にリンクしているような量子的メカニカル特性をもつシステムにあります。有名な“シュレディンガーの猫”の例では、奇妙なもつれ状態をいかに日常の経験と比較するか試みられています。アインシュタインですらこの特性を疑い、自身と彼の同僚である Podolski 及び Rosen が 1935 年に発表した論文で量子論の不完全さに言及し、量子論が隠れた変数理論を含む別の理論によって替わられるべきであると論じています。この EPR パラドックス議論はまず、量子力学が完全であることを示したベルによって理論的改竄が示されました（ベル理論）。今日に至るまで、ベル理論は繰り返し実証されています。隠れた変数理論はもはや量子性の説明には不要です。

奇妙な特性をもつもつれ状態はまた、量子テレポーテーションの基礎にもなります。量子テレポーテーションとは、ある量子力学状態を任意の場所にある任意のシステムから他の場所にある他のシステムへ移動するというもので、量子暗号にも応用されます。量子暗号の到達点は、ある場所から他の場所へ完全に安全に情報を伝送することにあります。量子暗号は非常に有用かつ重要な装置になることは明らかです。なおこの量子暗号はシングルまたはもつれ光子にほぼ適用され、すでに商業化されています。

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Application Notes: Trapping and quantum computing
Articles: Frequenzkonvertierte cw-Lasersysteme fur Forschung und Industrie

■ 標準

＊時間＆周波数
＊基礎物理定数
＊原子干渉計、回転、加速度測定
＊レーザベース微量ガス分析（ATTA, RIMS）

度量衡は最も古いサイエンスアプリケーションの一つで、発祥は紀元前数千年にまでさかのぼります。人々は太陽や月の動きを観察し、時間を計りました。そうして種蒔きの時期や冬の備えの時期を決定してきました。時間は非常に重要であったため、マヤ文明は驚くべき建物やストーンヘンジのような宗教的な場所を建立し、太陽や月といった彼らの神々を祀りました。その後適切な航海・航空のため、より正確な時間計測が必要となり、より高精度な時計が開発されることになりました。

今日、極低温原子やトラップイオンの高精度周波数測定により時間や長さの基準が得られ、グローバルなポジショニングシステムの分解能はより高くなっています。また微細構造定数 α やリュードベリ定数といった基礎物理定数の決定や、基礎物理定数の時間非依存性のような物理の基本原理のテストに使われています。

原子干渉計は高精度な重力の測定（重力計）や回転量の測定（ジャイロスコープ）に使用されます。これらは地震や火山噴火の調査、天然資源や隠れた地下構造の探索、また地球潮汐モデル、弱い等価原理、一般相対性理論のテストに応用されます。

気体流のモニタには、分光によるガス分析が用いられます。高性能レーザを用いた微量ガス分析法及び同位体比の測定方法は、汚染測定、物質や地下水の年代測定、プルトニウム生成の検出に応用されています。

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Articles: Sub-hertz frequency stabilization of a commercial diode laser

■ 分光

＊吸収分光
＊ガスモニタリング
＊微量ガス分析
＊分子／原子分光

分光はガス分析や原子／分子の物性研究に広く利用されています。ガスに照射するレーザの周波数を変化させると、ガスによりレーザパワーのディップが見られます。こうした吸収線でのレーザ周波数は、原子や分子の種類によって特有のもので、ディップの深さは原子や分子ガスの密度に関係します。これによりガスの構成と各コンポーネントの構成密度を測定できます。原子や分子についての高分解能分光も、それらの内部構造の研究や物性のテストに用いられています。

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Application note: 12 orders of Coherence Control

■ 光励起＆ EIT

＊光励起
＊電磁誘起透明化
＊光蓄積＆低群速度光

光励起は原子、イオン、分子を任意の量子力学状態にするのに広く使われています。ガス／固体レーザそのもののような既定の電子状態や磁気状態にするのにも用いられます。後者はレーザ磁場測定やスピン偏極ヘリウムガスの吸入と NMR/MRT 技術を用いた肺のモニタに応用されています。

電磁誘導透明化（EIT）は、他のレーザビームの作用により光（通常はレーザ）の吸収を変化・制御できる現象です。位相コヒーレントレーザによる EIT では興味深い結果が得られます。特殊なシーケンスの光パルスで、光を人間の歩行速度程度まで減速し、最終的には完全に停止させたり再度発光させたりすることも可能です。

■ リュードベリ励起

＊量子光学のためのリュードベリ励起
＊双極子相互作用＆双極子ブロッケード
＊電場測定

リュードベリ原子はレーザ照射や電子の衝突などにより強く励起された原子で、宇宙でも観測されます。通常一つの電子が n = 100 以上の非常に高い主量子数の準位に励起されます。原子半径（サイズ）は n の二乗の関数なので、リュードベリ原子は最大 mm スケールに及ぶ非常に大きいものになります。リュードベリ原子は電場に非常にセンシティブなので、電場の検出に利用できます。またシュレディンガーの猫やベルの不等式の検証といった量子光学や量子物理現象の実証や検証にも使用されています。リュードベリ原子は小さな電場にあるに存在するとき、偏極し非常に高い双極子モーメントを示します。この高い双極子モーメントは量子ガスなどの双極子間相互作用の測定に使用できます。いわゆる双極子ブロッケードに基づき、狭線幅レーザを用いて原子をリュードベリ準位に正確に励起する単一光子源も可能です。

[ アプリケーション詳細 ]
Articles: Frequenzkonvertierte cw-Lasersysteme fur Forschung und Industrie

■ レーザ磁場測定

＊B 場測定のための非線形光磁気回転
＊心磁図：心臓の磁場測定
＊脳磁図：脳（ニューロン）の磁場測定
＊大気物理

非常に弱い磁場を測定するのは非常に困難です。一般的に用いられている方法は、超電導物質を用いた SQUID（超電導量子干渉計）を用いたものです。超伝導は極低温でのみ観測でき、「高温超電導」ですら 150 K（-123 ℃）未満なので、その検出器は複雑で高価なものになります。この 20 年以上にわたり他の技術が試みられ、非常に有望な結果が得られています。この技術はガラスセルに入れた原子サンプルにレーザ照射して、原子をある特殊な磁性状態に励起するというもので、原子を磁気モーメントを特定の方向にそろえるような強い「偏向状態」にすることができます。リニア偏光をもつ第二のレーザビームをこのサンプルに送ります。原子の偏向によってレーザ偏光は回転させられ（非線形光磁気回転）またその回転は正確に検出できます。ここで測定されるような磁場はサンプル原子の偏向を変えるので、それを利用して磁場を正確に計測することができます。

[ アプリケーション詳細 ]
Application note: Biomagnetic Measurements Benefit from Laser Know-How

■ 干渉法＆ホログラフィ

＊干渉法による距離測定
＊干渉法によるオプティクス検査
＊ホログラフィ

干渉法はよく知られた距離測定の方法で、光ビームを分割して固定の距離にある面で反射されたビームと対象物からのビームを重ねることで可能になります。二つのビームの干渉はそれらビームパスの差に依存して、レーザ波長の半分の周期をもつ干渉縞を示します。これを応用すると、対象物の距離がどのように変化しても、干渉縞をカウントすることで約 0.1 μm の精度でその距離を正確に測定することができます。同様に、反射面（例：リファレンスレンズ）からのビームと対象物（例：分析対象レンズ）からのビームを干渉させて得られる干渉縞から、リファレンスに対する対象物の偏差を調べることができます。このようにオプティクス検査にも、狭線幅チューナブルレーザを用いたより高精度な位相シフト干渉法が用いられています。

[ アプリケーション詳細 ]
Application note: 12 orders of Coherence Control
Article: Frequency Control in Phase-Shifting Interferometry
AArticle: Why blue-sky thinking gives TOPTICA the power

■ LIDAR シーディング

＊地質学
＊地震学
＊リモートセンシング
＊大気物理学

LIDAR（光検出と測距）は、散乱光の特性を分析して、距離を測定したり離れた場所にあるターゲットの情報を得る光リモートセンシング技術です。パルスレーザは高いタイミング分解能とハイパワーのため、ほとんどの LIDAR アプリケーションで使用されます。しかしこのようなパルスレーザにはたいてい、高い波長精度が求められます。必要な波長安定性を得るためには、高安定の CW ダイオードレーザをパルスレーザのシード光に使用します。シーディングレーザはファブリペロー干渉計、波長計、原子線のような外部リファレンスで波長ロックすることもあります。レーザ測距の場合、「飛行時間」を測定することで対象物までの距離を求めることができます。この「飛行時間」は、レーザパルスが対象物に到達して戻ってくるのに要する時間です。時間の遅延と共に、原子や分子の遷移線に共鳴するレーザパルスの散乱または強度を測定することで、その密度に対する空間的（距離の）依存性を測定できます。LIDAR は、その他地質学、地震学、リモートセンシング、大気物理にも応用できます。

[ アプリケーション詳細 ]
Temperature measurements above the Arctic

■ レーザガイドスター／天文学

地球上の大気により引き起こされ、画像のぼやけを生じる波長偏差を補正するため、最新の望遠鏡には補償光学装置（AO）が用いられています。保障光学装置のための参照オブジェクトとして、上層大気中でナトリウム原子をレーザ励起するいわゆるレーザガイドスターを用いることができます。TOPTICA 社の SodiumStar は、コンパクトなターンキー・ガイドスターレーザシステムです。波長は 589 nm、出力パワー 20 W、線幅 5 MHz です。

天体観測のための望遠鏡のミラーは、近年より大きなサイズが用いられるようになっています。光分解能と効率の改善のため、主鏡の大きな望遠鏡やマルチテレスコープアレイが製造されました。チリにある欧州南天天文台（ESO）の超大型望遠鏡（VLT）やハワイの 10 m ケック望遠鏡をはじめとして、そのうちいくつかの望遠鏡では直径 8 m 以上のミラーが使用されています。しかしながら望遠鏡の分解能は、地球の大気内の乱気流で損なわれます。乱気流中に見られる異なる温度の層は屈折率が異なるので、それが小さいレンズのように作用し、対象とする天体からの発光の波面を歪めます。その結果、そのような大気歪みの影響を受けた望遠鏡の画像は不鮮明になります。このような歪みを避けて測定する方法の一つは、ハッブル天体望遠鏡のように望遠鏡を地球大気より上空に設置することです。しかし現在のロケットで宇宙へ送ることのできる望遠鏡のサイズは、ミラー重量や予算で限定されることになります。

アプリケーションノート： サイエンティフィック

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