PTB､可搬レーザ向け周波数2逓倍ユニットを開発

February, 1, 2018, Berlin--ドイツ物理工学研究所(PTB)は､電波時計などで時間を提供することで知られている｡この目的のために､PTBは世界最高のセシウム原子時計を運用している｡同時に､PTBは様々な次世代原子時計の開発を進めている｡
　これらの時計は､セシウムのマイクロ波に依存するのではなく､光周波数を使って励起される他の原子で動作する｡これらの新しい時計の中には､他所に輸送可能なものさえある｡QUEST研究所では､PTBは現在可搬光アルミニウム時計を開発している｡目的は、実験室の外で物理現象(アインシュタインが予言した赤方偏移など)の計測｡このための必須条件は､必要なレーザが他所への輸送に耐えられることである｡PTB物理学者は､したがって､アインシュタインの重力加速度の3倍で揺らしても継続動作する周波数2逓倍ユニットを開発した｡この成果は､”Review of Scientific Instruments”に掲載されている｡
　地球の重力場において異なる2つの場所にある２つの時計は異なるスピードで時を刻むことを発見したのはアインシュタインである｡初めは奇妙な考えに聞こえたことは､全く実用的な効果を持っている｡10^-18という非常に小さな相対測定不確かさを持つ2つの光原子時計は､地球上の任意の点間の高低差をわずか1㎝の精度で計測できる｡この､いわゆる｢測時高低測量｣は測地学における時計の重要なアプリケーションである｡このための必須要件の1つは､2つの時計の光周波数が､例えば､ガラスファイバを介して比較できることである｡
　PTBは､現在､各々がトレーラ､コンテナで輸送できる､いくつかの異なるタイプの原子時計を開発している｡しかし保護された実験室の外での動作には､多くの課題がともなう｡例えば､環境温度の安定性は著しく低い｡さらに輸送中に大きな衝撃が起こるかも知れない｡これは､実験室で完璧に動作していた光学構造が､その目的地では､最初に不安定になる理由である｡時計を､苦労して再調整しなければならない､これは貴重な研究時間の損失になる｡
　特に､この最後の問題は､QUEST研究所で開発中の可搬アルミニウム時計に関係する｡この時計は､何よりも2つの267nmの紫外レーザを必要とする｡この波長では､絶対にレーザダイオードを購入することはできない｡代わりに､長波長の赤外レーザが連続的に周波数2逓倍されていなければならない｡このプロセス中､高い光パワーがリングを周回するように､光は4つのミラーの閉じたリングに結合する｡このリングの中に設置された非線形結晶が､周回する光を半波長の光に変換する｡ミラーは誘電体コーティングされており､光はキャビティから出て､時計の読み取りに使用される｡QUEST研究所は､この周波数2逓倍キャビティの設計を開発した｡キャビティは､モノリシックであり､したがって高安定フレームである､すべてのミラーと結晶は､そのフレームにマウントされている｡このセットアップは､結晶を保護するために､外部に対して気密封止されている｡結晶は､わずかな汚染にも強く影響されるからである｡
　キャビティの開発者は､1gの加速度に晒されてもレーザ光が2逓倍されることをプロトタイプで実証することができた｡さらに､周波数2逓倍の効率は､最大3gの加速度に、30分晒された後でも機能低下が起こらないことが示された｡これは､トラックでの道路輸送に関して､ISO13355:2016基準で定められた値の5倍に相当する｡しかしキャビティは機械的に堅牢であるだけでなく､他の研究所の研究グループが開発した同等システムと同じ効率である｡さらに､130時間の連続動作も実証された｡
　これらの特性を考慮して､QUEST研究所はこの2逓倍キャビティを他の波長(UVだけでなく)のためにも複数作製した｡これらは､様々な量子-光実験の不可欠のコンポーネントになっている｡狙いは､これらの実験に高信頼のレーザ光を提供することである｡さらに､ドイツのオプトメカニクス会社が､その設計のライセンスを得て､それを商用製品の基盤にする｡
(詳細は､www.ptb.de)