薄いセル中のセシウム原子の EIT信号Ⅱ

明大理工，通総研 A　木下基、福田京也 A、長谷川敦司 A、細川瑞彦 A、立川真

樹

その信号線幅のセルの厚さとレーザー光強度の依存性を調べた。

概要

薄いガラスセル中の Cs原子とセル壁面との衝突による緩和特性を調べること。

目的

今回

方法EIT（ Electromagnetically Induced Transparency）を用いる。

薄いセル

　　　　　　　　　　使用したパイレックス製ガラスセル

　本実験ではセル壁面間の距離（セルの厚さ）　 0.3mm 、 0.5mm 、 1mm 、 2mm 、 5mm 、 40mmのものを使用。

|NC>|C>

|3>

γNγC

EIT原理図

|1>|2>

|3>

γ2

ΩC ΩP

干渉前のエネルギー準位

ProbeCoupling

2|1|| PCC

2|1|| CPNC

22CP

EIT 信号の線幅は｜ C ＞と｜ NC ＞間のコヒーレント時間で決まる。我々は薄いセル中の原子ではそのコヒーレント時間は原子の速度に依存するのではないかと考えた。

6S1/2

6P3/2

F=4

F’=4

F=3

γ1

実験配置図coupling + probe

Cs thin cell

9192MHzSynthesizer

Ref. 300 kHz

Lock-in amplifier

E.O.Misolator

ECDL

Photo detector

Signal out

AM

852 nm attenuators

coupling

/4 　 plate

Cs D2 line

F’=4

F=4

F=3Ground state

Excited state

9192 MHz

couplingprobe

detuning

1MHz

0 2 4-2-4Probe detuning (MHz)

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

(-3,-3) (-2,-2) (-1,-1) (1,1)(2,2) (3,3)

Probe detuning (MHz)

0.1mTの磁場あり(mF,mF’)

0 2 4-2-4

(0,0)

磁場なし

薄いセル中の Cs原子の EIT信号スペクトル

セルの厚さ： 1mm

Probe detuning (kHz)

セルの厚さ： 0.3mm セルの厚さ： 40mm

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

Probe detuning (kHz)

典型的な EIT信号スペクトル（クロック遷移）

-200 -100 0 100 200 -100 0 10050-50

実験結果0.3 mm

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

0

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

0 1000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

0.5 mm

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

0 1000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

1 mm

40 mm

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

2 mm 5 mm

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

: 実験結果: ガイド線

得られた EIT信号スペクトル線幅のレーザー光強度依存性

実験結果の考察

レート方程式モデル

位相緩和時間

短い

｜ NC ＞状態での速度分布は？

薄いセル中ではレーザー光強度が弱くなると EIT 信号に寄与する原子の速度分布が変化してくるのではないか？

薄いセル中の EIT スペクトルのイメージ

遅い原子 速い原子

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

Probe detuning (a.u.) Probe detuning (a.u.)

薄いセル

atoms

L

zvzv

Lzv原子の速度

遅い速い

薄いセル中では

長い

レート方程式

|NC>|C>

|3>

γN

γCNC NN

N3

L

: セル壁面との緩和効果

: セル壁面間の距離（セルの厚さ）

セル壁面との緩和効果

T

vNvNNvNvN

dt

vdN zCzCCzzC

zC )()())()((

)( *

33

T

vNvNvN

dt

vdN zNzNzN

zN )()()(

)( *

3

)()())()(()(

333

zNCzzCz vNvNvN

dt

vdN

L

v

D

v

Tzx

1

γ

薄いセル

x

z

atomsD

L

xv

zv

セルを薄くすると、遅い原子のみが十分な光との相互作用時間を持ち、｜NC ＞に遷移する。その結果、得られる速度分布はセルの厚さが薄くなるほど先の尖った非 Maxwell-Boltzmann 分布となる。

レート方程式の解析結果

セルの厚さの違いによる Non-coupled stateの原子の速度分布

22)1(

1)(

IT

ITf

: Lorentz 形

透過光強度 :

: ｜ NC ＞にある原子の速度分布

但し

I

: probe detuning

: レーザー光強度: power broadening 係数

L= 40 mm

Probe detuning (kHz)

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

L= 0.3 mm

Probe detuning (kHz)

Tra

nsm

issi

on (

a.u.

)

EIT スペクトルの計算値

zzN dvvNf )()(

)()(1

)( **zNzCzN vNvN

T

TvN

0.3 mm 0.5 mm 1 mm

2 mm 5 mm 40 mm

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

0F

WH

M (

kHz)

150

125

100

75

50

25

0

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

0

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

1000 200 300 400

Intensity (W/cm2)1000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

FW

HM

(kH

z)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)F

WH

M (

kHz)

150

125

100

75

50

25

01000 200 300 400

Intensity (W/cm2)

: 計算値: ガイド線

EIT信号スペクトル線幅の計算値のレーザー光強度依存性

レート方程式の解析結果

結論

薄いセル特有の速度選択性が EIT信号の観測によって確かめられた。

薄いセル中の原子の EIT信号の線幅は power broadeningや transit time broadeningから期待されていたよりも狭い。モデル解析によって得られた線幅のレーザー光強度とセルの厚さ依存性は実験結果とよく一致した。