Transcript 実験配置図

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
概要
目的
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。
方法
EIT（Electromagnetically Induced Transparency）
を用いる。
今回
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。
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。
EIT原理図
干渉前のエネルギー準位
|3>
6P3/2|3> F’=4
Coupling
ΩC
Probe
γ1
γN
γC
ΩP
γ2
|C>
|1>
F=4
6S1/2
|NC>
|2>
F=3
| C 
C

| 1  P | 2


| NC  

P
| 1  C | 2


  2P  C2
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。
実験配置図
coupling
coupling
+ probe
E.O.M
isolator
l/4 plate
s
ECDL
F’=4
Photo
detector
attenuators
852 nm
Cs D2 line
Cs thin cell
Synthesizer
9192MHz
Excited state
AM
Lock-in
amplifier
Ref. 300 kHz
coupling
probe
Signal out
F=4
9192 MHz
Ground state
detuning d
F=3
薄いセル中のCs原子のEIT信号スペクトル
セルの厚さ：1mm
磁場なし
Transmission (a.u.)
1MHz
0.1mTの磁場あり
(mF,mF’)
(-3,-3) (-2,-2)
(-1,-1) (0,0)
-4
-2
0
2
Probe detuning d (MHz)
4
-4
(1,1)
(2,2) (3,3)
-2
0
2
Probe detuning d (MHz)
4
典型的なEIT信号スペクトル（クロック遷移）
-200
-100
0
セルの厚さ：40mm
100
Probe detuning d (kHz)
200
Transmission (a.u.)
Transmission (a.u.)
セルの厚さ：0.3mm
-100
-50
0
50
Probe detuning d (kHz)
100
: 実験結果
: ガイド線
実験結果
0.3 mm
150
75
50
25
0
100
200
300
75
50
(mW/cm2)
100
200
Intensity
300
50
25
100
200
Intensity
300
(mW/cm2)
400
200
300
400
(mW/cm2)
125
100
75
50
0
100
40 mm
150
100
75
50
25
25
0
0
Intensity
FWHM (kHz)
FWHM (kHz)
75
50
(mW/cm2)
125
100
75
0
400
5 mm
150
125
100
25
0 0
400
2 mm
150
FWHM (kHz)
100
25
Intensity
0
125
FWHM (kHz)
100
1 mm
150
125
FWHM (kHz)
FWHM (kHz)
125
0
0.5 mm
150
0
100
200
Intensity
300
400
0
0
(mW/cm2)
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
100
200
Intensity
300
(mW/cm2)
400
薄いセル
実験結果の考察
薄いセル中では
原子の速度 vz
遅い
速い
atoms
L
位相緩和時間
vz
vz
長い
短い
L
遅い原子
Transmission (a.u.)
Transmission (a.u.)
薄いセル中のEITスペクトルのイメージ
Probe detuning d (a.u.)
速い原子
Probe detuning d (a.u.)
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？
｜NC＞状態での速度分布は？
レート方程式モデル
レート方程式
dN C (vz )
N (v )  N C (v z )
  ( N C (vz )  N 3 (vz ))   C N 3  C z
dt
T
*
dN N (vz )
N N (v z )  N N ( v z )
  N N 3 (v z ) 
dt
T
dN 3 (vz )
 ( N C (vz )  N 3 (vz ))  ( C   N ) N 3 (vz )
dt
*
N3 |3>
γN
γ
γC
NC
NN
|C>
|NC>
セル壁面との緩和効果
薄いセル
1 vx vz
 
: セル壁面との緩和効果
T D L
vx
D
atoms
L : セル壁面間の距離（セルの厚さ）
vz
x
L
z
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
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。
透過光強度:
f (d ) N N (vz ) dvz

L= 0.3 mm
但し
N N (v z ) 
EITスペクトルの計算値
T
N C* (vz )  N N* (vz )
1  T
Transmission (a.u.)


: ｜NC＞にある原子の速度分布
d
d  (1 T   I )
2
2
: Lorentz 形
: probe detuning
I : レーザー光強度
 : power broadening 係数
L= 40 mm
Transmission (a.u.)
f (d ) 
Probe detuning d (kHz)
1T  I
Probe detuning d (kHz)
: 計算値
: ガイド線
レート方程式の解析結果
0.3 mm
150
75
50
25
0
100
200
300
75
50
0
400
0
100
200
Intensity
300
50
25
100
200
Intensity
300
(mW/cm2)
400
200
300
400
(mW/cm2)
125
100
75
50
0
100
40 mm
150
100
75
50
25
25
0
0
Intensity
FWHM (kHz)
FWHM (kHz)
75
50
(mW/cm2)
125
100
75
0
400
5 mm
150
125
100
25
(mW/cm2)
2 mm
150
FWHM (kHz)
100
25
Intensity
0
125
FWHM (kHz)
100
1 mm
150
125
FWHM (kHz)
FWHM (kHz)
125
0
0.5 mm
150
0
100
200
Intensity
300
400
0
0
(mW/cm2)
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
100
200
Intensity
300
(mW/cm2)
400
結論
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。
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。