フラウンホーファーCAP：局所的な重力勾配を検知するための高性能・コンパクトな円錐形増幅器

挑戦

排水口の特定、旧パイプラインの位置特定、油田枯渇マップの作成など、高感度の局所重力勾配を測定するための実用的かつ経済的なツールが広く求められています。現在、フラウンホーファー応用フォトニクスセンター（英国グラスゴー）の量子技術事業部の研究者たちは、産業パートナーであるAlter Technology TÜV Nord UK Ltd. と協力し、原子干渉計を携帯型ソリューションとして活用する取り組みを進めています。

量子技術事業部門の責任者であるボリン・ロイド・マックナイト博士は、次のように説明しています。「「私たちは、原子干渉測定用のレーザーシステムに関する専門知識を活用し、携帯型システムをどのように構築できるかを実証したいと考えています。」原子干渉測定では、レーザー冷却を用いて真空容器内に超低温原子（例えばルビジウム）の微小な雲を生成します。これらの原子は局所重力の影響を受けますが、超安定レーザーを用いてその状態を整えることで、原子の波動的な振る舞いを利用して高感度な測定を行うことができます。マックナイト氏は次のように付け加えました：「この確立された技術を、実験室での現象から実用的な現場用機器へと転換することは、大きな課題です。」彼は、原子干渉計を動作させるには、ワット級の出力、狭く安定した線幅、そして低振幅・低位相ノイズを備えた高性能なレーザービームが必要であると指摘した。こうしたレーザーは複雑で高価、かつ大型である可能性が高く、携帯型で経済的な重力センサーの理想的な構成要素とは程遠い！

ソリューション

分散型フィードバック（DFB）デバイスと呼ばれる特殊なダイオードレーザーがあり、これらは通信用途で広く使用されており、小型パッケージで低ノイズの出力を実現できます。この場合、これらのデバイスの出力を低コストのルビジウム蒸気セルに「ロック」することで、優れた安定性とコスト効率を実現できます。しかし、出力数十mW程度のDFBでは、この用途に必要な出力をまったく満たすことができません。

幸いなことに、フラウンホーファーCAPチームは完璧な解決策を見出しました。それは、Coherent社製のテーパー型増幅器チップです。これらのデバイスは斬新なチップ設計を採用しており、小型チップの高品質な光学性能と、大型チップの高出力を両立させています。マックナイト氏は次のように説明しています。「現在、従来の主発振器パワーアンプ（MOPA）装置にDFBとこれらのテーパー型デバイスのいずれかを組み合わせることで、重力センサーに必要なレーザービーム性能を得られるようになりました。これらのテーパー型チップは高品質な増幅を提供できるため、最終的な MOPA の出力が、良好なビーム品質や狭い線幅といった安定したDFB発振器のすべての光学特性を維持しつつ、我々が求めるワット級の出力を実現できるようになった。わずか2つの小型ダイオードチップで構成されるこの高性能レーザーは、低消費電力のコンパクトな携帯型デバイスに最適である。」

成果

このレーザー装置を採用することで、研究チームは繰り返し周波数が1^{Hzを超える3×10⁸個のルビジウム原子を}冷却・捕捉することに成功し、提案されている重力センサーの要件を満たすことができた。現在、彼らはシステムのサイズ、重量、消費電力のさらなる低減に取り組んでいる。マックナイト氏は次のように締めくくった。「このレーザーベースの量子エンジンは、航空機や潜水艦などの慣性航法センサーにも応用可能ですが、その長期的な絶対精度はファイバーオプティックジャイロスコープを上回ります。私たちは共同研究者と協力し、この分野で本技術を実証しようとしています。」

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