2022/08/17 更新

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カトウ シンヤ
加藤 真也
所属
附属機関・学校 高等研究所
職名
講師(任期付)
メールアドレス
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兼担

  • 理工学術院   先進理工学部

学歴

  • 2008年04月
    -
    2012年03月

    京都大学   大学院理学研究科   物理学・宇宙物理学専攻 博士課程  

  • 2006年04月
    -
    2008年03月

    京都大学   大学院理学研究科   物理学・宇宙物理学専攻 修士課程  

学位

  • 京都大学   博士(理学)

経歴

  • 2020年04月
    -
    継続中

    早稲田大学高等研究所   講師(任期付)

  • 2016年10月
    -
    2020年03月

    国立研究開発法人科学技術振興機構   さきがけ研究員

  • 2014年04月
    -
    2016年09月

    日本学術振興会特別研究員(SPD)

  • 2012年04月
    -
    2014年03月

    早稲田大学   応用物理学科   次席研究員

  • 2008年04月
    -
    2011年03月

    日本学術振興会特別研究員(DC1)

 

研究分野

  • 半導体、光物性、原子物理

論文

  • Photon transport enhancement through a coupled-cavity QED system with dynamic modulation

    Shinya Kato, Takao Aoki

    Optics Express   30 ( 5 ) 6798 - 6798  2022年02月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

    DOI

  • Ultra-low-loss nanofiber Fabry–Perot cavities optimized for cavity quantum electrodynamics

    S. K. Ruddell, K. E. Webb, M. Takahata, S. Kato, T. Aoki

    Optics Letters   45 ( 17 ) 4875 - 4875  2020年09月  [査読有り]

    DOI

  • Transfer-Matrix Approach to Determining the Linear Response of All-Fiber Networks of Cavity-QED Systems

    Nikolett Német, Donald White, Shinya Kato, Scott Parkins, Takao Aoki

    Physical Review Applied   13 ( 6 )  2020年06月  [査読有り]

    DOI

  • Cavity Dark Mode of Distant Coupled Atom-Cavity Systems

    Donald H. White, Shinya Kato, Nikolett Nemet, Scott Parkins, Takao Aoki

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   122 ( 25 ) 253603 - 253603  2019年06月  [査読有り]  [国際誌]

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    We report on a combined experimental and theoretical investigation into the normal modes of an all-fiber coupled cavity-quantum-electrodynamics system. The interaction between atomic ensembles and photons in the same cavities, and that between the photons in these cavities and the photons in the fiber connecting these cavities, generates five nondegenerate normal modes. We demonstrate our ability to excite each normal mode individually. We study particularly the "cavity dark mode," in which the two cavities coupled directly to the atoms do not exhibit photonic excitation. Through the observation of this mode, we demonstrate remote excitation and nonlocal saturation of atoms.

    DOI PubMed

  • Observation of dressed states of distant atoms with delocalized photons in coupled-cavities quantum electrodynamics

    Shinya Kato, Nikolett Nemet, Kohei Senga, Shota Mizukami, Xinhe Huang, Scott Parkins, Takao Aoki

    NATURE COMMUNICATIONS   10 ( 1 ) 1160 - 1160  2019年03月  [査読有り]  [国際誌]

    担当区分:筆頭著者

     概要を見る

    In a cavity quantum electrodynamics (QED) system, where atoms coherently interact with photons in a cavity, the eigenstates of the system are the superposition states of atoms and cavity photons, the so-called dressed states of atoms. When two cavities are connected by an optical fiber with negligible loss, the coherent coupling between the cavities gives rise to photonic normal modes. One of these normal modes is the fiber-dark mode, in which photons are delocalized in the two distant cavities. Here we demonstrate the setting of coupled-cavities QED, where two nanofiber cavity-QED systems are coherently connected by a meter-long low-loss channel in an all-fiber fashion. Specifically, we observe dressed states of distant atoms with delocalized photons of the fiber-dark normal mode. Our system will provide a platform for the study of delocalized atomic and photonic states, photonic many-body physics, and distributed quantum computation.

    DOI PubMed

  • Laser spectroscopic probing of coexisting superfluid and insulating states of an atomic Bose-Hubbard system

    Shinya Kato, Kensuke Inaba, Seiji Sugawa, Kosuke Shibata, Ryuta Yamamoto, Makoto Yamashita, Yoshiro Takahashi

    NATURE COMMUNICATIONS   7   11341 - 11341  2016年04月  [査読有り]  [国際誌]

    担当区分:筆頭著者

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    A system of ultracold atoms in an optical lattice has been regarded as an ideal quantum simulator for a Hubbard model with extremely high controllability of the system parameters. While making use of the controllability, a comprehensive measurement across the weakly to strongly interacting regimes in the Hubbard model to discuss the quantum many-body state is still limited. Here we observe a great change in the excitation energy spectra across the two regimes in an atomic Bose-Hubbard system by using a spectroscopic technique, which can resolve the site occupancy in the lattice. By quantitatively comparing the observed spectra and numerical simulations based on sum rule relations and a binary fluid treatment under a finite temperature Gutzwiller approximation, we show that the spectra reflect the coexistence of a delocalized superfluid state and a localized insulating state across the two regimes.

    DOI PubMed

  • Strong Coupling between a Trapped Single Atom and an All-Fiber Cavity

    Shinya Kato, Takao Aoki

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   115 ( 9 ) 093603 - 093603  2015年08月  [査読有り]  [国際誌]

    担当区分:筆頭著者

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    We demonstrate an all-fiber cavity quantum electrodynamics system with a trapped single atom in the strong coupling regime. We use a nanofiber Fabry-Perot cavity, that is, an optical nanofiber sandwiched by two fiber-Bragg-grating mirrors. Measurements of the cavity transmission spectrum with a single atom in a state-insensitive nanofiber trap clearly reveal the vacuum Rabi splitting.

    DOI PubMed

  • Efficient Single-Mode Photon-Coupling Device Utilizing a Nanofiber Tip

    Sho Chonan, Shinya Kato, Takao Aoki

    SCIENTIFIC REPORTS   4   4785 - 4785  2014年04月  [査読有り]  [国際誌]

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    Single-photon sources are important elements in quantum optics and quantum information science. It is crucial that such sources be able to couple photons emitted from a single quantum emitter to a single propagating mode, preferably to the guided mode of a single-mode optical fiber, with high efficiency. Various photonic devices have been successfully demonstrated to efficiently couple photons from an emitter to a single mode of a cavity or a waveguide. However, efficient coupling of these devices to optical fibers is sometimes challenging. Here we show that up to 38% of photons from an emitter can be directly coupled to a single-mode optical fiber by utilizing the flat tip of a silica nanofiber. With the aid of a metallic mirror, the efficiency can be increased to 76%. The use of a silicon waveguide further increases the efficiency to 87%. This simple device can be applied to various quantum emitters.

    DOI PubMed

  • High-numerical-aperture microlensed tip on an air-clad optical fiber

    Shinya Kato, Sho Chonan, Takao Aoki

    OPTICS LETTERS   39 ( 4 ) 773 - 776  2014年02月  [査読有り]  [国際誌]

    担当区分:筆頭著者

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    We show that a hemispherically shaped tip on an air-clad optical fiber simultaneously works as a high-numerical-aperture lens and efficiently collects photons from an emitter placed near the beam waist into the fundamental guided mode. Numerical simulations show that the coupling efficiency reaches about 25%. We have constructed a confocal microscope with such a lensed fiber. The measurements are in good agreement with the numerical simulation. The monolithic structure with a high-photon-collection efficiency will provide a flexible substitute for a conventional lens system in various experiments such as single-atom trapping with a tightly focused optical trap. (C) 2014 Optical Society of America

    DOI PubMed

  • Strongly interacting array of Bose-Einstein condensates trapped in a one-dimensional optical lattice

    Makoto Yamashita, Shinya Kato, Atsushi Yamaguchi, Seiji Sugawa, Takeshi Fukuhara, Satoshi Uetake, Yoshiro Takahashi

    PHYSICAL REVIEW A   87 ( 4 )  2013年04月  [査読有り]

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    We study a strongly interacting array of Bose-Einstein condensates trapped in a one-dimensional (1D) optical lattice. The system is described by a nonstandard 1D Bose-Hubbard model in which both the tunneling matrix element and the on-site atomic interaction depend on the lattice site due to the interaction broadening of the local wave function and the system inhomogeneity. We quantitatively compare theoretical analyses based on the Gutzwiller approximation with experimental observations obtained using ytterbium atoms. We show that atomic states are highly number squeezed owing to strong interatomic interactions as the lattice potential becomes deeper. Furthermore, the calculated inhomogeneous collisional broadening of spectroscopic line shapes agrees well with high-resolution spectra measured by using the ultranarrow magnetic quadrupole S-1(0)-P-3(2) transition.

    DOI

  • Control of Resonant Interaction between Electronic Ground and Excited States

    Shinya Kato, Seiji Sugawa, Kosuke Shibata, Ryuta Yamamoto, Yoshiro Takahashi

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   110 ( 17 ) 173201 - 173201  2013年04月  [査読有り]  [国際誌]

    担当区分:筆頭著者

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    We observe magnetic Feshbach resonances in a collision between the ground and metastable states of two-electron atoms of ytterbium (Yb). We measure the on-site interaction of doubly occupied sites of an atomic Mott-insulator state in a three-dimensional optical lattice as a collisional frequency shift in a high-resolution laser spectroscopy. The observed spectra are well fitted by a simple theoretical formula, in which two particles with an s-wave contact interaction are confined in a harmonic trap. This analysis reveals a wide variation of the interaction with a resonance behavior around a magnetic field of about 1.1 G for the energetically lowest magnetic sublevel of Yb-170, as well as around 360 mG for the energetically highest magnetic sublevel of Yb-174. The observed Feshbach resonance can only be induced by an anisotropic interatomic interaction. This scheme will open the door to a variety of studies using two-electron atoms with tunable interaction. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.173201

    DOI PubMed

  • Highly Efficient Light Collecting Devices Utilizing a Nanofiber Tip

    Sho Chonan, Shinya Kato, Takao Aoki

    2013 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS PACIFIC RIM (CLEO-PR)    2013年  [査読有り]

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    We have performed numerical simulations of light collecting devices utilizing a silica nanofiber tip. Up to 39% of light from a point dipole source can be coupled to the fundamental guided mode of the nanofiber.

  • Observation of long-lived van derWaals molecules in an optical lattice

    Shinya Kato, Rekishu Yamazaki, Kosuke Shibata, Ryuta Yamamoto, Hirotaka Yamada, Yoshiro Takahashi

    PHYSICAL REVIEW A   86 ( 4 )  2012年10月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    We observe long-lived tightly bound van der Waals molecules of ytterbium in a three-dimensional optical lattice with a lifetime of 8.0 s. The molecules, state-selectively produced by a photoassociation technique from a Bose-Einstein condensate or an atomic Mott insulator, are successfully detected with a photodissociation method where the molecules are photodissociated into two atoms and the atoms are captured by a magneto-optical trap or optical molasses, for the fluorescence detection. This work will open up various possibilities of research with van der Waals molecules in an optical lattice.

    DOI

  • Optical magnetic resonance imaging with an ultra-narrow optical transition

    S. Kato, K. Shibata, R. Yamamoto, Y. Yoshikawa, Y. Takahashi

    Applied Physics B: Lasers and Optics   108 ( 1 ) 31 - 38  2012年07月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    We demonstrate optical magnetic resonance imaging (OMRI) of a Bose-Einstein condensate of ytterbium atoms trapped in a one-dimensional (1D) optical lattice using an ultra-narrow optical transition 1S 0↔ 3P 2 (m=-2). We developed a vacuum chamber equipped with a thin glass cell, which provides high optical access and allows a compact design of magnetic coils. A line shape of a measured spectrum of the OMRI is well described by a spatial distribution of the atoms in a 1D optical lattice with the Thomas-Fermi approximation and an applied magnetic field gradient. The observed spectrum exhibits a periodic structure corresponding to the optical lattice periodicity. © 2012 Springer-Verlag.

    DOI

  • High-resolution laser spectroscopy of a Bose-Einstein condensate using the ultranarrow magnetic quadrupole transition

    A. Yamaguchi, S. Uetake, S. Kato, H. Ito, Y. Takahashi

    NEW JOURNAL OF PHYSICS   12  2010年10月  [査読有り]

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    High-resolution laser spectroscopy of a Bose-Einstein condensate (BEC) was performed by using the ultranarrow magnetic quadrupole (6s(2)) (1)S(0) <-> (6s6p) (3)P(2) transition of ytterbium (Yb). The transition from the Doppler-broadened spectrum of thermal atoms to the asymmetric spectrum, reflecting the inhomogeneous density distribution of a BEC in a harmonic trap, was observed. The role of the inter-atomic interaction was highlighted by performing spectroscopy of a BEC loaded in a one-dimensional (1D) optical lattice.

    DOI

  • A scalable quantum computer with ultranarrow optical transition of ultracold neutral atoms in an optical lattice

    K. Shibata, S. Kato, A. Yamaguchi, S. Uetake, Y. Takahashi

    APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS   97 ( 4 ) 753 - 758  2009年12月  [査読有り]

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    We propose a new quantum-computing scheme using ultracold neutral ytterbium atoms in an optical lattice, especially in a monolayer of three-dimensional optical lattice. The nuclear Zeeman sublevels define a qubit. This choice avoids the natural phase evolution due to the magnetic dipole interaction between qubits. The Zeeman sublevels with large magnetic moments in the long-lived metastable state are also exploited to address individual atoms and to construct a controlled-multiqubit gate. Estimated parameters required for this scheme show that this proposal is scalable and experimentally feasible.

    DOI

  • QUANTUM DEGENERATE GASES OF YTTERBIUM ATOMS

    S. Uetake, A. Yamaguchi, S. Kato, T. Fukuhara, S. Sugawa, K. Enomoto, Y. Takasu, Y. Takahashi

    PROCEEDINGS OF THE 9TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FOUNDATIONS OF QUANTUM MECHANICS IN THE LIGHT OF NEW TECHNOLOGY     12 - +  2009年  [査読有り]

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    We have performed high-resolution spectroscopy of quantum degenerate gases of bosonic and fermionic ytterbium atoms using ultra-narrow intercombination transitions to probe quantum properties of the gases. The mean field interaction of the Bose-Einstein condensation and the energy distribution characteristic of the Fermi degeneracy were observed in the spectra.

  • High power narrow linewidth laser at 556 nm for magneto-optical trapping of ytterbium

    S. Uetake, A. Yamaguchi, S. Kato, Y. Takahashi

    APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS   92 ( 1 ) 33 - 35  2008年07月  [査読有り]

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    We present a high-power and narrow-linewidth laser for intercombination magneto-optical trapping of ytterbium (Yb) atoms using the 6s(2) S-1(0)-6s6p P-3(1) transition. The system generates 415 mW of continuous wave laser radiation at 556 nm with a linewidth of less than 100 kHz. It is based on a commercial 1W fiber laser with a frequency doubling stage. Up to 58% frequency doubling efficiency is obtained at an input power of 0.5W by using a lithium triborate crystal as a nonlinear medium. The system has been successfully used for laser cooling of Yb atoms.

    DOI

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Misc

  • 21pAL-6 イッテルビウム原子の量子気体顕微鏡の開発1(21pAL 量子エレクトロニクス(干渉計,光格子中の原子),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    柴田 康介, 山本 隆太, 加藤 真也, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   67 ( 2 ) 180 - 180  2012年08月

    CiNii

  • 21pAL-9 異方的相互作用に起因したイッテルビウム原子の散乱長制御(21pAL 量子エレクトロニクス(干渉計,光格子中の原子),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    加藤 真也, 素川 靖司, 柴田 康介, 山本 隆太, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   67 ( 2 ) 181 - 181  2012年08月

    CiNii

  • 18pAL-8 光格子に閉じ込められたYb原子の分光スペクトルにおける少数多体効果(18pAL 量子エレクトロニクス(Bose粒子系の理論,Bose-Fermi混合系の理論),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    稲葉 謙介, 山下 眞, 加藤 真也, 柴田 康介, 山本 隆太, 高橋 義明

    日本物理学会講演概要集   67 ( 2 ) 135 - 135  2012年08月

    CiNii

  • 25aBE-9 3次元光格子に閉じ込められた^<174>Yb原子の分光スペクトル(25aBE 量子エレクトロニクス(Bose粒子系の理論),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    稲葉 謙介, 山下 眞, 加藤 真也, 柴田 康介, 山本 隆太, 吉川 豊, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   67 ( 1 ) 203 - 203  2012年03月

    CiNii

  • 24aEE-8 超流動-Mott絶縁体相転移の超高分解能レーザー分光(24aEE 量子エレクトロニクス(冷却原子(量子情報,光格子中の原子)),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    加藤 真也, 山下 眞, 柴田 康介, 山本 隆太, 吉川 豊, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   66 ( 2 ) 189 - 189  2011年08月

    CiNii

  • 27pRD-5 光格子中の単一サイトアドレッシングに向けた高分解能分光実験2(27pRD 量子エレクトロニクス(冷却原子・量子情報),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    加藤 真也, 柴田 康介, 山本 隆太, 植竹 智, 吉川 豊, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   66 ( 1 ) 215 - 215  2011年03月

    CiNii

  • 23pRD-14 光格子中の単一サイトアドレッシングに向けた高分解能分光実験(23pRD 量子エレクトロニクス(冷却混合気体,冷却分子),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    加藤 真也, 柴田 康介, 濱口 直孝, 山本 隆太, 植竹 智, 吉川 豊, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   65 ( 2 ) 114 - 114  2010年08月

    CiNii

  • 27aZF-5 極低温原子の光ピンセットによる移動(量子エレクトロニクス(量子縮退気体),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)

    加藤 真也, 柴田 康介, 濱口 直孝, Kurkjian Hadrien, 高須 洋介, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   64 ( 2 ) 89 - 89  2009年08月

    CiNii

  • 30pSD-8 量子縮退Yb原子の光格子実験IV(30pSD 量子エレクトロニクス(量子縮退原子気体),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    福原 武, 植竹 智, 垣内 久, 素川 靖司, 杉本 昌仁, 田家 慎太郎, 加藤 真也, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   64 ( 1 ) 187 - 187  2009年03月

    CiNii

  • 25pQD-13 冷却Yb原子の^1S_0-^3P_2遷移を用いた高分解能分光(量子エレクトロニクス(量子縮退気体(実験),原子の冷却・トラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)

    山口 敦史, 植竹 智, 加藤 真也, 伊東 宏之, 高須 洋介, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   63 ( 1 ) 188 - 188  2008年02月

    CiNii

  • 24pRH-5 冷却Yb原子^1S_0-^3P_0遷移の高分解能分光II(量子エレクトロニクス(原子の冷却・トラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)

    植竹 智, 山口 敦史, 加藤 真也, 福原 武, 李 瑛, 細川 瑞彦, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   62 ( 2 ) 204 - 204  2007年08月

    CiNii

  • 19pXK-4 冷却Yb原子^1S_0-^3P_0遷移の高分解能分光(量子エレクトロニクス(冷却原子実験・トラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)

    植竹 智, 山口 敦史, 加藤 真也, 理 瑛, 細川 瑞彦, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   62 ( 1 ) 150 - 150  2007年02月

    CiNii

  • 19pXK-5 冷却Yb原子の準安定状態^3P_2への直接励起I(量子エレクトロニクス(冷却原子実験・トラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)

    山口 敦史, 植竹 智, 加藤 真也, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   62 ( 1 ) 151 - 151  2007年02月

    CiNii

  • 24aRB-8 冷却Yb原子の準安定^3P_2状態での衝突特性(24aRB 量子エレクトロニクス(原子のBEC・冷却原子実験),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))

    山口 敦史, 植竹 智, 橋本 大佑, 加藤 真也, 高橋 義朗

    日本物理学会講演概要集   61 ( 2 ) 95 - 95  2006年08月

    CiNii

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講演・口頭発表等

  • ナノ光ファイバー共振器量子電気力学系

    加藤真也  [招待有り]

    システムナノ技術に関する特別研究専門委員会第2回研究会  

    発表年月: 2021年06月

  • 量子マイクロ波フォトニクスに向けた量子トランスデューサ

    山口祐也, 菅野敦史, 山本直克, 山崎歴舟, 加藤真也, 青木隆朗, 野口篤史, 佐々木 遼, 不破麻里亜, 宇佐見康二, 中村泰信  [招待有り]

    電子情報通信学会マイクロ波フォトニクス研究会  

    発表年月: 2021年05月

  • 量子マイクロ波フォトニクスに向けた薄膜LNデバイス

    山口祐也, 菅野敦史, 山本直克, 山崎歴舟, 加藤真也, 野口篤史, 宇都隆宏, 加納正太郎, 佐々木遼, 不破麻里亜, 宇佐見康二, 中村泰信

    2021年電子情報通信学会総合大会  

    発表年月: 2021年03月

特定課題研究

  • 高性能ファイバーブラッグミラーの開発とそれを用いた光学実験

    2021年   青木隆朗

     概要を見る

    光ファイバー共振器はファイバーレーザーへの応用や、センシング技術、また、量子光学実験への適用など、幅広い光学実験で活用される重要なデバイスである。本研究では光ファイバー内に埋め込まれたブラッグミラーを作製する装置を開発し、低損失なブラッグミラーを光ファイバー上で高い位置制御性を持って作製することに成功した。この装置を利用して、通常は数十メートル程度の長さのファイバーリング共振器を用いて作られるブリルアン散乱レーザーを共振器長さ5 mmのFabry-Perot型ファイバー共振器で実現した。高い共振器性能から発振閾値は1 mWを下回り、一般の光共振器を用いた場合によくみられるカスケード発振を防ぐことにも成功した。

  • 量子状態制御可能な単一原子トラップシステム実現に向けた装置開発

    2020年   青木隆朗

     概要を見る

    本課題の目標である量子状態制御可能な単一原子トラップシステムに向けて、特殊光トラップの設計および量子状態制御に活用する高性能光共振器の開発を行った。光トラップ設計は数値シミュレーションを基礎に必要なレーザーの強度やビーム形状についての考察を行った。また、具体的に装置として作製するために必要な光学素子の選定や性能評価を行った。光共振器開発は原子トラップにも必要となる光ファイバーの追加工の精度を大幅に向上させた。一連の結果については投稿論文としてまとめた。また、光共振器のミラーの作製技術も大幅に改善し光共振器の性能の大幅向上にも成功した。

 

現在担当している科目

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