（1）背景 ボース・アインシュタイン凝縮の実証に始まって、種々の原子波レーザーの開発、非線形原子波光学の開拓、原子リソグラフィー、原子ホログラフィーなど、レーザー冷却応用分野の最近の進展は大変目覚ましいものがあります。この分野では、主としてアルカリ金属原子が主役を担ってきました。もし、アルカリ金属原子の替わりにシリコンなど半導体原子を使って実現できれば、工学的観点からも新たな展開ができ、応用は計り知れません。しかしながらシリコン原子の冷却波長は252.4nmであり、レーザーの線幅を自然幅29MHz程度以下にする必要があります。さらに連続波で数十mWレベルの出力を必要とするため、実用的な光源開発の困難さからシリコン原子のレーザー冷却は全く実現されておりません。 シリコン原子のレーザー冷却を目指し、実用的な光源の開発が進められています。過去の開発例として、周波数可変の色素レーザーと周波数固定のアルゴンイオンレーザーによる和周波発生や、一台の単一周波数チタンサファイヤレーザーの基本波と第二高調波とによる和周波発生の研究が行われてきました。過去二例とも、高効率な和周波発生に至っていません。特に後者は全固体型ですが、外部共振器を利用していないため、わずか10nWと極めて低い出力しか発生できず、実用にはほど遠いレベルでした。
（2）研究成果 今回、新たに開発した方式は、紫外単一縦モード光の共振を保ちつつ、共振器長を固定し、別の赤色の単一縦モードレーザーの周波数を微調整し、安定化することによって両波長を二重に共振させます。この方式は、二段階の外部共振器型波長変換システムから構成されています。まず第一段階において、半導体レーザー励起高出力連続波(CW)グリーン固体レーザーで光励起して得たリング型単一モードチタンサファイヤレーザー光（波長746nm）を外部共振器に導き、共振器内で光強度を増大させ、共振器内のリチウムボレート結晶により第二高調波を発生させます。続いて第二段階において、得られた第二高調波373nm光と単一モード半導体レーザー光780nmを第二の外部共振器に導き、二波長同時共振させることにより、各々の光強度を同時に増大させます。共振器内のバリウムボレート結晶による和周波混合により252.4nm光を高効率に発生させる仕組みです。 第一段階において1.3Wの入力レーザーパワーに対して、500mWの第二高調波発生に成功しました。このとき変換効率は40％で、同波長で同程度の入力パワーに対して世界で最高の値になります。第二段階では、373nm入力光480mW、780nm光380mWにより、共振器内では60mWの252nm光の発生に、また共振器外へは50mWの252nm光の取り出しに、それぞれ世界で初めて成功しています。同光源は波長251nmから253nmまでの波長範囲を、出力を低下させることなく同調することが可能です。同調範囲が広いことは、容易にシリコンのアイソトープを分離・制御することにつながります。
（３）研究成果の意義 現在までレーザー冷却が実現されている原子は、アルカリ金属原子(Li、Na、K、Rb、Cs)、アルカリ土類金属原子（Mg、Ca、Sr）、希ガス（準安定状態）原子（He、Ne、Ar、Kr）などがあります。シリコンに関しましては、レーザー冷却できる光源が開発されておらず、�］�続波であること、��252nm付近で波長可変であること、�Ｃ碓貊帖Σ�モードであること、�そ侘録�10mW以上であること−、の必要条件を満足する実用光源の開発が待ち望まれていました。直接的に半導体産業と結び付く半導体原子のレーザー冷却技術は、シリコン原子の原子波制御・利用の新しい研究・技術分野を開拓し、高純度な結晶成長技術や核スピン制御技術に関連するシリコンテクノロジー技術分野に新たな展開と、シリコン原子の原子リソグラフィーや原子ホログラフィーによる微細加工、微小構造体作製技術の誕生につながります。
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