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技 術 報 告
波長標準としての 633 nm 未安定化ヘリウム・ネオンレーザ
－国際度量衡委員会の勧告－
洪鋒雷，大苗敦 *
（平成 21 年 4 月 16 日受理）
633 nm Unstabilized He-Ne lasers as a wavelength standard
- Recommendation of the International Committee for Weights and Measures (CIPM) Feng-Lei HONG and Atsushi ONAE
1．　はじめに
あること
◦　上記のような応用において，ヘリウム・ネオンレー
2007 年の国際度量衡委員会は，633 nm 未安定化ヘリ
ザの不必要な校正を避けるために，このような資料が有
ウム・ネオンレーザをメートル実現のための標準周波数
用であること
リストに加えることを勧告した 1）．また，この勧告に係
を認め
わる付属報告書が最近公表された ．ここでは，勧告内
◦　周波数値：f ＝ 473.6127 THz
容と公表された報告書の概要を紹介する．
波長値：λ ＝ 632.9908 nm
2）
相対不確かさ：1.5 × 10-6
2．　国際度量衡委員会の勧告
が，3s2 → 2p4 遷移のみで発振する未安定化ヘリウム・
ネオンレーザの真空中の放射に適応すること（ネオンの
2007 年 9 月に開かれた第 13 回長さ諮問委員会は，633
同位体比には依存せず）
nm 未安定化ヘリウム・ネオンレーザをメートル実現の
◦　633 nm（3s2 → 2p4）未安定化ヘリウム・ネオンレー
ための標準周波数リストに加えることを勧告した．これ
ザを標準周波数リストの第2カテゴリに含めると同時に，
は，10月に開かれた第96回国際度量衡委員会で承認され，
長さ諮問委員会承認付きの付属報告書を Metrologia 誌で
1）
国際度量衡委員会の勧告となった ．勧告は以下の通り
公表すること
である．
を勧告する．
国際度量衡委員会は，
2009 年に Metrologia 誌で公表された付属報告書 2）には
◦　ほとんどのレーザ干渉計及びその他多くの長さ測定
下記の内容が追記されている．
用装置が 633 nm ヘリウム・ネオンレーザを使っている
1 ）勧告値及び不確かさはレーザガスの圧力などの発振
こと
条件に依存しない．
◦　これらの装置の多くは，ヘリウム・ネオンレーザ真
2 ）勧告値及び不確かさは，未安定化ヘリウム・ネオン
空波長の変動幅よりも大きい不確かさで使用されている
レーザにだけではなく，校正されていない 633 nm の
こと
周波数安定化ヘリウム・ネオンレーザにも適応する．
◦　633 nm 未安定化ヘリウム・ネオンレーザの真空波
ただし，周波数安定化ヘリウム・ネオンレーザに対す
長が，基礎的な量子現象によって，狭い範囲に限定され
る周波数校正は，上記よりも小さい不確かさでレーザ
ていること
に値付けすることができる．
を考慮して，
3．　勧告の背景
◦　校正なしの場合に期待される真空波長値とその不確
かさに関するガイドライン及び証拠資料の提供が必要で
国際度量衡委員会勧告の「メートル定義実現のための
* 計測標準研究部門　時間周波数科　波長標準研究室
産総研計量標準報告 Vol. 8, No. 1
放射リスト」は，1983 年に初めて制定されて以来，常
11
2010年 8月
洪鋒雷、大苗敦
に進化し数年ごとに拡充や改訂を重ねてきた 3），4）．2006
問題はほとんど報告されていない．
年には，これは「メートルの実現及び秒の 2 次表現など
一方，応用の観点からすれば，干渉測定においてサブ
の応用ための標準周波数リスト」と改名され，長さ諮問
ナノメートルの不確かさが必要なときだけ，640 nm の
委員会と時間周波数諮問委員会が共同で管理することと
波長が混ざっているかどうかを確認することが意味を持
なった 5）．
つ．分解能が 10 nm の干渉計の応用では，このような確
今回勧告された 633 nm 未安定化ヘリウム・ネオンレ
認が必要かどうかは疑問である．
ーザは，ランプなどの標準とともに新しい勧告リストの
しかしこのような議論は，未安定化レーザが多色干渉
第 2 カテゴリに属し，最高級の正確さを必要としない測
計を用いたブロックゲージの測定や距離計などへの応用
定において重要な役割を果たすこととなった．また，
に適していると間違って解釈されるべきではないことを
633 nm 未安定化ヘリウム・ネオンレーザを勧告リスト
ここで強調しておく．また特定な応用においては，640
に入れることは，このレーザの校正についての立場を明
nm の混合波長が比較的大きなエラーを与えることがあ
らかにすることとなった．つまり，上記 1.5 × 10 の相
る．例えば，633 nm と 640 nm が分解されないような回
対不確かさが測定にとって十分であれば，ヨウ素安定化
折格子のピッチ測定においては，4 % の 640 nm 混合波
ヘリウム・ネオンレーザ用いた精密な周波数校正は不必
長が結果に 4 × 10-4 のシフトを与えることがある．
要で，また校正を行っても新たな知見を得ることはない．
ここで，633 nm の未安定化ヘリウム・ネオンレーザ
ここで重要なのは，レーザが 633 nm の 3s2 → 2p4 遷移
を勧告リストに含めることは，決してある特定の商品の
で発振し，そして他の遷移（例えば 640 nm の放射）が
品質を保証するものではないことに注意してほしい．
-6
混ざっていないことである．これが保証されれば，上記
5．　波長と不確かさの決定
1.5 × 10-6 の不確かさが固有的に満たされ，他の勧告レ
ーザのように適正な運転を確認するための国際比較や周
波数校正を行う必要はない．
今回，未安定化ヘリウム・ネオンレーザの真空波長とし
て採用された値は，2 つの同位体 20Ne と 22Ne それぞれの
4．　640 nm 放射の問題
ラインセンターの中間点に位置する．通常の勧告で行わ
れるように 2 つの同位体それぞれの値を示さなかったの
ヘリウム・ネオンレーザは，633 nm の 3s2 → 2p4 遷移
は，最近市販されているほとんどのヘリウム ･ ネオンレ
で発振するほかに，いくつかの異なる波長で発振する．
ーザチューブはこの 2 つの同位体が混合されており，し
そのうち，640 nm の 3s2 → 2p2 遷移での発振は 633 nm と
ばしば混合比が明確に示されていない場合が多いためで
波長が近いため，目ではほとんど区別できない．また，
ある．混合比を特定しなくてもいいように充分な不確か
633 nm で発振するレーザに 640 nm の波長が混ざること
さを与えることで，混合比決定に関する煩雑さを避ける
がある．そこで，下記の確認が必要となる．
ことにした．
1 ）発振波長が 633 nm で，640 nm ではないこと．
20Ne のラインセンターの値として最も権威あるものと
現在販売されている 633 nm のヘリウム・ネオンレー
されている Mielenz らの研究 6）によると，相対不確かさ
ザがまったく別の遷移で発振し，完全に 640 nm の波長
1 × 10-7 で 632.9941 nm の値が与えられている．この不確
を出していることは非常に稀である．メーカが鏡のコー
かさは，米国立標準技術研究所（NIST，当時 NBS），英
ティングを間違えるなどして，このようなことは起こり
国立物理学研究所（NPL），ドイツ物理工学研究所（PTB）
うるが，その確率は極めて小さい．
で行われた測定のばらつき・器差によるものであり，そ
2 ）633 nm の発振波長に，640 nm の波長が混ざってい
れぞれのレーザの圧力シフトがおもな原因と見られる．
ないこと．
同位体シフトについては，Cordover ら 7）（875 MHz）や
640 nm の波長が混ざるようなことは国立標準研では
Ballik 8）（1052 MHz）の測定があり，単純に平均して 963
ほとんど経験されていないが，より多くの種類のレーザ
MHz（相対的なシフト量　2 × 10-6）を得る．以上により，
を経験した他分野の研究者や工業界の専門家はこのよう
20
なことは起こりうると警告している．しかし，現在製造
となる．これは，混合比 1：1 の場合の Petru & Vesela の
されている 633 nm ヘリウム・ネオンレーザについては，
測定 9）とも矛盾しない．
その出力が 3-4 mW 以下で，かつチューブの長さが 25
同位体の混合比が未知のレーザのラインセンターは，
cm 以下であれば，今まで 640 nm の波長が混ざるような
上の値と相対値で± 1 × 10-6 差異が生じる可能性がある．
AIST Bulletin of Metrology Vol. 8, No. 1
12
Ne と 22Ne のラインセンターの中間点は，632.9908 nm
August 2010
波長標準としての633nm未安定化ヘリウム・ネオンレーザ－国際度量衡委員会長さ諮問委員会からの報告－
レーザの利得線形は，まずドプラーシフトによる幅（1.5
の不良，アッベ誤差，測定結果や測定過程の誤解，山ほ
GHz：20Ne，1.4 GHz：22Ne）で拡がっており，圧力シフ
ど例のあるそれぞれの測定固有の誤差が問題となる．試
ト（1 × 10 ）による幅，そして飽和幅などが加わり，
験所間比較や技能試験を行い確認することで，レーザを
全体として 1.5 GHz から 1.6 GHz 程度の幅を持っている
含めた他の誤差要因による問題がないことが保証でき
と推定される．
る．
-7
単一同位体のレーザの発振は，利得線形の中で閾値を
参考文献
超えた範囲でおこるので，おおよそ利得幅 1.5 GHz の範囲
のどこかで等しい確率で起こると考えられる．いろいろ
な同位体混合のレーザの集合の場合はこれに同位体シフ
1） Recommendation 2 (CI-2007): On the value and
ト分 960 MHz が加わるので，最終的な幅はおよそ 2.5 GHz
uncertainty of unstabilised He-Ne lasers, in Report of the
となる．実際はピークを持つであろう同位体混合比の分
CIPM 96th meeting (2007),
http://www.bipm.org/utils/en/pdf/CIPM2007-EN.pdf
布を一様分布と仮定しており，この結果はかなり慎重
で，多めに見積もった不確かさの値を与える．幅 2.5 GHz
2） J A Stone, J E Decker, P Gill, P Juncar, A Lewis, G D
の一様分布の標準不確かさは720 MHz（2.5 GHz / 2√3），
Rovera and M Viliesid,“Advice from the CCL on the use
相対不確かさは 1.5 × 10 となる．
of unstabilized lasers as standards of wavelength: the
-6
helium-neon laser at 633nm,” Metrologia 46, 11-18
6.　結論
(2009).
3） T J Quinn,“Practical realization of the definition of the
遷移 3s2 → 2p4 のみで発振している典型的な 633 nm 赤
metre, including recommended radiations of other optical
色ヘリウム・ネオンレーザは，相対標準不確かさ 1.5 ×
frequency standards (2001),” Metrologia 40, 103-133
(2003).
10 の信頼できる波長の原子標準である．この不確かさ
-6
4） R Felder,“Practical realization of the definition of the
で充分な応用においては，このレーザの周波数（波長）
をよう素安定化レーザとヘテロダイン比較することに実
metre, including recommended radiations of other optical
質的な意味はない．
frequency standards (2003),” Metrologia 42, 323-325
上記遷移以外の発振が測定に大きなズレを生じさせる
(2005).
可能性がある場合は，640 nm の混合波長を避けるとい
5） F Riehle, P Gill, F Arias and R Felder,“Recommended
う意味で，レーザの出力が 3-4 mW 以下で，かつチュー
values of standard frequencies for applications including
ブの長さが25 cm以下というのが1つの判断基準となる．
the practical realization of the metre and secondary
また，出力が純粋であることを保証してくれる評判のよ
representations of the second,”Metrologia in preparation.
い製造メーカからレーザを購入することも重要である．
6） K D Mielenz, K F Nefflen, W R C Rowley, D C Wilson
もし製造メーカが充分に保証できない場合，試験をユー
and E Engelhard,“Reproducibility of helium-neon laser
wavelengths at 633 nm,”Appl. Opt. 7, 289-293 (1968).
ザが行うことにより，本来の遷移以外のレーザ光が測定
7） R H Cordover, T S Jaseja and A Javan,“Isotope shift
結果に影響を与えていないことを検証することもでき
measurement for 6328Å He-Ne laser transition,”Appl.
る．
Phys. Lett. 7, 322-324 (1965).
産業現場における典型的な応用については，640 nm
8） E A Ballik, “Gain method for the measurement of
が原因で測定誤差が生じる可能性は，他の要因で生じる
isotope shift,”Can. J. Phys. 50, 47-51 (1972).
場合に比べて非常に小さい．レーザ自身の検査よりも，
被測定物の試験所間比較など，その測定全般の完全性を
9） F Petru and Z Vesela,“Single-frequency HeNe laser
保証する方法の方が，よほど価値がある．長さ形状測定
with a central maximum of output power,”Opt. Commun.
においてはレーザの問題よりも，温度や圧力のセンサー
96, 339-347 (1993).
産総研計量標準報告 Vol. 8, No. 1
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2010年 8月