Sezyum atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi
High resolution spectroscopy of resonance cesium atomic gas cell
- Tez No: 874177
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMET AKTAŞ, DOÇ. DR. RAMİZ HAMİD
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Günümüzde, kuantum temelli sensör araştırmaları son derece ilgi çekici ve popüler bir alandır. Alkali metal içeren atomik gaz hücrelerinde yüksek çözünürlüklü lazer spektroskopisi, lazer-atom etkileşimi prensibine dayanan yüksek hassasiyetli atomik manyetometre, atomik jiroskop ve atomik saat gibi çeşitli teknolojilerin temelini oluşturur. Aynı zamanda referans frekansı mikrodalga osilatörleri veya lazerleri stabilize etmek için de kullanılır. Atom ve molekül fiziğinde önemli bir rol oynayan yüksek çözünürlüklü lazer spektroskopisi, modern metrolojide yeni standartların oluşturulmasında öncülük ederken, atomik ve moleküler yapıların detaylı analizine olanak sağlamaktadır. Uluslararası ölçü birim sisteminde zaman birimi olan saniye, Sezyum (Cs-133) atomunun aşırı ince yapısına dayalı tanım içermektedir. Tez kapsamında TÜBİTAK UME Atomik Sensörler Laboratuvarında üretilen sezyum atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi üzerine çalışılmıştır. Sezyum alkali metalinin kullanılmasının birkaç nedeni vardır, ancak en belirgin olanı, dış kabuğunda tek bir değerlik elektronu bulunmasıdır. Bu tez çalışmasında, Cs alkali metalinin 852 nm dalga boyuna denk gelen D2 çizgisinin 6S1/2 - 6P3/2 atomik geçişleri ve Cs atomlarının soğurum spektroskopisi laboratuvarda özel olarak üretilen 10 mm çapındaki atomik gaz hücresi kullanılarak analiz edilmiştir. Bu bağlamda, farklı lazer güçlerinde, polarizasyonlarında ve atomik hücre sıcaklıklarında soğurum spektroskopisi ve atomik rezonanslar incelenmiştir. Böylelikle, spektroskopi tabanlı uygulamalardaki sensör hassasiyetlerini artırmak için Cs atomik gazının D2 enerji geçişindeki soğurum rezonanslarının çizgi genişliği ve genliği gibi parametrelerin yüksek çözünürlüklü spektroskopi teknikleri ile araştırılması yapılmıştır. Tez çalışmasında DBR lazer kullanarak sezyum alkali metali içeren atomik gaz hücresi ile deneysel lazer spektroskopisi çalışması yapılmıştır. Pompa lazer demeti atomik hücreden geçirilerek Doppler etkisi ile genişleyen soğurum spektral rezonansları gözlenmiş ve incelenmiştir (Lineer spektroskopi). Sonrasında pompa lazer demetine karşı gönderilen prob lazer demeti gönderilerek doyum soğurum spektroskopisi tekniğiyle (Lineer olmayan spektroskopi) Doppler genişlemesinin ötesinde sezyum atomunun ince geçiş çizgileri incelemiştir. Dolayısıyla Doppler bağımsız doyum spektroskopisi tekniği kullanılarak lineer spektroskopi yönteminin sınırlarını aşan lineer olmayan spektroskopi olarak isimlendirilen doyum soğurum spektroskopi yöntemiyle sezyum atomunun ince geçiş çizgileri elde edilmiştir. Lineer olmayan yüksek çözünürlüklü spektroskopi, maddeyi atomik ve moleküler seviyelerde incelemek için oldukça etkili bir araçtır. Alt Doppler rezonasların (sub Doppler veya Doppler-free) görüntülenmesi için kurulan deney düzeneği, yüksek çözünürlüklü spektroskopinin bir uygulaması olarak tek bir lazer kaynağından elde edilen aynı frekanstaki, farklı güçlere sahip iki lazer demetinin (pompa ve prob) hücre üzerinde karşıt yönlerde yönlendirilmesiyle kurulmuştur. Güçlü lazer demeti pompa lazer demeti, zayıf lazer demeti ise prob lazer demeti olarak isimlendirilir. Gaz hücresi üzerinde iki lazer demeti birbiriyle karşılaşır. Pompa lazer demeti temel enerji seviyesinde bulunan atomları uyararak bir üst enerji seviyesine taşıyacak kadar güçlü, prob lazer demeti ise rezonans doyumu yapamayacak kadar zayıftır. Soğrulan prob lazeri fotodedektöre düşürülmüştür. Fotodedektörden alınan sinyal ile osiloskop üzerinden soğurum profillerinin görüntülenmesini sağlamıştır. Hücreye gönderilen lazer ışınının frekansı, atomların geçiş frekanslarına eşit olduğunda ve aynı hız grubundaki atomlarla etkileştiklerinde, atomların Maxwell- Boltzman hız dağılımına uygun gelen genişlemiş doppler profili üzerinde rezonans frekanslarında lorentz profiline sahip atomik geçişler görünür. Elde edilen alt doppler rezonanslarının çizgi genişliğini etkileyen başlıca etken parametreler vardır. Bunlar doğal çizgi genişlemesi, doppler genişlemesi, çarpışma etkisi ve güç genişlemesinden oluşmaktadır. Doğal çizgi genişlemesi, atomun uyarılmış enerji seviyesindeki yaşam süresiyle orantılıdır. Doppler genişlemesi, hücre içindeki atomların termal hareketlerinden kaynaklanan hızları nedeniyle soğurduğu radyasyonun frekansını etkiler. Bu etkileşim sonucunda radyasyonun frekansında bir kayma olur ve bu da doppler genişlemesine yol açar. Alt Doppler rezonansının Doppler genişlemesine (𝜑𝑥𝛥𝜔D) genelde prob ve pompa lazer demetlerinin arasındaki açı (𝜑) ve demet parelleliği katkı sağlamaktadır. Çarpışma etkisi, atomlar birbirleriyle etkileşime girdiklerinde itme ve çekme kuvveti genişleme etkisi yaratır. Güç genişlemesi, doğrudan lazerin sahip olduğu ışık şiddetiyle ilgilidir. Gerçekleştirilen deneylerde Sezyum atomunun 852 nm D2 çizgisinin 6S1/2(F=3) 6P3/2(F'=2,3,4) ve 6S1/2(F=4)-6P3/2(F'=3,4,5) atomik geçişlerinde çalışılmıştır. Kurulan iki deney düzeneğinde ölçümler alınmıştır. İlk deney düzeneğinde pompa lazer demetinin farklı güçlerinde, prob lazer demeti düşük güçte sabit tutulmuş ve atomik geçişler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Pompa lazer demet gücünün farklı değerlerinde çizgi genişlemesi hesabı yapılmış ve pompa lazer demetinin artan gücüyle çizgi genişliklerinin arttığı gözlenmiştir. Gerçekleştirilen bir diğer ölçüm hücrenin sıcaklığıyla ilgildir. Hücre sıcaklığı belirli değer aralıklarında arttırılarak, prob lazer demetinin hücre içerisindeki atomlar tarafından tamamen soğrulduğu değere kadar ölçüm alınmıştır. Sıcaklık arttırıldıkça atom yoğunluğu arttığı için atomlar arası çarpışma ve etkileşim artmıştır. Dolayısıyla gönderilen prob lazer demeti belli sıcaklık değerinde atomlar tarafından tamamen soğurulmuştur. Son olarak pompa ve probe lazer demetlerinin polarizasyonları değiştirilerek atomik geçişlerin soğurum spekturmları incelenmiştir. Uyarılmış seviyedeki atom yoğunluğu, lazer demetlerinin polarizasyonuna, lazer demetlerinin yoğunluğuna ve hücre sıcaklığına bağlı olarak değişmiştir. İkinci Deney düzeneğinde Sezyum alkali metali bulunan atomik gaz hücresi mu-metal içerisine konulmuştur. Zayıflatılmış manyetik alan altında lazer demetlerinin farklı polarizasyonlarında atomik geçişlerin soğurum spektrumları incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneyde pompa ve prob lazer demetleri, eşit güçte olup karşı yönlerde yönlendirilmiştir. Bu lazer demetlerinin polarizasyonları, pompa lazer demeti sağ el dairesel (σ+) ve prob lazer demeti sol el dairesel (σ-) polarizasyon olacak şekilde ayarlanmıştır. Bu düzenleme ile alt Doppler rezonanslar incelenmiştir. Bu şekilde, optik pompalama telafisinin Doppler rezonansları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sürekli ve periyodik olarak enerji seviyeleri arasında etkileşim sağlanmış ve böylece lazer kaynağının gücü arttırıldığında sadece kapalı geçişdeki 6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2) resonans elde edilmiştir. Gerçekleştirilen bir diğer deney, güçlü pompa lazer demeti ve zayıf prob lazer demetinin farklı polarizasyonlar altında atomik geçişler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Farklı polarizasyon koşullarında etkileşim özelliklerinin değiştiği gözlemlenmiştir. Atomik tabanlı sensörlerin hassasiyetlerini arttırabilmek için, yapılan deneylerden çıkarılan sonuç, dar çizgi genişliğine sahip rezonanslardan türetilen sinyallerle sensör hassasiyetleri arttırılabilir. Bundan dolayı, atomik rezonanslarının çizgi genişliği ve genliğini etkileyen parametrelerin (lazer ışınım demetlerinin şiddetleri ve polarizasyonları, atomik gazın yoğunluğu ve hücre sıcaklığı) araştırılması çok önemlidir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, quantum-based sensor research is an extremely interesting and popular field. High-resolution laser spectroscopy in atomic gas cells containing alkali metals forms the basis of various technologies such as high-precision atomic magnetometers, atomic gyroscopes and atomic clocks based on the principle of laser-atom interaction. It is also used to stabilize reference frequency of lasers. High-resolution spectroscopy, which plays an important role in atomic and molecular physics, pioneers the creation of new standards in modern metrology and enables detailed analysis of atomic and molecular structures. The second, which is the unit of time in the international measurement system, has a definition based on the extremely fine structure of the Cesium (Cs-133) atom. Within the scope of the thesis, high resolution spectroscopy of the cesium atomic gas cell produced in TÜBİTAK UME Atomic Sensors Laboratory was studied. There are several reasons why cesium alkali metal is used, but the most obvious is that it has a single valence electron in its outer shell. In this thesis study, the 6S1/2 - 6P3/2 atomic transitions of the D2 line corresponding to the 852 nm wavelength of Cs alkali metal and the absorption spectroscopy of Cs atoms were analyzed using a 10 mm diameter atomic gas cell specially produced in the laboratory. In this context, absorption spectroscopy and atomic resonances were examined at different laser powers, polarizations and atomic cell temperatures. Thus, in order to increase sensor sensitivities in spectroscopy-based applications, parameters such as linewidth and amplitude of absorption resonances in the D2 energy transition of Cs atomic gas were investigated with high-resolution spectroscopy techniques. In the thesis study, experimental laser spectroscopy study was carried out with an atomic gas cell containing cesium alkali metal using DBR laser. By passing the pump laser beam through the atomic cell, absorption spectral resonances expanded by the Doppler effect were observed and examined (Linear spectroscopy). Afterwards, the pump laser beam sent against the probe laser beam was sent and the fine transition lines of the cesium atom were examined beyond the Doppler broadening with the saturation absorption spectroscopy technique (non-linear spectroscopy). Therefore, using the Doppler independent saturation spectroscopy technique, fine transition lines of the cesium atom were obtained by the saturation absorption spectroscopy method, called non-linear spectroscopy, which exceeds the limits of the linear spectroscopy method. Nonlinear high-resolution spectroscopy is a highly effective tool for studying matter at the atomic and molecular levels. In the experimental setup established for imaging sub-doppler resonances, Vescent DBR-100 laser with a wavelength of 852 nm was used. The laser beam is made linearly polarized using a polarizer. The linearly polarized laser beam was split into two using a beam splitter. Thus, two laser sources at the same frequency and different powers were obtained by using a single laser. The strong light is called pump laser beam, the weak light is called probe laser beam. An adjustable ND filter was used to adjust the laser sources to the desired power. The Pompa laser is powerful enough to excite the atoms at the ground energy level and move them to a higher energy level, while the Prob laser is too weak to cause resonance saturation. Two beam sources overlap on the cesium cell. Probe beam coming out of the cell is detected by a photodetector. Absorption profiles were displayed on the oscilloscope with the signal received from the photodetector. Transition of the cesium D2 line have been observed. While the experiment was being carried out, the temperature of the cell was monitored instantly from the temperature reading sensor placed on the shapal where the cell was placed. When the frequency of the laser beam sent to the cell is equal to the transition frequencies of the atoms and when they interact with atoms in the same speed group, atomic transitions with a Lorentz profile appear at the resonance frequencies on the expanded Doppler profile corresponding to the Maxwell-Boltzman velocity distribution of the atoms. There are main influencing parameters that affect the linewidth of the sub-Doppler resonances obtained. These consist of natural line broadening, doppler broadening, collision effect and power broadening. Natural line broadening is proportional to the lifetime of the atom in its excited energy level. Doppler broadening affects the frequency of the radiation absorbed by the atoms within the cell due to their speed resulting from their thermal motion. As a result of this interaction, there is a shift in the frequency of the radiation, which leads to Doppler broadening. The angle between the pump and probe laser beams (φ) and beam parallelism generally contribute to the Doppler broadening of the sub-Doppler resonance (φxΔωD). The collision effect creates a pushing and pulling force expanding effect when atoms interact with each other. Power expansion is directly related to the light intensity of the laser. In the experiments carried out, 6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2,3,4) and 6S1/2(F=4) 6P3/2(F'=3,4,5) atomic transitions of the 852 nm D2 line of the Cesium atom were studied. Measurements were taken in two experimental setups. In the first experimental setup, the pump laser beam was kept constant at different powers, the probe laser beam was kept constant at low power, and its effect on atomic transitions was examined. Linewidth was calculated at different values of pump laser power. One of the measurements made is related to the temperature of the cell. By increasing the cell temperature within certain ranges, measurements were taken until the probe laser was completely absorbed by the atoms in the cell. Absorption graphs of the obtained atomic transitions are given. The absorption spectra of atomic transitions were examined by changing the polarization of the pump and probe lasers. In the second experimental setup, the atomic gas cell containing Cesium alkali metal was placed in mu-metal. Absorption spectra of atomic transitions at different polarizations of laser beams under a weakened magnetic field were examined. Pump and probe laser beams are of equal power and directed in opposite directions. The polarizations of these laser beams were set as Pompa (σ+) right-hand circular polarization and Prob (σ-) left-hand circular polarization. In another experiment, the atomic transitions of the strong pump laser beam and the weak probe laser beam under different polarizations were examined. It has been observed that under different polarization conditions, the resonance behavior or interaction properties of atoms change. It was observed that the prob laser power was kept constant for the determined 6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2) and 6S1/2(F=4)- 6P3/2(F'=4.5) transitions of the cesium atom, and the linewidths increased with increasing pump laser power. Linewidths were calculated as explained in the content of the thesis. Increasing pump laser power caused an increase in linewidths as expected due to the power expansion effect. Another effect investigated is the increased cell temperature measurement. As the temperature was increased, the collision and interaction between atoms increased due to the increasing atomic density at high temperature values, so the sent prob laser was completely absorbed by the atoms at a certain temperature value. In the obtained graph, no atomic transition was observed at the highest temperature. Finally, the absorption spectra of atomic transitions were examined by changing the polarization of the pump and probe laser beams. The atomic density at the excited level varies depending on the polarization of the lasers and their laser intensity. Therefore, atomic transitions vary depending on the polarization of both the pump laser and the probe laser. In second exeperiment set- up, atomic gas cell containing cesium alkali metal was placed in mu metal. Absorption spectra of atomic transitions at different polarizations of laser beams under a weakened magnetic field were examined. In this experiment, pump and probe laser beams were directed in opposite directions at equal powers. The polarizations of the laser beams, pump laser (σ+), probe laser (σ-), were set to circular polarization and sub-Doppler resonances were examined. With this arrangement, sub-Doppler resonances were examined. In this way, the effect of optical pumping compensation on Doppler resonances was observed. The interaction between energy levels was ensured continuously and periodically, and thus, only cyclic transitions were obtained when the power of the laser source was increased. In another measurement made, it was observed that the atomic transitions changed in different polarizations of the strong pump laser beam and the weak probe laser beam. In order to increase the sensitivity of atomic-based sensors, the conclusion drawn from the experiments is that sensor sensitivities can be increased with signals derived from resonances with narrow line widths. Therefore, it is very important to investigate the parameters that affect the line width and amplitude of atomic resonances (intensities and polarizations of laser radiation beams, density of atomic gas and cell temperature).
Benzer Tezler
- Atmosferde aerosol ve gaz örnekleme ünitesinin geliştirilmesi ve Akdeniz yöresinde çevre kirliliğinin geliştirilen sistemle incelenmesi
Development of an aerosol and gas sampler, and investigation of environmental polluation in middle black sea region by the developed system
ÖMER IŞILDAK
- Removal of hydrocarbons, carbon monoxide and nitric oxides in automotive exhaust with three way catalytic converter
Egzoz gazındaki hidrokarbon, karbon monoksit ve azot oksit (NO) bileşiklerinin üç yollu katalitik konverterde arıtılması
DUYGU GERÇEKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IŞIK ÖNAL
- Sezyum atomik gazında optik pompalama ve koherent etkilerin araştırılması
Investigation of optical pumping and coherent effects in cesium atomic gas
ERSOY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL ÖZEN
- Sezyum (Cs) atomik gazı ile mikrodalga ve lazer ışınımının rezonans etkileşimi
Resonance interaction of microwave and laser radiation with cesium (Cs) atomic gas
OSMAN ŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET Y. TEŞNELİ
- Atomik absorpsiyon spektroskopisi ve kompleksometrik titrasyonla sütte kalsiyum miktar tayini
Determination of calcium in milk samples by atomic absorption spectroscopy and complexometric titration method
DUYGU FERSUN BOMBA
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Eczacılık ve FarmakolojiGazi ÜniversitesiAnalitik Kimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NİLGÜN GÜNDEN GÖĞER