Sezyum atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi

Abstract

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.