[논문]Rb D1 전이선에서 원자결맞음에 의한 비선형 광자기 효과

문한섭; 이원규; 안문희; 김중복

doi:10.3807/kjop.2005.16.1.007

Rb D1 전이선에서 원자결맞음에 의한 비선형 광자기 효과
Nonlinear magneto-optic effect based on atomic coherence in Rb D1-line 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.16 no.1, 2005년, pp.7 - 12

문한섭 (한국표준과학연구원 광기술표준부) , 이원규 (한국표준과학연구원 광기술표준부) , 안문희 (한국교원대학교 물리교육과) , 김중복 (한국교원대학교 물리교육과)

초록
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우리는 버퍼 가스가 포함된 Rb 원자 증기셀을 이용하여 $^{87}$ Rb원자 D$_1$전이선에서 원자결맞음에 의한 비선형 광자기 신호를 관측했다. 측정된 가장 좁은 비선형 광자기 신호의 선폭은 2$\pi$${\times}$464 Hz이고, 이 때 비선형 광자기 효과에 의한 미분형 신호의 peak-to-peak 변화에 해당하는 자기장의 변화는 약 1 mGauss로 측정되었다. 이러한 결과는 고감도 자기장 측정을 위한 광자계 연구에 응용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have observed the nonlinear magneto-optic effect(NMOE) based on atomic coherence in $^{87}$ Rb D$_1$-line using the Rb vapor cell containing 50 Torr of Ne. The width of the NMOE signal was measured to be 2$\pi$${\times}$464 Hz, when the peak-to-peak B-f...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 버퍼 가스가 포함된 Rb 원자 증기셀을 이용하여 8*b원자 Di전이선에서 비선형 광자기 효과를 연구했다. 레이저와 원자매질의 상호작용에 의한 원자결맞음 현상을 전자기투과 Hanle신호[15]로 확인하고, 원자결맞음에의 한 NMOE현상을 관측했다.

가설 설정

비선형 광자기 효과를 이용한 원자결맞음 자계(magnetometer based on atomic coherence)의 원리는 그림 1과 같다.[5] x축으 로 선편광된 레이저가 그림 1(a)와 같은 /!형 원자계의 매질을 통과한다고 가정하고, 비선형 광자기 효과에 의해서 편광 이 회전하는 원리를 간단히 설명하기 위해서 그림 1(a)와 같은 다른 바닥준위로 광펌핑이 없는 간단한 닫힌 원자계를 가 정하였다. 일반적으로 J = I -> J= 0전이선의 경우에 바닥 준위의 mj = 0로 광펌핑이 일어나기 때문에 mj = ±1 상태의 밀도가 줄어들 수 있지만, 비선형 광자기 효과의 원리만을 간단히 설명하기 위해서 광펌핑 효과는 고려하지 않았다.

제안 방법

레이저 주파수 확인을 위해서 Rb원자의 Eh전이선에서의 포화흡수 스펙트럼을 관측하였고, 광학소자와 산란에 의한 광되먹임 현상을 차단하기 위해서 60 dB isolator를 설치했다. A/2 위상지연기와 편광빔분리기 (PBS1)를 사용하여 레이저의 세기를 조절할 수 있도록 하였다. PBS1을 통과한 레이저는 소광비(extinction ratio) "인 Gran-Thompson편광기에 의해서 선편광되었다.
레이저주파수는 포화 흡수분광 신호를 이용하여 고정했고, 증기 셀로 입력된 레이 저 출력은 44 nW 이었다. Hanle신호를 측정하기 위해서 그림 2의 실험장치에서 광검출기 앞에 놓여있는 편광빔분리기 (PBS2)를 제거하고, PD1에서 얻어진 신호를 측정하였다. 그림 3에서 얻어진 Hanle신호는 자기부준위들 사이의 원자결 맞음 현상에 따라서 전자기 투과 현상을 보여주고 있다.
5 MHz로 측정되었다. 레이저 주파수 확인을 위해서 Rb원자의 Eh전이선에서의 포화흡수 스펙트럼을 관측하였고, 광학소자와 산란에 의한 광되먹임 현상을 차단하기 위해서 60 dB isolator를 설치했다. A/2 위상지연기와 편광빔분리기 (PBS1)를 사용하여 레이저의 세기를 조절할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 버퍼 가스가 포함된 Rb 원자 증기셀을 이용하여 8*b원자 Di전이선에서 비선형 광자기 효과를 연구했다. 레이저와 원자매질의 상호작용에 의한 원자결맞음 현상을 전자기투과 Hanle신호[15]로 확인하고, 원자결맞음에의 한 NMOE현상을 관측했다.
본 실험에서는 "Rb의 F=2 -> F=1 전이선에서 전자기 투과 Hanle신호를 그림 3과 같이 측정했다. 레이저주파수는 포화 흡수분광 신호를 이용하여 고정했고, 증기 셀로 입력된 레이 저 출력은 44 nW 이었다.
본 연구에서는 8%b원자。전이선에서 원자결맞음 효과에 의한 비선형 광자기 신호를 관측했다. 우리는 "Rb Di의 F=2 -> F'=l 전이선에서 자기부준위들에 의한 원자결맞음 현상으로 나타나는 전자기 투과신호를 측정할 수 있었다. 50 Torr 의 Ne 버퍼 가스가 포함된 Rb 원자 증기셀을 이용하여 원자 셀의 벽과 원자들 사이의 충돌을 완화시킴으로써 바닥준위 사이의 원자결맞음 시간을 증가시킬 수 있었고, 측정된 전자 기 투과 Hanle신호의 선폭은 약 1.
분석자와 선편광과의 각도 차이가 증가함에 따라서 미분형태의 신호가 나타났^, 분석자의 각도가 45º근처에서 자기장에 대한 신호의 민감도가 가장 크게 측정되었다. 우리는 초기 레이저 편광에 대해서 45° 돌아간 두개의 수직한 선 편광 성분의 차이를 검출하여 비선형 광자기 효과를 측정하였고, 우리가 측정한 가장 좁은 NMOE 선폭은 2 πX464 Hz 로 측정되었다. 이때 NMOE에 의한 미분형 신호의 peak-to- peak변화에 해당하는 자기장 변화는 약 1 mGauss로 측정되었다.
그림 5. 자기장의 변화에 따른 편광 회전각 측정.
자기장 측정감도는 자기장에 대한 편광 회전각의 기울기에 비례한다. 자기장의 변화에 따른 편광 회전각을 측정하기 위해서 그림 2와 같이 초기 레이저 편광에 대해서 45º돌아간 편광빔분리기(PBS2)를 이용하여 두개의 선편광 성분에서 나누고, 두개의 광다이오드(PD1과 PD2)로 각각 측정하고, 두 신호의 차이를 얻는다. 이와 같은 방법은 레이저 출력에의 한 잡음을 제거할 수 있다는 장점을 가진다.
본 연구에서는 8%b원자。전이선에서 원자결맞음 효과에 의한 비선형 광자기 신호를 관측했다. 우리는 "Rb Di의 F=2 -> F'=l 전이선에서 자기부준위들에 의한 원자결맞음 현상으로 나타나는 전자기 투과신호를 측정할 수 있었다.
원자 결맞음 현상을 측정하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 두 레이저를 원자의 전이선에 공명이 일어나도록 조절하여 레이저 주파수 차이에 따른 조사광 레 이저의 투과정도를 측정하는 것이다. 두 번째 방법은 축퇴된 원자계에 하나의 레이저를 이용하여 자기부준위들 사이에 원자 결맞음을 유도하고 외부 자기장을 변조함으로써 자기 부준위의 에너지 이동이 이광자공명 조건을 바꾸게 되고, 자 기장이 0인 곳에서 이광자공진 조건이 되고 전자기 유도 투 과(electromagnetically induced transparency ; EIT) 신호를 얻을 수 있다.

대상 데이터

이것은 그림 1(b)에서 X축을 45º회전시킨 것과 같다. 레이저의 편광과 전체적으로 실험에 사용한 Rb원자 증기셀 은 길이는 50 mm이고 직경이 25.4 mm인 원통형으로 제작되었다. 원자들이 셀의 벽에 충돌현상을 줄이기 위해서 Ne 버퍼 가스 50 Torr가 포함되어 있다.
분석자의 각도에 따른 비선형 광자기 효과를 측정하기 위해서 그림 2의 실험장치에서 편광빔분리기(PBS2) 위치에 Gran- Thompson편광기를 설치하고, 이 편광기를 분석자로 사용했다. 선편광된 레이저가 결맞음 원자매질을 통과할 때, 선편 광 레이저를 서로 반대방향으로 회전하는 두 원편광 성분으로 나눌 수 있다.
실험장치는 그림 2와 같다. 실험에 사용한 레이저는 외부 공진형 반도체 레이저(ECDL)로써 출력은 20 mW이고, 선폭은 약 1.5 MHz로 측정되었다. 레이저 주파수 확인을 위해서 Rb원자의 Eh전이선에서의 포화흡수 스펙트럼을 관측하였고, 광학소자와 산란에 의한 광되먹임 현상을 차단하기 위해서 60 dB isolator를 설치했다.

이론/모형

굴절률의 변화에 의해서 발생된 편광의 회전 각도를 측정하기 위해서 그림 1(b)에서 보는 것과 같이 초기에 X축으로 선편광된 레이저에 대해서 45º돌아간 두개의 선편광 성분에서 차이를 측정하는 차등방법(difference technique)을 이용한다. 차등방법은 두 편광성분의 차이를 측정하기 때문에 레 이저 출력 잡음을 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

성능/효과

우리는 "Rb Di의 F=2 -> F'=l 전이선에서 자기부준위들에 의한 원자결맞음 현상으로 나타나는 전자기 투과신호를 측정할 수 있었다. 50 Torr 의 Ne 버퍼 가스가 포함된 Rb 원자 증기셀을 이용하여 원자 셀의 벽과 원자들 사이의 충돌을 완화시킴으로써 바닥준위 사이의 원자결맞음 시간을 증가시킬 수 있었고, 측정된 전자 기 투과 Hanle신호의 선폭은 약 1.17 mGauss로 측정되었다.
그림 5의 스펙트럼에서 자기장(B)이 0인 곳에서 회전각(Φ)가 0에서 벗어나 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 실험에서 사용하고 있는 자기 장측정기의 오프셋에 의한 효과로 설명할 수 있다. 버퍼가 스가 포함된 Rb 원자 증기셀에서 비선형 광자기 효과를 측정한 결과, NM0E에 의한 미분형 신호의 peak-to-peak변화에 해당하는 자기장 변화는 약 1 mGauss로 측정되었고, 이때 NM0E 선폭은 2 π X 464 Hz이다. NM0E 선폭은 외부자기 장(B)의 변화에 대한 자기부준위의 에너지 이동량(gμBB)으로 표현될 수 있고, 여기서 g는 Lande g-fhctor이고 μB는 Bohr magneton이다.
외부 자기장에 의한 두 성분의 굴절률 변화가 다르기 때문에 편광이 회전한다. 이러한 비선형 광자기 효과를 분석자의 각도에 따라서 분석하고, 이것을 바탕으로 자기장의 변화에 가장 민감한 조건을 찾을 수 있다.
외부 자기장에 의한 두 성분의 굴절률 변화가 다르기 때문에 편광이 회전한다. 이러한 비선형 광자기 효과를 분석자의 각도에 따라서 분석하고, 이것을 바탕으로 자기장의 변화에 가장 민감한 조건을 찾을 수 있다.
그림 3에서 얻어진 Hanle신호는 자기부준위들 사이의 원자결 맞음 현상에 따라서 전자기 투과 현상을 보여주고 있다. 측정된 전자기 유도 투과의 Hanle신호의 공진선폭은 약 1.17 mGauss로 측정되었는데, 이 결과는 버퍼 가스를 사용하지 않은 경우에 얻어진 공진선폭과 비교해보면, 약 30배 축소되었음을 확인할 수 있었다. 측정된 스펙트럼의 선폭은 레이저의 선폭과 출력, 그리고 자발방출률이나 충돌시간 등과 관계있는 원자결맞음 감쇠시간에 의해 결정된다.

후속연구

이때 NMOE에 의한 미분형 신호의 peak-to- peak변화에 해당하는 자기장 변화는 약 1 mGauss로 측정되었다. 이러한 결과는 고감도 자기장 측정 및 고분해 분광에 응용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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