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문제 정의
- 본 연구에서는 파라핀이 코팅된 Rb 원자 증기 셀을 이용하여 87Rb 원자의 D1 전이선(F=2 → F’=1) 에서 레이저의 출력에 따른 Hanle 신호와 비선형 광자기 신호를 Rb 원자 증기 셀에서 조사하고 비선형 광자기 신호를 이용한 외부자기장 측정에 있어서 측정 민감도를 최대화 할 수 있는 조건에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 레이저의 주파수는 87Rb의 D1 전이선(Fg=2→Fe=1) 에 고정되었고, 레이저 출력은 60 μW 이었다. 그림3(a) 와 같은 Hanle공진 신호는 2원자계에 축퇴되어 있는 제만 자기부준위 사이에서 편광에 따른 전이 특성을 이용하여 얻어졌으며, 솔레노이드 코일에 1.1 Hz로 변화하는 삼각파를 입력하여 주파수 변조 없이 자기장에 따라 조사하였다. 전체 신호의 선폭은 대략 200 mG이며, 이 값을 주파수로 나타내면 대략 2π×100 kHz이다.
- 이와 같은 Hanle 효과를 이용하여 레이저 주파수의 변화 없이 외부에서 가해주는 자기장의 세기와 방향을 변화시켜 결맞음 밀도포획(coherent population trapping: CPT) 스펙트럼을 얻는다. 그리고 PBS1을 이용하여 y축 방향으로 편광축이 45도 돌아간 선평광된 레이저를 증기 셀에 통과 시킨 후 PBS2를 이용하여 수직인 편광 성분과 수평인 편광 성분을 분리한 뒤 각각의 편광 성분을 두 대의 검출기로 얻어지는 차등신호를 통해 광자기 신호의 기울기 변화를 레이저의 출력에 따라 관측하였다. 여기서 신호의 기울기는 Hanle신호의 선폭변화를 나타내며 이를 통해 자기 부준위 사이의 에너지 이동 정도를 계산할 수 있다.
- ) 선에 공명하도록 중심파장이 795 nm인 외부 공진형 반도체 레이저를 이용하여 실험을 수행하였다. 그리고 포화흡수 분광법을 이용하여 레이저의 주파수를 확인하고 안정화하였다. 또한, 광의 일부가 레이저로 되먹임 되는 것을 차단하기 위해 광차단기(Isolator)를 설치하였고, 편광빔 분할기(polarizing beam splitter; PBS)를 이용하여 y-축 방향으로 선편광 된 빛을 만들었으며, λ/2위상지연판(λ/2-plate)과 편광빔 분할기를 이용하여 빛의 세기를 조절하였다.
- 또한, 광의 일부가 레이저로 되먹임 되는 것을 차단하기 위해 광차단기(Isolator)를 설치하였고, 편광빔 분할기(polarizing beam splitter; PBS)를 이용하여 y-축 방향으로 선편광 된 빛을 만들었으며, λ/2위상지연판(λ/2-plate)과 편광빔 분할기를 이용하여 빛의 세기를 조절하였다.
- 자기장의 변조에 따른 비선형 광자기 신호를 얻기 위해 균일한 외부 자기장을 만들어 주도록 셀 주변에 솔레노이드 코일를 설치하였고, 레이저 빔의 진행 방향(z-축 방향)과 나란한 방향으로 자기장을 가할 수 있도록 장치 하였으며, 자기장의 조사 범위는 함수 발생기에서 생성되는 신호의 진폭에 따라 결정되며 진폭이 1 V일 때 조사범위가 1 G(=100 μT)가 되도록 솔레노이드 코일의 저항을 조절하였다. 본 연구에서는 3 G에서 신호의 전체 모습을 관측하고, 파라핀에 의한 효과로 생기는 신호의 이중구조를 관측하기 위해 100 mG의 범위로 신호를 확대하여 관측하였다.
- 본 연구에서는 파라핀이 코팅된 Rb 증기 셀을 이용하여 제만 부준위 사이에서의 Hanle 신호와 NMOE 신호를 관측하였으며, 신호의 선폭이 서로 다른 이중 구조를 관측할 수 있었다. 신호의 선폭은 각각 2π×100 kHz, 2π×1 kHz로 측정되었으며, 이를 통해 셀 벽면에 의한 Ramsey 효과를 알 수 있었다.
- 자기장의 변조에 따른 비선형 광자기 신호를 얻기 위해 균일한 외부 자기장을 만들어 주도록 셀 주변에 솔레노이드 코일를 설치하였고, 레이저 빔의 진행 방향(z-축 방향)과 나란한 방향으로 자기장을 가할 수 있도록 장치 하였으며, 자기장의 조사 범위는 함수 발생기에서 생성되는 신호의 진폭에 따라 결정되며 진폭이 1 V일 때 조사범위가 1 G(=100 μT)가 되도록 솔레노이드 코일의 저항을 조절하였다.
대상 데이터
- Rb원자의 D1(52S1/2 → 52P1/2) 선에 공명하도록 중심파장이 795 nm인 외부 공진형 반도체 레이저를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 레이저의 주파수는 87Rb의 D1 전이선(Fg=2→Fe=1) 에 고정되었고, 레이저 출력은 60 μW 이었다.
- 실험 장치도는 그림 1과 같다. 본 연구에서는 증기 셀 벽면이 파라핀으로 코팅된 증기 셀[길이(직경) : 15 mm(10 mm)]을 사용하였으며 상온에서 실험을 수행하였다. 증기 셀은 지구자기장을 포함한 외부자기장을 모든 방향에서 차폐하도록 설계된 세 겹의 뮤-메탈 챔버 속에 위치해 있다.
성능/효과
- CPT 공진 신호의 전체 신호는 Transit 효과에 의해 나타나며, 이중 구조의 좁은 선폭 영역은 증기 셀 벽면에 의한 Ramsey 효과로 설명 할 수 있다.[9] CPT 공진 신호의 좁은선폭 신호는 원자와 결합광이 상호작용 후 증기 셀 벽면과 수십 번에서 수천 번 충돌하여도 원자의 결맞음 정보를 잃지 않고 결합광과 같은 주파수를 갖는 조사광과 상호작용을 할 때 얻어진다. 즉, 바닥준위의 스핀완화가 유지되는 시간이 늘어나게 되어 신호의 선폭이 매우 좁게 나타나게 된다.
- 신호의 선폭은 각각 2π×100 kHz, 2π×1 kHz로 측정되었으며, 이를 통해 셀 벽면에 의한 Ramsey 효과를 알 수 있었다. 그리고 레이저의 출력에 따른 이중 구조의 크기를 조사하였으며 출력이 증가하더라도 전체 신호에 대한 이중구조의 선폭이 좁은 영역의 크기는 항상 일정함을 확인하였다.
- 또한 NMOE 신호에서 출력에 따른 신호의 모양과 크기의 변화를 관측하였고, 광자기 신호의 크기와 기울기는 레이저의 출력에 따라 비선형적으로 증가함을 관측하였다. 제만 자기부준위 사이의 NMOE 신호는 기울기가 서로 다른 이중의 선폭을 가졌다.
- 신호의 선폭은 각각 2π×100 kHz, 2π×1 kHz로 측정되었으며, 이를 통해 셀 벽면에 의한 Ramsey 효과를 알 수 있었다.
- 파라핀이 코팅된 증기 셀의 경우에 스펙트럼의 선폭에 영향을 주는 요인은 레이저들의 상대 주파수 흔들림, 매질의 전이선의 특성, 원자의 속력, 원자간의 충돌, 원자와 벽과의 충돌 등과 같이 다양하다. 앞선 연구에서 분광 신호의 선폭에 가장 많은 영향을 주는 요인은 원자와 증기 셀 벽면과의 충돌임을 알 수 있었다. 즉, 신호의 선폭은 원자결맞음 완화률에 따른 원자와 레이저와의 상호작용 시간에 가장 많은 영향을 받으며, 원자가 레이저와 상호작용을 한 후 코팅된 벽과 충돌하고 원자결맞음이 유지된 상태로 다시 레이저와 상호작용하는 시간이 달라지기 때문이다.
- 그림 6은 레이저 출력에 따른 NMOE신호의 기울기 변화를 보여준다. 이중구조의 좁은선폭영역의 기울기 변화와 전체 신호의 기울기 변화를 살펴보면 두 신호의 기울기는 비선형적으로 증가함을 확인할 수 있다. 하지만 두 신호의 기울기 증가 폭이 다름을 알 수 있다.
후속연구
- 레이저 빔의 단면적이 넓을 경우 원자와 레이저와의 상호시간이 길어져 선폭은 좁아질 것이며, 반대로 좁을 경우 선폭은 넓어질 것이다. 이 때 이중구조의 좁은선폭영역의 신호는 transit 효과로 인해 어떻게 변하는지 연구할 예정이다.
- 관측된 NMOE 신호의 최소 유효선폭은 2 mG였고, 최대 민감도는 #로 계산 되었다. 이러한 선폭이 좁은 이중구조 신호는 외부 자기장의 차폐가 명확할 때 얻어지며, NMOE신호의 자기장이 0인 근처에서 얻어지는 큰 기울기 변화를 이용하면, 매우 민감한 자기장 측정 장치의 응용에 이용될 수 있으며, lock-in-amp를 이용하여 신호를 확대하면 민감도는 최대 100배 향상될 것이다. 또한, 이중구조의 좁은선폭영역을 이용하여 적은 양의 자기장을 측정할수 있으며, 선폭이 넓은 영역을 이용하면 동시에 많은 양의 자기장도 측정할 수 있는 장점이 있다.
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