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문제 정의
- 앞으로, 관측된 요오드 분자 초미세구조선의 분광선을 이용하여 각 파장에서 같은 초미세구조선에 안정화되는 요오드 안정화 레이저를 2대 제작하고, 이들의 맥놀이 신호로부터 요오드 분자의 초미세구조선간의 간격을 측정하여 초미세 상호작용 상수들을 구하고자 한다. 더불어 2대 레이저 사이의 주파수 옵셋, 안정도, 각 변수에 따른 주파수 편이 등의 측정으로 안정화 레이저의 주파수 특성을 파악하여 녹색에서의 광주파수 표준을 확립하고 국제 비교연구를 통하여 주파수 재현성 등을 확인하고자 한다.
제안 방법
- 이후 많은 연구그룹들이 각종 안정화 기법을 도입하여 543 nm 헬륨네온 레이저의 주파수 안정화를 연구하였다. 3차 고조파를 이용한 포화흡수 분광법[3], FM 초고감도 분광법[4], 2중 차분 포화흡수 분광법[5] 등을 이용하여 요오드 분자의 초미세구조선의 포화흡수신호에 주파수를 안정화시킨 레이저를 개발하였다.
- 그러나 변조용 압전소자를 레이저관에 부착할 때 에폭시와 같은 접착제를 사용하기 때문에 압전소자의 변형량이 레이저관에 100% 전달되지 않는다. 따라서 실험에서 실제 변형량을 정밀하게 구하는 것이 어려우므로 직접 변조폭을 구하기 위하여, 그림 1과 같은 장치를 사용하여 고주파 스펙트럼 분석기(RF-SA)로 광헤테로다인 맥놀이 신호를 측정하였다.
- 레이저 주파수 변조폭 6 MHz, 요오드 셀의 온도 0 ℃, 단일 모드 출력 300 μW 에서 요오드 흡수선의 3차 고조파 분광신호를 측정하였으며, 위상민감검출기의 적분시정수 100μs, 감도 10 mV에서 30:1 의 S/N 비를 갖는 3차 고조파 신호를 검출하였다.
- 레이저 주파수를 변조하기 위하여 원통형의 압전소자를 레이저관 둘레에 부착하여 그 공진주파수를 측정하고 단위 전압당 레이저 주파수 변조 최대진폭을 측정하였다. 공진주파수는 2.
- 본 연구에서는 이미 본 연구팀에 의해 이미 편광특성과 단일모드 동작 특성이 확인된 상용 내부 반사경형 543 nm 헬륨네온 레이저관[7]을 포화흡수분광 실험에 사용하였다. 먼저 레이저의 주파수 안정을 위한 준비작업으로 안정화 궤환회로의 정수를 결정하기 위해서 변조도와 변조주파수폭을 측정하였으며, 요오드셀 진공봉입장치를 제작하여 주파수 기준선으로 사용할 요오드셀을 제작하였다. 127I2 포화흡수분광을 하여 초미세구조들의 3차 고조파 신호를 얻었으며, 이 3차 고조파 신호를 이용하여 헬륨네온 레이저의 주파수를 요오드 포화흡수선의 중심에 안정화시킬 수 있었다.
- 이 때의 변조주파수를 fm(Hz)이라고 하면 요오드 분자의 포화흡수분광을 위하여 변조된 레이저 출력광의 3차(3fm) 고조파 신호를 검출하기 위하여 변조주파수의 3차 고조파 검출용의 위상민감검출기(PSD)를 전자제어 장치에 포함시켰다. 변조주파수의 3차 고조파 신호를 PSD의 기준신호로 하였으며, 변조된 레이저 출력을 광검출기(PD)로 검출한 신호를 입력신호로 하였다. PSD에서 검출된 출력신호는 요오드 흡수선의 위상정보를 가지므로 레이저 주파수 제어용 신호로 사용할 수 있다.
- 본 연구를 통하여 543 nm(녹색) 헬륨네온 레이저의 주파수 안정화를 위하여 요오드 분자(127I2)를 이용한 포화 흡수 분광장치를 제작하여 파장 543 nm 근방에서 R(106)28-0 및 R(12) 26-0 천이선의 초미세 구조들의 3차 고조파 신호를 관측하였다.
- 앞으로, 관측된 요오드 분자 초미세구조선의 분광선을 이용하여 각 파장에서 같은 초미세구조선에 안정화되는 요오드 안정화 레이저를 2대 제작하고, 이들의 맥놀이 신호로부터 요오드 분자의 초미세구조선간의 간격을 측정하여 초미세 상호작용 상수들을 구하고자 한다. 더불어 2대 레이저 사이의 주파수 옵셋, 안정도, 각 변수에 따른 주파수 편이 등의 측정으로 안정화 레이저의 주파수 특성을 파악하여 녹색에서의 광주파수 표준을 확립하고 국제 비교연구를 통하여 주파수 재현성 등을 확인하고자 한다.
- 요오드 분자의 미세구조(127I2, B3II - X1Σ, R(12) 26-0 and R(106) 28-0)중에 포함되는 20 개의 초미세구조선 (a6, a7, a8, a9, a10, a11, a12, a13, a14, a15(R(12) 26-0), b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8, b9, b10(R(106) 28-0))을 분광하였다.
- 요오드셀의 진공봉입에서는 무엇보다도 H2O와 I2를 분리하여 봉입하는 것이 중요하므로 이들 분자를 분리 흡착하는 molecular sieves 4A(일본 소화화학사)를 진공봉입장치에 있는 2 개의 trap에 넣어 사용하였다.
- 용융 석영셀에 요오드 분자를 진공봉입한 후 543 nm 헬륨네온 레이저 광으로 조사하여 육안으로 형광을 조사하였다. 육안 형광측정실험을 통해서 형광이 잘 되고 있음과 형광의 변화에 의해 강한 흡수선도 존재함을 통하여 요오드 분자의 진공봉입이 잘 된 것을 알 수 있었으나, 제작된 셀을 사용하여 안정화 레이저를 구성하여 그 주파수 옵셋을 측정한 후에서야 요오드셀 진공봉입 장치의 절대적 성능을 판정할 수 있다.
- 레이저를 주파수 변조폭 4∼6 MHz 정도로 변조하기 위하여 레이저 출력경에 부착한 원통형의 압전소자(PZT)의 공진주파수를 이용하는 것이 낮은 전압으로도 변조 가능하며 민감하고 효율적이다. 이 때의 변조주파수를 fm(Hz)이라고 하면 요오드 분자의 포화흡수분광을 위하여 변조된 레이저 출력광의 3차(3fm) 고조파 신호를 검출하기 위하여 변조주파수의 3차 고조파 검출용의 위상민감검출기(PSD)를 전자제어 장치에 포함시켰다. 변조주파수의 3차 고조파 신호를 PSD의 기준신호로 하였으며, 변조된 레이저 출력을 광검출기(PD)로 검출한 신호를 입력신호로 하였다.
- 광학창이 양 끝에 부착된 용융 석영관셀을 독일 Hella사에서 구입하여 정밀 세척하여 사용하였다. 이 셀 내부에 요오드분자를 진공봉입하기 위하여 pyrex 유리로 만든 전용 진공봉입 장치를 제작하였으며, 1x10-7 torr 진공 분위기에서 요오드분자를 봉입하였다. Merck 사의 분광용 고순도(Suparpur□) 입자형 요오드분자를 구입하여 사용하였다.
- 이 제어 신호는 PI 제어회로와 actuator 제어 증폭기를 통하여 레이저관에 부착된 대형 압전소자(PZT)와 열선(FH)에 인가된다. 이 인가전압이 압전소자를 변형하고 열선에 의해 레이저 공진기의 길이를 제어시키게 되어 요오드의 초미세구조선의 포화흡수신호의 공진 첨두치 즉, 3fm 신호전압이 0이 되는 값에서 레이저 주파수가 제어되도록 제어루프를 구성하였다.
- 제작한 포화흡수분광장치에서 열과 압전소자에 의한 레이저 동조를 동시에 사용하여 3차 고조파 포화흡수분광을 하였으며, 그림 7과 같은 결과를 얻었다.
- 용융 석영관으로 제작한 직경 25 mm이고 길이 30 cm인 외부 요오드셀을 사용하였다. 펠티어 소자와 AD590온도감지 IC의 조합으로 구성된 전자온도 제어장치를 사용하여 냉지(cold finger)의 온도를 조절하였다. 분광실험할 때 냉지의 온도를 0 ℃로 유지함으로써 요오드 증기압력을 4.
대상 데이터
- 543 nm 헬륨네온 레이저의 낮은 이득 특성으로 인하여 외부셀형의 요오드 안정화 헬륨네온 레이저를 구성하였다. 공진기의 외부에 요오드셀을 설치한 외부셀 방식의 요오드 안정화 헬륨네온 레이저 장치의 구조를 그림 3에 보였다.
- 이 셀 내부에 요오드분자를 진공봉입하기 위하여 pyrex 유리로 만든 전용 진공봉입 장치를 제작하였으며, 1x10-7 torr 진공 분위기에서 요오드분자를 봉입하였다. Merck 사의 분광용 고순도(Suparpur□) 입자형 요오드분자를 구입하여 사용하였다. 요오드셀의 진공봉입에서는 무엇보다도 H2O와 I2를 분리하여 봉입하는 것이 중요하므로 이들 분자를 분리 흡착하는 molecular sieves 4A(일본 소화화학사)를 진공봉입장치에 있는 2 개의 trap에 넣어 사용하였다.
- 고순도의 127I2 를 진공봉입한 요오드셀을 제작하였다. 광학창이 양 끝에 부착된 용융 석영관셀을 독일 Hella사에서 구입하여 정밀 세척하여 사용하였다.
- 를 진공봉입한 요오드셀을 제작하였다. 광학창이 양 끝에 부착된 용융 석영관셀을 독일 Hella사에서 구입하여 정밀 세척하여 사용하였다. 이 셀 내부에 요오드분자를 진공봉입하기 위하여 pyrex 유리로 만든 전용 진공봉입 장치를 제작하였으며, 1x10-7 torr 진공 분위기에서 요오드분자를 봉입하였다.
- 그러나 국내에서는 국가표준을 위한 543 nm 레이저의 주파수 안정화에 관한 연구가 아직 보고된 바 없으므로, 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이미 본 연구팀에 의해 이미 편광특성과 단일모드 동작 특성이 확인된 상용 내부 반사경형 543 nm 헬륨네온 레이저관[7]을 포화흡수분광 실험에 사용하였다. 먼저 레이저의 주파수 안정을 위한 준비작업으로 안정화 궤환회로의 정수를 결정하기 위해서 변조도와 변조주파수폭을 측정하였으며, 요오드셀 진공봉입장치를 제작하여 주파수 기준선으로 사용할 요오드셀을 제작하였다.
- 용융 석영관으로 제작한 직경 25 mm이고 길이 30 cm인 외부 요오드셀을 사용하였다. 펠티어 소자와 AD590온도감지 IC의 조합으로 구성된 전자온도 제어장치를 사용하여 냉지(cold finger)의 온도를 조절하였다.
성능/효과
- 먼저 레이저의 주파수 안정을 위한 준비작업으로 안정화 궤환회로의 정수를 결정하기 위해서 변조도와 변조주파수폭을 측정하였으며, 요오드셀 진공봉입장치를 제작하여 주파수 기준선으로 사용할 요오드셀을 제작하였다. 127I2 포화흡수분광을 하여 초미세구조들의 3차 고조파 신호를 얻었으며, 이 3차 고조파 신호를 이용하여 헬륨네온 레이저의 주파수를 요오드 포화흡수선의 중심에 안정화시킬 수 있었다.
- 레이저관에 부착시킨 열선(FH)과 압전소자(PZT)의 전압을 조절함으로써 레이저관의 길이를 변화시킬 수 있으며, 길이의 변화는 레이저 출력의 주파수 변화로 나타나게 된다. 먼저 열선의 전압을 제어하여 레이저 출력 주파수의 흐름을 정지시킨 후 압전소자에 고전압을 가하면 레이저 주파수를 원하는 주파수 대역만큼 주사시킬 수 있으며, 이 때 주사되는 레이저의 출력 주파수가 요오드 분자의 흡수선의 중심과 일치할 때 나오는 포화흡수신호로부터 변조용 압전소자(PZT)와 록인(lock-in) 증폭기를 사용하여 3차 고조파 포화흡수신호를 얻을 수 있었다.
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