High resolution pump-probe ır laser spectroscopy of rubidium atomic vapor cell

Abstract

Günümüzde atomik sensörler üzerine yapılan araştırmalar hızla gelişmekte olan ve geniş bir uygulama alanına sahip bir çalışma alanıdır. Alkali metal atomları içeren gaz hücrelerinde yüksek çözünürlüklü lazer spektroskopisi yöntemleri, lazer-atom etkileşim prensibine dayalı olarak yüksek hassasiyetli metrolojik ölçümlerin temelini oluşturmaktadır. Bu metrolojik ölçümlerinin hassasiyet ve doğruluğu açısından en önemli gereksinimlerden biri, kullanılan lazer kaynaklarının kararlı ve yüksek çözünürlüklü biçimde stabilize edilmesidir. Bu tez kapsamında TÜBİTAK UME Atomik Sensörler Laboratuvarında üretilen 4 mm boyutlarındaki kübik rubidium atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi incelenmiştir. Rubidyum atomunun tercih edilmesinin temel nedeni, alkali metaller grubunda yer alması ve valans bandında tek elektron bulundurmasıdır. Bu durum, rubidyumun atomunun hiperince yapılarının belirgin ve net bir şekilde gözlemlenmesine olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, rubidyum atomunun 795 nm dalga boyundaki D1 hattına karşılık gelen 5S1/2-5P1/2 atomik geçişleri detaylı olarak incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde farklı atomik gaz hücresi sıcaklığı, lazer polarizasyon durumları ve lazer güçlerinde doyum soğurum spektroskopisi ve atomik rezonansların değişimi sistematik olarak araştırılmıştır. Deney düzeneği, Doppler bağımsız spektroskopi tekniğini uygulamak amacıyla tek bir lazer kaynağından elde edilen aynı frekanstaki fakat güçleri birbirinden farklı iki lazer demetinin (pompa ve prob) atomik gaz hücresi içerisinde zıt yönlerde üst üste getirilmesi prensibine göre oluşturulmuştur. Bu deney tekniğinde güçlü olan pompa lazer demeti, atomları doyuma ulaştırarak prob ışığının absorpsiyonunu azaltmakta ve böylelikle Doppler genişlemesini aşan dar rezonans çizgilerinin gözlenmesini mümkün kılmaktadır. Doppler altı rezonansların elde edilmesi, lineer absorpsiyon spektroskopisi yöntemlerinin çözünürlük sınırlarını aşan, lineer olmayan doyum spektroskopisi tekniğiyle gerçekleştirilmiştir. Bu teknik ile rubidyum atomunun hassas hiperince geçiş çizgileri elde edilmiş ve ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışması, spektroskopi temelli atomik sensör uygulamalarında hassasiyet ve çözünürlüğü artırmak amacıyla rubidyum atomlarının D1 hattındaki hiperince geçişlerinin genliği ve çizgi genişliği gibi temel spektroskopik parametrelerinin detaylı olarak incelenmesini içermektedir.Today, research on atomic sensors is a rapidly developing field with a wide range of applications. High-resolution laser spectroscopy methods by using atomic vapor cells containing alkali metal atoms form the basis of high-precision metrological measurements based on the laser-atom interaction principle. One of the most important requirements for the precision and accuracy of these metrological measurements is the stabilization of the laser sources used in a stable and high-resolution manner. This thesis examined the high-resolution spectroscopy of the 4x4x4 mm cubic rubidium atomic vapor cell produced in the TÜBİTAK National Metrology Institute (TÜBİTAK UME) Atomic Sensors Laboratory. The main reason for the preference of the rubidium atom is that it is in the alkali metal group of the periodic table and has a single electron in the valence band. Therefore, the observation of hyperfine structure of the rubidium atom can be obtained precisely. In this thesis, the 5S1/2-5P1/2 atomic transitions corresponding to the D1 line at a wavelength of 795 nm of the rubidium atom are examined in detail. The changes in the saturation absorption spectroscopy and atomic resonances at different atomic vapor cell temperatures, laser polarization states, and laser powers are systematically investigated in the experiments performed. The experimental setup is established according to the principle of overlapping two laser beams (pump and probe) of the same frequency, but different powers obtained from a single laser source in opposite directions in the atomic vapor cell to apply the Doppler-free spectroscopy technique. In this experimental technique, the more intense pump laser beam saturates the atoms and reduces the absorption of the probe light passing through the atomic vapor cell, thus making it possible to observe narrow resonance lines that exceed the Doppler broadening. The obtaining of sub-Doppler resonances is carried out by the nonlinear saturation spectroscopy technique, which exceeds the resolution limits of linear absorption spectroscopy methods. With this technique, the sensitive hyperfine structure of the rubidium atom is obtained and analyzed in detail. As a result, this thesis study includes a detailed investigation of the basic spectroscopic parameters, such as the amplitude and linewidth of the hyperfine structure in the D1 line of rubidium atoms, in order to increase the sensitivity and resolution in spectroscopy-based atomic sensor applications.