A 399nm Laser System for Laser Cooling of Ytterbium Atoms

Abstract

초록

이 석사논문은 이터븀 원자 기체의 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein Condensation(BEC))을 구현하기 위한 원자 감속 레이저 시스템에 대해 소개한다. 보즈-아인슈타인 응축은 에너지 바닥상태에 거시적인 숫자의 원자들이 놓여져 있어서 하나의 물질파를 형성하는 것을 말한다. 따라서 BEC상태의 원자들이 가지는 결맞음(Coherence)를 이용해서 초유체, 소용돌이, Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 전이 등 다양한 양자현상들을 탐구할 수 있다. 이미 여러 연구팀들에 의해 23Na, 40Ca, 87Rb, 133Cs, 174Yb, 164Dy 등 다양한 원소들의 BEC가 구현되었다. 우리는 174Yb(이터븀)원자를 이용해서 BEC를 구현하려고 한다. 174Yb 원자는 다른 원자들에 비해 1S0 ↔ 3P2 전이(Transition)의 선폭이 약 10mHz로 매우 좁고 3P2 상태에서 강한 자기 쌍극자 모멘트를 가지기 때문에 이를 이용해서 원자시계 또는 쌍극자-쌍극자 상호작용, 자화 상태 연구 등을 할 수 있다. 보즈 아인슈타인 응축을 만들기 위해 실험 초기 단계에서 지만 감속(Zeeman Slowing)을 이용하여 원자들을 감속시킨다. 지만 감속기는 지만 효과를 활용하여 원자와 광자 사이의 도플러효과를 상쇄해준다. 따라서 원자가 일정주파수의 빛을 흡수하게 하여 원자를 감속시킨다. 원자의 지만 감속을 원활히 하기 위해서 주파수가 안정화된 레이저가 필요하다. 우리는 174Yb의 1S0↔1P1 전이를 이용해서 지만 감속을 하기 위해 399nm 외부공진 다이오드 레이저(ECDL)를 설계, 제작하였다. ECDL에서는 파장이 398.799nm(Air)인 빛이 단일 모드(Single Mode)로 14mW까지 나온다. 이 레이저의 주파수를 안정화하기 위해 1S0↔1P1 전이에 대한 포화 흡수 분광(Saturation Absorption Spectroscopy) 신호를 획득하였다. 이를 위해 Yb 기체 셀(Vapor Cell)을 제작하였다. 전이선의 신호를 오차신호(Error Signal)로 변환하여 주파수안정화 를 시도하였다. 399nnm 레이저 시스템을 이용해서 원자 감속과 이미징을 하려면 130mW의 레이저출력이 필요하다. 그래서 충분한 빔 출력을 얻기 위해 으뜸-종속 레이저 시스템(Master-Slave Laser System)을 구축하였다. 최적의 씨결정빔 결합에서 단일모드로 125mW의 레이저출력을 확인하였다. 앞으로 PID 제어에 필요한 적절한 조건과 안정한 레이저 모드를 찾아서 추가시도를 하면 주파수 안정화를 이룰 수 있을 것으로 예상한다..

주요어: 주파수안정화, 포화 광흡수 분광 (Saturation Absorption Spectroscopy), 외부 공진 다이오드 레이저(External Cavity Diode Laser), 으뜸-종속 레이저 시스템(Master-Slave Laser System), 지만 감속(Zeeman Slowing), 이터븀 보즈 아인슈타인 응축(Ytterbium Bose-Einstein Condensation)

학번: 2009-22959