KR100559185B1 - 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화방법 및 장치 - Google Patents

전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기 유도 투과성(EIT) 신호를 광학적 또는 전기적 피드백 기술을 이용하여 원자 전이선에 레이저 주파수를 잠금(locking)시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법은 결합 레이저가 출사하는 선형 편광된 결합 레이저 빔을 주파수 변조하여 결합 전이선에 잠금시키고, 조사 레이저가 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하고, 상기 결합 레이저 빔과 상기 조사 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되도록 하고, 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 원자 전이선에 공진됨으로써 EIT 현상이 일어나게 하고, 상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키고, 상기 분리된 조사 레이저 빔을 회절격자에 의하여 조사 레이저로 광 피드백 시키거나 광 검출기, 로크인 증폭기 및 비례적분미분 제어기를 이용하여 전기 피드백 시키는 것을 포함한다. 이러한 방법에 의하면 레이저의 선폭을 자연선폭보다 축소할 수 있어서 자연 선폭에 의하여 제한을 받는 종래의 포화 흡수 분광법에 비해 주파수 안정도가 향상되는 이점이 있다.
주파수 안정화, EIT, 루비듐 셀, 광 피드백, 전기 피드백

Description

전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치 {Method and Apparatus for Stabilizing Laser Frequency using Electromagnetically Induced Transparency}
도 1은 EIT 신호의 광 피드백에 의한 주파수 잠금을 위한 실험 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 EIT 신호의 전기 피드백에 의한 주파수 잠금을 위한 실험 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 셀 온도에 따른 높은 콘트라스트 EIT 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 광 피드백에 의한 잠금 대역폭(실선)과 높은 콘트라스트 EIT 스펙트럼(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 전기 피드백에 의한 주파수 안정화에서 직접 변조되는 결합 레이저 빔의 포화 흡수 스펙트럼과 위상 검출 신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 전기 피드백에 의한 주파수 안정화에서 직접 변조 없는 조사 레이저 빔의 EIT 스펙트럼과 위상 검출 신호를 나타낸 그래프이다.
도 7은 전기 피드백 전후의 조사 레이저 빔의 주파수 변동을 나타낸 그래프이다.
도 8은 결합 레이저 빔과 조사 레이저 빔의 주파수 안정도의 척도인 알란 분산을 나타낸 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 결합 레이저 2:조사 레이저
3: 루비듐 셀 4: 오븐
5: 제1 편광 빔 분리기 6: 제2 편광 빔 분리기
7: 중성 농도 필터 8: 조리개
11: 격자 12: 빔 분리기
13: 포토 다이오드 21: 포토 다이오드
22: 로크인 증폭기 23: 비례적분미분 제어기
본 발명은 전자기 유도 투과성(Electromagnetically Induced Transparency : 이하 "EIT"라 한다)을 이용하는 레이저 주파수 안정화에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 EIT 신호를 광학적 또는 전기적으로 피드백시켜 원자 전이선에 레이저 주파수를 잠금(locking)시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
레이저는 온도 변화, 역학적 진동, 전기적 잡음 등으로 인해 출력 선폭이 확대되고, 발진되는 중심 주파수도 천천히 표류하게 된다. 레이저의 주파수 안정화란 이러한 요인들을 제거 또는 보상하여 결과적으로 발진 주파수의 표류를 막고 발진 선폭도 축소시키는 것을 말한다.
레이저의 주파수 안정화에는 원자의 전이선을 이용한 방법, 광검류 효과를 이용한 방법, 안정한 기준공진기를 이용한 방법, 회절격자나 공초점 페브리-페롯 공진기 등을 이용한 광 피드백 방법 등이 이용되고 있다. 이 중 원자의 전이선을 이용하는 방법은 절대적인 주파수 기준에 레이저의 주파수를 잠금시킬 수 있다는 장점이 있으며 원자 전이선에 잠금된 레이저는 주파수 표준, 계측학, 고감도 분석 및 광통신 분야에서 기초부터 응용에 걸친 다양한 분야에서 이용되어 왔다.
원자 전이선에 레이저 주파수를 잠금시키는 기술에는 여러가지가 있는데 이들 기술은 크게 광 피드백과 전기 피드백의 두가지로 구분할 수 있다. 광 피드백이란 고분해 분광법에 의해 발생된 광 신호를 레이저 공진기(laser cavity)에 피드백하는 기법이다. 한편, 전기 피드백은 분산(dispersion) 또는 유사 분산(dispersion-like) 스펙트럼을 얻기 위해 주파수 변조가 사용되느냐에 따라 두가지로 구분된다. 위상 검출(phase-sensitive detection)이 수반되는 주파수 변조 분광법(frequency modulation spectroscopy)은 유사 분산 스펙트럼을 구하기 위한 수단의 하나로서, 이에 의하여 흡수 스펙트럼의 1차 미분계수가 얻어진다. 두번째 접근법은 원자 전이선에서의 이색성(dichroism) 또는 복굴절(birefringence)에 기초하는 주파수 무변조법(frequency modulation-free method)이다. 제만(Zeeman) 편이 유도 또는 2색광 유도 이색성은 2개의 중심 흡수 프로파일의 미세한 차이에 의하여 발생할 수 있다. 편광 분광법에 의해 구해지는 복굴절은 전기적 피드백으로 직접 사용될 수 있는 분산 스펙트럼을 생성할 수 있다.
상기 두 기법 모두 공진 주파수에서의 스펙트럼 선폭(linewidth)은 가급적 작을 것이 요구되는데 이는 주파수 안정화의 한계가 선폭에 의해 결정되기 때문이 다. 현재, 주파수 안정화 방법은 고분해 분광법의 스펙트럼 해상력의 한계로 인해 원자 전이선의 자연 선폭(natural linewidth)에 의한 제한을 받고 있다.
EIT는 해당 기술분야에서 널리 알려진 현상이다. EIT란 공통 에너지 준위를 갖는 강한 결합광과 약한 조사광이 함께 원자에 입사했을 때, 조사광이 원자의 전이 주파수와 공진이 되더라도 원자에 의해 흡수되지 않고 투과하는 현상이다. 이러한 현상은 원자에너지 준위 사이의 결맞음(atomic coherent)으로 인하여 발생하며 조사광의 상쇄간섭의 결과라고 볼 수 있다. 이 때 매질은 공진 주파수에서 굴절률 변화가 크면서도 흡수가 없는 특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해서 공진 주파수에서 굴절률 변화를 이용한 고굴절률 매질 생성, 고감도 자기장 측정장치, 밀도반전 없는 레이저(LWI), 양자 잡음 제거와 같은 다양한 이용이 가능하다.
EIT는 해리스(Harris)와 스컬리(Scully) 등에 의해서 이론적으로 연구된 이후, 3준위 원자계를 모형으로 사다리 형, 람다(Λ) 형 그리고 브이(V) 형에서 연구가 이뤄졌다. 대부분의 람다 형 EIT 실험은 서로 수직하게 선편광된 결합광과 조사광을 사용하여 같은 방향으로 진행하도록 중첩시킨 다음, 원자가 들어있는 셀로 입사시키고, 투과된 광 중에서 결합광 성분을 편광기를 이용해서 분리하고 조사광의 투과 정도를 측정함으로써 이루어졌다.
전형적인 EIT 신호의 스펙트럼 선폭은 자연 선폭보다 작은데 EIT 신호가 결맞는 상호 작용(coherent atom-field interaction)에 의해 발생하기 때문이다. 따라서 EIT 신호를 주파수 안정화 방법에 적용할 수 있다면 주파수 안정화의 한계를 극복하는 것이 가능할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전자기적으로 유도된 투과성(EIT) 신호를 광학적 및 전기적 피드백시켜 이용하여 원자 전이선에 레이저 주파수를 잠금시키는 방법 및 그 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법은 결합 레이저가 출사하는 선형 편광된 결합 레이저 빔을 주파수 변조하여 결합 전이선에 잠금시키고, 조사 레이저가 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하고, 상기 결합 레이저 빔과 상기 조사 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되도록 하고, 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 원자 전이선에 공진됨으로써 EIT 현상이 일어나게 하고, 상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키고, 상기 분리된 조사 레이저 빔을 회절 격자에 의하여 조사 레이저로 광 피드백 시키는 것을 포함한다.
상기 매질의 온도는 80~90℃로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전자기 유도 투과성을 이용하는 또다른 레이저 주파수 안정화 방법은 결합 레이저가 출사하는 선형 편광된 결합 레이저 빔을 주파수 변조하여 결합 전이선에 잠금시키고, 조사 레이저가 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하고, 상기 결합 레이저 빔과 상기 조사 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되도록 하고, 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 원자 전이선에 공진됨으로써 EIT 현상이 일어나게 하고, 상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키고, 상기 분리된 조사 레이저 빔이 검출기에 입사되어 기준신호와 상기 기준신호에 따른 오차신호를 생성하고, 제어기가 상기 오차 신호를 처리한 다음 레이저 공동의 길이를 보상하기 위해 조사 레이저로 피드백시키는 것을 포함한다.
상기 매질은 류비듐-87 증기 셀이고 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔은 루비듐-87 D2 전이선에 공진된다.
또한 상기 결합 레이저 앞에 중성 농도 필터를 설치하여 상기 결합 레이저 빔의 출력 세기를 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 조사 레이저의 앞에 조리개를 설치하여 빔의 지름을 조절하는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치는 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하는, 전자기 유도 투과성(EIT) 신호를 검출하기 위한 조사 레이저; 선형 편광된 후 주파수 변조에 의하여 결합 전이선에 잠금되는 결합 레이저 빔을 출사하는, 원자적 결맞음을 생성하기 위한 결합 레이저; 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행하게 하는 제1 편광 빔 분리기; 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지며 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 공진됨으로써 EIT 현상이 일어나는 매질; 상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이 저 빔을 분리시키는 제2 편광 빔 분리기; 상기 제2 편광 빔 분리기를 지난 조사 레이저 빔을 조사 레이저로 광 피드백 시키는 격자; 를 포함하여 구성된다.
상기 매질은 오븐 내에 설치된 루비듐-87 증기 셀이다.
상기 조사 레이저의 앞에는 피드백 신호의 일부를 포착하기 위해 빔 분리기와 상기 포착한 피드백 신호를 측정하기 위해 광 검출기가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전자기 유도 투과성을 이용하는 또다른 레이저 주파수 안정화 장치는 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하는, 전자기 유도 투과성(EIT) 신호를 검출하기 위한 조사 레이저; 선형 편광된 후 주파수 변조에 의하여 결합 전이선에 잠금되는 결합 레이저 빔을 출사하는, 원자적 결맞음을 생성하기 위한 결합 레이저; 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행하게 하는 제1 편광 빔 분리기; 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지며 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 공진됨으로써 EIT 현상이 일어나는 매질; 상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키는 제2 편광 빔 분리기; 상기 제2 편광 빔 분리기를 투과한 조사 레이저 빔이 입사되는 광 검출기; 상기 광 검출기가 생성하는 기준신호에 따라 오차신호를 생성하는 로크인 증폭기; 상기 로크인 증폭기가 보내는 오차 신호를 처리한 다음 레이저 공동의 길이를 보상하기 위해 조사 레이저로 피드백시키는 비례적분미분 제어기; 를 포함하여 구성된다.
상기 매질은 상온에 설치된 루비듐-87 증기 셀이다.
상기 조사 레이저와 상기 결합 레이저는 격자-피드백 외부 공동 레이저 다이오드인 것이 바람직하다.
또한, 상기 결합 레이저 빔의 출력 세기를 조절하기 위해 상기 결합 레이저 앞에 설치되는 중성 농도 필터를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조사 레이저의 앞에 설치되는 빔의 지름을 조절하는 조리개를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 87Rb D2 전이선에 레이저 주파수를 잠금시키기 위해 배열된 광 피드백을 위한 실험장치를 나타낸다. 격자-피드백 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser : EDCL)(1,2)에 의하여 단일 모드에서 작동하는 두 결맞은 레이저 빔이 루비듐 증기 셀(3)을 통과한다. 결합(coupling) 레이저 빔은 원자 결맞음을 일으키는 데 이용되고 잠금될 조사(probe) 레이저 빔은 EIT 신호를 검출하는 데 이용된다. 선형 편광된 결합 레이저 빔은 통상의 포화 흡수 프로파일을 위한 주파수 변조 기술에 의하여 결합 전이선에 잠금된다. 약한 광인 조사 레이저 빔 또한 선형 편광되었으나, 결합 장(field)과는 직각을 이룬다. 두 레이저 빔은 두 개의 편광 빔 분리기(5,6)에 의하여 겹쳐지거나 공간적으로 분리된다. 조사 레이저 주파수는 광 피드백의 경우에는 잠금 대역폭을 측정하기 위해서, 전기 피드백의 경우에는 유사 분산 스펙트럼을 구하기 위해서 들뜬 상태의 전 범위에 걸쳐 주사(scan)될 수 있다. 직경 1mm의 조리개(8)를 지나는 조사 레이저 빔의 지름은 결합 레이저 빔의 지름인 3.5mm보다 작다. 레이저 출력은 비교될 만한 신호 대 잡음비를 가진 EIT 스펙트럼의 좁은 스펙트럼 대역폭을 위해 중성 농도 필터(neutral density filters)(7)에 의하여 조절된다.
광 피드백을 위해서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 루비듐 셀(3)을 오븐 내에 설치하여 높은 콘트라스트(contrast)의 EIT 광학적 신호를 얻는다. 거울 대신에 회절 격자(grating)(11)가 도달된 조사 빔의 광 피드백을 위하여 레이저 공진기에 삽입된다. 이 회절 격자는 피드백 장(field)의 스펙트럼 순도를 높인다. 거울에 의해서는 원자 전이선에 레이저 주파수를 잠금시킬 수 없는데 이는 비공진 배경 광자로부터의 피드백 때문이다.
전기 피드백을 위해서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 포토 다이오드(21)가 투과된 조사 필드를 측정하기 위하여 사용된다. 루비듐 셀(3)은 상온(room temperature)에 있다. 조사 레이저의 추가적인 주파수 변조 없이 결합 레이저의 주파수 변조를 위한 기준 신호에 따라서 로크인 증폭기(lock-in amplifier)(22)의 위상 검출기를 설정함으로써 유사 분산 스펙트럼을 구할 수 있다. 이는 결합 레이저 주파수가 이미 결합 레이저의 안정화를 위해 변조되었기 때문에 가능한 것이다. 이러한 방법의 이점은 하나의 주파수 변조를 통하여 두 개의 유산 분산 스펙트럼, 즉 결합 레이저의 포화 흡수 프로파일로부터 얻는 유사 분산 스펙트럼과 조사 레이저의 EIT 프로파일로부터 얻는 유사 분산 스펙트럼을 얻을 수 있다는 것이다.
그러나 상기 방법의 단점은 결합 레이저의 주파수 안정성이 조사 레이저의 주파수 안정성으로 이전된다는 것과 EIT 신호가 원자 전이의 공진 주파수로부터 탈동조(detuning)하는 결합 레이저에 의존한다는 것이다. 그럼에도 불구하고 이 방법은 직접적인 주파수 변조 없이 레이저 주파수를 안정화하는 또하나의 방법이 될 수 있다. 로크인 증폭기(22)로부터 얻은 오차 신호는 비례적분미분(PID) 제어기(23)에 의하여 처리된 후에 레이저 공동의 길이를 보상하기 위해 피드백된다.
격자(11)를 포토 다이오드(13)로 대체함으로써 높은 콘트라스트 EIT 신호를 측정할 수 있다. 도 3은 람다 형 에너지 스킴(scheme)에서 셀 온도에 따른 전형적인 높은 콘트라스트 EIT 스펙트럼을 나타낸다. 여기서 8.3mW의 결합 레이저는 F=1 바닥 준위와 F'= 2 들뜬 준위 사이에서 전이선에 잠금된다. 75μW의 조사 레이저는 F=2 바닥 준위로부터 모든 들뜬 준위에 걸쳐 주사된다. 두 레이저의 파장은 780nm 근처이고, 루비듐 D2 선에 공진된다. F= 2 에서 F'= 2로의 전이에서 EIT 신호를 뚜렷하게 볼 수 있다. 바닥 쪽의 스펙트럼은 조사 레이저 주파수를 교정하기 위한 포화 흡수 프로파일이다.
셀 온도가 높아짐에 따라 더 많은 증기로 된 원자를 반응에 참가시킨다. 콘트라스트를 EIT 신호 높이와 선형 배경 전송의 비율이라고 정의할 때, 높은 온도에서 EIT 신호는 제로 배경을 가리키는 공진 주파수 부근에서의 거의 0에 가까운 전송으로 인해 높은 콘트라스트를 가짐을 알 수 있다. 만약 셀 온도가 제로 전송을 일으키는 온도보다 높으면, EIT 신호의 높이는 감소되며 이는 광 피드백으로서는 바람직하지 않다. 따라서 최적의 온도를 결정할 필요가 있다.
포토 다이오드(13)의 위치에 레이저 주파수 잠금을 위한 격자(11)를 설치함으로써 레이저 공동으로 귀환하는 EIT 광자의 광 피드백을 얻을 수 있다. 레이저 주파수는 이들 광자의 유도 방출에 의해 결정되기 때문에 레이저 주파수는 피드백 광자에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 바와 같이 조사 레이저(2)의 앞에 빔 분리기(12)를 둠으로써 피드백 신호의 일부를 포착하여 포토 다이오드(13)로 이것을 측정할 수 있다. 이로써 잠금 대역폭(locking bandwidth)을 측정할 수 있다.
도 4에서 실선으로 된 곡선은 조사 레이저의 주파수에 따른 광 피드백의 결과를 보여준다. 셀 온도는 85℃이다. 도 4에서 점선으로 된 곡선은 광 피드백이 없을 때의 높은 콘트라스트 EIT 스펙트럼이다. 도 4에서 삽입도는 잠금 대역폭을 나타낸다. 조사 주파수가 주사되는 동안 EIT 신호의 피크 높이와 EIT 공진 근처의 일정 높이에서 갑작스런 뜀(jump)이 발생한다. 동일 레벨을 보이는 주파수 영역을 잠금 대역폭이라 한다. EIT 선폭은 매우 좁기 때문에 잠금 대역폭 또한 작을 것이라 예측되지만, 최적의 잠금 대역폭은 약 12MHz이며 이것은 자연선폭인 5.6MHz보다 훨씬 넓은 것이다.
도 5 내지 8은 전기 피드백에 의한 주파수 잠금의 결과를 보여준다. 도 5는 결합 레이저의 주파수 잠금을 위한 주파수 변조를 수반하는 포화 흡수 분광법에 의해 얻어지는 유사 분산 프로파일을 나타낸다. 주파수 변조는 오직 결합 레이저의 주파수 잠금을 위해서만 필요하며, 도 6에 도시된 EIT 신호로부터 유사 분산 프로파일을 구하기 위해 조사 레이저의 추가적인 주파수 변조는 필요하지 않다. 조사 레이저의 직접적인 주파수 변조 없는 EIT 신호의 위상 검출을 위해서 기준 신호로 서의 결합 레이저의 신호 변조만을 사용한다. 이는 EIT 신호가 결합 레이저의 주파수 변조 성분을 함유하고 있기 때문에 가능하다. EIT 신호는 결합 레이저의 탈동조에 의존한다. 이것은 일종의 무변조 주파수 안정화이다.
도 7은 전기 피드백 전후의 조사 레이저의 주파수 안정도를 나타낸 것이다. 위상 검출기의 적분 시간은 1ms로 설정하는데 이는 레이저 공동에 사용되는 피에조 변환기(PZT)의 반응 시간보다 길다. 도 8은 결합 레이저와 조사 레이저의 주파수 안정도를 나타내는 알란 분산(Allan varience)을 나타낸다. 100초 후에, 주파수 안정도는 결합 레이저가 2×10-12이고 조사 레이저는 5×10-13이다. 알란 분산은 서보 전자장치를 포함하는 폐루프 측정에 기초하며, 따라서 잠금 안정도에 있어서 최선의 경우를 나타낸다. 오차 신호는 전자 서보루프 전달함수에 의해 가중된 레이저 주파수의 주파수 편차를 나타내기 때문에 이론적으로 이 신호로부터 잠금된 레이저의 주파수 안정도를 파악하는 것이 가능하다. EIT 잠금의 경우 레이저 안정도의 대략적인 레벨은 σ(τ)= 3.7×10-12τ-1/2이고 포화 흡수 신호에 잠금된 경우에는 σ(τ)= 2.8×10-11τ-1/2이다.
EIT 신호를 이용하는 조사 레이저는 포화 흡수 신호를 이용하는 결합 레이저보다 훨씬 더 안정적인데, 서보 전자장치가 동일한 경우 EIT 신호의 좁은 선폭과 양호한 신호 대 잡음비가 주된 이유이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 포화 흡수 스펙트럼의 선폭은 14MHz인데 이것은 자연선폭인 6MHz보다 훨씬 넓은 것이다. 그러나 도 6에 나타낸 바와 같이 EIT의 선폭은 10MHz이다. EIT 선폭은 결합 레이저의 변조 효과와 2초일 때 3MHz보다 작은 레이저 다이오드의 선폭으로 인해 넓게 측정된다. EIT 스펙트럼의 형상은 증기 셀 내의 EIT가 모든 속도 성분을 가진 원자의 EIT 신호를 포함하기 때문에 단일 로렌찌안(Lorentzian) 프로파일이 아니다. EIT 경우의 잡음 레벨은 도 5 및 6에 나타낸 바와 같이 포화 흡수 신호의 경우보다 명백히 작다. EIT 신호의 경사도는 단지 3배 크지만 EIT의 안정도는 신호 대 잡음 비 때문에 포화 흡수 분광법보다 7배나 크다.
이상에서와 같이, EIT 신호를 이용하여 레이저 주파수를 잠금시킬 수 있으며, 이러한 방법에 의하면 양호한 신호 대 잡음비를 가지고 레이저의 선폭을 자연선폭보다 축소할 수 있어서 자연 선폭에 의하여 제한을 받는 종래의 포화 흡수 분광법에 비해 주파수 안정도가 향상되는 이점이 있다. 또한 본 발명에 따른 EIT 신호의 광 피드백에 의하면 넓은 잠금 대역폭을 얻을 수 있어 여러 응용 분야로의 적용이 가능하다.

Claims (14)

  1. 결합 레이저가 출사하는 선형 편광된 결합 레이저 빔을 주파수 변조하여 결합 전이선에 잠금시키고,
    조사 레이저가 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하고,
    상기 결합 레이저 빔과 상기 조사 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되게 하고,
    적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성(EIT) 현상이 일어나게 하고,
    상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키고,
    상기 분리된 조사 레이저 빔을 회절 격자에 의하여 조사 레이저로 광 피드백 시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  2. 결합 레이저가 출사하는 선형 편광된 결합 레이저 빔을 주파수 변조하여 결합 전이선에 잠금시키고,
    조사 레이저가 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하고,
    상기 결합 레이저 빔과 상기 조사 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되게 하고,
    적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성(EIT) 현상이 일어나게 하고,
    상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키고,
    상기 분리된 조사 레이저 빔이 검출기에 입사되어 기준신호가 생성되고 상기 기준신호에 따라 오차신호가 생성되게 하며,
    제어기가 상기 오차 신호를 처리한 다음 레이저 공동의 길이를 보상하기 위해 조사 레이저로 피드백시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 매질은 류비듐-87 증기 셀이고 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔은 루비듐-87 D2 전이선에 공진되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 매질의 온도는 80~90℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 레이저 앞에 중성 농도 필터를 설치하여 상기 결합 레이저 빔의 출력 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조사 레이저의 앞에 조리개를 설치하여 빔의 지름을 조절하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 방법
  7. 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하는, 전자기 유도 투과성(EIT) 신호를 검출하기 위한 조사 레이저;
    선형 편광된 후 주파수 변조에 의하여 결합 전이선에 잠금되는 결합 레이저 빔을 출사하는, 원자적 결맞음을 생성하기 위한 결합 레이저;
    상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행되게 하는 제1 편광 빔 분리기;
    적어도 세 개의 에너지 준위를 가지며 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 공진됨으로써 전자기 유도 투과성(EIT) 현상이 일어나는 매질;
    상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키는 제2 편광 빔 분리기;
    상기 제2 편광 빔 분리기를 지난 조사 레이저 빔을 조사 레이저로 광 피드백 시키 는 격자;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  8. 선형 편광된 조사 레이저 빔을 출사하는, 전자기 유도 투과성(EIT) 신호를 검출하기 위한 조사 레이저;
    선형 편광된 후 주파수 변조에 의하여 결합 전이선에 잠금되는 결합 레이저 빔을 출사하는, 원자적 결맞음을 생성하기 위한 결합 레이저;
    상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 중첩되어 같은 방향으로 진행하게 하는 제1 편광 빔 분리기;
    적어도 세 개의 에너지 준위를 가지며 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔이 입사되어 공진됨으로써 전자기 유도 투과성(EIT) 현상이 일어나는 매질;
    상기 매질을 투과한 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 분리시키는 제2 편광 빔 분리기;
    상기 제2 편광 빔 분리기를 투과한 조사 레이저 빔이 입사되는 광 검출기;
    상기 광 검출기가 생성하는 기준신호에 따라 오차신호를 생성하는 로크인 증폭기;
    상기 로크인 증폭기가 보내는 오차 신호를 처리한 다음 레이저 공동의 길이를 보상하기 위해 조사 레이저로 피드백시키는 비례적분미분 제어기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 조사 레이저와 상기 결합 레이저는 격자-피드백 외부 공동 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  10. 제7항에 있어서,
    상기 매질은 오븐 내에 설치된 루비듐-87 증기 셀 인 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  11. 제8항에 있어서,
    상기 매질은 상온에 설치된 루비듐-87 증기 셀인 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  12. 제7항 또는 제10항에 있어서,
    피드백 신호의 일부를 포착하기 위해 상기 조사 레이저의 앞에 설치되는 빔 분리기와 상기 포착한 피드백 신호를 측정하기 위해 설치되는 광 검출기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 결합 레이저 빔의 출력 세기를 조절하기 위해 상기 결합 레이저 앞에 설치되는 중성 농도 필터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
  14. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 조사 레이저의 앞에 설치되는 빔의 지름을 조절하는 조리개를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화 장치
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