Sezyum atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi
High resolution spectroscopy of resonance cesium atomic gas cell
Yazar: BERFİN MUHLİSE CAKLI
Danışman: DOÇ. DR. DEMET AKTAŞ ; DOÇ. DR. RAMİZ HAMİD
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Lazer spektroskopisi = Laser spectroscopy

Özet:
Günümüzde, kuantum temelli sensör araştırmaları son derece ilgi çekici ve popüler bir 
alandır. Alkali metal içeren atomik gaz hücrelerinde yüksek çözünürlüklü lazer 
spektroskopisi, lazer-atom etkileşimi prensibine dayanan yüksek hassasiyetli atomik 
manyetometre, atomik jiroskop ve atomik saat gibi çeşitli teknolojilerin temelini 
oluşturur. Aynı zamanda referans frekansı mikrodalga osilatörleri  veya lazerleri 
stabilize etmek için de kullanılır. Atom ve molekül fiziğinde önemli bir rol oynayan 
yüksek çözünürlüklü lazer spektroskopisi, modern metrolojide yeni standartların 
oluşturulmasında öncülük ederken, atomik ve moleküler yapıların detaylı analizine 
olanak sağlamaktadır. Uluslararası ölçü birim sisteminde zaman birimi olan saniye, 
Sezyum (Cs-133) atomunun aşırı ince yapısına dayalı tanım içermektedir.  
Tez kapsamında TÜBİTAK UME Atomik Sensörler Laboratuvarında üretilen sezyum 
atomik gaz hücresinin yüksek çözünürlüklü spektroskopisi üzerine çalışılmıştır. 
Sezyum alkali metalinin  kullanılmasının birkaç nedeni vardır, ancak en belirgin olanı, 
dış kabuğunda tek bir değerlik elektronu bulunmasıdır. Bu tez çalışmasında, Cs alkali 
metalinin 852 nm dalga boyuna denk gelen D2 çizgisinin 6S1/2 -  6P3/2 atomik geçişleri 
ve Cs atomlarının soğurum spektroskopisi laboratuvarda özel olarak üretilen 10 mm 
çapındaki atomik gaz hücresi kullanılarak analiz edilmiştir.  Bu bağlamda, farklı lazer  
güçlerinde, polarizasyonlarında ve atomik hücre sıcaklıklarında soğurum 
spektroskopisi ve atomik rezonanslar incelenmiştir. Böylelikle, spektroskopi tabanlı 
uygulamalardaki sensör hassasiyetlerini artırmak için Cs atomik gazının D2 enerji 
geçişindeki soğurum rezonanslarının çizgi genişliği ve genliği gibi parametrelerin 
yüksek çözünürlüklü spektroskopi teknikleri ile araştırılması yapılmıştır. 
Tez çalışmasında DBR lazer kullanarak sezyum alkali metali içeren atomik gaz hücresi 
ile deneysel lazer spektroskopisi çalışması yapılmıştır. Pompa lazer demeti atomik 
hücreden geçirilerek Doppler etkisi ile genişleyen soğurum spektral rezonansları 
gözlenmiş ve incelenmiştir (Lineer spektroskopi). Sonrasında pompa lazer demetine 
karşı gönderilen prob lazer demeti gönderilerek doyum soğurum spektroskopisi 
tekniğiyle (Lineer olmayan spektroskopi) Doppler genişlemesinin ötesinde sezyum 
atomunun ince geçiş çizgileri incelemiştir. Dolayısıyla Doppler bağımsız doyum spektroskopisi tekniği kullanılarak lineer spektroskopi yönteminin sınırlarını aşan 
lineer olmayan spektroskopi olarak isimlendirilen doyum soğurum spektroskopi 
yöntemiyle sezyum atomunun ince geçiş çizgileri elde edilmiştir. Lineer olmayan 
yüksek çözünürlüklü spektroskopi, maddeyi atomik ve moleküler seviyelerde 
incelemek için oldukça etkili bir araçtır. 
Alt Doppler rezonasların (sub Doppler veya Doppler-free) görüntülenmesi için 
kurulan deney düzeneği, yüksek çözünürlüklü spektroskopinin bir uygulaması olarak 
tek bir lazer kaynağından elde edilen aynı frekanstaki, farklı güçlere sahip iki lazer 
demetinin (pompa ve prob) hücre üzerinde karşıt yönlerde yönlendirilmesiyle 
kurulmuştur. Güçlü lazer demeti pompa lazer demeti, zayıf  lazer demeti ise prob lazer 
demeti olarak isimlendirilir. Gaz hücresi üzerinde iki lazer demeti birbiriyle karşılaşır. 
Pompa lazer demeti temel enerji seviyesinde bulunan atomları uyararak bir üst enerji 
seviyesine taşıyacak kadar güçlü, prob lazer demeti ise rezonans doyumu 
yapamayacak kadar zayıftır. Soğrulan prob lazeri fotodedektöre düşürülmüştür. 
Fotodedektörden alınan sinyal ile osiloskop üzerinden soğurum profillerinin 
görüntülenmesini sağlamıştır. 
Hücreye gönderilen lazer ışınının frekansı, atomların geçiş frekanslarına eşit 
olduğunda ve aynı hız grubundaki atomlarla etkileştiklerinde, atomların Maxwell- 
Boltzman hız dağılımına uygun gelen genişlemiş doppler profili üzerinde rezonans 
frekanslarında lorentz profiline sahip atomik geçişler görünür.  Elde edilen alt doppler 
rezonanslarının çizgi genişliğini etkileyen başlıca etken parametreler vardır. Bunlar 
doğal çizgi genişlemesi, doppler genişlemesi, çarpışma etkisi ve güç genişlemesinden 
oluşmaktadır.  Doğal çizgi genişlemesi, atomun uyarılmış enerji seviyesindeki yaşam 
süresiyle orantılıdır. Doppler genişlemesi, hücre içindeki atomların termal 
hareketlerinden kaynaklanan hızları nedeniyle soğurduğu radyasyonun frekansını 
etkiler. Bu etkileşim sonucunda radyasyonun frekansında bir kayma olur ve bu da 
doppler genişlemesine yol açar. Alt Doppler rezonansının Doppler genişlemesine 
(𝜑𝑥𝛥𝜔D) genelde prob ve pompa lazer demetlerinin arasındaki açı (𝜑) ve demet 
parelleliği katkı  sağlamaktadır.  Çarpışma etkisi, atomlar birbirleriyle etkileşime 
girdiklerinde itme ve çekme kuvveti genişleme etkisi yaratır. Güç genişlemesi, 
doğrudan lazerin sahip olduğu ışık şiddetiyle ilgilidir. 
Gerçekleştirilen deneylerde Sezyum atomunun 852 nm D2 çizgisinin 6S1/2(F=3)
6P3/2(F'=2,3,4) ve 6S1/2(F=4)-6P3/2(F'=3,4,5) atomik geçişlerinde çalışılmıştır. Kurulan iki deney düzeneğinde ölçümler alınmıştır. İlk deney düzeneğinde pompa lazer 
demetinin farklı güçlerinde, prob lazer demeti düşük güçte sabit tutulmuş ve atomik 
geçişler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Pompa lazer demet gücünün farklı 
değerlerinde çizgi genişlemesi hesabı yapılmış ve pompa lazer demetinin artan 
gücüyle çizgi genişliklerinin arttığı gözlenmiştir. Gerçekleştirilen bir diğer ölçüm 
hücrenin sıcaklığıyla ilgildir. Hücre sıcaklığı belirli değer aralıklarında arttırılarak, 
prob lazer demetinin hücre içerisindeki atomlar tarafından tamamen soğrulduğu 
değere kadar ölçüm alınmıştır. Sıcaklık arttırıldıkça atom yoğunluğu arttığı için 
atomlar arası çarpışma ve etkileşim artmıştır. Dolayısıyla gönderilen prob lazer demeti 
belli sıcaklık değerinde atomlar tarafından tamamen soğurulmuştur. Son olarak pompa 
ve probe lazer demetlerinin polarizasyonları değiştirilerek atomik geçişlerin soğurum 
spekturmları incelenmiştir. Uyarılmış seviyedeki atom yoğunluğu, lazer demetlerinin 
polarizasyonuna, lazer demetlerinin yoğunluğuna ve hücre sıcaklığına bağlı olarak 
değişmiştir. İkinci Deney düzeneğinde Sezyum alkali metali bulunan atomik gaz 
hücresi mu-metal içerisine konulmuştur. Zayıflatılmış manyetik alan altında lazer 
demetlerinin farklı polarizasyonlarında atomik geçişlerin soğurum spektrumları 
incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneyde pompa ve prob lazer demetleri, eşit güçte olup 
karşı yönlerde yönlendirilmiştir. Bu lazer demetlerinin polarizasyonları, pompa lazer 
demeti sağ el dairesel (σ+) ve prob lazer demeti sol el dairesel (σ-) polarizasyon olacak 
şekilde ayarlanmıştır. Bu düzenleme ile alt Doppler rezonanslar incelenmiştir. Bu 
şekilde, optik pompalama telafisinin Doppler rezonansları üzerindeki etkisi 
incelenmiştir. Sürekli ve periyodik olarak enerji seviyeleri arasında etkileşim 
sağlanmış ve böylece lazer kaynağının gücü arttırıldığında sadece kapalı geçişdeki 
6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2)   
resonans elde edilmiştir. Gerçekleştirilen bir diğer deney, 
güçlü pompa lazer demeti ve zayıf  prob lazer demetinin farklı polarizasyonlar altında 
atomik geçişler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Farklı polarizasyon koşullarında 
etkileşim özelliklerinin değiştiği gözlemlenmiştir. 
Atomik tabanlı sensörlerin hassasiyetlerini arttırabilmek için, yapılan deneylerden 
çıkarılan sonuç, dar çizgi genişliğine sahip rezonanslardan türetilen sinyallerle sensör 
hassasiyetleri arttırılabilir. Bundan dolayı, atomik rezonanslarının çizgi genişliği ve 
genliğini etkileyen parametrelerin (lazer ışınım demetlerinin şiddetleri ve 
polarizasyonları, atomik gazın yoğunluğu ve hücre sıcaklığı) araştırılması çok 
önemlidir.

Abstract:
Nowadays, quantum-based sensor research is an extremely interesting and popular 
field. High-resolution laser spectroscopy in atomic gas cells containing alkali metals 
forms the basis of various technologies such as high-precision atomic magnetometers, 
atomic gyroscopes and atomic clocks based on the principle of laser-atom interaction. 
It is also used to stabilize reference frequency of lasers. High-resolution spectroscopy, 
which plays an important role in atomic and molecular physics, pioneers the creation 
of new standards in modern metrology and enables detailed analysis of atomic and 
molecular structures. The second, which is the unit of time in the international 
measurement system, has a definition based on the extremely fine structure of the 
Cesium (Cs-133) atom. 
Within the scope of the thesis, high resolution spectroscopy of the cesium atomic gas 
cell produced in TÜBİTAK UME Atomic Sensors Laboratory was studied. There are 
several reasons why cesium alkali metal is used, but the most obvious is that it has a 
single valence electron in its outer shell. In this thesis study, the 6S1/2 - 6P3/2 atomic 
transitions of the D2 line corresponding to the 852 nm wavelength of Cs alkali metal 
and the absorption spectroscopy of Cs atoms were analyzed using a 10 mm diameter 
atomic gas cell specially produced in the laboratory. In this context, absorption 
spectroscopy and atomic resonances were examined at different laser powers, 
polarizations and atomic cell temperatures. Thus, in order to increase sensor 
sensitivities in spectroscopy-based applications, parameters such as linewidth and 
amplitude of absorption resonances in the D2 energy transition of Cs atomic gas were 
investigated with high-resolution spectroscopy techniques. 
In the thesis study, experimental laser spectroscopy study was carried out with an 
atomic gas cell containing cesium alkali metal using DBR laser. By passing the pump 
laser beam through the atomic cell, absorption spectral resonances expanded by the 
Doppler effect were observed and examined (Linear spectroscopy). Afterwards, the pump laser beam sent against the probe laser beam was sent and the fine transition 
lines of the cesium atom were examined beyond the Doppler broadening with the 
saturation absorption spectroscopy technique (non-linear spectroscopy). Therefore, 
using the Doppler independent saturation spectroscopy technique, fine transition lines 
of the cesium atom were obtained by the saturation absorption spectroscopy method, 
called non-linear spectroscopy, which exceeds the limits of the linear spectroscopy 
method. Nonlinear high-resolution spectroscopy is a highly effective tool for studying 
matter at the atomic and molecular levels. 
In the experimental setup established for imaging sub-doppler resonances, Vescent 
DBR-100 laser with a wavelength of 852 nm was used. The laser beam is made linearly 
polarized using a polarizer. The linearly polarized laser beam was split into two using 
a beam splitter. Thus, two laser sources at the same frequency and different powers 
were obtained by using a single laser. The strong light is called pump laser beam, the 
weak light is called probe laser beam. An adjustable ND filter was used to adjust the 
laser sources to the desired power. The Pompa laser is powerful enough to excite the 
atoms at the ground energy level and move them to a higher energy level, while the 
Prob laser is too weak to cause resonance saturation. Two beam sources overlap on the 
cesium cell. Probe beam coming out of the cell is detected by a photodetector. 
Absorption profiles were displayed on the oscilloscope with the signal received from 
the photodetector. Transition of the cesium D2 line have been observed. While the 
experiment was being carried out, the temperature of the cell was monitored instantly 
from the temperature reading sensor placed on the shapal where the cell was placed. 
When the frequency of the laser beam sent to the cell is equal to the transition 
frequencies of the atoms and when they interact with atoms in the same speed group, 
atomic transitions with a Lorentz profile appear at the resonance frequencies on the 
expanded Doppler profile corresponding to the Maxwell-Boltzman velocity 
distribution of the atoms. There are main influencing parameters that affect the 
linewidth of the sub-Doppler resonances obtained. These consist of natural line 
broadening, doppler broadening, collision effect and power broadening. Natural line 
broadening is proportional to the lifetime of the atom in its excited energy level. 
Doppler broadening affects the frequency of the radiation absorbed by the atoms 
within the cell due to their speed resulting from their thermal motion. As a result of 
this interaction, there is a shift in the frequency of the radiation, which leads to Doppler broadening. The angle between the pump and probe laser beams (φ) and beam 
parallelism generally contribute to the Doppler broadening of the sub-Doppler 
resonance (φxΔωD). The collision effect creates a pushing and pulling force expanding 
effect when atoms interact with each other. Power expansion is directly related to the 
light intensity of the laser. 
In 
the 
experiments carried out, 6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2,3,4) and 6S1/2(F=4)
6P3/2(F'=3,4,5) atomic transitions of the 852 nm D2 line of the Cesium atom were 
studied. Measurements were taken in two experimental setups. In the first 
experimental setup, the pump laser beam was kept constant at different powers, the 
probe laser beam was kept constant at low power, and its effect on atomic transitions 
was examined. Linewidth was calculated at different values of pump laser power. One 
of the measurements made is related to the temperature of the cell. By increasing the 
cell temperature within certain ranges, measurements were taken until the probe laser 
was completely absorbed by the atoms in the cell. Absorption graphs of the obtained 
atomic transitions are given. The absorption spectra of atomic transitions were 
examined by changing the polarization of the pump and probe lasers. In the second 
experimental setup, the atomic gas cell containing Cesium alkali metal was placed in 
mu-metal. Absorption spectra of atomic transitions at different polarizations of laser 
beams under a weakened magnetic field were examined. Pump and probe laser beams 
are of equal power and directed in opposite directions. The polarizations of these laser 
beams were set as Pompa (σ+) right-hand circular polarization and Prob (σ-) left-hand 
circular polarization. In another experiment, the atomic transitions of the strong pump 
laser beam and the weak probe laser beam under different polarizations were 
examined. It has been observed that under different polarization conditions, the 
resonance behavior or interaction properties of atoms change. 
It was observed that the prob laser power was kept constant for the determined 
6S1/2(F=3)-6P3/2(F'=2) and 6S1/2(F=4)- 6P3/2(F'=4.5) transitions of the cesium atom, 
and the linewidths increased with increasing pump laser power. Linewidths were 
calculated as explained in the content of the thesis. Increasing pump laser power 
caused an increase in linewidths as expected due to the power expansion effect. 
Another effect investigated is the increased cell temperature measurement. As the 
temperature was increased, the collision and interaction between atoms increased due 
to the increasing atomic density at high temperature values, so the sent prob laser was completely absorbed by the atoms at a certain temperature value. In the obtained graph, 
no atomic transition was observed at the highest temperature. Finally, the absorption 
spectra of atomic transitions were examined by changing the polarization of the pump 
and probe laser beams. The atomic density at the excited level varies depending on the 
polarization of the lasers and their laser intensity. Therefore, atomic transitions vary 
depending on the polarization of both the pump laser and the probe laser.  In second 
exeperiment set- up,  atomic gas cell containing cesium alkali metal was placed in mu
metal. Absorption spectra of atomic transitions at different polarizations of laser beams 
under a weakened magnetic field were examined. In this experiment, pump and probe 
laser beams were directed in opposite directions at equal powers. The polarizations of 
the laser beams, pump laser (σ+), probe laser (σ-), were set to circular polarization and 
sub-Doppler resonances were examined. With this arrangement, sub-Doppler 
resonances were examined. In this way, the effect of optical pumping compensation 
on Doppler resonances was observed. The interaction between energy levels was 
ensured continuously and periodically, and thus, only cyclic transitions were obtained 
when the power of the laser source was increased. In another measurement made, it 
was observed that the atomic transitions changed in different polarizations of the 
strong pump laser beam and the weak probe laser beam. 
In order to increase the sensitivity of atomic-based sensors, the conclusion drawn from 
the experiments is that sensor sensitivities can be increased with signals derived from 
resonances with narrow line widths. Therefore, it is very important to investigate the 
parameters that affect the line width and amplitude of atomic resonances (intensities 
and polarizations of laser radiation beams, density of atomic gas and cell temperature).