Lazer-atom etkileşimi ile elektromanyetik dalga ölçümleri

Abstract

Bu çalışmada klasik elektromanyetik dalga ölçüm yöntemlerine alternatif olabilecek ve klasik yöntemlere göre avantajlar sunan, lazer-atom etkileşimine dayanan atomik bir elektromanyetik alan sensörünün tasarımı ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Araştırmalarda ilk etapta, Sezyum atomunun uygun spektrum enerji geçişleri kullanılarak 9 GHz bölgesindeki elektromanyetik dalgaların sinüs ve darbe modunda hassas ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının ikinci aşamasında atomik sensörden elde edilen verilerin nasıl daha durağan ve düşük belirsizlikli yapılabileceği konusunda daha ileri çalışmalar gerçekleştirilmiş ve atomik sensörün taşınabilir ilk prototipi oluşturulmuştur. Tez çalışmasının üçüncü aşamaşında ise atomların Zeeman enerji geçişleri kullanılarak RF manyetik alanların ölçümleri gerçekleştirilmiş ve bunun anten ölçümlerinde kullanılabilirliği araştırılmıştır, böylece atomik sensöre geniş bandlı ölçüm yapabilme yeteneği kazandırılmıştır. Bu tez çalışmasında ilk defa atom-mikrodalga-lazer etkileşimi sonucunda gözlenen DROR işareti bir antenin uzak alan koşullarında araştırılmış, lazer ve mikrodalga ışıma parametrelerinin DROR' a etkileri ölçülmüş ve yorumlanmıştır. Ayrıca, DROR rezonansının zeeman ayrışmaları sağlanarak atom-lazer-mikrodalga-RF etkileşimi araştırılmış ve ilk defa bu metot ile RF manyetik alanların ölçülebileceği gösterilmiştir. Böylece bu tez kapsamında lazer-atom etkileşimine dayanan klasik ölçüm metotlarına oranla daha küçük boyutlu, dielektrik yapılı ve harmoniksiz ölçüm kabiliyetine sahip bir atomik elektromanyetik alan ölçüm sensörünün tasarımı ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.

In this study, the design and characterization of a new electromagnetic field sensor based on the interaction of laser and atoms were introduced. This new measurement system presents advantages over the classical methods. In the researches, firstly, the measurements of electromagnetic waves at around 9 GHz were performed in sinusoidal and pulse mode by using the related energy transitions of Cesium atoms. In the second stage of the research, more advanced researches were performed in order to achieve more stable and precise measurement results, and first mobile prototype of the atomic sensor was designed. In the third stage, the measurements of RF magnetic fields were researched by using this atomic sensor and using the Zeeman energy transitions, and the applicability of the sensor in antenna measurements was studied, hence the atomic sensor was given the capability of making broadband measurements. In this thesis, DROR resonances which result from atom-laser-microwave interaction were researched for the first time in the far field conditions of an antenna, and the influence of the laser and microwave radiation parameters on the DROR was studied and interpreted. Moreover, atom - laser - microwave - RF interaction was researched by splitting the DROR into Zeeman components, and measurements of RF magnetic fields by using this method were presented firstly in this thesis. As a consequence, the design and characterization of a new electromagnetic field sensor based on laser and atom interaction, which has small dimensions, dielectric structure and measurement capability without harmonics, were realized in this thesis.