냉각된 87Rb 원자 매질에서 전자기 유도 투과를 이용한 빛의 편광 변화 분석 = The Polarization Rotation of an Optical Field via Electromagnetically Induced Transparency in a Cold 87Rb Medium

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Λ형 전자기 유도 투과(Electromagnetically Induced Transparency) 현상을 이용하여 냉각된 87Rb 원자에서 조사광의 편광을 변화시키고 결합광의 편광과 세기에 따른 효과를 분석하였다.
높은 밀도의 냉각 원자 매질을 만들기 위해 2D-MOT 진공 셀 & 3D-MOT 진공 셀을 직경 1mm 구멍으로 분리시킨 후 2Γ (Γ : 5P3/2(F'=3) 상태의 자연선폭) 적색편이와 청색편이 된 두 종류의 이송광을 이용하여 4.3×1017 개/m3의 냉각원자를 만들었다. EIT 구도를 위해 결합광은 5S1/2(F=1) → 5P3/2(F’=2) 전이선에 주파수를 안정화하였고 조사광은 5S1/2(F=2) → 5P3/2(F’=2) 전이선을 사용하였다. 5ms동안 포획 자기장을 끄면서 조사광을 스캔한 결과 EIT 현상에 의해 공명진동수의 20MHz 범위에서 조사광의 편광 회전을 관측하였다.
결합광이 원편광인 경우에는 조사광의 편광 변화가 공명진동수를 중심으로 분산함수 형태로 나타났다. 결합광이 서로 반대 방향의 원편광일 때에는 같은 진동수 범위에서 조사광의 편광 회전 방향이 반대방향으로 나타났다. 결합광이 선편광인 경우에는 조사광의 편광 변화가 두 분산 신호의 차의 형태로 나타났다. 이러한 차이는 축퇴된 자기부준위 사이의 전이에 대해 조사광의 두 원편광 성분과 결합광의 Λ형 EIT 구도의 개수 차이, Clebsh-Gordan 계수의 비대칭성에 의해 생긴다고 해석된다.
결합광의 세기가 증가함에 따라 결합광이 σ+편광, p-편광일 때에는 최대 편광 회전각이 증가하는 경향이 있었지만 σ-편광, s-편광일 때에는 감소하는 경향이 있었다. 또한 결합광의 세기가 증가할 때 AC-Stark 효과에 의해 편광이 변하는 진동수의 범위가 넓어짐을 확인할 수 있었다.
가장 큰 편광의 회전 각도는 결합광이 σ+편광이고 세기가 279MHz일 때 160mrad(9.2°)이었다. 본 연구는 향후 냉각 원자 매질에서 전자기 유도 투과 현상을 이용하여 광스위칭(optical switching)으로 사용하기 위한 기초적인 자료가 될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 전자기 유도 투과 3
• 가. 원자 결맞음성에 의한 전자기 유도 투과 4
• 나. 조사광의 상쇄 간섭에 의한 전자기 유도 투과 6
• 다. 3준위 원자계 전자기 유도 투과에 대한 밀도 행렬 방정식 7
• 라. 전자기 유도 투과에 의한 흡수율과 굴절률 계산 9
• 2. 복굴절과 이색성 11
• 가. 광펌핑에 의한 복굴절과 이색성 11
• 나. 원편광 복굴절에 의한 편광회전 14
• 3. 원자의 전이확률 15
• 4. 광자기 포획 18
• 가. 삼차원 광자기 포획 18
• 나. 이차원 광자기 포획 21
• Ⅲ. 실험장치 23
• 1. 주파수 안정화된 반도체 레이저 23
• 2. 광자기 포획 24
• 가. 87Rb 원자의 광자기 포획을 위한 레이저 시스템 24
• 나. 2D2P 광자기 포획을 위한 레이저 정렬 29
• 다. 3D 광자기 포획을 위한 레이저 정렬 31
• 3. 냉각원자에서 전자기 유도 투과 실험 장치 34
• 가. 전자기 유도 투과 실험 장치 34
• 나. 제어부 37
• Ⅳ. 실험 결과 및 분석 38
• 1. 포획 자기장에 의한 패러데이 효과 38
• 2. 결합광의 편광과 세기에 따른 투과 신호 40
• 3. 결합광의 편광에 따른 조사광의 편광 변화 51
• 4. 결합광의 세기에 따른 조사광의 편광 변화 59
• 가. 조사광 편광 회전각의 크기 59
• 나. 조사광 편광 회전이 발생하는 진동수 범위 60
• Ⅴ. 결론 및 제언 62
• 참고문헌 64
• ABSTRACT 67