그림 1. 효율적 광이온화를 위한 이중광펌핑 구도.
속도군선택광펌핑 분광을 이용한 이터븀 원자
3P
1↔
3D
1전이선에서의 동위원소 주파수 이동 및 초미세 구조의 측정
Measurement of isotopic shifts and hyperfine splittings for Yb
in
3P
1↔
3D
1transition by using velocity selective optical
pumping spectroscopy.
이림, 박현민, 고광훈, 정도영 한국원자력연구원 양자광학연구부 [email protected] 소형 다이오드 레이저는 넓은 영역에 걸친 파장 가변성을 가지며 그 선폭이 매우 좁기 때문에 원자 및 분자 분광학 연구에 있어 주요한 광원이 되며 광과 관련된 산업 분야로의 응용 가능성 또한 매우 크 다. 본 연구그룹에서는 보다 효과적인 이터븀 동위원소의 분리방법 으로서(1), 그림 1. 과같이 바닥준위의 원자를 연속적인 두 번의 광 펌핑을 통하여 준안정 상태로 광펌핑함으로써 선택적 광이온화의 효율을 극대화하는 새로운 구도를 고안하였다. 본 연구에서는 그림 2. 와 같은 장치를 구성하여 1S0 ↔ 3P1 전 이선에서 포화흡수분광(SAS)선을 이용한 주파수 안정화와 3P1 ↔ 3 D1 전이선에서 1539 nm 파장을 갖는 레이저를 주파수 변조된 556 nm 레이저와 반대방향으로 진행시킴으로써 속도군선택광펌핑 분광(VSOP) 신호를 얻고 이를 이용하여 주파수를 안정화하였다. 이 때 각 에너지 준위에서의 동위원소 주파수 이동 값 및 초미세 준위에 관한 정확한 정보가 요구되는데, 1S0 ↔ 3P1 전이선에서의 동위원소 이동 및 초미세 구조에 관하여서는 기존에 알려진 정보가 충분하지만(2, 3), 3P1 ↔ 3D1 전이선 에서의 정보는 거의 알려진 바가 없다.이터븀은 168Yb, 170Yb, 171Yb, 172Yb, 173Yb, 174Yb and 176Yb 의 7개의 안정동위원소를 가지고 있으며, 자연 존재비는 각각 0.13, 3.05, 14.3 21.9 16.1 31.8 12.7 % 이다. 또한 171Yb, 173Yb의 홀수 동위원소는 각 각 4개, 7개의 복잡한 초미세 준위를 가지기 때문에 간단한 분광학적 방법으로는 충분한 정보를 얻을 수 없다. 그림 3. 의 위쪽 스펙트럼은 음극등(Optogalvanic cell)을 이용한 포화흡수분광신호인데 대부분 의 흡수선이 교차 되거나 중첩되어 분해가 불가능 하다. 그림 3. 의 아래쪽 VSOP 신호는 1S0 ↔ 3P1 전이선에서의 포화흡수분광신호를 이용하여 555.648 nm 광원의 주파수를 각각의 동위원소별로 안정화한 후 1539 nm 광원의 주파수를 스캔하면서 얻은 VSOP 신호들을 중첩하여 나타낸 것이다. 각각의 스펙트럼을 통하여 각 동위원소의 초미세 준위를 확인할 수 42
ECLD
ECLD PumpPump
PPLN for SHG λ/2 Filter 1 M G G M M DFB DFB Pump Pump M G M Filter 2 SAS Signal SAS Signal VSOP Signal VSOP Signal
Heat Pipe Oven Heat Pipe Oven
M λ/2 G FP & WM FP & WM λ= 1111 nm λ= 1539 nm λ= 556 nm Ion Chamber ECLD
ECLD PumpPump
PPLN for SHG λ/2 Filter 1 M G G M M DFB DFB Pump Pump M G M Filter 2 SAS Signal SAS Signal VSOP Signal VSOP Signal
Heat Pipe Oven Heat Pipe Oven
M λ/2 G FP & WM FP & WM λ= 1111 nm λ= 1539 nm λ= 556 nm Ion Chamber 그림 2. 1S0 ↔ 3P1 전이선의 SAS신호와 3P1 ↔ 3D1 전이선의 VSOP 신호를 관측하기 위한 실험장치. 있었으며, VSOP 분광의 특성으로 인하여 나 타나는 속도군의 도플러 효과를 고려함으로써 각각의 동위원소 주파수 이동 값을 알 수 있 었다. 이러한 결과의 일부를 그림 3. 에 표기 하였다. 또한 음극등을 이용한 SAS 분광결과 와 비교 분석함으로써 이를 확인 할 수 있었 다. 이러한 결과는 잘 알려져 있지 않은 이터 븀 원자의 3P1 ↔ 3D1 전이선에서의 다양한 정보를 제공함은 물론 후속 연구의 계획 및 효율적 동위원소 분리 등에 활용될 것이다. -4 -2 0 2 4 6 173 Yb(5/2→3/2) 173 Yb(5/2→7/2) 171 Yb(3/2→3/2) 173 Yb(7/2→3/2) 171 Yb(1/2→3/2) 171Yb (3/2→1/2) 170 Yb VSOP Signals 172Yb 174Yb 176 Yb D oppl er -f re e Si gn al s (a .u. ) Isotopes Shift (GHz) SAS Signal 그림 3. 이터븀 원자 3P1 ↔ 3D1 전이선에서의 동위원소주파수이동 및 초미세구조. 참고문헌
1. H. M. Park, B. S. Kim, K. H. Ko, Y. H. Cha, J. M. Han, G. Lim, T. S. Kim, D. Y. Jeong and C. J. Kim, LAP2008 International Conference on Laser Probing, (2008).
2. D. L. Clark, M. E. Cage, D. A. Lewis, and G. W. Greenlees, "Optical isotopic shifts and hyperfine splittings for Yb", Phys. Rev. A 20, 239 (1979).
4. M Sankari and M V Suryanarayana, "Studies on the isotope selective photoionization of the low-abundant 168Yb isotope", J. Phys. B 31, 261 (1998).
