[물리실험] 포화흡수분광

[물리실험] 포화흡수분광

 

 

1. 실험 준비물

 

; 레이저, 유리, 빔-스플리터, 디텍터, 오실로스코프, Rb셀, 조리개, 거울

 

 

2. 실험과정

 

① 레이저의 앞에 조리개를 설치하고 빛이 조리개의 중심을 지나도록 한다.

② 빛의 경로에 유리를 비스듬히 설치하여 표면에서 반사된 빛(조사광)이 2개가 되도록 한다.

③ 2개의 평행한 빛(조사광)을 검출할 수 있도록 디텍터를 설치한다.

④ 디텍터의 앞에 빔-스플리터를 설치하고, 유리를 통과한 빛(펌프광)이 거울에 반사되어 빔-스플리터를 향하도록 한다.

⑤ 조사광 1개와 펌프광이 빔-스플리터에서 겹치도록 거울을 조정한다.

⑥ 빔-스플리터에서 반사된 펌프광이 조사광과 일치하도록 빔-스플리터를 조정한다.

⑦ 스플리터와 유리의 사이에 Rb-셀을 위치시키고 일어난 변화를 관찰한다. 이 때에 Rb-셀의 표면에 지문이나 자국이 남지 않도록 주의한다.

⑧ 디텍터와 오실로스코프를 연결하고 오실로스코프에 나타나는 파형을 관찰한다

 

 

3. 실험 결과 & 고찰

 

 

왼편의 그림은 처음 실험실에 갔을 때 실험 기구가 놓여있었던 모습이다. (앞에 실험 했던 조가 친절하게 기구의 배치를 섞어놓았음.)

 

그래서 우리는 포화 흡수분광이 일어나는 원리를 생각하면서 다시 실험 기구의 순서를 맞춰보았다. 그런데 여기에 사용된 레이저는 파장이 가시광선 영역에 있는 것이 아니었으므로 빛의 진행을 우리 눈으로는 직접 확인 할 수가 없었다. 그래서 사진에 o로 표시한, 적외선 감지필름을 사용하여서 레이저를 확인 할 수 있었다. Rb-셀을 통과하는 레이저 모습을 보는 것을 비롯해 레이저가 지나가는 경로를 보는 경우에는 적외선 카메라를 이용하여 모니터를 통해서 편리하게 관찰할 수 있었다. 조리개를 통해서 빛의 양을 조절함으로서 두 빛이 일치함을 정확히 확인하는데 이용할 수 있었다. Rb-셀 안에서 두 빛이 일치하도록 만드는 것이 실험의 가장 큰 과제였는데, 두 직선을 일치하게 만든다는 것은 생각처럼 쉬운 일이 아니었다. 그리고 빛을 이용한 것이었으므로 원하는 경로를 만들기 위해서는 반사와 굴절등 기본적인 기하 광학적 지식을 많이 이용하여야했다.

 

아래의 두 사진은 적외선 카메라를 통해서 찍은 모습이 모니터를 통해서 나오는 모습이다. 왼쪽은 형광이 일어나기 전의 Rb-셀 안의 모습이고, 오른쪽은 형광이 일어났을 때의 Rb-셀 안의 모습이다.( 형광이 일어나는 부분은 빨간색 선으로 표시 하였다.)

 

 

위의 실험은 포화 흡수 분광 실험 첫 시간에 한 실험이다. 우리가 이론적으로만 다루었던 내용을 실험을 통해서, 특히 형광이라는 가시적인 현상을 통해서 관찰할 수 있었다. 위에서 언급했듯이 빛의 경로를 원하는 데로 만드는 것이 생각보다 까다로웠으며, 실험기구가 정밀한 기구이므로 조심히 다루어야했다.

 

다시 실험은 위의 세팅된 상황을 오실로스코프를 이용해서 수치적인 데이터와 그래프를 통해서 관찰하고 그 것을 통해서 레이저의 파장까지 측정하는 것이다. 우선 결론부터 언급하면 선형함수까지는 정확히 관찰 할 수 있었으나, 고유진동수와 그 양쪽에서 발생하는 뽀족한 점은 측정할 수가 없었다. 단순히 한번 해보고 안되서 포기한 것이 아니라, 이 실험 하나를 측정하기 위해서 7시간이 넘도록 노력했으나 결국 원하던 결과를 관찰하지 못해서 아쉬움으로 남는다.

 

우선 두 번째로 실험에 임했을 때는 우리가 전날 해 두었던 세팅이 그대로 유지되어 있었다. 그래서 유리판에 장착되어있는 미세 조정 나사(파란 동그라미 부분)를 이용해서 좀 더 정밀하게 조사광과 펌프광을 일치하도록 만들었다. 그렇게 한 다음, 오실로스코프를 통해서 출력을 관찰하자 앞 조들에 비해서 수월하게 선형그래프까지는 구할 수 있었다. 선형 함수라는 것은 아래에 그래프로 제시한 것과 같이 진동수에 따라서 검출되는 전류의 세기를 나타내는 함수를 말한다. 이제 이 Curve를 기준으로 해서 특별하게 튀어나온 부분을 측정하게 되면 실험은 완료 되는 것이다.

 

그러나 아쉽게도 이 부분은 성공시키지 못하였다. 세 번째 수업 외 에 실험을 더 하려고 갔을 때는 이미 우리가 만들어 놓았던 기구의 배치는 완전히 흩어져 있어서, 다시 세팅을 하고 결과가 올바르게 나오지 않아, 다시 풀어서 세팅하는 과정을 여러 차례 반복을 하였다. 그러나 아무리 해도 원하는 결과를 얻을 수 없었다. 마지막에는 대학원 선생님이 도와주셨지만, 결과는 실패였다.

 

최종적인 실험 결과는 얻지 못하였지만, 시행착오를 통해서 여러 차례 실험을 반복해봄으로서 더 많은 것을 느낀 것 같다. (요령도 생긴 듯...)

 

 

이상적인 실험 결과 모습

 

 

뾰족한 점 세 개가 뚜렷하게 관찰 된다.왼편의 것이 완벽하게 설정이 끝난 것(관찰하기 편리하게 설정한것)이고, 오른쪽의 그래프는 선형인 상태를 고려하지 않은 상태의 것 (더 사실적인 것)

 

실험이 성공한 조의 데이터

 

 

이론적인 결과와는 조금 다르다. 이론적으로는 펌프광이 셀 안으로 들어오지 않는다면, 두 조사광이 동등하게 Photo Diode에 들어오게 되므로 직선형의 그래프가 나와야 하나, 위의 그래프로 볼 때 조사광의 세기를 동등하게 해 주지 못했던 것 같다. 이는 두 조사광의 경로가 완전히 일치하는 것이 아니라서 오는 오차라고 여겨진다.

 

 

위의 그래프에 다가 이론적인 예상치가 보태어진 올바른 데이터이다. 위의 그래프와 비교해 볼 때, 포화흡수분광의 결과 선명하게 3곳의 피크점이 나타났다.

 

 

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