Applications of selected hot alkali vapors

Abstract

U ovom doktorskom radu obrađena je primjena odabranih vrućih alkalijskih para. Rad je sastavljen od tri cjeline, od kojih svaka predstavlja određenu primjenu alkalijskih para. U prvoj cjelini se proučavaju svojstva i mogućnosti primjene cezijevog visokotlačnog izvora svjetlosti, te moguća poboljšanja. Također, uspoređuje se sa svojstvima natrijevog izvora svjetlosti. Potvrđeno je da je cezijev izvor svjetlosti u spektralnom smislu idealan izvor svjetla budući ima spektar vrlo sličan Sunčevom. Ipak, njegova slabija efikasnost (zbog velikog udjela infracrvenog dijela spektra) je rezultirala time da još nije našao svoju široku primjenu. Pokazano je da je udio infracrvenog dijela spektra znatno veći u cezijevom izvoru svjetlosti nego u natrijevoj izvoru, te da se taj udio smanjuje sa smanjivanjem napona napajanja. Rezultati mjerenja na cezijevom visokotlačnom izvoru svjetlosti, prezentirani u ovom doktorskom radu, iskoristit će se u budućnosti kako pri kreiranju novih izvora svjetlosti, tako i u nekim novim primjenama poput generiranje električne energije putem konverzije sunčeve svjetlosti. Druga cjelina je uključivala izradu eksperimentalnog postava za realizaciju brzinskog češlja na kaliju, te teorijsku simulaciju tih rezultata. Nakon što su već realizirane interakcije femtosekundnih pulseva s atomima rubidija i cezija, u sklopu ove disertacije realizirane su i s atomima kalija koristeći tehniku modificirane direktne spektroskopije frekventnim češljem. Potvrđena je pretpostavka da se pobuđena stanja ne uspijevaju relaksirati između dva nadolazeća pulsa femtosekundnog lasera (period repeticije 12,5 ns). Posljedica toga su promjene u strukturi Dopplerova profila kalijevih rezonantnih spektralnih linija. Teorijski model je pokazao vrlo dobro slaganje s eksperimentalnim rezultatima, što je od velike važnosti za ovu metodu u mogućim daljnjim primjenama. Isti eksperiment je proveden i u homogenom magnetskom polju. Dobiveni rezultati ukazuju na veliku mogućnost primjene kalija u magnetometriji. Zadnja cjelina doktorskog rada je uključivala mjerenje apsorpcijskih spektara alkalijskih mješavina rubidija i cezija, odnosno kalija i rubidija na različitim temperaturama. Na visokim temperaturama (preko 450°C) uočene spektralne pojave (na 418,3 nm i oko 527 nm) pripisane su postojanju RbCs molekularnih satelita u slučaju Rb-Cs mješavine. U slučaju K-Rb mješavine atomskih para pronađeno je nekoliko mogućih molekularnih satelita koji čekaju dodatne teorijske potvrde. Pojava ovih molekularnih satelita se u konačnici povezuje s fotoasocijacijom cezijevih i rubidijevih, odnosno kalijevih i rubidijevih atoma. Potvrda njihova postojanja je vrlo značajna zbog primjene u fizici ultrahladnih molekula. Kao zaključak svega navedenog, u budućnosti je moguće očekivati primjenu alkalijskih para, kako u domeni razvoja novih izvora svjetlosti, interakciji femtosekundnog laserskog frekventnog češlja s atomima kalija u magnetskom polju, tako i u domeni heteronuklearnih molekula s novim satelitskim vrpcama.The subject of this doctoral thesis is the application of hot alkali vapors. The thesis is composed of three parts each of which represents a certain application of alkali vapors. In the first part, properties, possible applications and improvements of cesium high pressure light source were studied. Furthermore, the comparison with properties of sodium high pressure light source was made. It was confirmed that cesium light source is, in a spectral aspect, ideal source of light giving that it has a spectrum very similar to the sun spectrum. However its poor efficiency, due to large infrared part of spectrum, has resulted in lack of its wide spread application. Additionally, within the scopes of this research, it was shown that the proportion of infrared part of the spectrum is considerably higher in cesium than in sodium high pressure light source, and that this proportion lowers with lowering voltage. Results of the measurements on the cesium high pressure light source presented in this dissertation could be used in creation of new light sources as well as in certain novel applications, such as generating electrical energy through the conversion of the sun light. The second part of the dissertation included realization of the experimental setup for velocity comb on potassium and theoretical simulation of this result. After previous realization of the femtosecond pulses interaction with the rubidium and cesium atoms, the same was achieved with potassium using the technique of modified direct frequency comb spectroscopy. The assumption that the excited states cannot be relaxed between two subsequent pulses of the femtosecond laser (period of repetition was 12,5 ns) was confirmed. Consequence of this is a change in the structure of the Doppler profile of potassium resonant spectral lines. The theoretical model has shown very good agreement with the experimental results which is of great importance for this method and further possible applications. The same experiment was performed in the homogenous magnetic field. These results could be used for application of potassium in magnetometry. The last part of the doctoral thesis is based on the measurement of absorption spectrum of alkali mixture of rubidium and cesium, or potassium and rubidium at different temperatures. At higher temperatures (higher than 450°C) new spectral phenomena was observed (at 418,3 nm and about 527 nm). They were attributed to molecular satellite of RbCs molecule in the Rb-Cs vapor mixture. In the case of K-Rb mixture several new possible satellites were found which needs theoretical confirmation. Appearance of these new satellites is related to photoassociation of cesium and rubidium, or potassium and rubidium atoms. Confirmation of their existence is very important for applications in physics of ultracold molecules. As an overall conclusion, it is possible to expect the application of alkali vapors in several areas; in the field of development of new light sources, interacting femtosecond laser frequency comb with potassium atoms in a magnetic field, as well as in the domain of heteronuclear molecules with new satellite bands