Zaman-Frekans ve Dalgaboyu Laboratuvarları

-A +A

Yedi temel SI biriminden olan zaman birimi saniye günümüzde 10-14 - 10-15 hassasiyetle, en doğru ölçülebilen birimdir. Bu nedenle, diğer birimlerin ölçüm doğruluklarını arttırmak için zaman ve frekans ölçümlerinden yararlanılmaktadır. Diğer taraftan, gelişen teknolojiyle birlikte doğru zaman ve frekans bilgisine olan ihtiyacı karşılamak, havacılık, uzay ve savunma sistemlerinde özel önem taşıyan zaman koruma sistemlerini iyileştirmek için gelişmiş ülkeler, zaman ve frekans standartları sistemlerini kurarak yapılan bu çalışmaları desteklemektedir. Geliştirilen lazer standartları ile hem daha hassas optik saatler yapılmakta hem de lazer interferometrik yöntemlerle nanometre ve pikometre belirsizlikle uzunluk ve yer değişim ölçümleri yapılmaktadır. Bu kapsamda faaliyet gösteren TÜBİTAK UME Zaman - Frekans ve Dalgaboyu Laboratuvarları; Zaman - Frekans ve Dalgaboyu Laboratuvarı olmak üzere iki alt laboratuvardan oluşmaktadır. Laboratuvarlar tarafından sağlanan hizmetler ve çalışma alanları aşağıda özetlenmektedir;

ZAMAN - FREKANS LABORATUVARI

Zaman Frekans Laboratuvarı tarafından sağlanan hizmetler ve çalışma alanları aşağıda özetlenmektedir. 2 adet temel başlıkta sunulmuştur.

  • Zaman Ölçeğinin Oluşumu ve İzlenebilirliği

Zaman - Frekans Laboratuvarı mevcut 5 adet Cs atomik saati ve 2 adet GPS uydu alıcısıyla 1994 yılından itibaren Uluslararası Atomik Zaman (TAI) Kulübü üyesi olup Koordine Evrensel Zaman (UTC) ölçeğinin oluşturulmasına katkıda bulunmakta ve uluslararası izlenebilirliğini sağlamaktadır. Zaman ölçeği 2x10-14 doğrulukla üretilmekte olup, atomik saatin 10 MHz sinyali hem kalibrasyon hizmetlerinde hem de femtosaniye COMB ile lazer mutlak frekans ölçümlerinde referans olarak kullanılmaktadır.

  • Zaman Dağıtımı

Cs atomik saatinden elde edilen doğru zaman bilgisinin internet hattı kullanılarak UME dışı kurum ve kuruluşlara dağıtılması amacıyla taşınabilir zaman dağıtım sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem ile iç ağlara 5 ms’den az, internete ise 50 ms’den az belirsizlikle zaman bilgisi dağıtılmaktadır.

DALGABOYU LABORATUVARI

Dalgaboyu Laboratuvarı tarafından sağlanan hizmetler ve çalışma alanları aşağıda özetlenmektedir. 8 adet temel başlıkta sunulmuştur;

  • Frekansı Stabilize Lazerler

Dalgaboyu Laboratuvarı’nda farklı dalgaboylarında lazerler geliştirilmiş ve frekansları Rb ve Cs atomlarının, I2 ve CH4 moleküllerinin enerji geçişlerine 1x10-11 - 1x10-14 kararlılıkla kilitlenmiştir. He-Ne/I2 ve He-Ne/CH4 gaz lazerleri, Nd-YAG/I2 katı-hal lazeri ve ECDL/Rb, Cs yarı-iletken lazerlerinin frekansını etkileyen parametreler araştırılmış ve analiz edilmiştir.

İyot moleküllerinin f çizgisine kilitlenmiş He-Ne/I2 lazerinin (633 nm) mutlak frekansı hem BIPM (473 612 353 602.0 ± 1.1) kHz hem de UME (473 612 353 600.6 ± 1.1) kHz Ti:Sa COMB sistemi ile ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır. He-Ne/CH4 lazerinin (3390 nm) mutlak (88 376 181 000 253 ± 23) Hz frekansı PTB frekans zincirinde ölçülmüştür.

Geliştirilen ECDL lazerleri Cs (852 nm) ve Rb (780 nm) atomlarının D2 geçişlerine ve Rb atomlarının 2 foton S-D geçişine (778 nm) kilitlenmiştir.

  • Yüksek Çözünürlü Lazer Spektroskopisi

Frekansı taranabilir lazerlerin kullanımıyla Cs atomlarının D2 geçişinde selektif yansıma, dalga karışımı, rezonanslara lazer basıncı, Zeeman seviyesinde optik pompalama ve koherent optik tuzaklama etkileri araştırılmıştır. Serbest uzay şartlarında mikrodalga-atom-lazer etkileşimi incelenmiş ve radio-optik koherent rezonansları gözlenmiştir. Rb atomlarının S-D 2 foton enerji geçişinde polarizasyon ve faraday etkenlerine dayanan doğrusal olmayan rezonanslar analiz edilmiştir. I2 ve CH4 moleküllerinde ışınım şiddetinin ve gaz basıncının soğurum rezonanslarına etkileri ölçülmüştür.

  • Femtosaniye Lazer COMB’u ve Lazerlerin Mutlak Frekans Ölçümü

530 nm - 1100 nm aralığında çalışan femtosaniye Ti:Sa COMB tekrarlama ve ofset frekansı Cs atomik saatin 10 MHz referans sinyaline kilitlenmiş ve bu dalgaboyu aralığında çalışan He-Ne/I2, Nd-YAG/I2 ve ECDL/Rb, Cs lazerlerinin mutlak frekansları ölçülmüştür. Laboratuvarda Yb fiber lazeri temelli 600 nm - 1600 nm dalgaboyu aralığında çalışan ve 33 fs darbeler üretebilen lazer COMB geliştirilmiş ve bu sistemin tekrarlama ve ofset frekansı Cs atomik saatin 10 MHz sinyaline kilitlenmiştir.

  • Atomik Frekans Standartları Üretimi

Endüstriyel alanlarda geniş bir yelpazede atomik frekans standartları tarafından temin edilebilir daha istikrarlı ve güvenilir bir frekans veya zamanlama sinyallerini gereksinim duyulmaktadır. Günümüzde optik saatlerin mevcut en doğru ve kararlı saatler olduğu bilinmektedir. Günümüzde optik saatler Laboratuvar ortamında çalışabilen saatlerdir. Günümüzde optik saatler boyut, enerji tüketimi ve maliyet açısından ticari olabilecek seviyelerde değildir.  IND55 Mclocks projesinde 3 adet farklı fiziksel prensip ile çalışan, ticari gereksinimleri sağlayan optik saat prototipi gerçekleştirilecektir. Geliştirilecek optik saat prototiplerinin farklı çevre koşullarında çalışılabilirliğinin tayin edilmesi maksadıyla bir takım testlere gereksinim duyulmaktadır. Bu testleler sıcaklık-nem, elektromanyetik uyumluluk ve girişim testleridir. Proje kapsamında oluşturulacak optik saatlerin testleri TÜBİTAK - UME tarafından gerçekleştirilecektir. Optik saatlerin sıcaklık - nem testleri iklimlendirme kabininde gerçekleştirilecektir. EMC ve EMI testleri yarı yansımasız ve ekranlanmış odalarda yapılacaktır. Ayrıca TÜBİTAK – UME  bilimsel araştırma amaçlı iş paketlerinde görev üstlenmiştir.

  • Yüksek Güçlü Lazer Karakterizasyonu

Yüksek Güçlü Lazer Sistemi Geliştirilmesi projesinde hedef takibi yapabilen, yönlendirilmiş 20 kW ve üstü lazer sistemi geliştirilecektir. Proje ortakları; TÜBİTAK BİLGEM, ASELSAN, TÜBİTAK MAM, Bilkent Üniversitesi ve TÜBİTAK UME'dir.

Proje kapsamında UME'nin görevi Yüksek güçlü Lazer karekterizasyonudur. Bu kapsamda lazer M^2 faktörü ölçümü ve güç ölçümü sistemleri uluslararası standartlara uygun olarak kurulacak ve diğer proje ortaklarına yerinde ölçüm  hizmeti ve karekterizasyon konusunda standart ölçüm düzeneği kurulması  konusunda destek verilecektir.

Lazer karekterizasyonu tüm metal sektöründe ve tıp sektöründe önemli  konulardan biridir ve ölçüm doğruluğu, sistemin güvenilir kullanımı açısından ve lazer tasarımı aşamasında büyük önem taşımaktadır.

  • Lazer İnterferometre ile Mastar Blok Uzunluk Ölçümleri

 “1 metre, 1/299 792 458 saniyelik bir zaman aralığında, ışığın boşlukta(vakumda) kat ettiği mesafenin uzunluğudur” (1983).

 ‘Metre’, ışığın hızına bağlı olarak tanımlanabilmekte ve günümüzde bu tanım kullanılmaktadır. Burada ışığın hızı evrensel bir sabit olarak kabul edilmekte, mesafe ve uzunluk ölçümleri yine ışığın bilinen ve kabul gören dalgaboyları cinsinden gerçekleştirilmektedir.

Metre tanımına paralel olarak, interferometre sistemlerinin kullanımı ile uzunluk birimi metrenin frekans standardı (dalgaboyu standardı) olarak kullanılan kararlı lazerlerden transfer standardı olan mastar bloklara aktarılması sağlanmaktadır. Bunun için iki çeşit interferometre sistemi kullanılmaktadır;

                  a) Köster Uzun Mastar Blok İnterferometresi

Köster İnterferometresi, uzun mastar blokların uzunluklarını 10-9 metre hassasiyetinde ölçebilen bir sistemdir. Bu interferometrede, farklı dalga boylu kararlı lazer ışınları, fiber kablolarla mastar bloğu içeren interferometreye gönderilmektedir. İnterferometre çıkışında oluşan girişim desenleri CCD kamera üzerinden bilgisayar kontrollü olarak analiz edilmekte ve mastar bloğun uzunluk değerine ulaşılmaktadır. Laboratuvarımızda Köster İnterferometresi ile 125-1000 mm aralığındaki mastar blokların uzunlukları ölçülmektedir. 1 m uzunluğundaki mastar bloklar 200 nm belirsizlikle ölçülmektedir.

Mastar Blok İnterferometreleri’nde kullanılan Lazerler, Frekansı Kararlı hale getirilmiş lazerlerdir. Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Lazerlerini ve Frekansın kararlı duruma getirilmesi için gerekli mekanik ve elektronik sistemlerini tasarlamış ve üretmiştir. Bu kapsamda üretilen ve sürekli yapılan iyileştirmelerle zaman içinde ticari formata getirilen Kararlı Lazerler şunlardır; 1) İyot enerji geçişlerine kilitleme sistemi ile He-Ne Lazeri (He-Ne/I2), 2) İyot enerji geçişlerine kilitleme sistemi ile Nd:YAG Lazerleri (Nd:YAG/I2) (Nd:YAG lazerinin kararlılık sistemi UME’de yapılmıştır) 3) Cs ya da Rb atomlarının enerji geçişlerine kilitleme sistemi ile Dış Kaviteli Diyot Lazerler (ECDL/Cs ya da ECDL/Rb).

UME, Uzun Mastar Blokların uzunluklarını birincil seviyede ölçen Köster Uzun Mastar Blok İnterferometresini kendi bünyesinde tasarlamış ve üretmiştir. Böylece, bu konudaki araştırma ve geliştirmeye katkıda bulunarak, gerekli altyapı ve bilgi birikimine sahip olmayı hedeflemiştir. Ayrıca ülke genelinde farklı sektörlerden gelebilecek interferometrik uzun mastar blok kalibrasyon taleplerini, UME Köster Uzun Mastar Blok İnterferometresi ile karşılayarak bu alandaki eksikliği gidermeyi amaçlamıştır.

                b) Kısa Mastar Blok İnterferometresi

Bu proje ile amaç, birincil seviye bir ölçüm sistemi olan “Kısa Mastar Blok İnterferometresinin” tasarım ve kurulumunu gerçekleştirmektir. İnterferometrik ölçüm yönteminde, kısa mastar blokları (0,3-300 mm), 10-9 mertebesinde bir hassasiyette (nanometre) ölçülebilmektedir.

UME Dalgaboyu Laboratuvarı çalışanlarının daha önceki deneyim, bilgi ve tecrübelerinin aktarılabileceği bir “Kısa Mastar Blok İnterferometresi” kendi bünyemizde üretilmiş ve ticari bir sistem şekline getirilmiştir.

  • Mekanik Yöntem ile Mastar Blok Uzunluk Ölçümü

Bu proje ile amaç, ikincil seviye bir ölçüm sistemi olan “Uzun Mastar Blok Komparatörünün” tasarım ve kurulumunu gerçekleştirmektir;

                  a) Uzun Mastar Blok Komparatörü

Referans bir blokla karşılaştırma prensibinin uygulandığı bu sistemde, 125-1000 mm aralığındaki dikdörtgen ve kare kesitli mastar blokların uzunlukları ölçülebilmektedir.

Komparatörün üretiminin UME’de tamamlanması ile ticari bir ürün haline getirilip, hem ülke sınırları içindeki bazı kuruluşlar ve İkincil Seviye Laboratuvarlara hem de metroloji alt yapısının gelişmekte olduğu bazı ülkelerde UME komparatörünün kullanılması söz konusu olabilmektedir.

  • Sub-nanometre Yerdeğiştirme Ölçümleri

TÜBİTAK UME, Avrupa’daki diğer beş Ulusal Metroloji Enstitüsü (NMI) ile birlikte; İtalya Ulusal Metroloji Enstitüsü (INRIM) koordinatörlüğünde Avrupa Metroloji Araştırma Programı (EMRP) destekli NANOTRACE Projesi’nde yer almıştır. Projenin amacı 10 pm hedef belirsizlikli gelecek nesil interferometrelerin geliştirilmesi olup laboratuvar tarafından bu proje kapsamında sıcaklık ve vakum kontrollü Fabry-Perot interferometreleri tasarlanmış ve kurulmuştur. Ayrıca Diferansiyel Fabry-Perot interferometreleri de kurularak, izlenebilir referans yer değiştirmeleri üreten x-ışınları interferometresi ile karşılaştırılmıştır. Kurulan Diferansiyel Fabry-Perot interferometre sistemi; frekansı stabilize taranabilir Dış Kaviteli Diyot Lazerleri (ECDL) ve fark frekans ölçüm tekniğini kullanmaktadır. Kurulan sistem ile x-ışınları interferometresinin yarım ve tam saçak yer değiştirmeleri 5 pm’in altında bir doğruluk değeri ile ölçülmüştür.

Fotoğraflar