-A +A

Zaman-Frekans ve Dalgaboyu Laboratuvarları

Yedi temel SI biriminden biri olan zaman birimi saniye (s) 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 aşağıdaki gibi özetlenebilir.

  • Zaman Ölçeğinin Oluşumu ve İzlenebilirliği

Zaman - Frekans Laboratuvarı mevcut 1 adet Hidrojen Mazer (H-Maser), 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 frekans tarağı (COMB) ile lazer mutlak frekans ölçümlerinde referans olarak kullanılmaktadır.

  • Zaman Dağıtımı

Gelişen teknoloji ile birlikte her alanda hizmet veren internet teknolojisi zaman dağıtımı için de çok uzun süredir kullanılmaktadır. Pek çok işlemin internet üzerinden gerçekleştirildiği bilgisayar ağlarında zaman senkronizayonu da oldukça önem taşımaktadır. Bilgisayar sistemleri arasında zaman transferi yapılarak ağ içerisinde bulunan tüm bilgisayarların zamanlarının eş zamanlı hale getirilmesi için oluşturulan protokol Ağ Zaman Protokolü (network time protokol : ntp)’dir ve tüm işletim sistemleri tarafında desteklenmektedir. Zaman – Frekans laboratuvarında bulunan Cs atomik saatinden elde edilen doğru zaman bilgisi ntp protokolü ile internet hattı kullanılarak ücretsiz bir şekilde dağıtılmaktadır. Doğru zaman bilgisine ihtiyacı olan kişi veya kurumlar bilgisayarlarını “time.ume.tubitak.gov.tr” adresinden ntp protokülü ile zaman alacak şekilde ayarlamaları durumunda ülkemizin Ulusal Zamanı olan UTC(UME) saatine erişebileceklerdir. Kişisel kullanıma açık bilgisayarların saatlerinin nasıl ayarlanması gerektiği ile ilgili doküman TÜBİTAK UME’nin internet sayfasından veya buradan erişmek mümkündür. Ücretsiz olarak verilen bu hizmete sadece yurt içinden değil yurt dışından da oldukça fazla talep gelmektedir. Sisteme gelen günlük taleplere ilişkin grafik aşağıda verilmiştir.

 

DALGABOYU LABORATUVARI

Dalgaboyu Laboratuvarı tarafından sağlanan hizmetler ve çalışma alanları aşağıda özetlenmektedir.

  • Frekansı Stabilize Lazer Geliştirme Çalışmaları

Laboratuvarda yapılan çalışmalar neticesinde 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 Çözünürlüklü Lazer Spektroskopisi

Laboratuvarda yapılan çalışmalar neticesinde frekansı taranabilir lazerlerin kullanımıyla Cs atomlarının D2 geçişinde selektif yansıma, dalga karışımı, rezonanslara lazer basıncı, Zeeman seviyesinde optik pompalama ve koherent optik tuzaklama etkileri araştırılmaktadır. 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 Optik Frekans Tarağı (COMB) ve Lazerlerin Mutlak Frekans Ölçümü

Yapılan çalışmalar neticesinde 530 nm - 1100 nm aralığında çalışan femtosaniye Ti:Sa optik frekans tarağı tekrarlama ve ofset frekansı Cs atomik saatinin 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 optik frekans tarağı geliştirilmiş ve bu sistemin tekrarlama ve ofset frekansı Cs atomik saatin 10 MHz sinyaline kilitlenmiştir. Yb-fiber optik frekans tarağı da He-Ne ve Nd-YAG/I2 lazerlerin mutlak frekansının ölçümünde kullanılmaktadır.

  • Atomik Frekans Standartları Üretimi

Atomik saatlerin son elli yıl içinde ulaştığı frekans kararlılık ve doğruluk değerleri; bu standartları SI birimleri ve evrensel fiziksel sabitlerin oluşturulması, haberleşme, navigasyon ve zaman oluşturma (timekeeping) sistemlerinin vazgeçilmez cihazları haline getirmiştir. Uydu sistemleri kullanılarak konum belirleme büyük bir ihtiyaç haline gelmiştir. Bu amaçla kullanılan konum belirleme uydularına yerleştirilen atomik saatlerin frekans kararlığı ve doğruluğu konum belirlemedeki belirsizliği etkileyen en önemli bileşendir. Konumlama sistemlerinde kullanılan atomik saatler incelendiğinde, Rb atomik saati düşük hacim ve düşük güç tüketimi yanında sağladıkları yüksek performans sebebi ile öne çıkmaktadır. Rb atomik saatin 1960’lı yıllardan bu yana ulaştığı yüksek frekans kararlılık değerleri (1s deki frekans kararlığı 10-11 ile 10-13 aralığında değişmektedir) bu saatin haberleşme, navigasyon, zaman oluşturma ve yüksek çözünürlüklü frekans ölçümü yapan sistemlerin vazgeçilmez referans frekans sağlayıcı cihazı haline getirmiştir. TÜBİTAK UME öz kaynakları ile finanse edilmiş  “Fotonik Temelli Rb Atomik Saatleri ve Rb Atomik Frekans Standardının Oluşturulması” projesinde Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri  (GNSS) için uzay kalifiye Rb Atomik Saat laboratuar prototipi saati tasarlamış ve tasarlanan saatin üretimini de gerçekleştirerek gerekli parametrelerinin ölçümünü de sağlamıştır. Saatin fiziksel boyutları, frekans kararlığı ve enerji tüketimi gibi parametreleri GNSS uydularının gereksinimlerini karşılayacak biçimde tasarlanmıştır.

  • Sr Optik Örgü Atomik Saat Sisteminin Geliştirilmesi

TÜBİTAK UME ülkemizin yerli ve milli konum belirleme sistemi için çok önemli bir değeri olan Stronsiyum tabanlı optik atomik saat projesini başlatmıştır.

Zaman ölçümlerindeki en son teknoloji konumundaki optik atomik saatler, mevcut atomik saatlerden en az yüz kat daha doğru zaman bilgisi üretme potansiyeline sahiptir. TÜBİTAK UME’nin geliştireceği Sr optik - örgü atomik saatinin, 1 milyar yılda 1 saniyeden daha az bir sapmayla ölçüm yapması hedeflenmektedir. Bu tür saatlerle donatılmış yer istasyonlarının zaman bilgisinin milli konumlama sistemleri için de kullanılması sayesinde milli konumlama sistemi çok daha hassas konum bilgisi elde etme olanağına kavuşacaktır.

2026 yılında CGPM (Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı) tarafından zaman birimi saniyenin tanımının mevcut atomik saatlerin doğruluğundan yüz kat daha iyi olan optik frekans standartlarına dayalı yeni bir tanımla değiştirilmesi beklenmektedir. TÜBİTAK UME tarafından geliştirilecek olan Stronsiyum tabanlı optik atomik saatinin ülkemizin zaman biriminin yeniden tanımlanmasında da kullanılması hedeflenmektedir.

Geliştirilecek optik atomik saatlerle birlikte ülkemizin ulusal zaman ölçeğinin mevcut doğruluğu yüz kattan fazla arttırılmış olacaktır. Optik saat kullanımının başta saniyenin ve temel fiziksel sabitlerin yeniden tanımlanması olmak üzere konumlama (navigasyon), hızlı haberleşme, elektronik imza, yeni nesil radar sistemleri, relativistik jeodezi, kuantum bilgisayar ve benzeri pek çok alanda yeniliğe öncü olacağı öngörülmektedir.

  • Yüksek Güçlü Lazer Karakterizasyonu

Yüksek Güçlü Lazer Sistemi Geliştirilmesi projesi kapsamına takip yapabilen, yönlendirilmiş 4 adet 5 kW güce sahip lazerlerin birleştirilmesiyle 20 kW toplam güce sahip lazer sistemi geliştirilmiştir. Proje ortakları; TÜBİTAK BİLGEM, ASELSAN, TÜBİTAK MAM, Bilkent Üniversitesi ve TÜBİTAK UME'dir.

Proje kapsamında UME'nin görevi yüksek güçlü lazer karekterizasyonudur. Lazer karakterizasyonu, metal ve tıp sektörlerinde önemli konulardan biridir ve ölçüm doğruluğu, sistemin güvenilir kullanımı açısından ve lazer tasarımı aşamasında büyük önem taşımaktadır. Bu kapsamda lazer M2 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.

  • Nanometre-Altı 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