使用 25Mg + 荧光对真空窗双参考进行 原点测量

摘要

此处介绍的是一种测量真空窗的双反数的方法，方法是最大化多普勒在离子陷阱中冷却 ²⁵Mg + 离子^发出的 荧光计数。真空窗的双反光将改变激光的极化状态，通过改变外波板的分角可以补偿。

摘要

精确控制激光的极化状态在精密测量实验中具有十分重要的作用。在利用真空环境的实验中，真空窗的应力引起的双反射效应会影响真空系统中激光的偏振状态，很难对原位激光的极化状态进行测量和优化。本协议的目的是演示如何根据真空系统中离子的荧光优化激光的极化状态，以及如何根据穆勒矩阵的外部波板的分角计算真空窗的二极化。²⁵Mg = ions^的荧光由激光引起的，与 +3 2 P_3/2的过渡有共鸣，F = 4，m_F = 4 ² → |3²S_1/2，F=3，m_F = 3对激光的偏振状态敏感，使用纯圆形偏振光将观察到   最大荧光。半波板 （HWP） 和四分之一波板 （QWP） 的组合可以实现任意相位延缓，并用于补偿真空窗的二边形。在此实验中，根据^25Mg+离子的荧光和真空室外的一对HWP和QWP，⁺对激光的偏振状态进行了优化。通过调整HWP和QWP的分角以获得最大离子荧光，可以在真空室内获得纯圆极化光。通过外部 HWP 和 QWP 的分角信息，可以确定真空窗的二边线。

引言

在许多研究领域，如冷原子^实验1、电偶极子力^力力2的测量、等数-非保留3的试验^、真空双反射4的测量^、光学时钟^{5、量子光学实验6、液晶7}等，精确测量和精确控制激光的极化状态非常重要。

在涉及真空环境的实验中，真空窗的应力引起的双反效应会影响激光的极化状态。将极化分析仪放在真空室内直接测量激光的极化状态是不可行的。一种解决方案是直接使用原子或离子作为原位极化分析仪来分析真空窗的反射。Cs原子8的矢量光^移对点 射激光9的线性极化^{程度很敏感}。但该方法很费时，只能应用于线性偏振激光检测。

提出了一种新的，快速，精确的，原位方法，以确定激光在真空室内的极化状态的基础上，^{最大化单个25Mg+}荧光在离子陷阱。该方法基于离子荧光与激光极化状态的关系，而激光的偏振受真空窗的双向影响。该方法用于检测真空室10内真空窗的反射和激光的圆极^化程度。

该方法适用于荧光速率对激光极化状态敏感的任何原子或离子。此外，在演示用于准备纯圆形偏振光的同时，在了解真空窗的双极化的情况下，可以在真空室内准备激光的任意极化状态。因此，该方法对于广泛的实验非常有用。

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研究方案

1. 设置偏振器 A 和 B 的参考方向

1. 将偏振器 A 和偏振器 B 放入激光束（280 nm 第四谐波激光器）路径中。
2. 通过仔细调整偏振器支架，确保激光束垂直于偏振器表面，以保持反反射光与射点光重合。
   注:光学元件的所有以下对齐过程必须遵循相同的规则。偏振器 A 和 B 在激光路径中的放置并不重要。它们之间的间距应该足够大，便于将来进行方便的调整。
3. 将功率计放在偏振器 A 后面，旋转偏振器以最大限度地提高输出功率。将偏振器 A 的光轴的分轴角（参见结果和讨论）定义为 0°。沿光传播方向观察时，将顺时针方向定义为正方向，逆时针方向定义为负方向。
   1. 使用步进电机旋转级来保持偏振器 A，将功率计放在偏振器 A 后面以记录旋转角度和输出激光功率。使用正弦函数拟合角度曲线与功率曲线;偏振器 A 的最大输出功率位置为 0° azimuthal 角度位置。
4. 将功率计放在偏振器 B 后面，并旋转偏振器 B 以最大限度地提高输出功率。偏振器B的光轴的分轴角也是0°。
   1. 使用另一个步进电机旋转级来容纳偏振器 B，将功率计放在偏振器 B 后面以记录旋转角度和输出激光功率。使用正弦函数拟合角度曲线与功率曲线;偏振器B的最大输出功率位置为0°azimuthal角度位置（参见图1）。

2. 设置波板的分角参考方向

1. 将 HWP 放入偏振器 A 和偏振器 B 之间的光束路径中，然后旋转 HWP 以最大限度地提高输出功率。HWP 光轴的分位角为 0°。
   1. 使用步进电机旋转阶段来保持 HWP，将功率计放在偏振器 B 后面，以记录旋转角度和输出激光功率。使用正弦函数拟合角度曲线与功率曲线;HWP 的最大输出功率位置为 0° 分位角。
2. 将 QWP 放入 HWP 和偏振器 B 之间的光束路径中，旋转 QWP 以最大限度地提高输出功率。QWP 光轴的分位角为 0°。
   1. 使用步进电机旋转级来保持 QWP，将功率计放在偏振器 B 后面，以记录旋转角度和输出激光功率。使用正弦函数拟合角度曲线与功率曲线;QWP 的最大输出功率位置为 0° azimuthal 角度位置。
3. 从光束路径上拆下偏振器 B 和功率计。使用两面镜子将激光束引导到真空室，真空室容纳一个离子陷阱，以便与 ²⁵Mg⁺ 离子相互作用。
   注:激光传播方向应沿真空室内的磁场方向。磁场用于定义离子的量化轴。

3. 单 ²⁵Mg + 离子的多普^勒 冷却

1. 打开 532 nm 消融激光器，这是一个 Q 开关 Nd:YAG 激光器。其重复速率为1 kHz，脉冲能量为150μJ。消融激光照射真空室内的镁线目标表面，然后镁（Mg）原子从目标表面喷出。
   注:离子陷阱的电源应打开。
2. 同时，打开 285 nm 电离激光器进行电离 Mg 原子。电离激光器是第四个谐波激光器，输出功率为1 mW。电离激光将照亮离子陷阱的中心。
3. 通过查看电子成倍充电耦合器件 （EMCCD） 的图像，确保只有一个离子被困在离子陷阱中。图 2 显示了显示捕获离子 的示例图像。每个亮点都是一个离子。如果陷阱中有多个离子，请关闭离子陷阱的电源以释放离子。然后重复步骤 3.1-3.2，直到只有一个（即单个）离子被困。
   注:EMCCD 的自制成像系统由四个镜头组成，其放大倍数为 10 倍。离子间距约为 2-10 μm，EMCCD 的像素间距为 16 μm。因此，EMCCD 可用于识别单个离子的存在。
4. 通过调整赫尔姆霍尔茨线圈的电流，将磁场设置为 6.5 高斯。通过比较两个接地状态转换和 之间的不同频率来测量 磁场 。有关方法的详细信息，请参阅^11。

4. 将 280 nm 多普勒冷却激光频率锁定到波长计¹²

1. 扫描 280 nm 激光器的频率，用频率计数器计算由光子倍增管 （PMT） 收集的荧光光子数。同时，使用波长计记录激光的频率。查找荧光速率达到最大值的振振频率_+0。
   注:当激光频率接近离子振振频率时，荧光计数将增加，并在振振频率时达到最大值 。
2. 使用在随附的计算机上运行的数字伺服控制程序将激光频率锁定到波长计。当波长 计显示 读数时，单击程序图形界面上的"锁定"按钮 。

5. 将激光的强度设置为等于饱和强度¹²

1. 通过调整交流光调制器 （AOM） 的驱动功率来改变激光的功率，该调制器用于光束路径中的变化激光的频率和功率。记录功率和荧光计数。
2. 将功率曲线和荧光计数与方程（6）拟合，并获取饱和功率 。
3. 通过调整 AOM 的驱动功率，将激光功率设置为。

6. 测量真空窗的双反。

1. 或者，调整 HWP 和 QWP 的分色角度，以最大化荧光计数。以最大计数记录 HWP 和 QWP 的子穆塔尔角度，这些计数α β。
   1. 使用步进电机旋转级旋转 HWP 和 QWP，并记录旋转角度和相应的荧光计数。
2. 使用方程 （4） 和方程 （5） 计算真空窗口 + 和 的两次反射 。

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结果

图 3 显示了实验的光束路径。图 3 a 中的偏振器 B 在 角度初始化后被移除（图3b）。激光依次通过偏振器、HWP、QWP 和真空窗。激光的斯托克斯向量 是 ，这是被?...

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讨论

本手稿描述了一种对真空窗的双反射和真空室内激光的极化状态进行原位测量的方法。通过调整 HWP 和 QWP （α 和 β） 的分差角度，可以补偿真空窗 （δ 和 α） 的双反光效果，使真空室内的激光成为纯圆形偏振光。此时，真空窗口的双参照与HWP和QWP的二角之间存在明确的关系，从中可以推断出真空窗口的双参照。子角的测量误差影响双参照测量的精度。因此，在波板轴角步长的初始化中，步进电...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
280 nm Doppler cooling laser	Toptica	SYST DL-FHG Pro 280	Doppler cooling laser
285 nm ionization laser	Toptica	SYST DL-FHG Pro 285	ionization laser
Ablation laser	Changchun New Industries Optoelectronics Technology	EL-532-1.5W	Q-switched Nd:YAG laser
AOM	Gooch & Housego	AOMO 3200-1220	wavelengh down to 257 nm
EMCCD camera	Andor	iXon3 897	imaging of 25Mg+ in ion trap
Glan-Taylor polarizer	Union Optic	Custom	distinction ratio 1e-6
Half waveplate	Union Optic	Custom	made of quartz
Photon multiplier tube	Hamamatsu	H8259-09	fluorescent counting
Power meter	Thorlabs	PM100D	laser power monitor
Quarter waveplate	Union Optic	Custom	made of quartz
Mirror	Union Optic	Custom	dielectric coated for 280 nm
Stepper motor roation stage	Thorlabs	K10CR1/M	rotating wave plates
Vacuum chamber	Kimball Physics	MCF800-SphSq-G2E4C4	made of Titanium
Vacuum window	Union Optic	Custom	made of fused silica