In Situ Messung der Vakuumfenster-Birefabenz mit 25Mg+ Fluoreszenz

Zusammenfassung

Hier wird eine Methode vorgestellt, um die Birefreringenz von Vakuumfenstern zu messen, indem die fluoreszenzanzahl von Doppler gekühlt ²⁵Mg⁺ Ionen in einer Ionenfalle maximiert werden. Die Birefrefabierung von Vakuumfenstern verändert die Polarisationszustände des Lasers, die durch Änderung der azimutalen Winkel externer Wellenplatten kompensiert werden können.

Zusammenfassung

Die genaue Steuerung der Polarisationszustände von Laserlicht ist bei Präzisionsmessexperimenten wichtig. In Experimenten mit der Verwendung einer Vakuumumgebung wirkt sich der spannungsinduzierte Birefreringsenzeffekt der Vakuumfenster auf die Polarisationszustände des Laserlichts im Vakuumsystem aus, und es ist sehr schwierig, die Polarisationszustände des Laserlichts in situ zu messen und zu optimieren. Ziel dieses Protokolls ist es, zu demonstrieren, wie die Polarisationszustände des Laserlichts auf der Grundlage der Fluoreszenz von Ionen im Vakuumsystem optimiert werden können und wie die Birefreringität von Vakuumfenstern auf der Grundlage von azimutalen Winkeln externer Wellenplatten mit Mueller-Matrix berechnet wird. Die Fluoreszenz von ²⁵Mg⁺ Ionen, die durch Laserlicht induziert wird, das mit dem Übergang von |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2,F = 3, m_F = 3ist empfindlich gegenüber dem   Polarisationszustand des Laserlichts, und die maximale Fluoreszenz wird mit reinem kreisförmigem polarisiertem Licht beobachtet. Eine Kombination aus Halbwellenplatte (HWP) und Viertelwellenplatte (QWP) kann eine beliebige Phasenverzögerung erreichen und dient zum Ausgleich der Birefabringigkeit des Vakuumfensters. In diesem Experiment wird der Polarisationszustand des Laserlichts basierend auf der Fluoreszenz von ²⁵Mg⁺ Ionen mit einem Paar HWP und QWP außerhalb der Vakuumkammer optimiert. Durch die Einstellung der azimutalen Winkel der HWP und QWP, um eine maximale Ionenfluoreszenz zu erhalten, kann man ein reines kreisförmiges Licht in der Vakuumkammer erhalten. Mit den Informationen über die azimutalen Winkel der externen HWP und QWP kann die Birefreringenz des Vakuumfensters bestimmt werden.

Einleitung

In vielen Forschungsbereichen wie Kaltatomexperimente¹, Messung des elektrischen Dipolmoments², Test der Parität-Nichtkonservierung³, Messung der Vakuum-Birefreringnz⁴, optische Uhren⁵, Quantenoptik-Experimente⁶und Flüssigkristall-Studie⁷ist es wichtig, die Polarisationszustände des Laserlichts genau zu messen und genau zu steuern.

In Experimenten mit der Verwendung einer Vakuumumgebung wirkt sich der spannungsinduzierte Birefreringsenzeffekt von Vakuumfenstern auf die Polarisationszustände von Laserlicht aus. Es ist nicht möglich, einen Polarisationsanalysator in die Vakuumkammer zu setzen, um die Polarisationszustände des Laserlichts direkt zu messen. Eine Lösung besteht darin, Atome oder Ionen direkt als In-situ-Polarisationsanalysator zu verwenden, um die Birefreringität von Vakuumfenstern zu analysieren. Die Vektorlichtverschiebungen der Cs-Atome⁸ reagieren empfindlich auf die Grade der linearen Polarisation des Einfallslaserlichts⁹. Diese Methode ist jedoch zeitaufwändig und kann nur auf die linear polarisierte Laserlichterkennung angewendet werden.

Präsentiert wird eine neue, schnelle, präzise In-situ-Methode zur Bestimmung der Polarisationszustände von Laserlicht in der Vakuumkammer, basierend auf der Maximierung einzelner ²⁵Mg⁺ Fluoreszenz in einer Ionenfalle. Die Methode basiert auf der Beziehung der Ionenfluoreszenz zu den Polarisationszuständen des Laserlichts, die durch die Birefreringendes des Vakuumfensters beeinflusst wird. Die vorgeschlagene Methode wird verwendet, um die Birefreringität von Vakuumfenstern und Grad der kreisförmigen Polarisation von Laserlicht in einer Vakuumkammer¹⁰zu erkennen.

Die Methode gilt für alle Atome oder Ionen, deren Fluoreszenzrate empfindlich auf die Polarisationszustände des Laserlichts reagiert. Während die Demonstration zur Vorbereitung eines reinen kreisförmigen Polarlichts verwendet wird, kann mit dem Wissen um die Birefreringität des Vakuumfensters beliebige Polarisationszustände des Laserlichts in der Vakuumkammer vorbereitet werden. Daher ist die Methode sehr nützlich für eine Breite von Experimenten.

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Protokoll

1. Richten Sie die Referenzrichtungen für die Polarisatoren A und B ein

1. Setzen Sie Polarisator A und Polarisator B in den Laserstrahl (280 nm vierten harmonischen Laser) Pfad.
2. Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl senkrecht zu den Oberflächen der Polarisatoren ist, indem Sie die Polarisatorhalter sorgfältig anpassen, um das Rückreflexionslicht mit dem einfallenden Licht zu halten.
   HINWEIS: Alle folgenden Ausrichtungsverfahren für die Optikkomponenten müssen der gleichen Regel folgen. Die Platzierung von Polarisator A und B im Laserpfad ist nicht wichtig. Der Abstand zwischen ihnen sollte groß genug für die zukünftige bequeme Anpassung sein.
3. Setzen Sie einen Leistungsmesser hinter Polarisator A und drehen Sie den Polarisator, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Definieren Sie den Azimutwinkel (siehe Ergebnisse und Diskussion) der optischen Achse des Polarisators A als 0°. Definieren Sie die Richtung im Uhrzeigersinn als positive Richtung und die Gegenrichtung im Uhrzeigersinn als negative Richtung, wenn Sie entlang der Richtung der Lichtausbreitung beobachten.
   1. Verwenden Sie eine Schrittmotor-Rotationsstufe, um Polarisator A zu halten und setzen Sie den Leistungsmesser hinter Polarisator A, um die Drehwinkel und die Ausgangslaserkräfte aufzuzeichnen. Passen Sie den Winkel vs. Kraftkurve mit einer sinusförmigen Funktion an; die maximale Ausgangsleistungsposition des Polarisators A beträgt 0° azimutal winkel position.
4. Setzen Sie den Leistungsmesser hinter Polarisator B und drehen Sie Polarisator B, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Der Azimutwinkel der optischen Achse des Polarisators B beträgt dann ebenfalls 0°.
   1. Verwenden Sie eine weitere Schrittmotor-Rotationsstufe, um Polarisator B zu halten und setzen Sie den Leistungsmesser hinter Polarisator B, um die Drehwinkel und die Ausgangslaserkräfte aufzuzeichnen. Passen Sie den Winkel vs. Kraftkurve mit einer sinusförmigen Funktion an; die maximale Ausgangsleistung des Polarisators B beträgt 0° azimutale Winkelposition (siehe Abbildung 1).

2. Richten Sie die Referenzrichtungen für die Azimutwinkel der Wellenplatten ein

1. Setzen Sie einen HWP in den Strahlpfad zwischen Polarisator A und Polarisator B und drehen Sie den HWP, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Der Azimutwinkel der optischen Achse des HWP beträgt dann 0°.
   1. Verwenden Sie eine Schrittmotor-Rotationsstufe, um den HWP zu halten und setzen Sie den Leistungsmesser hinter Polarisator B, um die Drehwinkel und die Ausgangslaserkräfte aufzuzeichnen. Passen Sie den Winkel vs. Kraftkurve mit einer sinusförmigen Funktion an; die maximale Ausgangsleistungsposition des HWP beträgt 0° Azimutwinkel.
2. Setzen Sie einen QWP in den Strahlpfad zwischen HWP und Polarisator B, drehen Sie den QWP, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Der Azimutwinkel der optischen Achse des QWP beträgt dann 0°.
   1. Verwenden Sie eine Schrittmotor-Rotationsstufe, um den QWP zu halten und setzen Sie den Leistungsmesser hinter Polarisator B, um die Drehwinkel und die Ausgangslaserkräfte aufzuzeichnen. Passen Sie den Winkel vs. Kraftkurve mit einer sinusförmigen Funktion an; die maximale Ausgangsleistung des QWP beträgt 0° azimutale Winkelposition.
3. Entfernen Sie Polarisator B und den Leistungsmesser vom Strahlweg. Verwenden Sie zwei Spiegel, um Laserstrahl in die Vakuumkammer zu leiten, die eine Ionenfalle beherbergt, um mit ²⁵Mg⁺ Ionen zu interagieren.
   HINWEIS: Die Laserausbreitungsrichtung sollte entlang der Magnetfeldrichtung innerhalb der Vakuumkammer sein. Ein Magnetfeld wird verwendet, um die Quantisierungsachse der Ionen zu definieren.

3. Dopplerkühlung von einzelnen ²⁵Mg⁺ Ionen

1. Schalten Sie den 532 nm Ablationslaser ein, bei dem es sich um einen Q-geschalteten Nd:YAG-Laser handelt. Seine Wiederholungsrate beträgt 1 kHz, mit einer Impulsenergie von 150 J. Der Ablationslaser bestrahlt eine Magnesiumdraht-Zielfläche in der Vakuumkammer, und dann werden Magnesiumatome (Mg) von der Zieloberfläche ausgestoßen.
   HINWEIS: Das Netzteil für die Ionenfalle sollte eingeschaltet sein.
2. Gleichzeitig schalten Sie den 285 nm Ionisationslaser auf ionisierte Mg-Atome ein. Der Ionisationslaser ist ein vierter harmonischer Laser mit einer Ausgangsleistung von 1 mW. Der Ionisationslaser beleuchtet die Mitte der Ionenfalle.
3. Stellen Sie sicher, dass nur ein Ionen in der Ionenfalle gefangen ist, indem Sie sich das Bild eines elektronenmultiplizierten gekoppelten Geräts (EMCCD) ansehen. Ein Beispielbild, das eingeschlossene Ionen zeigt, ist in Abbildung 2dargestellt. Jeder helle Fleck ist ein Ionen. Wenn sich mehr als ein Ionen in der Falle befindet, schalten Sie die Stromversorgung der Ionenfalle aus, um die Ionen freizugeben. Wiederholen Sie dann die Schritte 3.1-3.2, bis nur ein (d. h. einzelnes) Ionen gefangen ist.
   HINWEIS: Das hausgemachte Bildgebungssystem der EMCCD besteht aus vier Linsen, deren Vergrößerung das 10-fache beträgt. Der Ionenabstand beträgt ca. 2-10 m und der Pixelabstand der EMCCD beträgt 16 m. Die EBD Kann daher verwendet werden, um die Existenz eines einzelnen Ions zu identifizieren.
4. Stellen Sie das Magnetfeld auf 6,5 Gauß ein, indem Sie den Strom von Helmholtz-Spulen einstellen. Das Magnetfeld wird gemessen, indem die verschiedenen Frequenzen zwischen den beiden Grundzustandsübergängen und verglichen werden. Einzelheiten zur Methode finden Sie unter¹¹.

4. Sperren Sie die 280 nm Doppler Kühllaserfrequenz auf einen Wellenlängenmesser¹²

1. Scannen Sie die Frequenz des 280 nm Lasers und zählen Sie die Fluoreszenz-Photonenzahlen, die von einem Photonenmultiplikator (PMT) durch einen Frequenzzähler erfasst werden. Zeichnen Sie gleichzeitig die Frequenz des Lasers mit einem Wellenlängenmesser auf. Ermitteln Sie die Resonanzfrequenz_0, bei der die Fluoreszenzrate ein Maximum erreicht.
   HINWEIS: Die Fluoreszenzzahlen erhöhen sich, wenn sich die Laserfrequenz in der Nähe der Ionenresonanzfrequenz bewegt und ein Maximum bei der Resonanzfrequenz erreicht.
2. Sperren Sie die Laserfrequenz mit einem digitalen Servosteuerungsprogramm, das auf einem begleitenden Computer läuft, auf das Wellenlängenmessgerät. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sperren auf der Programmgrafikschnittstelle, wenn das Wellenlängenmessgerät einen Messwert von anzeigt.

5. Stellen Sie die Intensität des Lasers auf die Sättigungsintensität¹²

1. Ändern Sie die Leistung des Lasers, indem Sie die Antriebsleistung eines Akusto-Optik-Modulators (AOM) einstellen, der im Strahlweg verwendet wird, um die Frequenz und Leistung des Lasers zu ändern. Zeichnen Sie die Leistung und die Fluoreszenzzählungen auf.
2. Passen Sie die Kurve der Leistung und die Fluoreszenzzählt mit Gleichung (6) an und erhalten Sie die Sättigungskraft .
3. Stellen Sie die Laserleistung ein, indem Sie die Antriebsleistung des AOM einstellen.

6. Messen Sie die Birefreringz des Vakuumfensters.

1. Passen Sie alternativ die azimutalen Winkel der HWP und der QWP an, um die Fluoreszenzanzahl zu maximieren. Zeichnen Sie die Azimutwinkel der HWP und der QWP bei maximaler Anzahl auf, die α und β sind.
   1. Verwenden Sie die Schrittmotor-Rotationsstufen, um die HWP und die QWP zu drehen und die Drehwinkel und die entsprechenden Fluoreszenzzahlen aufzuzeichnen.
2. Verwenden Sie Gleichung (4) und Gleichung (5), um die Birefreringenz des Vakuumfensters zu berechnen.

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Ergebnisse

Abbildung 3 zeigt den Strahlpfad des Experiments. Polarisator B in Abbildung 3a wird nach Winkelinitialisierung entfernt (Abbildung 3b). Der Laser durchlief einen Polarisator, einen HWP, einen QWP und das Vakuumfenster sequenziell. Der Stokes-Vektor des Lasers ist , wo ist die

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Diskussion

Dieses Manuskript beschreibt eine Methode zur In-situ-Messung der Birefreringität des Vakuumfensters und der Polarisationszustände des Laserlichts in der Vakuumkammer. Durch die Einstellung der Azimutwinkel des HWP und des QWP (α und β) kann die Wirkung der Birefrenalität des Vakuumfensters (δ und B) kompensiert werden, so dass der Laser in der Vakuumkammer ein reines kreisförmig polarisiertes Licht ist. An dieser Stelle besteht eine eindeutige Beziehung zwischen der Birefreringence des Vakuumfensters und den azim...

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Materialien

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