In Situ Medición de la Birefringencia de la Ventana de Vacío usando 25Mg+ Fluorescencia

Resumen

Aquí se presenta un método para medir la birefringencia de las ventanas de vacío maximizando los recuentos de fluorescencia emitidos por Doppler enfriado ²⁵Mg⁺ iones en una trampa de iones. La birefringencia de las ventanas de vacío cambiará los estados de polarización del láser, que se puede compensar cambiando los ángulos acimutales de las placas de onda externas.

Resumen

El control preciso de los estados de polarización de la luz láser es importante en los experimentos de medición de precisión. En los experimentos que implican el uso de un entorno de vacío, el efecto de birefringencia inducido por el estrés de las ventanas de vacío afectará a los estados de polarización de la luz láser dentro del sistema de vacío, y es muy difícil medir y optimizar los estados de polarización de la luz láser in situ. El propósito de este protocolo es demostrar cómo optimizar los estados de polarización de la luz láser basados en la fluorescencia de iones en el sistema de vacío, y cómo calcular la birefringencia de las ventanas de vacío basadas en ángulos azimutales de placas de onda externas con matriz Mueller. La fluorescencia de ²⁵Mg⁺ iones inducidas por la luz láser que es resonante con la transición de 3²P_3/2,F a 4, m_F a 4 → | 3²S_1/2,F a 3, m_F a 3es sensible al estado de   polarización de la luz láser, y la fluorescencia máxima se observará con luz polarizada circular pura. Una combinación de placa de media onda (HWP) y placa de cuarto de onda (QWP) puede lograr un retardo de fase arbitrario y se utiliza para compensar la birefringencia de la ventana de vacío. En este experimento, el estado de polarización de la luz láser se optimiza en función de la fluorescencia de ²⁵Mg⁺ ion con un par de HWP y QWP fuera de la cámara de vacío. Al ajustar los ángulos acimutales del HWP y QWP para obtener la máxima fluorescencia iónica, se puede obtener una luz polarizada circular pura dentro de la cámara de vacío. Con la información sobre los ángulos acimutales del HWP y QWP externos, se puede determinar la birefringencia de la ventana de vacío.

Introducción

En muchos campos de investigación como experimentos de átomos fríos¹, medición del dipolo eléctrico momento², prueba de paridad-no conservación³, medición de la birefringencia de vacío⁴, relojes ópticos⁵, experimentos de óptica cuántica⁶, y estudio de cristal líquido⁷, es importante medir con precisión y controlar con precisión los estados de polarización de la luz láser.

En los experimentos que implican el uso de un entorno de vacío, el efecto de birefringencia inducido por el estrés de las ventanas de vacío afectará los estados de polarización de la luz láser. No es factible colocar un analizador de polarización dentro de la cámara de vacío para medir directamente los estados de polarización de la luz láser. Una solución es utilizar átomos o iones directamente como un analizador de polarización in situ para analizar la birefringencia de las ventanas de vacío. Los cambios de luz vectorial de los átomos Cs⁸ son sensibles a los grados de polarización lineal de la luz láser de incidencia⁹. Pero este método consume mucho tiempo y sólo se puede aplicar a la detección de luz láser polarizada linealmente.

Presentado es un nuevo método rápido, preciso, in situ para determinar los estados de polarización de la luz láser dentro de la cámara de vacío basado en maximizar una sola ^{fluorescencia de 25}Mg⁺ en una trampa de iones. El método se basa en la relación de la fluorescencia iónica con los estados de polarización de la luz láser, que se ve afectada por la birefringencia de la ventana de vacío. El método propuesto se utiliza para detectar la birefringencia de las ventanas de vacío y los grados de polarización circular de la luz láser dentro de una cámara de vacío¹⁰.

El método es aplicable a cualquier átomo o iones cuya tasa de fluorescencia sea sensible a los estados de polarización de la luz láser. Además, mientras que la demostración se utiliza para preparar una luz pura polarizada circularmente, con el conocimiento de la birefringencia de la ventana de vacío, los estados de polarización arbitraria de la luz láser se pueden preparar dentro de la cámara de vacío. Por lo tanto, el método es bastante útil para una amplia gama de experimentos.

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Protocolo

1. Configure las direcciones de referencia para los polarizadores A y B

1. Coloque el polarizador A y el polarizador B en la trayectoria del rayo láser (280 nm cuarto láser armónico).
2. Asegúrese de que el rayo láser es perpendicular a las superficies de los polarizadores ajustando cuidadosamente los soportes del polarizador para mantener la luz de retrorresciendo coincidente con la luz incidente.
   NOTA: Todos los siguientes procedimientos de alineación para los componentes ópticos deben seguir la misma regla. La colocación del polarizador A y B en la trayectoria del láser no es importante. El espaciado entre ellos debe ser lo suficientemente grande para el ajuste conveniente futuro.
3. Coloque un medidor de potencia detrás del polarizador A y gire el polarizador para maximizar la potencia de salida. Defina el ángulo acimutal (consulte Resultados y discusión) del eje óptico del polarizador A como 0o. Defina la dirección en el sentido de las agujas del reloj como la dirección positiva y la dirección en sentido contrario a las agujas del reloj como la dirección negativa al observar a lo largo de la dirección de propagación de la luz.
   1. Utilice una etapa de rotación del motor paso a paso para sostener el polarizador A y coloque el medidor de potencia detrás del polarizador A para registrar los ángulos de rotación y las potencias del láser de salida. Ajuste el ángulo vs curva de potencia con una función sinusoidal; la posición máxima de potencia de salida del polarizador A es la posición del ángulo azimutal de 0o.
4. Coloque el medidor de potencia detrás del polarizador B y gire el polarizador B para maximizar la potencia de salida. El ángulo acimutal del eje óptico del polarizador B es entonces también de 0o.
   1. Utilice otra etapa de rotación del motor paso a paso para sostener el polarizador B y coloque el medidor de potencia detrás del polarizador B para registrar los ángulos de rotación y las potencias del láser de salida. Ajuste el ángulo vs curva de potencia con una función sinusoidal; la posición máxima de potencia de salida del polarizador B es de 0o de posición de ángulo acimutal (ver Figura 1).

2. Configure las direcciones de referencia para los ángulos azimutales de las placas de onda

1. Coloque un HWP en la trayectoria del haz entre el polarizador A y el polarizador B y gire el HWP para maximizar la potencia de salida. El ángulo acimutal del eje óptico del HWP es entonces de 0o.
   1. Utilice una etapa de rotación del motor paso a paso para sostener el HWP y coloque el medidor de potencia detrás del polarizador B para registrar los ángulos de rotación y las potencias láser de salida. Ajuste el ángulo vs curva de potencia con una función sinusoidal; la posición máxima de potencia de salida del HWP es de 0o de ángulo acimutal.
2. Ponga un QWP en la trayectoria del haz entre el HWP y el polarizador B, gire el QWP para maximizar la potencia de salida. El ángulo azimutal del eje óptico del QWP es entonces de 0o.
   1. Utilice una etapa de rotación del motor paso a paso para sostener el QWP y coloque el medidor de potencia detrás del polarizador B para registrar los ángulos de rotación y las potencias láser de salida. Ajuste el ángulo vs curva de potencia con una función sinusoidal; la posición máxima de potencia de salida del QWP es la posición del ángulo azimutal de 0o.
3. Retire el polarizador B y el medidor de potencia de la trayectoria del haz. Utilice dos espejos para dirigir el rayo láser a la cámara de vacío que alberga una trampa de iones para interactuar con ²⁵Mg^{+ iones.}
   NOTA: La dirección de propagación del láser debe estar a lo largo de la dirección del campo magnético dentro de la cámara de vacío. Un campo magnético se utiliza para definir el eje de cuantificación de los iones.

3. Refrigeración Doppler de ²⁵Mg^{+ iones} individuales

1. Encienda el láser de ablación de 532 nm, que es un láser Nd:YAG conmutado Q. Su velocidad de repetición es de 1 kHz, con una energía de pulso de 150 oJ. El láser de ablación irradia una superficie objetivo de alambre de magnesio dentro de la cámara de vacío, y luego los átomos de magnesio (Mg) son expulsados de la superficie objetivo.
   NOTA: La fuente de alimentación de la trampa de iones debe estar encendida.
2. Al mismo tiempo, encienda el láser de ionización de 285 nm a átomos Mg ionizados. El láser de ionización es un cuarto láser armónico con una potencia de salida de 1 mW. El láser de ionización iluminará el centro de la trampa de iones.
3. Asegúrese de que solo un ion quede atrapado en la trampa de iones mirando la imagen de un dispositivo acoplado cargado multiplicado por electrones (EMCCD). Una imagen de ejemplo que muestra los iones atrapados se muestra en la Figura 2. Cada punto brillante es un ion. Si hay más de un iones en la trampa, apague la fuente de alimentación de la trampa de iones para liberar los iones. A continuación, repita los pasos 3.1-3.2 hasta que solo quede atrapado un ion (es decir, un solo).
   NOTA: El sistema de imágenes caseras del EMCCD consta de cuatro lentes, y su aumento es de 10 veces. El espaciado iónico es de aproximadamente 2-10 m y el espaciado de píxeles del EMCCD es de 16 m. Por lo tanto, el EMCCD puede utilizarse para identificar la existencia de un solo ion.
4. Establezca el campo magnético en 6,5 Gauss ajustando la corriente de las bobinas Helmholtz. El campo magnético se mide comparando las diferentes frecuencias entre las dos transiciones de estado del suelo y . Para obtener más información sobre el método, consulte¹¹.

4. Bloquee la frecuencia láser de enfriamiento Doppler de 280 nm a un medidor de longitud de onda¹²

1. Escanee la frecuencia del láser de 280 nm y cuente los números de fotones de fluorescencia recopilados por un tubo multiplicador de fotones (PMT) por un contador de frecuencia. Al mismo tiempo, registre la frecuencia del láser utilizando un medidor de longitud de onda. Encuentra la frecuencia resonante₀ donde la tasa de fluorescencia alcanza un máximo.
   NOTA: Los recuentos de fluorescencia aumentarán cuando la frecuencia láser se mueva cerca de la frecuencia resonante iónica y alcanzará un máximo en la frecuencia resonante.
2. Bloquee la frecuencia láser al medidor de longitud de onda utilizando un programa de control de servo digital que se ejecuta en un ordenador que lo acompaña. Haga clic en el botón Bloquear en la interfaz gráfica del programa cuando el medidor de longitud de onda muestre una lectura de .

5. Ajuste la intensidad del láser para que sea igual a la intensidad de saturación¹²

1. Cambie la potencia del láser ajustando la potencia de conducción de un modulador acousto-óptico (AOM), que se utiliza en la trayectoria del haz para cambiar la frecuencia y la potencia del láser. Registre la potencia y los recuentos de fluorescencia.
2. Ajuste la curva de la potencia y los recuentos de fluorescencia con Ecuación (6), y obtenga la potencia de saturación.
3. Ajuste la potencia del láser ajustando la potencia de conducción de la AOM.

6. Mida la birefringencia de la ventana de vacío.

1. Alternativamente, ajuste los ángulos azimutales del HWP y el QWP para maximizar los recuentos de fluorescencia. Registre los ángulos azimutales del HWP y el QWP en recuentos máximos, que son α y β.
   1. Utilice las etapas de rotación del motor paso a paso para girar el HWP y el QWP y registrar los ángulos de rotación y los recuentos de fluorescencia correspondientes.
2. Utilice Ecuación (4) y Ecuación (5) para calcular la birefringencia de la ventana de vacío y .

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Resultados

La Figura 3 muestra la trayectoria de la viga del experimento. El polarizador B de la Figura 3a se elimina después de la inicialización del ángulo(Figura 3b). El láser pasó a través de un polarizador, un HWP, un QWP y la ventana de vacío, secuencialmente. El vector Stokes del láser ...

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Discusión

Este manuscrito describe un método para realizar la medición in situ de la birefringencia de la ventana de vacío y los estados de polarización de la luz láser dentro de la cámara de vacío. Al ajustar los ángulos azimutales del HWP y el QWP (α y β), el efecto de la birefringencia de la ventana de vacío (δ y ) se puede compensar de modo que el láser dentro de la cámara de vacío sea una luz polarizada circular pura. En este punto, existe una relación definitiva entre la birefringencia de la ventana de vacío...

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Materiales

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