Mesure in situ de la birefringence de fenêtre sous vide utilisant 25mg+ fluorescence

Résumé

Présenté ici est une méthode pour mesurer la birefringence des fenêtres sous vide en maximisant les nombres de fluorescence émis par Doppler refroidi ²⁵Mg⁺ ions dans un piège à ions. La birefringence des fenêtres sous vide va changer les états de polarisation du laser, qui peut être compensé en changeant les angles azimuthal des plaques d’onde externes.

Résumé

Un contrôle précis des états de polarisation de la lumière laser est important dans les expériences de mesure de précision. Dans les expériences impliquant l’utilisation d’un environnement de vide, l’effet de birefringence induit par le stress des fenêtres sous vide affectera les états de polarisation de la lumière laser à l’intérieur du système de vide, et il est très difficile de mesurer et d’optimiser les états de polarisation de la lumière laser in situ. Le but de ce protocole est de démontrer comment optimiser les états de polarisation de la lumière laser basée sur la fluorescence des ions dans le système de vide, et comment calculer la birefringence des fenêtres à vide basée sur les angles azimuthal des plaques d’onde externes avec la matrice Mueller. La fluorescence de ²⁵Mg⁺ ions induite par la lumière laser qui résonne avec la transition de |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2,F = 3, m_F = 3est sensible à   l’état de polarisation de la lumière laser, et la fluorescence maximale sera observée avec la lumière circulaire pure polarisée. Une combinaison de plaque à demi-onde (HWP) et de plaque à quart d’onde (QWP) peut atteindre un retard de phase arbitraire et est utilisée pour compenser la birefringence de la fenêtre sous vide. Dans cette expérience, l’état de polarisation de la lumière laser est optimisé en fonction de la fluorescence de ²⁵Mg⁺ ion avec une paire de HWP et QWP à l’extérieur de la chambre à vide. En ajustant les angles azimuthal du HWP et du QWP pour obtenir une fluorescence maximale des ions, on peut obtenir une lumière pure polarisée circulairement à l’intérieur de la chambre à vide. Avec les informations sur les angles azimuthal des HWP externes et QWP, la birefringence de la fenêtre sous vide peut être déterminée.

Introduction

Dans de nombreux domaines de recherche tels que les expériences atome froid¹, la mesure du dipôle électrique moment², test de parité-non-conservation³, la mesure de la birefringence de vide⁴, horloges optiques⁵, expériences d’optique quantique⁶, et l’étude de cristal liquide⁷, il est important de mesurer avec précision et contrôler avec précision les états de polarisation de la lumière laser.

Dans les expériences impliquant l’utilisation d’un environnement de vide, l’effet de birefringence induit par le stress des fenêtres à vide affectera les états de polarisation de la lumière laser. Il n’est pas possible de mettre un analyseur de polarisation à l’intérieur de la chambre à vide pour mesurer directement les états de polarisation de la lumière laser. Une solution consiste à utiliser directement les atomes ou les ions comme analyseur de polarisation in situ pour analyser la birefringence des fenêtres sous vide. Les changements de lumière vectorielle des atomes de Cs⁸ sont sensibles aux degrés de polarisation linéaire de la lumière laser^{d’incidence 9}. Mais cette méthode prend beaucoup de temps et ne peut être appliquée qu’à la détection de la lumière laser polarisée linéairement.

Présenté est une nouvelle méthode, rapide, précise, in situ pour déterminer les états de polarisation de la lumière laser à l’intérieur de la chambre à vide basée sur la maximisation unique ²⁵Mg⁺ fluorescence dans un piège à ions. La méthode est basée sur la relation de la fluorescence des ions aux états de polarisation de la lumière laser, qui est affectée par la birefringence de la fenêtre sous vide. La méthode proposée est utilisée pour détecter la birefringence des fenêtres sous vide et les degrés de polarisation circulaire de la lumière laser à l’intérieur d’une chambre à vide¹⁰.

La méthode s’applique aux atomes ou ions dont le taux de fluorescence est sensible aux états de polarisation de la lumière laser. En outre, alors que la démonstration est utilisée pour préparer une lumière pure polarisée circulairement, avec la connaissance de la birefringence de la fenêtre sous vide, les états arbitraires de polarisation de la lumière laser peuvent être préparés à l’intérieur de la chambre à vide. Par conséquent, la méthode est très utile pour un large éventail d’expériences.

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Protocole

1. Mettre en place les directions de référence pour les polariseurs A et B

1. Placez le polariseur A et le polariseur B dans le rayon laser (280 nm quatrième laser harmonique).
2. Assurez-vous que le faisceau laser est perpendiculaire aux surfaces des polariseurs en ajustant soigneusement les supports polarisants pour garder la lumière de rétro-réflexion coïncident avec la lumière incidente.
   REMARQUE : Toutes les procédures d’alignement suivantes pour les composants optiques doivent suivre la même règle. Le placement du polariseur A et B dans le chemin laser n’est pas important. L’espacement entre eux devrait être assez grand pour l’ajustement pratique futur.
3. Placez un compteur de puissance derrière le polariseur A et faites pivoter le polariseur pour maximiser la puissance de sortie. Définissez l’angle azimuthal (voir Résultats et discussion) de l’axe optique du polariseur A comme 0°. Définissez la direction dans le sens des aiguilles d’une montre comme la direction positive et la direction dans le sens inverse des aiguilles d’une montre comme la direction négative lors de l’observation le long de la direction de la propagation de la lumière.
   1. Utilisez une étape de rotation du moteur pour tenir le polariseur A et placez le compteur de puissance derrière le polariseur A pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie. Adapter la courbe d’angle vs puissance avec une fonction sinusoïdale; la position de puissance de sortie maximale du polariseur A est de 0° position d’angle azimuthal.
4. Placez le compteur de puissance derrière le polariseur B et tournez le polariseur B pour maximiser la puissance de sortie. L’angle azimuthal de l’axe optique du polariseur B est alors aussi de 0°.
   1. Utilisez une autre étape de rotation du moteur stepper pour tenir le polariseur B et placez le compteur de puissance derrière le polariseur B pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie. Adapter la courbe d’angle vs puissance avec une fonction sinusoïdale; la position de puissance de sortie maximale du polariseur B est de 0° position d’angle azimuthal (voir figure 1).

2. Mettre en place les directions de référence pour les angles azimuthal des plaques d’onde

1. Placez un HWP dans le chemin de faisceau entre le polariseur A et le polariseur B et faites pivoter le HWP pour maximiser la puissance de sortie. L’angle azimuthal de l’axe optique du HWP est alors de 0°.
   1. Utilisez une étape de rotation du moteur pour maintenir le HWP et placez le compteur de puissance derrière le polariseur B pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie. Adapter la courbe d’angle vs puissance avec une fonction sinusoïdale; la position de puissance de sortie maximale du HWP est l’angle azimuthal de 0°.
2. Placez un QWP dans le chemin de faisceau entre le HWP et le polariseur B, faites pivoter le QWP pour maximiser la puissance de sortie. L’angle azimuthal de l’axe optique du QWP est alors de 0°.
   1. Utilisez une étape de rotation du moteur pour tenir le QWP et placez le compteur de puissance derrière le polariseur B pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie. Adapter la courbe d’angle vs puissance avec une fonction sinusoïdale; la position de puissance de sortie maximale du QWP est de 0° position d’angle azimuthal.
3. Retirez le polariseur B et le compteur de puissance du chemin de faisceau. Utilisez deux miroirs pour diriger le faisceau laser dans la chambre à vide qui abrite un piège à ions pour interagir avec ²⁵Mg⁺ ions.
   REMARQUE : La direction de propagation du laser doit être le long de la direction du champ magnétique à l’intérieur de la chambre à vide. Un champ magnétique est utilisé pour définir l’axe de quantification des ions.

3. Refroidissement Doppler de ²⁵Mg⁺ ions simples

1. Allumez le laser d’ablation de 532 nm, qui est un laser Nd:YAG commuté Q. Son taux de répétition est de 1 kHz, avec une énergie pulsée de 150 μJ. Le laser d’ablation irradie une surface cible de fil de magnésium à l’intérieur de la chambre à vide, puis les atomes de magnésium (Mg) sont éjectés de la surface cible.
   REMARQUE : L’alimentation du piège à ions doit être activée.
2. Dans le même temps, activez le laser d’ionisation de 285 nm aux atomes de Mg ionisés. Le laser d’ionisation est un quatrième laser harmonique avec une puissance de sortie de 1 mW. Le laser d’ionisation illuminera le centre du piège à ions.
3. Assurez-vous qu’un seul ion est piégé dans le piège à ions en regardant l’image d’un dispositif couplé à charge multiplié par l’électron (EMCCD). Une image d’exemple montrant des ions piégés est affichée à la figure 2. Chaque point lumineux est un ion. S’il y a plus d’un ion dans le piège, éteignez l’alimentation du piège à ions pour libérer les ions. Répétez ensuite les étapes 3.1-3.2 jusqu’à ce qu’un seul ion (c.-à-d. simple) soit piégé.
   REMARQUE : Le système d’imagerie maison de l’EMCCD se compose de quatre lentilles, et son grossissement est de 10x. L’espacement des ions est d’environ 2 à 10 μm et l’espacement des pixels de l’EMCCD est de 16 μm. L’EMCCD peut donc être utilisé pour identifier l’existence d’un seul ion.
4. Réglez le champ magnétique à 6,5 Gauss en ajustant le courant des bobines Helmholtz. Le champ magnétique est mesuré en comparant les différentes fréquences entre les deux transitions de l’état du sol, et . Pour plus de détails sur la méthode, veuillez consulter^{le 11}.

4. Verrouiller la fréquence laser de refroidissement Doppler de 280 nm à un mètre de longueur d’onde¹²

1. Numérisez la fréquence du laser de 280 nm et comptez les numéros de photon de fluorescence recueillis par un tube multiplicateur de photon (PMT) par un compteur de fréquence. Dans le même temps, enregistrez la fréquence du laser à l’aide d’un compteur de longueur d’onde. Trouvez la fréquence de résonance ν₀ où le taux de fluorescence atteint un maximum.
   REMARQUE : Les nombres de fluorescence augmenteront lorsque la fréquence laser se déplace près de la fréquence de résonance ion et atteindront un maximum à la fréquence résonante.
2. Verrouillez la fréquence laser au compteur de longueur d’onde à l’aide d’un programme de contrôle servo numérique qui s’exécute sur un ordinateur d’accompagnement. Cliquez sur le bouton Verrouiller sur l’interface graphique du programme lorsque le compteur de longueur d’onde montre une lecture de .

5. Définir l’intensité du laser pour égaler l’intensité de saturation¹²

1. Modifier la puissance du laser en ajustant la puissance de conduite d’un acousto-optic-modulateur (AOM), qui est utilisé dans le chemin du faisceau pour changer la fréquence et la puissance du laser. Enregistrez la puissance et la fluorescence compte.
2. Adapter la courbe de la puissance et la fluorescence compte avec équation (6), et obtenir la puissance de saturation .
3. Réglez la puissance laser en ajustant la puissance de conduite de l’AOM.

6. Mesurer la birefringence de la fenêtre sous vide.

1. Alternativement, ajuster les angles azimuthal du HWP et du QWP pour maximiser le nombre de fluorescences. Enregistrez les angles azimuthal du HWP et du QWP au maximum des dénombrements, qui sont α et β.
   1. Utilisez les étapes de rotation du moteur stepper pour faire pivoter le HWP et le QWP et enregistrer les angles de rotation et les nombres de fluorescence correspondants.
2. Utilisez l’équation (4) et l’équation (5) pour calculer la birefringence de la fenêtre sous vide θ et .

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Résultats

La figure 3 montre la trajectoire de faisceau de l’expérience. Le polariseur B de la figure 3a est supprimé après l’initialisation de l’angle (figure 3b). Le laser est passé par un polariseur, un HWP, un QWP, et la fenêtre sous vide, séquentiellement. Le vecteur Stokes du laser est

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Discussion

Ce manuscrit décrit une méthode pour effectuer la mesure in situ de la birefringence de la fenêtre sous vide et les états de polarisation de la lumière laser à l’intérieur de la chambre à vide. En ajustant les angles azimuthal du HWP et du QWP (α et β), l’effet de la birefringence de la fenêtre sous vide (δ et θ) peut être compensé de sorte que le laser à l’intérieur de la chambre à vide est une lumière pure polarisée circulairement. À ce stade, il existe une relation certaine entre la birefrin...

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matériels

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