במדידה סיטו של חלון ואקום Birefringence באמצעות 25מ ג+ פלואורסץ

Summary

מוצג כאן היא שיטה כדי למדוד את birefringence של חלונות ואקום על ידי מקסום ספירות פלואורסצסצט הנפלט על ידי דופלר ^{מקורר 25}מ ג⁺ יונים במלכודת יון. birefringence של חלונות ואקום תשנה את מצבי הקיטוב של הלייזר, אשר ניתן לפצות על ידי שינוי זוויות אזימוטאל של לוחות גל חיצוני.

Abstract

שליטה מדויקת במצבי הקיטוב של אור לייזר חשובה בניסויי מדידה מדויקים. בניסויים הכרוכים בשימוש בסביבת ואקום, אפקט ההתרה בלחץ של חלונות הוואקום ישפיע על מצבי הקיטוב של אור לייזר בתוך מערכת הוואקום, וקשה מאוד למדוד ולייעל את מצבי הקיטוב של אור הלייזר בסיטו. מטרת פרוטוקול זה היא להדגים כיצד לייעל את מצבי הקיטוב של אור הלייזר בהתבסס על הפלואורסצנטיות של יונים במערכת הוואקום, וכיצד לחשב את ההפרה של חלונות ואקום בהתבסס על זוויות אזימוטאל של לוחות גל חיצוני עם מטריצת Mueller. הפלואורסצנטיות ^{של 25}מ"ג⁺ יונים המושרה על ידי אור לייזר מהדהד עם המעבר של |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2, F =3, m_F = 3 הוארגיש למצב   הקיטוב של אור הלייזר, ופלואורסץ מרבי יצפה עם אור מקוטב מעגלי טהור. שילוב של לוח חצי גל (HWP) וצלחת גל רבעון (QWP) יכול להשיג פיגור שלב שרירותי והוא משמש כפייה על birefringence של חלון ואקום. בניסוי זה, מצב הקיטוב של אור הלייזר ממוטב בהתבסס על פלואורסץ ^{של 25}מ"ג⁺ יון עם זוג HWP ו-QWP מחוץ לתא הוואקום. על ידי התאמת זוויות אזימוטאל של HWP ו QWP כדי להשיג פלואורסצינטיות יון מקסימלית, ניתן להשיג אור מקוטב מעגלי טהור בתוך תא הוואקום. עם המידע על זוויות אזימוטאל של HWP החיצוני ו- QWP, ניתן לקבוע את ההפרה של חלון הוואקום.

Introduction

בתחומי מחקר רבים כגון^{ניסויי אטום קר 1}, מדידה של דיפול^{חשמלי רגע 2}, מבחן של זוגיות-אי-שימור³, מדידה של birefringence ואקום⁴,^{שעונים אופטיים 5}, ניסויי אופטיקה^{קוונטית 6}, ומחקר^{גביש נוזלי 7}, חשוב למדוד במדויק ולשלוט במדויק במצבי הקיטוב של אור לייזר.

בניסויים הכרוכים בשימוש בסביבת ואקום, אפקט ההתרה של חלונות ואקום הנגרמת על-ידי לחץ ישפיע על מצבי הקיטוב של אור לייזר. זה לא אפשרי לשים מנתח קיטוב בתוך תא הוואקום כדי למדוד ישירות את מצבי הקיטוב של אור הלייזר. פתרון אחד הוא להשתמש אטומים או יונים ישירות כמנתח קיטוב סיטו כדי לנתח את birefringence של חלונות ואקום. משמרות האור הווקטוריות של אטומי Cs^{8 רגישות} לדרגות הקיטוב הליניארי של אור הלייזר^9. אבל שיטה זו גוזלת זמן ותוכל ליישם אותה רק על זיהוי אור לייזר מקוטב ליניארי.

מוצג הוא חדש, מהיר, מדויק, בשיטת situ כדי לקבוע את מצבי הקיטוב של אור לייזר בתוך תא ואקום מבוסס על ^{מקסום יחיד 25}מ ג⁺ פלואורססנס במלכודת יון. השיטה מבוססת על הקשר של פלואורסץ יון מצבי קיטוב של אור הלייזר, אשר מושפע על ידי birefringence של חלון ואקום. השיטה המוצעת משמשת לזיהוי birefringence של חלונות ואקום ודרגות של קיטוב מעגלי של אור לייזר בתוך תא ואקום¹⁰.

השיטה ישימה לאטומים או יונים שקצב הפלואורסצנס שלהם רגיש ל מצבי הקיטוב של אור לייזר. בנוסף, בעוד ההדגמה משמשת להכנת אור מקוטב באופן מעגלי גהיד, עם הידיעה על ההתדפסות של חלון הוואקום, ניתן להכין מצבי קיטוב שרירותיים של אור לייזר בתוך תא הוואקום. לכן, השיטה היא די שימושית עבור מגוון רחב של ניסויים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. הגדר את הוראות ההתייחסות עבור מקטבים A ו- B

1. לשים מקוטב A ו מקטב B לתוך קרן הלייזר (280 נמי' הרביעי לייזר הרמוני) נתיב.
2. ודא כי קרן הלייזר ניצבת על פני המשטחים של הקיטוב על-ידי כוונון קפדני של מחזיקי הקיטוב כדי לשמור על אור ההשתקפות האחורית במקרה עם אור האירוע.
   הערה: כל נהלי היישור הבאים עבור רכיבי האופטיקה חייבים לפעול לפי אותו כלל. מיקום הקיטוב A ו-B בנתיב הלייזר אינו חשוב. המרווח ביניהם צריך להיות גדול מספיק עבור ההתאמה הנוחה בעתיד.
3. הניחו מד כוח מאחורי מקטב A וסובבו את הקיטוב כדי למקסם את כוח הפלט. הגדר את זווית אזימוטאל (ראה תוצאות ודיון) של הציר האופטי של קיטוב A כ- 0°. הגדר את הכיוון בכיוון השעון ככיוון החיובי ואת כיוון נגד כיוון השעון ככיוון השלילי בעת התבוננות לאורך כיוון התפשטות האור.
   1. השתמש בשלב סיבוב מנוע צעד להחזיק מקוטב A ולשים את מד הכוח מאחורי מקוטב A כדי להקליט את זוויות הסיבוב ואת כוחות לייזר פלט. להתאים את הזווית לעומת עקומת כוח עם פונקציה סינוסואידית; מיקום הספק הפלט המרבי של מקטב A הוא מיקום זווית אזימוטאל של 0°.
4. הניחו את מד הכוח מאחורי קוטב B וסובבו את המקוטב B כדי למקסם את כוח הפלט. הזווית אזימוטאל של הציר האופטי של קיטוב B הוא אז גם 0 מעלות.
   1. השתמש בשלב סיבוב מנוע צעד אחר כדי להחזיק מקוטב B ולשים את מד הכוח מאחורי מקוטב B כדי להקליט את זוויות סיבוב ואת כוחות לייזר פלט. להתאים את הזווית לעומת עקומת כוח עם פונקציה סינוסואידית; מיקום הספק הפלט המרבי של מקטב B הוא מיקום זווית אזימוטאל של 0° (ראה איור 1).

2. הגדר את הוראות ההתייחסות הזוויות האזימוטאל של גלי הגל

1. הכנסת HWP לנתיב הקרן בין מקטב A לקיטוב B וסיבוב ה-HWP כדי למקסם את כוח הפלט. זווית אזימוטאל של הציר האופטי של HWP היא אז 0°.
   1. השתמש בשלב סיבוב מנוע צעד כדי להחזיק את HWP ולשים את מד הכוח מאחורי מקוטב B כדי להקליט את זוויות הסיבוב ואת כוחות לייזר פלט. להתאים את הזווית לעומת עקומת כוח עם פונקציה סינוסואידית; מיקום הספק הפלט המרבי של ה-HWP הוא זווית אזימוטאל של 0°.
2. הכנס QWP לנתיב הקרן בין ה-HWP לקיטוב B, סובב את ה-QWP כדי למקסם את כוח הפלט. זווית אזימוטאל של הציר האופטי של ה-QWP היא 0°.
   1. השתמש בשלב סיבוב מנוע צעד כדי להחזיק את QWP ולשים את מד הכוח מאחורי מקטב B כדי להקליט את זוויות הסיבוב ואת כוחות לייזר פלט. להתאים את הזווית לעומת עקומת כוח עם פונקציה סינוסואידית; מיקום הספק הפלט המרבי של ה-QWP הוא מיקום זווית אזימוטאל של 0°.
3. הסר את המקוטב B ואת מד הכוח משביל הקרן. השתמש בשתי מראות כדי לכוון קרן לייזר לתוך תא הוואקום שבו נמצאת מלכודת יונים כדי לקיים ^{אינטראקציה עם 25}מ"ג⁺ יונים.
   הערה: כיוון הפצת הלייזר צריך להיות לאורך כיוון השדה המגנטי בתוך תא הוואקום. שדה מגנטי משמש להגדרת ציר הכימות של היונים.

3. דופלר קירור של יחיד ^{25 מ"ג+} יונים

1. הפעל את לייזר אבלציה 532 נארם, שהוא Q-switched Nd:YAG לייזר. קצב החזרה שלו הוא 1 kHz, עם אנרגיית דופק של 150 μJ. לייזר אבלציה מקרן משטח יעד מגנזיום חוט בתוך תא ואקום, ולאחר מכן אטומי מגנזיום (Mg) נפלטים מפני השטח היעד.
   הערה: יש להפעיל את ספק הכוח עבור מלכודת היונים.
2. באותו זמן, להפעיל את 285 nm לייזר ייון לאטומים מ"ג מיונו. לייזר היוניזציה הוא לייזר הרמוני רביעי עם כוח פלט של 1 mW. לייזר היונים יאיר את מרכז מלכודת היונים.
3. ודא שרק יון אחד לכוד במלכודת היונים על-ידי הסתכלות על התמונה של התקן מעורב טעון אלקטרונים (EMCCD). תמונה לדוגמה המציגה יונים לכודים מוצגת באיון 2. כל נקודת אור היא יון אחד. אם יש יותר מיון אחד במלכודת, כבה את אספקת החשמל של מלכודת היונים כדי לשחרר את היונים. לאחר מכן חזור על שלבים 3.1-3.2 עד שיון אחד בלבד (כלומר, יחיד) יילכד.
   הערה: מערכת ההדמיה הביתית של ה-EMCCD מורכבת מארבע עדשות, וההגדלה שלה היא פי 10. המרווח בין היונים הוא כ- 2-10 μm והמרווח בפיקסלים של ה-EMCCD הוא 16 μm. ה-EMCCD יכול, לכן, לשמש לזיהוי קיומו של יון אחד.
4. הגדר את השדה המגנטי להיות 6.5 גאוס על ידי התאמת הזרם של סלילים הלמהולץ. השדה המגנטי נמדד על-ידי השוואת התדרים השונים בין שני מעברי מצב הקרקע, ו- . לפרטים על השיטה אנא עיין¹¹.

4. לנעול את 280 נמי' דופלר קירור תדר לייזר למטר אורך גל¹²

1. סרוק את התדירות של לייזר 280 צפון צפון ולספור את מספרי פוטין פלואורסצנטי שנאסף על ידי צינור מכפיל פוטן (PMT) על ידי מונה תדרים. באותו זמן, להקליט את התדירות של הלייזר באמצעות מטר אורך גל. מצא את תדר התהודה_{0 שבו} שיעור הפלואורסץ מגיע למקסימום.
   הערה: ספירת הפלואורסצנטיות תגדל כאשר תדר הלייזר מתקרב לתדר התהודה היוני ויגיע למקסימום בתדר התהודה .
2. נעל את תדר הלייזר למטר אורך הגל באמצעות תוכנית בקרת סרוו דיגיטלית הפועלת במחשב נלווה. לחץ על לחצן נעל בממשק הגרפי של התוכנית כאשר מד אורך הגל מציג קריאה של .

5. הגדר את עוצמת הלייזר כך שיהיה שווה לעוצמת הרוויה¹²

1. שנה את העוצמה של הלייזר על-ידי כוונון כוח הנהיגה של אפנן acousto-אופטי (AOM), המשמש בנתיב הקרן לשינוי התדירות והכוח של הלייזר. להקליט את הכוח ואת ספירת הפלואורסציות.
2. התאם את עקומת הכוח ואת ספירת הפלואורסנצס עם Equation (6), והשג את כוח הרוויה .
3. הגדר את כוח הלייזר על-ידי התאמת כוח הנהיגה של ה-AOM.

6. למדוד את ההתללות של חלון הוואקום.

1. לחלופין, התאם את הזוויות האזימוטאל של ה-HWP וה-QWP כדי למקסם את ספירת הפלואורסצינטיות. הקלט את הזוויות האזימוטאל של ה-HWP וה-QWP בסעיפים מרביים, α β.
   1. השתמש בשלבי הסיבוב של מנוע צעד כדי לסובב את ה-HWP ואת ה-QWP ולהקליט את זוויות הסיבוב ואת ספירות הפלואורסציות המתאימות.
2. השתמש במשוואה (4) וב- Equation (5) כדי לחשב את ההפרה של חלון הוואקום ערך ו- .

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

איור 3 מראה את נתיב הקרן של הניסוי. מקטב B באיור 3a מוסר לאחר אתחול זווית ( איור3b). הלייזר עבר דרך מקטב, HWP, QWP, וחלון ואקום, באופן רציפות. וקטור סטוקס של לייזר הוא ,

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

כתב יד זה מתאר שיטה לביצוע במדידה סיטו של birefringence של חלון הוואקום ואת מצבי הקיטוב של אור הלייזר בתוך תא הוואקום. על ידי התאמת הזוויות האזימוטאל של HWP ו-QWP (α ו-β), ניתן לפצות את ההשפעה של ההפרה של חלון הוואקום (δ ו- ω) כך שניתן יהיה לפצות את הלייזר בתוך תא הוואקום. בשלב זה, קיימת מערכת יחסים מובהקת...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

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