In Situ Misurazione della Finestra a vuoto Birefringence utilizzando 25Mg- Fluorescenza

Riepilogo

Presentato qui è un metodo per misurare la birefringence delle finestre a vuoto massimizzando i conteggi di fluorescenza emessi da Doppler raffreddato ^25Mg - ioni in una trappola ioni. La birifringenza delle finestre a vuoto cambierà gli stati di polarizzazione del laser, che possono essere compensati cambiando gli angoli azimuthal delle piastre d'onda esterne.

Abstract

Il controllo accurato degli stati di polarizzazione della luce laser è importante negli esperimenti di misurazione di precisione. Negli esperimenti che prevedono l'uso di un ambiente a vuoto, l'effetto di birefringenza indotta dallo stress delle finestre a vuoto influenzerà gli stati di polarizzazione della luce laser all'interno del sistema a vuoto, ed è molto difficile misurare e ottimizzare gli stati di polarizzazione della luce laser in situ. Lo scopo di questo protocollo è dimostrare come ottimizzare gli stati di polarizzazione della luce laser in base alla fluorescenza degli ioni nel sistema a vuoto e come calcolare la birefringence delle finestre a vuoto basate su angoli azimuthal di piastre d'onda esterne con matrice Mueller. La fluorescenza di ²⁵mg^di ioni indotta dalla luce laser che risuona con la transizione di 3²P_3/2,F - 4, m_F - 4 → | 3²S_1/2,F - 3, m_F - 3 èsensibile allo stato di polarizzazione della luce laser e la massima   fluorescenza sarà osservata con pura luce polarizzata circolare. Una combinazione di piastra a mezza onda (HWP) e piastra a onde quarti (QWP) può ottenere un ritardo di fase arbitrario e viene utilizzata per compensare la birifezza della finestra a vuoto. In questo esperimento, lo stato di polarizzazione della luce laser è ottimizzato in base alla fluorescenza di ^25Mg - ioni con una coppia di HWP e QWP al di fuori della camera a vuoto. Regolando gli angoli azimuthal dell'HWP e del QWP per ottenere la massima fluorescenza degli ioni, si può ottenere una luce polarizzata circolare pura all'interno della camera a vuoto. Con le informazioni sugli angoli azimuthal dell'HWP esterno e del QWP, è possibile determinare la birifringence della finestra a vuoto.

Introduzione

In molti campi di ricerca come esperimenti di atomi^{freddi 1}, misurazione del momento dipolo^{elettrico 2}, test di parità-non conservazione³, misurazione della birefringence^{del vuoto 4}, orologi ottici⁵, esperimenti di ottica^{quantistica 6}e studio di cristallo liquido⁷, è importante misurare con precisione e controllare con precisione gli stati di polarizzazione della luce laser.

Negli esperimenti che prevedono l'uso di un ambiente a vuoto, l'effetto di birifringità indotta dallo stress delle finestre a vuoto influenzerà gli stati di polarizzazione della luce laser. Non è possibile mettere un analizzatore di polarizzazione all'interno della camera a vuoto per misurare direttamente gli stati di polarizzazione della luce laser. Una soluzione consiste nell'utilizzare atomi o ioni direttamente come analizzatore di polarizzazione in situ per analizzare la birifringence delle finestre a vuoto. Gli spostamenti di luce vettoriale degli atomi^{Cs 8} sono sensibili ai gradi di polarizzazione lineare della luce laser di incidenza⁹. Ma questo metodo richiede molto tempo e può essere applicato solo al rilevamento della luce laser polarizzata linearmente.

Presentato è un nuovo, rapido, preciso, metodo in situ per determinare gli stati di polarizzazione della luce laser all'interno della camera a vuoto sulla base di massimizzare ^{singola 25}Mg^- fluorescenza in una trappola ioni. Il metodo si basa sulla relazione della fluorescenza ione con gli stati di polarizzazione della luce laser, che è influenzata dalla birifringence della finestra a vuoto. Il metodo proposto viene utilizzato per rilevare la birifezza delle finestre a vuoto e i gradi di polarizzazione circolare della luce laser all'interno di una camera a^{vuoto 10}.

Il metodo è applicabile a tutti gli atomi o ioni il cui tasso di fluorescenza è sensibile agli stati di polarizzazione della luce laser. Inoltre, mentre la dimostrazione viene utilizzata per preparare una luce polarizzata circolare pura, con la conoscenza della birifringence della finestra a vuoto, gli stati arbitrari di polarizzazione della luce laser possono essere preparati all'interno della camera a vuoto. Pertanto, il metodo è molto utile per una vasta gamma di esperimenti.

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Protocollo

1. Impostare le direzioni di riferimento per i polarizzatori A e B

1. Mettere il polarizzatore A e il polarizzatore B nel percorso del raggio laser (280 nm del quarto laser armonico).
2. Assicurarsi che il raggio laser sia perpendicolare alle superfici dei polarizzatori regolando attentamente i supporti polarizzatori per mantenere la luce di retro-riflessione coincidente con la luce dell'incidente.
   NOTA: tutte le seguenti procedure di allineamento per i componenti ottiche devono seguire la stessa regola. Il posizionamento del polarizzatore A e B nel percorso laser non è importante. La spaziatura tra di loro dovrebbe essere abbastanza grande per la futura regolazione conveniente.
3. Mettere un misuratore di potenza dietro il polarizzatore A e ruotare il polarizzatore per massimizzare la potenza di uscita. Definire l'angolo azimuthal (vedere Risultati e Discussione) dell'asse ottico del polarizzatore A come 0. Definire la direzione in senso orario come direzione positiva e la direzione in senso antiorario come direzione negativa quando si osserva lungo la direzione della propagazione della luce.
   1. Utilizzare uno stadio di rotazione del motore stepper per tenere il polarizzatore A e mettere il misuratore di potenza dietro il polarizzatore A per registrare gli angoli di rotazione e le potenze laser di uscita. Adattare l'angolo alla curva di potenza con una funzione sinusoica; la posizione massima di potenza di uscita del polarizzatore A è di 0 gradi azimuthal posizione dell'angolo.
4. Mettere il misuratore di potenza dietro il polarizzatore B e ruotare il polarizzatore B per massimizzare la potenza di uscita. L'angolo azimuthal dell'asse ottico del polarizzatore B è quindi anche 0.
   1. Utilizzare un altro stadio di rotazione del motore stepper per tenere il polarizzatore B e mettere il misuratore di potenza dietro il polarizzatore B per registrare gli angoli di rotazione e le potenze laser di uscita. Adattare l'angolo alla curva di potenza con una funzione sinusoica; la posizione massima di potenza di uscita del polarizzatore B è di 0 gradi azimuthal posizione dell'angolo (vedere Figura 1).

2. Impostare le direzioni di riferimento per gli angoli azimuthal delle plalate d'onda

1. Inserire un HWP nel percorso del fascio tra il polarizzatore A e il polarizzatore B e ruotare l'HWP per massimizzare la potenza di uscita. L'angolo azimuthal dell'asse ottico dell'HWP è quindi 0.
   1. Utilizzare uno stadio di rotazione del motore stepper per tenere l'HWP e mettere il misuratore di potenza dietro il polarizzatore B per registrare gli angoli di rotazione e le potenze laser di uscita. Adattare l'angolo alla curva di potenza con una funzione sinusoica; la posizione massima di potenza di uscita dell'HWP è di 0 gradi angolo azimuthal.
2. Inserire un QWP nel percorso del fascio tra l'HWP e il polarizzatore B, ruotare il QWP per massimizzare la potenza di uscita. L'angolo azimuthal dell'asse ottico del QWP è quindi di 0.
   1. Utilizzare uno stadio di rotazione del motore stepper per tenere il QWP e mettere il misuratore di potenza dietro il polarizzatore B per registrare gli angoli di rotazione e le potenze laser di uscita. Adattare l'angolo alla curva di potenza con una funzione sinusoica; la posizione massima di potenza di uscita del QWP è di 0 gradi azimuthal posizione dell'angolo.
3. Rimuovere il polarizzatore B e il misuratore di potenza dal percorso del fascio. Utilizzare due specchi per dirigere il raggio laser nella camera a vuoto che ospita una trappola ioni per interagire ^{con 25}Mg^ioni.
   NOTA: La direzione di propagazione del laser deve essere lungo la direzione del campo magnetico all'interno della camera a vuoto. Un campo magnetico viene utilizzato per definire l'asse di quantizzazione degli ioni.

3. Raffreddamento Doppler di ²⁵mg^singoli

1. Accendere il laser di ablazione da 532 nm, che è un laser Nd:YAG a commutazione Q. Il suo tasso di ripetizione è di 1 kHz, con energia a impulsi di 150 gradi. Il laser di ablazione irradia una superficie bersaglio del filo di magnesio all'interno della camera a vuoto, quindi gli atomi di magnesio (Mg) vengono espulsi dalla superficie bersaglio.
   NOTA: l'alimentazione per la trappola ioni deve essere accesa.
2. Allo stesso tempo, accendere il laser di ionizzazione da 285 nm agli atomi mg ionizzati. Il laser di ionizzazione è un quarto laser armonico con una potenza di uscita di 1 mW. Il laser di ionizzazione illuminerà il centro della trappola ioni.
3. Assicurarsi che solo uno ione sia intrappolato nella trappola ioni osservando l'immagine di un dispositivo accoppiato a carica moltiplicata elettronica (EMCCD). Un'immagine di esempio che mostra gli ioni intrappolati è illustrata nella Figura 2. Ogni punto luminoso è uno ione. Se c'è più di uno ione nella trappola, spegnere l'alimentazione della trappola ioni per rilasciare gli ioni. Ripetere quindi i passaggi 3.1-3.2 fino a quando non viene intrappolato un solo ione (ad esempio, singolo).
   NOTA: Il sistema di imaging fatto in casa dell'EMCCD è costituito da quattro lenti e il suo ingrandimento è 10x. La spaziatura degli ioni è di circa 2-10 m e la spaziatura in pixel dell'EMCCD è di 16 m. L'EMCCD può quindi essere utilizzato per identificare l'esistenza di un singolo ione.
4. Impostare il campo magnetico su 6,5 Gauss regolando la corrente delle bobine Di Helmholtz. Il campo magnetico viene misurato confrontando le diverse frequenze tra le due transizioni dello stato del suolo e . Per i dettagli del metodo si prega di fare^{riferimento 11}.

4. Bloccare la frequenza laser di raffreddamento Doppler da 280 nm a un metro di lunghezza^{d'onda 12}

1. Scansiona la frequenza del laser da 280 nm e conta i numeri di fotoni di fluorescenza raccolti da un tubo moltiplicatore di fotoni (PMT) da un contatore di frequenza. Allo stesso tempo, registrare la frequenza del laser utilizzando un misuratore di lunghezza d'onda. Trova la frequenza di risonanza ν_{0 in} cui il tasso di fluorescenza raggiunge un massimo.
   NOTA: I conteggi di fluorescenza aumenteranno quando la frequenza laser si muove vicino alla frequenza di risonanza degli ioni e raggiungeranno un massimo alla frequenza di risonanza.
2. Bloccare la frequenza laser sul misuratore di lunghezza d'onda utilizzando un programma di controllo del servo digitale in esecuzione su un computer di accompagnamento. Fare clic sul pulsante Blocca sull'interfaccia grafica del programma quando il misuratore di lunghezza d'onda mostra una lettura di .

5. Impostare l'intensità del laser in modo che sia uguale all'intensità di^{saturazione 12}

1. Modificare la potenza del laser regolando la potenza di guida di un aousto-ottico-modulatore (AOM), che viene utilizzato nel percorso del fascio per modificare la frequenza e la potenza del laser. Registrare la potenza e il conteggio della fluorescenza.
2. Adattare la curva della potenza e il conteggio della fluorescenza con Equazione (6) e ottenere la potenza di saturazione .
3. Impostare la potenza laser regolando la potenza di guida dell'AOM.

6. Misurare la birifevolenza della finestra a vuoto.

1. In alternativa, regolare gli angoli azimuthal dell'HWP e del QWP per massimizzare i conteggi di fluorescenza. Registrare gli angoli azimuthal dell'HWP e del QWP ai conteggi massimi, che sono α e β.
   1. Utilizzare le fasi di rotazione del motore stepper per ruotare l'HWP e il QWP e registrare gli angoli di rotazione e i conteggi di fluorescenza corrispondenti.
2. Utilizzare Equazione (4) ed Equazione (5) per calcolare la birifetenza della finestra a θ e .

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Risultati

Figura 3 Mostra il percorso del fascio dell'esperimento. Polarizer B in Figura 3a viene rimosso dopo l'inizializzazione dell'angolo (Figura 3b). Il laser è passato attraverso un polarizzatore, un HWP, un QWP e la finestra a vuoto, in sequenza. Il vettore Stokes del laser è , dove è la p...

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Discussione

Questo manoscritto descrive un metodo per eseguire in situ la misurazione della birefringence della finestra a vuoto e gli stati di polarizzazione della luce laser all'interno della camera a vuoto. Regolando gli angoli azimuthal dell'HWP e del QWP (α e β), l'effetto della birifebilità della finestra a vuoto (δ e θ) può essere compensato in modo che il laser all'interno della camera a vuoto sia una luce polarizzata circolare pura. A questo punto, esiste una relazione precisa tra la birifringence della finestra a vuo...

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Materiali

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