25Mg+蛍光を用いた真空窓複屈折のSitu測定

要約

ここで提示される真空窓の複屈折を測定する方法は、ドップラーがイオントラップで^25Mg+イオンを冷却して放出する蛍光度⁺を最大化することによって行う。真空窓の複屈折は、レーザーの偏光状態を変化させるため、外部波板の方位角を変えることで補正することができます。

要約

レーザー光の偏光状態を正確に制御することは、精密測定実験において重要です。真空環境を用いた実験では、真空窓の応力誘導複屈折効果が真空システム内のレーザー光の偏光状態に影響を及ぼし、レーザー光の偏光状態をその際に測定し最適化することは非常に困難です。このプロトコルの目的は、真空システムにおけるイオンの蛍光に基づいてレーザー光の偏光状態を最適化する方法と、ミューラー行列を用いた外部波板の方位角に基づいて真空窓の複屈折を計算する方法を示すものです。|3 2 P_3/2、F= 4、m_F = 4 →の遷移に共鳴するレーザー光によって誘導される^225Mg+イオンの蛍光  → |32²S_1/2,F=3,mF=3_F = 3   はレーザー光の偏光状態に敏感であり、かつ、純粋な円偏光で最大蛍光が観察される。半波板(HWP)と四分波板(QWP)の組み合わせは、任意の位相遅れを達成することができ、真空窓の複屈折を補償するために使用されます。この実験では、真空チャンバ外のHWPとQWPのペアを用いた^25Mg+イオンの蛍⁺光に基づいて、レーザー光の偏光状態が最適化されます。HWPおよびQWPの方位角を調節して最大のイオン蛍光を得ることで、真空チャンバ内の純粋な円偏光を得ることができる。外部HWPとQWPの方位角角に関する情報を使用して、真空窓の複屈折を決定することができます。

概要

冷原子実験¹のような多くの研究分野では、電気双極子モーメント²の測定、パリティ非保存³の試験、真空複屈折^率4の測定、光学時計^5、量子光学実験^6、及び液晶研究^7、レーザー光の偏光状態を正確に測定し、正確に制御することが重要である。

真空環境を用いた実験では、真空窓の応力誘導複屈折効果がレーザー光の偏光状態に影響を与えます。レーザー光の偏光状態を直接測定するために、真空チャンバ内に偏光分析装置を設置することは不可能です。1つの解決策は、原子やイオンを直接in in in situ偏光分析装置として使用して、真空窓の複屈折を分析することです。Cs原子⁸ のベクトル光シフトは、発生率レーザー光⁹の線形偏光の度合いに敏感である。しかし、この方法は時間がかかり、直線偏光レーザー光検出にのみ適用できます。

提示は、イオントラップでの単一^の25Mg+蛍光を最大化に基づいて真空チャンバ内のレーザー光の偏光状態を決定する新しい、迅速、正確な、その場での方法です。この方法は、真空窓の複屈折の影響を受けるレーザー光の偏光状態に対する蛍光イオンの関係に基づいています。提案された方法は、真空チャンバ¹⁰内のレーザー光の複屈折およびレーザー光の回折度を検出するために用いられる。

この方法は、蛍光速度がレーザー光の偏光状態に敏感である任意の原子またはイオンに適用可能である。また、デモンストレーションは純粋な円偏光を作製するのに用いられるが、真空窓の複屈折に関する知識を持ち、真空室内にレーザー光の任意の偏光状態を作製することができる。したがって、この方法は、幅広い実験に非常に有用である。

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

プロトコル

1. 偏光子 A および B の参照方向を設定する

1. 偏光子Aと偏光子Bをレーザ光(280nm第4高調波レーザー)経路に入れます。
2. 偏光器ホルダーを慎重に調整して、入射光光と一致するバック反射光を保つことで、レーザー光が偏光板の表面に対して垂直であることを確認します。
   注: 光学コンポーネントの次のすべてのアライメント手順は、同じ規則に従う必要があります。レーザー経路における偏光子AとBの配置は重要ではない。これらの間隔は、将来の便利な調整に十分な大きさにする必要があります。
3. 偏光子Aの後ろにパワーメーターを置き、偏光子を回転させて出力電力を最大にします。偏光子 A の光軸の方位角(結果と考察を参照)を 0°と定義します。光伝搬方向に沿って観察する場合は、時計回りの方向を正方向、反時計回りの方向を負の方向として定義します。
   1. ステッパーモーター回転ステージを使用して偏光子Aを保持し、偏光子Aの後ろにパワーメーターを置き、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。角度とパワーカーブを、正常関数にフィットさせます。偏光子Aの最大出力出力位置は、0°方位角位置である。
4. パワーメーターを偏光子Bの後ろに置き、偏光子Bを回転させて出力電力を最大にします。偏光子Bの光軸の方位角も0°である。
   1. 別のステッパーモーター回転ステージを使用して偏光子Bを保持し、偏光子Bの後ろにパワーメーターを置き、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。角度とパワーカーブを、正常関数にフィットさせます。偏光子Bの最大出力出力位置は、0°方位角位置である( 図1参照)。

2. 波形板の方位角の基準方向を設定する

1. 偏光子Aと偏光子Bの間のビームパスにHWPを入れ、HWPを回転させて出力電力を最大にします。HWPの光軸の方位角は0°です。
   1. ステッパーモーター回転ステージを使用してHWPを保持し、偏光子Bの後ろにパワーメーターを置き、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。角度とパワーカーブを、正常関数にフィットさせます。HWPの最大出力電力位置は、0°方位角です。
2. HWPと偏光子Bの間のビームパスにQWPを入れ、出力電力を最大にするためにQWPを回転させます。QWPの光軸の方位角は0°です。
   1. ステッパーモーター回転ステージを使用してQWPを保持し、偏光子Bの後ろにパワーメーターを置き、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。角度とパワーカーブを、正常関数にフィットさせます。QWPの最大出力電力位置は、0°方位角位置です。
3. 偏光子Bとパワーメータをビームパスから取り外します。25Mg⁺イオンと相互作用するイオントラップを収容する真空チャンバーにレーザービームを向けるために^2つのミラーを使用してください。
   注: レーザーの伝搬方向は、真空チャンバ内の磁場方向に沿って行う必要があります。磁場はイオンの量子化軸を定義するために使用されます。

3. 単一^の25Mg+イオンのドップラー冷却

1. Q スイッチ Nd:YAG レーザーである 532 nm アブレーション レーザーをオンにします。その繰り返し速度は1kHzで、パルスエネルギーは150 μJです。アブレーションレーザーは真空チャンバー内にマグネシウム線のターゲット面を照射し、次にマグネシウム(Mg)原子がターゲット表面から排出されます。
   メモ:イオントラップの電源を入れる必要があります。
2. 同時に、285 nmイオン化レーザーをイオン化されたMg原子にオンにします。イオン化レーザーは出力パワーが1mWの第4の高調波レーザーです。イオン化レーザーはイオントラップの中心を照らします。
3. 電子乗算された電荷結合デバイス(EMCCD)の画像を見て、イオントラップに1つのイオンだけがトラップされていることを確認します。トラップされたイオンを示す画像の例を 図2に示す。各明るいスポットは1つのイオンです。トラップに複数のイオンがある場合は、イオントラップの電源をオフにしてイオンを放出します。次に、ステップ3.1~3.2を繰り返し、1つのイオン(すなわち単一)イオンが閉じ込められるまで繰り返します。
   メモ:EMCCDの自家製イメージングシステムは4つのレンズで構成され、その倍率は10倍です。イオン間隔は約2~10μm、EMCCDのピクセル間隔は16μmです。したがって、EMCCDを使用して、単一のイオンの存在を特定できます。
4. ヘルムホルツコイルの電流を調整して、磁界を6.5ガウスに設定します。磁場は、2つの地盤状態遷移間の異なる周波数を比較することによって測定 され 、.方法の詳細は¹¹を参照してください。

4. 波長計¹²に280 nmドップラー冷却レーザー周波数をロックします

1. 280 nmレーザーの周波数をスキャンし、周波数カウンタで光子乗数管(PMT)で収集した蛍光光数をカウントします。同時に、波長計を用いてレーザーの周波数を記録する。蛍光率が最大値に達する共振周波数 ν₀ を見つけます。
   注:レーザー周波数がイオン共振周波数に近いときに蛍光度が増加し、共振周波数で最大に達します 。
2. 付属のコンピュータで実行されているデジタルサーボ制御プログラムを使用して、レーザー周波数を波長メーターにロックします。波長メーターがの読み取り値を示しているとき、プログラムのグラフィックインターフェイスの ロック ボタンをクリック します。

5. レーザーの強度を飽和強度¹²に等しく設定します。

1. レーザーの周波数とパワーを変更するためにビームパスに使用されるアクースト光変調器(AOM)の駆動力を調整することによって、レーザーの電力を変更します。パワーと蛍光カウントを記録します。
2. 力の曲線と蛍光カウントを式(6)で合わせ、飽和力を得る 。
3. AOMの駆動力を調整して、レーザーパワーを設定します。

6. 真空窓の複屈折を測定します。

1. あるいは、蛍光度を最大化するために、HWPとQWPの方位角を調整します。HWP と QWP の方位角を最大数で記録し、αとβ。
   1. ステッパーモータ回転ステージを使用してHWPとQWPを回転させ、回転角度とそれに対応する蛍光度を記録します。
2. 式(4)と式(5)を使用して、真空窓θとの複屈折を計算 する。

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

結果

図3は、実験のビーム経路を示す。図3の偏光子Baは、角度初期化後に除去される(図3b)。レーザーは偏光子、HWP、QWP、真空窓を順次通過した。レーザーのストークスベクトルは 、正規化

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

ディスカッション

本原稿は、真空窓の複屈折と真空室内のレーザー光の偏光状態をその場で測定する方法を説明する。HWPとQWP(αとβ)の方位角を調整することで、真空窓の複屈折(δとθ)の効果を補いることができ、真空チャンバー内部のレーザーが純粋な円偏光となるようにすることができる。この時点で、真空窓の複屈折とHWPとQWPの方位角との間には明確な関係があり、そこから真空窓の複屈折を推測するこ?...

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

資料

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