25Mg+ 형광을 사용하여 진공 창 비류의 현장 측정

요약

여기에 제시된 이온 트랩에서 ^도플러가방출한 형광 수를 최대화하여 진공 창의 자작나무를 측정하는⁺ 방법이다. 진공 창의 자폐는 외부 파판의 아지무탈 각도를 변경하여 보상 할 수있는 레이저의 편광 상태를 변경합니다.

초록

정밀 측정 실험에서는 레이저 광의 편광 상태를 정확하게 제어하는 것이 중요합니다. 진공 환경의 사용을 포함하는 실험에서, 진공 창의 응력 유발 비리링효과는 진공 시스템 내부의 레이저 빛의 편광 상태에 영향을 미치고, 현장에서 레이저 광의 편광 상태를 측정하고 최적화하기가 매우 어렵다. 이 프로토콜의 목적은 진공 시스템에서 이온의 형광에 기초하여 레이저 광의 편광 상태를 최적화하는 방법과 뮬러 매트릭스를 가진 외부 파판의 아지무탈 각도를 기반으로 진공 창의 비리링을 계산하는 방법을 입증하는 것입니다. |32 P_3/2,F = 4, m_F = 4 ^{25+ 2} → | 3²S_1/2,F =3, m_F =   3은 레이저 광의 편광 상태에 민감하며, 최대 형광은 순수한 원형 편광광으로 관찰될 것이다. 하프 웨이브 플레이트(HWP)와 쿼터 웨이브 플레이트(QWP)의 조합은 임의의 위상 지연을 달성할 수 있으며 진공 창의 비리 상태를 보상하는 데 사용됩니다. 본 실험에서 레이저 광의 편광 상태는 진공 챔버 외부의 HWP 및 QWP 쌍으로 ²⁵Mg⁺ 이온의 형광에 기초하여 최적화된다. HWP 및 QWP의 아지무탈 각도를 조정하여 최대 이온 형광을 확보함으로써 진공 챔버 내부의 순수한 원형 편광 광을 얻을 수 있습니다. 외부 HWP 및 QWP의 아지무탈 각도에 대한 정보를 통해 진공 창의 자경기를 결정할 수 있습니다.

서문

감기 원자 실험^1,전기 편극^{모멘트 2의}측정, 패리티 비보전^3의테스트, 진공 비리프링스^4,광학 시계^5,양자 광학 실험^6,액정 연구⁷등의 많은 연구 분야에서 레이저 광의 편광 상태를 정밀하게 측정하고 정확하게 제어하는 것이 중요하다.

진공 환경의 사용과 관련된 실험에서 진공 창의 스트레스 유발 배금 효과는 레이저 광의 편광 상태에 영향을 미칩니다. 레이저 광의 편광 상태를 직접 측정하기 위해 진공 챔버 내부에 편광 분석기를 넣는 것은 불가능합니다. 한 가지 해결책은 원자 또는 이온을 현장 편광 분석기로 직접 사용하여 진공 창의 비리링을 분석하는 것입니다. Cs 원자^8의 벡터 광 변화는 발생률 레이저 라이트^9의선형 편광도에 민감하다. 그러나이 방법은 시간이 많이 걸리며 선형 편광 레이저 광 검출에만 적용 할 수 있습니다.

제시는 이온 트랩에서 단일 ²⁵Mg⁺ 형광을 최대화에 기초하여 진공 챔버 내부의 레이저 빛의 편광 상태를 결정하는 새로운, 빠르고 정확한 현장 방법입니다. 이 방법은 진공 창의 배금에 의해 영향을받는 레이저 광의 편광 상태에 이온 형광의 관계에 기초한다. 제안된 방법은 진공 창의 자작기 및 진공^챔버(10)내부의 레이저 광의 원형 편광 정도를 검출하는 데 사용된다.

이 방법은 형광속도가 레이저 광의 편광 상태에 민감한 원자 또는 이온에 적용됩니다. 또한, 데모는 진공 창의 자작기의 지식과 함께 순수한 원형 편광 광을 준비하는 데 사용되는 동안, 레이저 빛의 임의편광 상태는 진공 챔버 내부에 제조 될 수있다. 따라서 이 방법은 광범위한 실험에 매우 유용합니다.

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프로토콜

1. 편광기 A 및 B에 대한 참조 방향을 설정

1. 편광기 A와 편광기 B를 레이저 빔(280nm 제4 고조파 레이저) 경로에 넣습니다.
2. 레이저 빔이 편광기 홀더를 신중하게 조정하여 점광기의 표면에 수직이 되어 있는지 확인하여 백 반사 광을 사고 라이트와 일치시유지합니다.
   참고: 광학 부품에 대한 다음 모든 정렬 절차는 동일한 규칙을 따라야 합니다. 레이저 경로에 편광자 A와 B의 배치는 중요하지 않습니다. 그들 사이의 간격은 미래의 편리한 조정을위해 충분히 커야한다.
3. 편광기 A 뒤에 파워 미터를 넣고 편광기를 회전하여 출력 전력을 최대화합니다. 편광기 A의 광학 축의 아지무탈 각도(결과 및 토론 참조)를 0°로 정의합니다. 시계 방향은 라이트 전파 방향을 따라 관찰할 때 양수 방향과 시계 반대 방향으로 정의합니다.
   1. 스테퍼 모터 회전 스테이지를 사용하여 편광기 A를 잡고 편광기 A 뒤에 파워 미터를 배치하여 회전 각도와 출력 레이저 파워를 기록합니다. 부비동식 기능으로 각도 대 파워 커브에 맞춥시다. 편광자 A의 최대 출력 전력 위치는 0° 아지무탈 각도 위치입니다.
4. 편광기 B 뒤에 파워 미터를 넣고 편광기 B를 회전하여 출력 전력을 최대화합니다. 그런 다음 편광편광조 B의 광학 축의 아지무탈 각도도 0°입니다.
   1. 다른 스테퍼 모터 회전 스테이지를 사용하여 편광기 B를 잡고 편광기 B 뒤에 파워 미터를 배치하여 회전 각도와 출력 레이저 파워를 기록합니다. 부비동식 기능으로 각도 대 파워 커브에 맞춥시다. 편광기 B의 최대 출력 전력 위치는 0° 아지무탈 각도 위치입니다(그림 1참조).

2. 파판의 아지무탈 각도에 대한 참조 방향을 설정

1. 편광기 A와 편광기 B 사이의 빔 경로에 HWP를 넣고 HWP를 회전하여 출력 전력을 최대화합니다. HWP의 광학 축의 아지무탈 각도는 0°입니다.
   1. 스테퍼 모터 회전 스테이지를 사용하여 HWP를 잡고 편광기 B 뒤에 파워 미터를 배치하여 회전 각도와 출력 레이저 파워를 기록합니다. 부비동식 기능으로 각도 대 파워 커브에 맞춥시다. HWP의 최대 출력 전력 위치는 0° 아지무탈 각도입니다.
2. HWP와 편광기 B 사이의 빔 경로에 QWP를 넣고 QWP를 회전하여 출력 전력을 최대화합니다. 그런 다음 QWP의 광학 축의 아지무탈 각도는 0°입니다.
   1. 스테퍼 모터 회전 스테이지를 사용하여 QWP를 잡고 편광기 B 뒤에 파워 미터를 배치하여 회전 각도와 출력 레이저 파워를 기록합니다. 부비동식 기능으로 각도 대 파워 커브에 맞춥시다. QWP의 최대 출력 전력 위치는 0° 아지무탈 각도 위치입니다.
3. 빔 경로에서 편광기 B와 파워 미터를 제거합니다. 2개의 거울을 사용하여 레이저 빔을 ²⁵Mg⁺ 이온과 상호 작용하는 이온 트랩이 있는 진공 챔버로 직접 넣습니다.
   참고: 레이저 전파 방향은 진공 챔버 내부의 자기장 방향을 따라야 합니다. 자기장은 이온의 양자화 축을 정의하는 데 사용됩니다.

3. 단일 ²⁵Mg⁺ 이온의 도플러 냉각

1. 532 nm 절제 레이저를 켜십시오, 이는 Q-전환 Nd: YAG 레이저입니다. 반복 속도는 1kHz이며 펄스 에너지는 150 μJ입니다. 절제 레이저는 진공 챔버 내부의 마그네슘 와이어 표적 표면을 조사한 다음 마그네슘(Mg) 원자가 대상 표면에서 배출됩니다.
   참고: 이온 트랩의 전원 공급 장치를 켜야 합니다.
2. 동시에, 이온화 Mg 원자에 285 nm 이온화 레이저를 켭니다. 이온화 레이저는 1mW의 출력 출력을 가진 네 번째 고조파 레이저입니다. 이온화 레이저는 이온 트랩의 중심을 비춥게 합니다.
3. 전자곱된 결합 장치(EMCCD)의 이미지를 확인하여 이온 트랩에 이온 트랩이 하나만 갇혀 있는지 확인합니다. 갇힌 이온을 보여주는 예제 이미지가 도 2에표시됩니다. 각 밝은 점은 하나의 이온입니다. 트랩에 이온이 하나 이상 있는 경우 이온 트랩의 전원 공급 장치를 끄고 이온을 방출합니다. 그런 다음 단계 3.1-3.2를 반복하면 하나만 이온이 갇혀 날 때까지 반복합니다.
   참고: EMCCD의 수제 이미징 시스템은 4개의 렌즈로 구성되어 있으며 배율은 10배입니다. 이온 간격은 약 2-10 μm이고 EMCCD의 픽셀 간격은 16 μm입니다. 따라서 EMCCD를 사용하여 단일 이온의 존재를 식별할 수 있습니다.
4. 헬름홀츠 코일의 전류를 조정하여 자기장을 6.5 가우스로 설정합니다. 자기장은 두 접지 상태 전환 간의 상이한 주파수를 비교하여 측정되며, 및 . 방법에 대한 자세한 내용은^11을참조하십시오.

4. 파장 미터^12에 280 nm 도플러 냉각 레이저 주파수를 잠급

1. 280nm 레이저의 주파수를 스캔하고 주파수 카운터에 의해 광자 승수관(PMT)에 의해 수집된 형광광번호를 계산한다. 동시에 파장 미터를 사용하여 레이저의 주파수를 기록합니다. 형광속도가 최대치에 도달하는 공진 주파수_0을 찾아보세요.
   참고: 레이저 주파수가 이온 공진 주파수에 가깝게 움직일 때 형광 수가 증가하고 공진 주파수에서 최대값에 도달할 것입니다.
2. 함께 제공되는 컴퓨터에서 실행되는 디지털 서보 제어 프로그램을 사용하여 레이저 주파수를 파장 계측에 잠급합니다. 파장 미터가 읽기를 표시할 때 프로그램 그래픽 인터페이스의 잠금 버튼을 클릭합니다.

5. 포화 강도 12와 동일하게 레이저의 강도를^{설정합니다.}

1. 레이저의 주파수와 전력을 변경하는 빔 경로에 사용되는 아쿠스토 광학 변조기 (AOM)의 구동 력을 조정하여 레이저의 힘을 변경합니다. 힘과 형광 수를 기록합니다.
2. 힘과 형광 카운트의 곡선을 방정식(6)으로 맞추고 채도 전력을 획득한다.
3. AOM의 구동 력을 조정하여 레이저 전력을 설정합니다.

6. 진공 창의 자작물을 측정합니다.

1. 또는 HWP와 QWP의 아지무탈 각도를 조정하여 형광 수를 최대화합니다. 최대 카운트에서 HWP와 QWP의 아지무탈 각도를 기록하며, 이는 α β.
   1. 스테퍼 모터 회전 스테이지를 사용하여 HWP와 QWP를 회전하고 회전 각도와 해당 형광 수를 기록합니다.
2. 방정식(4) 및 방정식(5)을 사용하여 진공 창 θ 및 의 배금선을 계산합니다.

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결과

도 3은 실험의 빔 경로를 나타낸다. 도 3에서편광자B는 각도 초기화 후 제거된다(도3b). 레이저는 편광기, HWP, QWP 및 진공 창을 순차적으로 통과했습니다. 레이저의 스토크스 벡터는

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토론

이 원고는 진공 창내부의 레이저 광의 배어력 과 편광 상태의 현장 측정에서 수행하는 방법을 설명합니다. HWP와 QWP(α 및 β)의 아지무탈 각도를 조정함으로써 진공 창(δ 및 θ)의 자폐의 효과를 보상하여 진공 챔버 내부의 레이저가 순수한 원형 편광광이 되도록 보상될 수 있다. 이 시점에서, 진공 창의 자폐와 HWP와 QWP의 아지무탈 각도 사이에 명확한 관계가 존재하며, 진공 창의 비리링을 추론 할 ?...

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자료

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