Name: in situ measurement of vacuum window birefringence using 25mg+ fluorescence
Uploaded: 2020-06-13T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence at JoVE.com

Ces travaux ont été partiellement appuyés par le National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304401) et la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11774108, 91336213 et 61875065).

1. Mettre en place les directions de référence pour les polariseurs A et B
<ol><li>Placez le polariseur A et le polariseur B dans le rayon laser (280 nm quatrième laser harmonique).</li>
	<li>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 ...

<ol>
	<li>Robens, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Precision+Optical+Polarization+Synthesizer+for+Ultracold-Atom+Experiments.">High-Precision Optical Polarization Synthesizer for Ultracold-Atom Experiments.</a> Physical Review A. 9 (3), 34016 (2018).</li><li>Cairncross, W. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+Measurement+of+the+Electron's+Electric+Dipole+Moment+Using+Trapped+Molecular+Ions.">Precision Measurement of the Electron's Electric Dipole Moment Using Trapped Molecular Ions.</a> Physical Review Letters. 119 (15), 153001 (2017).</li><li>Bougas, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+cavity-enhanced+polarimetry+for+parity-nonconserving+optical+rotation+measurements:+Application+to+Xe,+Hg,+and+I.">Fundamentals of cavity-enhanced polarimetry for parity-nonconserving optical rotation measurements: Application to Xe, Hg, and I.</a> Physical Review A. 89 (5), 52127 (2014).</li><li>Bragin, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Energy+Vacuum+Birefringence+and+Dichroism+in+an+Ultra-strong+Laser+Field.">High-Energy Vacuum Birefringence and Dichroism in an Ultra-strong Laser Field.</a> Physical Review Letters. 119 (25), 250403 (2017).</li><li>Nicholson, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Systematic+evaluation+of+an+atomic+clock+at+total+uncertainty.">Systematic evaluation of an atomic clock at total uncertainty.</a> Nature Communications. 6, 6896 (2015).</li><li>Roos, C. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Revealing+Quantum+Statistics+with+a+Pair+of+Distant+Atoms.">Revealing Quantum Statistics with a Pair of Distant Atoms.</a> Physical Review Letters. 119 (16), 160401 (2017).</li><li>Saulius, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-efficiency+optical+transfer+of+torque+to+a+nematic+liquid+crystal+droplet.">High-efficiency optical transfer of torque to a nematic liquid crystal droplet.</a> Applied Physics Letters. 82, 4657 (2003).</li><li>Zhu, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+polarization+measurement+using+a+vector+light+shift.">Absolute polarization measurement using a vector light shift.</a> Physical Review Letters. 111 (24), 243006 (2013).</li><li>Steffen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Note:+In+situ+measurement+of+vacuum+window+birefringence+by+atomic+spectroscopy.">Note: In situ measurement of vacuum window birefringence by atomic spectroscopy.</a> Review of Scientific Instruments. 84 (12), 126103 (2013).</li><li>Yuan, W. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+method+for+in+situ+measurement+of+vacuum+window+birefringence.">A simple method for in situ measurement of vacuum window birefringence.</a> Review of Scientific Instruments. 90 (11), 113001 (2019).</li><li>Xu, Z. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+measurement+of+the+25Mg++ground-state+hyperfine+constant.">Precision measurement of the 25Mg+ ground-state hyperfine constant.</a> Physical Review A. 96 (5), 052507 (2017).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+long-term+frequency+stabilized+deep+ultraviolet+laser+for+Mg++ions+trapping+experiments.">A long-term frequency stabilized deep ultraviolet laser for Mg+ ions trapping experiments.</a> Review of Scientific Instruments. 84 (12), 123109 (2013).</li><li>Yuan, W. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+measurement+of+the+light+shift+of+25Mg++ions.">Precision measurement of the light shift of 25Mg+ ions.</a> Physical Review A. 98 (5), 52507 (2018).</li><li>Loudon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Quantum Theory of Light, 3rd ed. , (2000).</li><li>Hu, Z. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+an+ultrahigh-sensitivity+atom-interferometry+absolute+gravimeter.">Demonstration of an ultrahigh-sensitivity atom-interferometry absolute gravimeter.</a> Physical Review A. 88 (4), 043610 (2013).</li></ol>

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...

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 laserd’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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>280 nm Doppler cooling laser</td>
			<td>Toptica</td>
			<td>SYST DL-FHG Pro 280</td>
			<td>Doppler cooling laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>285 nm ionization laser</td>
			<td>Toptica</td>
			<td>SYST DL-FHG Pro 285</td>
			<td>ionization laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ablation laser</td>
			<td>Changchun New Industries Optoelectronics Technology</td>
			<td>EL-532-1.5W</td>
			<td>Q-switched Nd:YAG laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AOM</td>
			<td>Gooch &#38; Housego</td>
			<td>AOMO 3200-1220</td>
			<td>wavelengh down to 257 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMCCD camera</td>
			<td>Andor</td>
			<td>iXon3 897</td>
			<td>imaging of 25Mg+ in ion trap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glan-Taylor polarizer</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>Custom</td>
			<td>distinction ratio 1e-6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Half waveplate</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>Custom</td>
			<td>made of quartz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photon multiplier tube</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H8259-09</td>
			<td>fluorescent counting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power meter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PM100D</td>
			<td>laser power monitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quarter waveplate</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>Custom</td>
			<td>made of quartz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirror</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>Custom</td>
			<td>dielectric coated for 280 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepper motor roation stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>K10CR1/M</td>
			<td>rotating wave plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum chamber</td>
			<td>Kimball Physics</td>
			<td>MCF800-SphSq-G2E4C4</td>
			<td>made of Titanium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum window</td>
			<td>Union Optic</td>
			<td>Custom</td>
			<td>made of fused silica</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ measurement of vacuum window birefringence using 25mg+ fluorescence

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 |32P3/2,F = 4, mF = 4 <img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;"> → | 32S1/2,F = 3, mF = 3est sensible à <img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;">   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.

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 <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upload/61175/61175eq6.j...

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In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence

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.

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

Accurate control of the polarization states of laser light is important in precision measurement experiments. In experiments involving the use of a vacuum ...

La méthode présentée ici, peut être utilisée pour compenser dans une birefringence des fenêtres sous vide, pour générer une lumière purement polarisée, à l’intérieur d’une chambre à vide. Il peut avoir de nombreuses applications dans la procédure des expériences impliquant des atomes froids ou des ions. Le principal avantage de cette technique est que non pas les atomes ou les ions sont utilisés non seulement comme objets à démarrer, mais aussi comme détecteurs in situ d’états de polarisation.Ainsi, nous pouvons éviter de mettre un analyseur de polarisation dans le système de vide. Wen Hao Yuan, ingénieur de notre laboratoire, Zhi Yu Ma et Peng Hao, deux doctorants de notre laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour mettre en place les directions de référence pour les polariseurs A et B, placez les polariseurs sur la trajectoire d’un quatrième faisceau laser harmonique de 280 nanomètres, et ajustez soigneusement les supports polariseurs pour garder la lumière de réflexion arrière coïncident avec la lumière incidente, afin de maintenir le faisceau laser perpendiculaire aux surfaces polarisantes.Placez un compteur de puissance derrière le polariseur A et faites pivoter le polariseur pour maximiser la puissance de sortie. Enregistrez l’angle du polariseur A par Stepper Motor Rotation Stage et la puissance derrière le polariseur A, par compteur de puissance. Ensuite, placez le compteur de puissance derrière le polariseur B et faites pivoter le polariseur B pour maximiser la puissance de sortie.Enregistrez l’angle du polariseur B, par Stepper Motor Rotation Stage et la puissance derrière le polariseur B, par compteur de puissance. Pour configurer les directions de référence pour les angles azimuts des plaques d’onde, placez une demi-plaque d’onde dans le chemin de faisceau entre les polariseurs et faites pivoter la plaque d’onde pour maximiser la puissance de sortie. Utilisez le compteur de puissance derrière le polariseur B, pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie.Placez une plaque à quart d’onde dans la trajectoire du faisceau entre la plaque à demi-onde et le polariseur B, et faites pivoter la plaque d’onde quart pour maximiser la puissance de sortie. Utilisez le compteur de puissance derrière le polariseur B, pour enregistrer les angles de rotation et les puissances laser de sortie. Retirez ensuite le polariseur B et le compteur de puissance du chemin du faisceau.Utilisez deux miroirs pour diriger le faisceau laser dans la chambre à vide qui abrite un piège à ions, pour interagir avec le magnésium-25 ions. Pour le refroidissement Doppler de magnésium unique-25 ions, d’abord tourné un laser d’ablation de 532 nanomètres et un laser d’ionisation de 285 nanomètres. Pour vous assurer qu’un seul ion est piégé dans le piège iarié, regardez l’image d’un dispositif couplé multiplié par électrons.Les atomes de magnésium ont trois isotopes, donc nous serons sûrs d’analyser les isotopes du magnésium-25, en utilisant une fréquence d’ionisation appropriée. Ajustez ensuite le courant de bobine hem, pour régler le champ magnétique à 6,5 Gals. Pour verrouiller la fréquence du laser de refroidissement Doppler à un compteur de longueur d’onde, utilisez un compteur de fréquence pour écorché la fréquence du laser de 280 nanomètres et du tube multiplicateur photon, tout en utilisant un compteur de longueur d’onde pour enregistrer la fréquence du laser.Lorsque la fréquence de résonance à laquelle le taux de fluorescence atteint un maximum, utilisez un programme de contrôle servo numérique, pour verrouiller la fréquence laser au compteur de longueur d’onde. Pour définir l’intensité du laser pour égaler l’intensité de saturation, ajustez la puissance motrice d’un modulateur acousto-optique, pour régler la puissance du laser. Enregistrez la puissance et les comptes de fluorescence et utilisez les équations appropriées pour s’adapter à la courbe de la puissance et la fluorescence compte, pour obtenir la puissance de saturation.Ajustez ensuite la puissance de conduite du modulateur acousto-optique, pour régler la puissance laser à la puissance de saturation déterminée. Alternativement, ajustez les angles azimuthal des plaques de demi et quart d’onde près, pour maximiser les comptes de fluorescence à la main et enregistrer les angles azimuthal des plaques, à leur nombre maximum. Utilisez ensuite les étapes de rotation du moteur Stepper pour faire pivoter les plaques et enregistrer les angles de rotation et les nombres de fluorescence correspondants.Puisque l’ion de magnésium-25 a 48 niveaux de Zeeman, les solutions analytiques ne peuvent pas être dérivées des équations de taux. Ces données peuvent toutefois être simulées par un programme numérique. Ici, les relations entre les états de polarisation et les comptes de fluorescence sous différentes intensités lumineuses sont montrées, ce qui indique que l’état de polarisation de la lumière à l’intérieur de la chambre à vide pour cette analyse, était supérieur à 0,999, lorsque les comptes de fluorescence ont été maximisés.À cette position, la fluctuation du nombre de fluorescence était inférieure à 2%Ici, la relation de la puissance laser et la fluorescence compte sous différentes fréquences de réglage D, est montré. Le traçage des données dans les courbes permet de déterminer la valeur de puissance saturée à chaque fréquence. En fixant l’angle azimuthal d’une plaque d’onde, en tournant l’autre, et en enregistrant les angles et les comptes de fluorescence, les différences entre les résultats théoriques et expérimentaux, peuvent être évaluées.Dans cette analyse, les données théoriques et expérimentales ont été étroitement appariées, démontrant la fiabilité de la méthode. Lorsque vous mettez les polariseurs et les plaques d’onde dans des chemins laser, n’oubliez pas que le faisceau laser doit être perpendiculaire aux surfaces de chaque élément de polarisation. Comme la birefringence ou la fenêtre est affectée par la température, nous pouvons utiliser cette méthode simple et rapide, pour compenser certains des effets en temps réel, pour votre rétroaction deux plaques d’onde.Cette méthode fournit une mesure pour l’obtention de mesures, de la birefringence des fenêtres dans les champs basés sur le vide, tels que les horloges optiques et les expériences.

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