Name: in situ measurement of vacuum window birefringence using 25mg+ fluorescence
Uploaded: 2020-06-13T14:00:00
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この研究は、中国国家キーR&Dプログラム(グラント2017YFA0304401)と中国国立自然科学財団(グラント11774108、91336213、および61875065)によって部分的に支援されました。

1. 偏光子 A および B の参照方向を設定する
<ol><li>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。</li>
	<li>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?...

<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>

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?...

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。

<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

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 P3/2、F= 4、mF = 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 <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;">  → |322S1/2,F=3,mF=3F = 3 <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;">   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。

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 <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upload/61175/61175eq6.jpg"> 、正規化 <img align="center" alt="Equation" src="/fi...

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

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。

25Mg+蛍光を用いた真空窓複屈折のSitu測定

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

ここで提示される方法は、真空窓の複屈折で補償するために使用することができ、真空チャンバー内の純粋に偏光を生成する。それは、冷たい原子やイオンを含む実験を進める際に多くの用途を持つことができます。この技術の主な利点は、原子やイオンが開始される対象としてだけでなく、偏光状態のイン・ザ・イン・ザ・ディテクタとしても使用されないことです。そのため、偏光アナライザを真空システムに入れることを避けることができます。この手順のデモンストレーションは、研究室のエンジニアであるウェン・ハオ・ユアン、ジー・ユ・マとペン・ハオ、当研究室の博士課程の2人の学生です。AおよびB偏光子の基準方向を設定するには、偏光子を280ナノメートル第4高調波レーザー光の経路に配置し、入射光と一致する背面反射光を保つように偏光ホルダーを慎重に調整し、レーザービームを偏光面に垂直に保ちます。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。ステッパーモータ回転ステージによる偏光子Aの角度と偏光子Aの後ろのパワーをパワーメータで記録します。次に、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の角度を、ステッパーモータ回転ステージと偏光子Bの背後の電力で、パワーメータで記録します。波形プレートの方位角の基準方向を設定するには、偏光子間のビームパスに半波板を配置し、波形プレートを回転させて出力電力を最大にします。偏光子Bの背後にあるパワーメーターを使用して、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。ハーフウェーブプレートと偏光子Bの間のビームパスに4分の1の波板を配置し、4分の1の波板を回転させて出力電力を最大にします。偏光子Bの背後にあるパワーメーターを使用して、回転角度と出力レーザーパワーを記録します。次に、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。2つのミラーを使用して、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、マグネシウム-25イオンと相互作用します。単一のマグネシウム-25イオンのドップラー冷却のために、最初に532ナノメートルアブレーションレーザーと285ナノメートルイオン化レーザーを回した。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するには、電子乗算された電荷を合わせたデバイスの画像を見てください。マグネシウム原子は3つの同位体を持っているので、適切なイオン化周波数を使用して、マグネシウム-25同位体を分析することを確認します。次に、HEMホールドコイル電流を調整し、磁界を6.5ギャルに設定します。ドップラー冷却レーザー周波数を波長計にロックするには、波長計を使用してレーザーの周波数を記録しながら、周波数カウンタを使用して280ナノメートルレーザーと光子乗数管の周波数を皮膚にします。蛍光率が最大に達する共振周波数が最大に達した場合は、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計にロックする。レーザーの強度を飽和強度と等しくなるに設定するには、アユースト光学変調器の駆動力を調整し、レーザーのパワーを設定します。パワーと蛍光数を記録し、電力と蛍光度の曲線に合わせて適切な式を使用して、飽和力を得ます。次に、アクロス光変調器駆動電力を調整し、決定された飽和電力にレーザーパワーを設定します。あるいは、半分と4分の1波プレートの方位角を近くに調整し、蛍光カウントを手で最大化し、プレートの方位角を最大カウントで記録します。次にステッパーモータ回転ステージを使用してプレートを回転させ、回転角度とそれに対応する蛍光度を記録します。マグネシウム-25イオンは48のゼーマンレベルを有するので、分析解は速度方程式から導出することができない。ただし、これらのデータは数値プログラムによってシミュレートすることができます。ここで、異なる光強度下での偏光状態と蛍光度数との関係が示されており、この分析のために真空チャンバ内の光の偏光状態が0.999より大きかったことを示し、蛍光数が最大であった。この位置では、ここで蛍光数の変動が2%未満であったと、異なるDチューニング周波数下でのレーザーパワーと蛍光数の関係が示されている。データをカーブにプロットすると、各周波数での飽和電力値の決定が可能になります。一方の波板の方位角を固定し、他方を回転させ、その角度と蛍光度を記録することで、理論上と実験結果の違いが、評価できる。この分析では、理論データと実験データが密接に一致し、方法の信頼性を実証した。偏光板と波板をレーザーパスに入れる際には、各偏光素子の表面に対してレーザー光が垂直でなければならないことに注意してください。複屈折や窓は温度の影響を受けるので、我々はあなたのフィードバック2つの波板のために、リアルタイムで効果の一部を補償するために、この簡単で迅速な方法を使用することができます。この方法は、光学時計や実験などの真空ベースのフィールドでの窓の複屈折の測定を取得するための尺度を提供します。

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Engineering

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