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

Detta arbete stöddes delvis av Kinas nationella key foU-program (Grant No. 2017YFA0304401) och National Natural Science Foundation of China (Anslagsnr. 11774108, 91336213 och 61875065).

1. Ställ in referensriktningarna för polarisationsfilter A och B
<ol><li>Sätt polarisationsfilter A och polarisator B i laserstrålen (280 nm fjärde harmonisk laser) väg.</li>
	<li>Se till att laserstrålen är vinkelrät mot polarisationskenornas ytor genom att noggrant justera polarisationshållare för att hålla tillbaka-reflektionsljuset sammanfallande med det infallande ljuset. OBS: Alla följande inriktningsprocedurer för optikkomponenterna måste följa samma regel. Placeringen av polarisationsfilter A...

<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>

Detta manuskript beskriver en metod för att utföra in situ-mätning av vakuumfönstrets birefringence och laserljusets polariseringsstater inuti vakuumkammaren. Genom att justera HWP:s och QWP:s (α och β) azimuthalvinklar kan effekten av vakuumfönstrets birefringence (δ och θ) kompenseras så att lasern inuti vakuumkammaren är ett rent cirkulärt polariserat ljus. Vid denna punkt finns det ett bestämt samband mellan birefringence av vakuumfönstret och azimuthal vinklar av HWP och QWP, från vilken vi kan sluta ...

I många forskning fält såsom kall atom experiment1, mätning av den elektriska dipolen moment2, test av paritet-nonconservation3, mätning av vakuum birefringence4, optiska klockor5, kvantoptik experiment6, och flytande kristall studie7, det är viktigt att exakt mäta och exakt kontrollera polariseringstillstånd av laserljus.
I experiment som involverar användning av en vakuummiljö kommer vakuumfönsters stressinducerade birefringenceeffekt att påverka laserljusets polariseringsstater. Det är inte möjligt att sätta en polariseringsanalysator inuti vakuumkammaren för att direkt mäta laserljusets polariseringsstater. En lösning är att använda atomer eller joner direkt som en in situ polarisationsanalysator för att analysera vakuumfönsters birefringence. Vektorljusförskjutningarna av Cs-atomer8 är känsliga för graderna av linjär polarisering av incidensen laserljus9. Men denna metod är tidskrävande och kan endast tillämpas på den linjärt polariserade laserljus detektering.
Presenteras är en ny, snabb, exakt, in situ metod för att bestämma polariserings tillstånd av laserljus inuti vakuumkammaren bygger på att maximera enda 25Mg+ fluorescens i en jonfälla. Metoden baseras på jonfluorescensens förhållande till laserljusets polariseringsstater, som påverkas av vakuumfönstrets birefringence. Den föreslagna metoden används för att detektera birefringence av vakuumfönster och grader av cirkulär polarisering av laserljus inuti en vakuumkammare10.
Metoden är tillämplig på alla atomer eller joner vars fluorescenshastighet är känslig för laserljuss polariseringsstater. Dessutom, medan demonstrationen används för att förbereda ett rent cirkulärt polariserat ljus, med kunskap om vakuumfönstrets birefringence, kan godtyckliga polariseringsstater av laserljus förberedas inuti vakuumkammaren. Därför är metoden ganska användbar för ett brett spektrum av experiment.

<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

Exakt kontroll av laserljuss polariseringsstater är viktigt vid precisionsmätningsexperiment. I experiment som innefattar användning av vakuummiljö kommer vakuumrutornas stressinducerade birefringenceeffekt att påverka polariseringsstaterna hos laserljus inuti vakuumsystemet, och det är mycket svårt att mäta och optimera polariseringsstaterna hos laserljuset in situ. Syftet med detta protokoll är att visa hur man optimerar polarisations tillstånden för laserljuset baserat på fluorescensen av joner i vakuumsystemet, och hur man beräknar dammsugerfönsters birefringence baserat på azimuthalvinklar av externa vågplattor med Mueller-matris. Fluorescensen på 25Mg+ joner som framkallas av laserljus som är resonant med övergången av |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 = 3är känslig för <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;">   laserljusets polariseringstillstånd, och maximal fluorescens kommer att observeras med rent cirkulärt polariserat ljus. En kombination av halvvågsplatta (HWP) och kvartsvågsplatta (QWP) kan uppnå godtycklig fasförstörtning och används för att kompensera vakuumfönstrets birefringence. I detta experiment optimeras laserljusets polariseringstillstånd baserat på fluorescensen på 25Mg+ jon med ett par HWP och QWP utanför vakuumkammaren. Genom att justera azimuthalvinklarna på HWP och QWP för att erhålla maximal jonfluorescens kan man få ett rent cirkulärt polariserat ljus inuti vakuumkammaren. Med informationen på azimuthalen metar av den yttre HWPen och QWP, kan birefringencen av dammsugafönstret vara beslutsamt.

Bild 3 visar experimentets strålbana. Polarisator B i bild 3a avlägsnas efter vinkelinitiering (Bild 3b). Lasern passerade genom ett polarisationsfilter, en HWP, en QWP, och vakuumfönstret, sekventiellt. Den Stokes vektor av laser är <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upload/61175/61175eq6.jpg"> , där är den <img align="center" alt="Equation" sr...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence at JoVE.com

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

Presenteras här är en metod för att mäta birefringence av vakuum fönster genom att maximera fluorescens räknas som avges av Doppler kyls 25Mg+ joner i en jonfälla. Den birefringence av vakuum fönster kommer att ändra polarisations tillstånd av lasern, som kan kompenseras genom att ändra azimuthal vinklar yttre vågplattor.

I Situ Mätning av Vakuum fönster Birefringence med hjälp av 25Mg+ Fluorescens

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

Den metod som presenteras här, kan användas för att kompensera i en birefringence av vakuumfönster, för att generera ett rent polariserat ljus, inuti en vakuumkammare. Det kan ha många tillämpningar i förfarande experiment med kalla atomer eller joner. Den största fördelen med denna teknik är, inte atomer eller joner används inte bara som objekt som ska startas utan också, som in-situ detektorer av polarisering stater.Så kan vi undvika att sätta en polariseringsanalysator i vakuumsystemet. Demonstrera förfarandet kommer att Wen Hao Yuan, en ingenjör från vårt laboratorium, Zhi Yu Ma och Peng Hao, två doktorander från vårt laboratorium. För att ställa in referensriktningarna för A- och B-polarisationsfilteren, placera polarisationskenorna i vägen för en 280 nanometer fjärde harmonisk laserstråle, och noggrant justera polarisationsfilterhållarna för att hålla tillbaka reflektionsljuset sammanfallande med infallande ljus, för att hålla laserstrålen vinkelrätt mot polarisatorytorna.Placera en effektmätare bakom polarisator A, och rotera polarisationsfiltret för att maximera uteffekten. Spela in vinkeln på polarisationsfiltret A av Stepper Motor Rotation Stage och kraften bakom polarisationsfiltret A, med effektmätare. Därefter placerar du effektmätaren bakom polarisator B och roterar polarisator B för att maximera uteffekten.Spela in vinkeln på polarisationsfilter B, av Stepper Motor Rotation Stage och kraften bakom polarisationsfiltret B, av kraftmätare. För att ställa upp referensriktningarna för vågplattornas azimuthalvinklar placerar du en halvvågsplatta i balkbanan mellan polarisationsfilter och roterar vågplattan för att maximera uteffekten. Använd effektmätaren bakom polarisator B, för att registrera rotationsvinklarna och utgående laserkrafterna.Placera en kvartsvågsplatta i balkbanan mellan halvvågsplattan och polarisator B, och rotera kvartsvågsplattan för att maximera uteffekten. Använd effektmätaren bakom polarisator B, för att registrera rotationsvinklarna och utgående laserkrafterna. Ta sedan bort polarisationsfilter B och kraftmätaren från balkbanan.Använd två speglar för att rikta in laserstrålen i vakuumkammaren som rymmer en jonfälla, för att interagera med magnesium-25 joner. För Doppler kylning av enda magnesium-25 joner, först vände en 532 nanometer ablation laser och en 285 nanometer jonisering laser. För att se till att endast en jon är instängd i jonfällan, titta på bilden av en Elektron multiplicerad laddad kopplade enhet.Magnesiumatomer har tre isotoper, så vi ska vara noga med att analysera magnesium-25 isotoper, med hjälp av korrekt jonisering frekvens. Justera sedan HEM håller spolen ström, för att ställa in magnetfältet till 6,5 Gals. För att låsa Doppler kyllaserfrekvensen till en våglängdsmätare, använd en frekvensräknare för att huden frekvensen av 280 nanometerlasern och fotonmultiplikatorröret, medan du använder en våglängdsmätare för att registrera laserns frekvens.När den resonansfrekvens vid vilken fluorescenshastigheten når ett maximum, använd ett digitalt servokontrollprogram, för att låsa laserfrekvensen till våglängdsmätaren. För att ställa in intensiteten av lasern till lika mättnad intensitet, justera drivande kraften i en acousto-optik modulator, att ställa in kraften i lasern. Ant nyttja kraften och fluorescensen räknas och använd lämpliga ekvationer för att passa kurvan för kraften och fluorescensen räknas, för att erhålla mättnadseffekten.Justera sedan acousto-optik modulator köreffekt, för att ställa in lasereffekten till den bestämda mättnadseffekten. Alternativt justera azimuthal vinklar av halv och kvarts-våg plattor nära, för att maximera fluorescens räknas för hand och spela in, azimuthal vinklar av plattorna, vid deras maximala räknas. Använd sedan Stegmotorrotationsstegen för att rotera plattorna och registrera rotationsvinklarna och motsvarande fluorescensantal.Eftersom magnesium-25-jonen har 48 Zeeman-nivåer kan inte analyslösningar härledas från hastighetsekvationerna. Dessa data kan dock simuleras av ett numeriskt program. Här visas relationerna mellan polarisationstillstånden och fluorescensen under olika ljusintensiteter, vilket indikerar att polarisationstillståndet för ljuset inuti vakuumkammaren för denna analys, var större än 0,999, då fluorescensantalet maximerades.Vid denna position var fluorescenstalets fluktuationer mindre än 2%Här visas laserkraftens förhållande och fluorescensen under olika D-trimfrekvenser. Plottning av data i kurvor gör att bestämning av mättade effektvärdet vid varje frekvens. Genom att fastställa azimuthalvinkeln för en vågplatta, rotera den andra, och registrera vinklarna och fluorescensantalet, kan skillnader mellan de teoretiska och experimentella resultaten bedömas.I denna analys var de teoretiska och experimentella data noga matchade, vilket visar tillförlitligheten i metoden. När du sätter polarisationsfilter och vågplattorna i laservägar, kom ihåg att laserstrålen måste vara vinkelrät mot ytorna på varje polarisationselement. Som birefringence eller fönster påverkas av temperatur, kan vi använda denna enkla och den snabba metoden, för att kompensera några av effekter i realtid, för din feedback två vågplattor.Denna metod ger mått för att erhålla mätningar, av birefringence av fönster i vakuum baserade fält, såsom optiska klockor och experiment.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder diffraktion Använda Skräddarsydda Litiumjonbatterier

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

Utveckling av en experimentuppställning för mätning av Coefficient of Restitution under vakuumbetingelser

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Seedless Growth of Bismuth Nanowire Array via Vacuum Thermal Evaporation

Kärnfria Tillväxt av vismut Nanowire Array via vakuum Termisk förångning

Here a seedless and template-free technique is demonstrated to scalably grow bismuth nanowires, through thermal evaporation in high vacuum at RT. ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Optisk fälla Loading dielektriska mikropartiklar i luft

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes

Produktion och karakterisering av vakuum deponerade organiska lysdioder

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex ...

Fabrication Procedures and Birefringence Measurements for Designing Magnetically Responsive Lanthanide Ion Chelating Phospholipid Assemblies

Fabrication förfaranden och Dubbelbrytning mätningar för att utforma magnetiskt responsiv Lanthanide Ion kelaterande fosfolipid församlingar

Bicelles are tunable disk-like polymolecular assemblies formed from a large variety of lipid mixtures. Applications range from membrane protein structural ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Metoder Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

Metodutveckling för kontaktlös resonant hålrum dielektriska spektroskopiska studier av cellulosa papper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

I Situ yttemperaturmätning i en transportbandugn via Inline Infraröd termografi

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...