In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using <sup>25</sup>Mg<sup>+</sup> Fluorescence

W. H. Yuan; H. L. Liu; W. Z. Wei; Z. Y. Ma; P. Hao; Z. Deng; K. Deng; J. Zhang; Z. H. Lu

doi:10.3791/61175

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Ingegneria

使用 ²⁵Mg + 荧光对真空窗双参考^进行原点测量

Published: June 13, 2020

doi:

10.3791/61175

W. H. Yuan, H. L. Liu, W. Z. Wei, Z. Y. Ma, P. Hao, Z. Deng, K. Deng, J. Zhang, Z. H. Lu

¹MOE Key Laboratory of Fundamental Physical Quantities Measurement, Hubei Key Laboratory of Gravitation and Quantum Physics, PGMF and School of Physics,Huazhong University of Science and Technology

Summary

此处介绍的是一种测量真空窗的双反数的方法，方法是最大化多普勒在离子陷阱中冷却 ²⁵Mg + 离子^发出的荧光计数。真空窗的双反光将改变激光的极化状态，通过改变外波板的分角可以补偿。

Abstract

精确控制激光的极化状态在精密测量实验中具有十分重要的作用。在利用真空环境的实验中，真空窗的应力引起的双反射效应会影响真空系统中激光的偏振状态，很难对原位激光的极化状态进行测量和优化。本协议的目的是演示如何根据真空系统中离子的荧光优化激光的极化状态，以及如何根据穆勒矩阵的外部波板的分角计算真空窗的二极化。²⁵Mg = ions^的荧光由激光引起的，与 +3 2 P_3/2的过渡有共鸣，F = 4，m_F = 4 ² → |3²S_1/2，F=3，m_F = 3对激光的偏振状态敏感，使用纯圆形偏振光将观察到最大荧光。半波板（HWP）和四分之一波板（QWP）的组合可以实现任意相位延缓，并用于补偿真空窗的二边形。在此实验中，根据^25Mg+离子的荧光和真空室外的一对HWP和QWP，⁺对激光的偏振状态进行了优化。通过调整HWP和QWP的分角以获得最大离子荧光，可以在真空室内获得纯圆极化光。通过外部 HWP 和 QWP 的分角信息，可以确定真空窗的二边线。

Introduction

在许多研究领域，如冷原子^实验1、电偶极子力^力力2的测量、等数-非保留3的试验^、真空双反射4的测量^、光学时钟^5、^{量子光学实验6、}^液晶7等，精确测量和精确控制激光的极化状态非常重要。

在涉及真空环境的实验中，真空窗的应力引起的双反效应会影响激光的极化状态。将极化分析仪放在真空室内直接测量激光的极化状态是不可行的。一种解决方案是直接使用原子或离子作为原位极化分析仪来分析真空窗的反射。Cs原子8的矢量光^移对点射激光9的线性极化^{程度很敏感}。但该方法很费时，只能应用于线性偏振激光检测。

提出了一种新的，快速，精确的，原位方法，以确定激光在真空室内的极化状态的基础上，^{最大化单个25Mg}⁺荧光在离子陷阱。该方法基于离子荧光与激光极化状态的关系，而激光的偏振受真空窗的双向影响。该方法用于检测真空室10内真空窗的反射和激光的圆极^化程度。

该方法适用于荧光速率对激光极化状态敏感的任何原子或离子。此外，在演示用于准备纯圆形偏振光的同时，在了解真空窗的双极化的情况下，可以在真空室内准备激光的任意极化状态。因此，该方法对于广泛的实验非常有用。

Protocol

1. 设置偏振器 A 和 B 的参考方向将偏振器 A 和偏振器 B 放入激光束（280 nm 第四谐波激光器）路径中。通过仔细调整偏振器支架，确保激光束垂直于偏振器表面，以保持反反射光与射点光重合。注：光学元件的所有以下对齐过程必须遵循相同的规则。偏振器 A 和 B 在激光路径中的放置并不重要。它们之间的间距应该足够大，便于将来进行方便的调整。将功率计放在偏振?…

Representative Results

图 3 显示了实验的光束路径。图 3 a 中的偏振器 B 在角度初始化后被移除（图3b）。激光依次通过偏振器、HWP、QWP 和真空窗。激光的斯托克斯向量是，这是被?…

Discussion

本手稿描述了一种对真空窗的双反射和真空室内激光的极化状态进行原位测量的方法。通过调整 HWP 和 QWP （α 和 β）的分差角度，可以补偿真空窗（δ 和 α）的双反光效果，使真空室内的激光成为纯圆形偏振光。此时，真空窗口的双参照与HWP和QWP的二角之间存在明确的关系，从中可以推断出真空窗口的双参照。子角的测量误差影响双参照测量的精度。因此，在波板轴角步长的初始化中，步进电…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了中国国家重点研发计划（赠款2017YFA0304401）和中国国家自然科学基金（赠款号11774108，91336213和61875065）的部分支持。

Materials

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

Riferimenti

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Citazione di questo articolo

Yuan, W. H., Liu, H. L., Wei, W. Z., Ma, Z. Y., Hao, P., Deng, Z., Deng, K., Zhang, J., Lu, Z. H. In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using ²⁵Mg⁺ Fluorescence. J. Vis. Exp. (160), e61175, doi:10.3791/61175 (2020).