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

JoVE Journal > Engineering

Ingegneria

I Situ Måling af vakuumvinduet Birefringence med ²⁵mg⁺ fluorescens

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

Præsenteret her er en metode til at måle birefringence af vakuum vinduer ved at maksimere fluorescens tæller udsendes af Doppler afkølet ²⁵Mg⁺ ioner i en ion fælde. Den birefringence af vakuum vinduer vil ændre polarisering stater af laseren, som kan kompenseres ved at ændre azimuthal vinkler af eksterne bølge plader.

Abstract

Nøjagtig styring af polariseringsstaterne for laserlys er vigtig i præcisionsmålingsforsøg. I forsøg, der involverer brug af et vakuum miljø, stress-induceret birefringence effekt af vakuum vinduer vil påvirke polarisering tilstande af laserlys inde i vakuumsystemet, og det er meget vanskeligt at måle og optimere polarisering stater laserlys in situ. Formålet med denne protokol er at demonstrere, hvordan man optimerer polarisering tilstande af laserlys baseret på fluorescens af ioner i vakuumsystemet, og hvordan man beregner birefringence af vakuum vinduer baseret på azimuthal vinkler af eksterne bølge plader med Mueller matrix. Fluorescensen ^{på 25}Mg⁺ ioner fremkaldt af laserlys, der er resonant med overgangen på |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2,F=3, m_F = 3er følsom over for laserlysets polariseringstilstand, og maksimal fluorescens vil blive observeret med rent cirkulært polariseret lys. En kombination af halvbølgeplade (HWP) og kvartbølgeplade (QWP) kan opnå vilkårlig fasehæmning og bruges til at kompensere for vakuumvinduets bifræsende dannelse. I dette eksperiment er laserlysets polariseringstilstand optimeret baseret på fluorescensen ^{af 25}Mg⁺ ion med et par HWP og QWP uden for vakuumkammeret. Ved at justere azimuthal vinkler af HWP og QWP for at opnå maksimal ion fluorescens, kan man opnå en ren cirkulært polariseret lys inde i vakuumkammeret. Med oplysningerne om azimuthal vinkler af den eksterne HWP og QWP, kan birefringence af vakuum vinduet bestemmes.

Introduction

På mange forskningsområder som^{koldatoksperimenter 1}, måling af det elektriske dipoløjepunkt², test af paritet-nonconservation³, måling af vakuumbirefringence⁴, optiske^{ure 5}, kvanteoptikforsøg⁶og flydende krystalundersøgelse⁷, er det vigtigt præcist at måle og præcist kontrollere polariseringsstaterne for laserlys.

I forsøg, der involverer brug af et vakuum miljø, stress-induceret birefringence effekt af vakuum vinduer vil påvirke polarisering tilstande af laserlys. Det er ikke muligt at sætte en polarisering analysator inde i vakuumkammeret til direkte at måle polarisering stater laserlys. En løsning er at bruge atomer eller ioner direkte som en in situ polarisering analysator til at analysere birefringence af vakuum vinduer. Vektorlysets skift af Cs-atomer⁸ er følsomme over for graden af lineær polarisering af forekomsten laserlys⁹. Men denne metode er tidskrævende og kan kun anvendes på den lineært polariserede laserlys detektion.

Præsenteret er en ny, hurtig, præcis, in situ metode til at bestemme polarisering tilstande af laserlys inde i vakuumkammer baseret på maksimering enkelt ²⁵Mg⁺ fluorescens i en ionfælde. Metoden er baseret på forholdet mellem ionfluorescens til polarisering stater laserlys, som er påvirket af birefringence af vakuum vinduet. Den foreslåede metode anvendes til påvisning af birefringence af vakuum vinduer og grader af cirkulær polarisering af laserlys inde i et vakuumkammer¹⁰.

Metoden gælder for alle atomer eller ioner, hvis fluorescenshastighed er følsom over for polarisering tilstande af laserlys. Desuden, mens demonstrationen bruges til at forberede en ren cirkulært polariseret lys, med viden om birefringence af vakuum vinduet, vilkårlige polarisering tilstande af laserlys kan forberedes inde i vakuumkammeret. Derfor er metoden ganske nyttig til en bred vifte af eksperimenter.

Protocol

1. Opsætning af referenceanvisningerne for polarisatorer A og B Sæt polarisator A og polarisator B ind i laserstrålen (280 nm fjerde harmoniske laser) sti. Sørg for, at laserstrålen er vinkelret på polarisatorernes overflader ved omhyggeligt at justere polarisatorholderne for at holde baggrundsreflekslampen sammenfaldende med hændelseslyset.BEMÆRK: Alle følgende justeringsprocedurer for optikkomponenterne skal følge samme regel. Placeringen af polarisator A og B i laserstien er ikke vigt…

Representative Results

Figur 3 viser eksperimentets strålebane. Polarisator B i figur 3a fjernes efter vinkelinalisering (Figur 3b). Laseren passerede gennem en polarisator, en HWP, en QWP, og vakuum vinduet, sekventielt. Den Stokes vektor af laser er, hvor <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upl…

Discussion

Dette manuskript beskriver en metode til at udføre in situ måling af birefringence af vakuum vinduet og polarisering stater laserlys inde i vakuumkammeret. Ved at justere azimuthal vinkler af HWP og QWP (α og β), effekten af birefringence af vakuum vinduet (δ og θ) kan kompenseres, således at laseren inde i vakuumkammeret er en ren cirkulært polariseret lys. På dette tidspunkt, der findes en klar sammenhæng mellem birefringence af vakuum vinduet og azimuthal vinkler af HWP og QWP, hvorfra vi kan udlede birefrin…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev delvist støttet af National Key F&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304401) og National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11774108, 91336213 og 61875065).

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

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

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).