In Situ Måling av Vakuum Vindu Birefringence ved hjelp av 25Mg+ Fluorescence

Summary

Presentert her er en metode for å måle birefringence av vakuumvinduer ved å maksimere fluorescens teller som slippes ut av Doppler avkjølt ²⁵Mg⁺ ioner i en iion felle. Birefringence av vakuumvinduer vil endre polariseringsstatene til laseren, som kan kompenseres ved å endre azimuthal vinkler av eksterne bølgeplater.

Abstract

Nøyaktig kontroll av polariseringsstatene til laserlys er viktig i presisjonsmålingseksperimenter. I eksperimenter som involverer bruk av et vakuummiljø, vil den stressinduserte birefringence effekten av vakuumvinduene påvirke polariseringsstatene til laserlys inne i vakuumsystemet, og det er svært vanskelig å måle og optimalisere polariseringsstatene til laserlyset in situ. Formålet med denne protokollen er å demonstrere hvordan man optimaliserer polariseringsstatene til laserlyset basert på fluorescensen av ioner i vakuumsystemet, og hvordan man beregner birefringens av vakuumvinduer basert på azimuthal vinkler av eksterne bølgeplater med Mueller matrise. Fluorescensen av ²⁵Mg⁺ ioner indusert av laserlys som er resonans med overgangen på |3²P_3/2,F= 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2,F =3, m_F = 3er følsom for   polariseringstilstanden til laserlyset, og maksimal fluorescens vil bli observert med rent sirkulært polarisert lys. En kombinasjon av halvbølgeplate (HWP) og kvartbølgeplate (QWP) kan oppnå vilkårlig fasehemming og brukes til å kompensere brefringens av vakuumvinduet. I dette eksperimentet er polariseringstilstanden til laserlyset optimalisert basert på fluorescensen ^{på 25}Mg⁺ ion med et par HWP og QWP utenfor vakuumkammeret. Ved å justere azimuthal-vinklene til HWP og QWP for å oppnå maksimal ionfluorescens, kan man oppnå et rent sirkulært polarisert lys inne i vakuumkammeret. Med informasjon om azimuthal vinkler av den eksterne HWP og QWP, kan birefringence av vakuumvinduet bestemmes.

Introduction

I mange forskningsfelt som kaldt atom eksperimenter¹, måling av elektrisk dipole øyeblikk², test av paritet-nonconservation³, måling av vakuum birefringence⁴, optiske klokker⁵, quantum optikk eksperimenter⁶, og flytende krystall^{studie 7}, er det viktig å nøyaktig måle og nøyaktig kontrollere polarisering tilstander av laserlys.

I eksperimenter som involverer bruk av et vakuummiljø, vil den stressinduserte birefringence effekten av vakuumvinduer påvirke polariseringsstatene til laserlys. Det er ikke mulig å sette en polariseringsanalysator inne i vakuumkammeret for å måle polariseringsstatene til laserlyset direkte. En løsning er å bruke atomer eller ioner direkte som en in situ polariseringsanalysator for å analysere birefringence av vakuumvinduer. Vektorlysskiftene til Cs^{atomer 8} er følsomme for grader av lineær polarisering av forekomsten laserlys⁹. Men denne metoden er tidkrevende og kan bare brukes på den lineært polariserte laserlysdeteksjonen.

Presentert er en ny, rask, presis, in situ metode for å bestemme polariseringsstatene til laserlys inne i vakuumkammeret basert på å maksimere ^{enkelt 25}Mg⁺ fluorescens i en iionfelle. Metoden er basert på forholdet mellom imningsfluorescens til polariseringsstatene til laserlyset, som påvirkes av birefringence av vakuumvinduet. Den foreslåtte metoden brukes til å oppdage birefringence av vakuumvinduer og grader av sirkulær polarisering av laserlys inne i et^{vakuumkammer 10}.

Metoden gjelder for eventuelle atomer eller ioner hvis fluorescenshastighet er følsom for polariseringsstatene til laserlys. I tillegg, mens demonstrasjonen brukes til å forberede et rent sirkulært polarisert lys, med kunnskap om birefringence av vakuumvinduet, kan vilkårlig polariseringsstater av laserlys tilberedes inne i vakuumkammeret. Derfor er metoden ganske nyttig for et bredt spekter av eksperimenter.

Protocol

1. Sett opp referanseretningene for polarisatorer A og B Sett polarisator A og polarisator B inn i laserstrålen (280 nm fjerde harmoniske laser) banen. Sørg for at laserstrålen er vinkelrett på overflatene på polarisatorene ved å justere polarisatorholderne nøye for å holde bakreflekslyset sammenfallende med hendelseslyset.MERK: Alle følgende justeringsprosedyrer for optikkkomponentene må følge samme regel. Plassering av polarisator A og B i laserbanen er ikke viktig. Avstanden mellom d…

Representative Results

Figur 3 viser strålebanen til eksperimentet. Polarisator B i figur 3a fjernes etter initialisering av vinkel (figur 3b). Laseren passerte gjennom en polarisator, en HWP, en QWP, og vakuumvinduet, sekvensielt. Stokes vektor av laser er, hvor <img align="center" alt="Equation" src="/files/f…

Discussion

Dette manuskriptet beskriver en metode for å utføre in situ måling av birefringence av vakuumvinduet og polariseringsstatene til laserlyset inne i vakuumkammeret. Ved å justere azimuthal-vinklene til HWP og QWP (α og β), kan effekten av birefringence av vakuumvinduet (δ og θ) kompenseres slik at laseren inne i vakuumkammeret er et rent sirkulært polarisert lys. På dette punktet finnes det en klar sammenheng mellom birefringence av vakuumvinduet og azimuthal vinkler av HWP og QWP, som vi kan utlede birefringence…

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