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

Summary

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.

Abstract

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 25}Mg⁺ joner som framkallas av laserljus som är resonant med övergången av |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → | 3²S_1/2,F = 3, m_F = 3är känslig för   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 25}Mg⁺ 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.

Introduction

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.

Protocol

1. Ställ in referensriktningarna för polarisationsfilter A och B Sätt polarisationsfilter A och polarisator B i laserstrålen (280 nm fjärde harmonisk laser) väg. 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…

Representative Results

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 , där är den <img align="center" alt="Equation" sr…

Discussion

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 …

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