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

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

²⁵Mg⁺ Floresan Kullanılarak Vakum Pencere Birefringence Yerinde Ölçümü

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

Burada sunulan bir iyon kapanı içinde ²⁵Mg⁺ iyonları soğutulmuş Doppler tarafından yayılan floresan sayıları maksimize ederek vakum pencerelerin birefringence ölçmek için bir yöntemdir. Vakum pencerelerin birefringence dış dalga plakaları azimuthal açıları değiştirerek telafi edilebilir lazer, polarizasyon durumları değişecektir.

Abstract

Hassas ölçüm deneylerinde lazer ışığının polarizasyon durumlarının doğru kontrolü önemlidir. Vakum ortamının kullanımını içeren deneylerde, vakum pencerelerinin strese bağlı kuşafringence etkisi vakum sistemi içinde lazer ışığının polarizasyon durumlarını etkileyecek ve lazer ışığının polarizasyon durumlarını yerinde ölçmek ve optimize etmek çok zordur. Bu protokolün amacı, vakum sistemindeki iyonların floresansına dayalı lazer ışığının polarizasyon durumlarını nasıl optimize edilebildiğini ve Mueller matrisi ile harici dalga plakalarının azimuthal açılarına dayalı vakum pencerelerinin birefringencenasıl hesaplanacağını göstermektir. |3²P_3/2,F = 4, m_F = 4 → geçişi ile rezonansa neden olan lazer ışığıile indüklenen ²⁵Mg⁺ iyonların floresansı | 3²S_1/2,F = 3, m_F = 3lazer ışığının polarizasyon durumuna duyarlıdır ve maksimum floresan saf dairesel polarize ışıkla gözlenir. Yarım dalga plakası (HWP) ve çeyrek dalga plakası (QWP) kombinasyonu rasgele faz geriliği elde edebilir ve vakum penceresinin birefringence telafi etmek için kullanılır. Bu deneyde, lazer ışığının polarizasyon durumu vakum odası dışında HWP ve QWP bir çift ile ²⁵Mg⁺ iyon floresandayalı optimize edilmiştir. Maksimum iyon floresanelde etmek için HWP ve QWP azimuthal açıları ayarlayarak, bir vakum odası içinde saf dairesel polarize ışık elde edebilirsiniz. Harici HWP ve QWP azimuthal açıları hakkında bilgi ile, vakum penceresinin birefringence belirlenebilir.

Introduction

Soğuk atom deneyleri gibi birçok araştırma alanında¹, elektrik dipol moment in ölçümü², parite-nonconservation 3 testi^,vakum birefringence ölçümü⁴, optik saatler⁵, kuantum optik deneyleri⁶, ve sıvı kristal çalışma⁷, lazer ışığının polarizasyon durumlarını tam olarak ölçmek ve doğru bir şekilde kontrol etmek önemlidir.

Bir vakum ortamının kullanımını içeren deneylerde, vakum pencerelerin strese bağlı birefringence etkisi lazer ışığının polarizasyon durumlarını etkileyecektir. Lazer ışığının polarizasyon durumlarını doğrudan ölçmek için vakum odasının içine bir polarizasyon analizörü koymak mümkün değildir. Bir çözüm vakum pencerelerin birefringence analiz etmek için doğrudan bir in situ polarizasyon analizörü olarak atomlar veya iyonlar kullanmaktır. Cs atomlarının vektör ışık kaymaları⁸ insidans lazer ışığının doğrusal polarizasyon derecelerine duyarlıdır⁹. Ama bu yöntem zaman alıcı ve sadece doğrusal polarize lazer ışık algılama uygulanabilir.

Sunulan bir iyon kapanı tek ²⁵Mg⁺ floresan maksimize dayalı vakum odası içinde lazer ışığının polarizasyon durumunu belirlemek için yeni, hızlı, hassas, yerinde yöntemidir. Yöntem, iyon floresanının vakum penceresinin birefringence’ından etkilenen lazer ışığının polarizasyon durumları ile olan ilişkisine dayanmaktadır. Önerilen yöntem vakum pencereleri ve bir vakum odası içinde lazer ışığıdairesel polarizasyon derecebirefringence tespit etmek için kullanılır¹⁰.

Bu yöntem, floresan hızı lazer ışığının polarizasyon durumlarına duyarlı olan tüm atom veya iyonlar için geçerlidir. Buna ek olarak, gösteri saf dairesel polarize ışık hazırlamak için kullanılırken, vakum penceresinin birefringence bilgisi ile, lazer ışık keyfi polarizasyon durumları vakum odası içinde hazırlanabilir. Bu nedenle, yöntem deneyler geniş bir yelpazede için oldukça yararlıdır.

Protocol

1. Polarize A ve B için referans yönergelerini ayarlayın Lazer ışını (280 nm dördüncü harmonik lazer) yoluna polarize A ve polarize B koyun. Lazer ışınının polarize lerin yüzeylerine dik olduğundan emin olun ve polarize tutucuları dikkatlice ayarlayarak arka yansıma ışığının olay ışığıyla çakışmasını sağlayın.NOT: Optik bileşenleri için aşağıdaki tüm hizalama yordamları aynı kurala uymalıdır. Polarize A ve B’nin lazer yoluna yerleştirilmesi önemli d…

Representative Results

Şekil 3 deneyin ışın yolunu gösterir. Şekil 3 a’dakia polarizatör B açı başlatmadan sonra çıkarılır (Şekil 3b). Lazer bir polarize geçti, bir HWP, bir QWP, ve vakum penceresi, sırayla. Lazerin Stokes vektörü <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upload/61175…

Discussion

Bu el yazması, vakum penceresinin birefringence ve vakum odası içinde lazer ışığının polarizasyon durumları yerinde ölçüm gerçekleştirmek için bir yöntem açıklar. HWP ve QWP ‘nin (α ve β) azimuthal açıları ayarlayarak, vakum penceresinin (δ ve β) birefringence etkisi dengelenebilir, böylece vakum odası içindeki lazer saf dairesel polarize Bir ışıktır. Bu noktada, vakum penceresinin birefringence ve HWP ve QWP azimuthal açıları arasında kesin bir ilişki var, hangi biz vakum penceresin…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma kısmen Çin Ulusal Anahtar Ar-Ge Programı (Grant No. 2017YFA0304401) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant No. 11774108, 91336213 ve 61875065) tarafından desteklenmiştir.

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

References

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

Cite This Article

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).