في الموقع قياس الفراغ نافذة Birefringence باستخدام 25ملغ+ 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

يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

في الموقع قياس الفراغ نافذة Birefringence باستخدام ²⁵ملغ⁺ Fluorescence

3.6K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/61175

⸱

يونيو 13, 2020

W. H. Yuan¹ , H. L. Liu¹ , W. Z. Wei¹ , Z. Y. Ma¹ , P. Hao¹ , Z. Deng¹ , K. Deng¹ , J. Zhang¹ , Z. H. Lu¹

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

في هذه المقالة

ملخص

قدم هنا هو طريقة لقياس birefringence من النوافذ فراغ عن طريق تعظيم العد الفلوريسنس المنبعثة من دوبلر تبريد ²⁵ملغ⁺ أيونات في فخ أيونات. سوف birefringence من النوافذ فراغ تغيير حالات الاستقطاب من الليزر، والتي يمكن تعويضها عن طريق تغيير زوايا السماتال من لوحات الموجة الخارجية.

الملخص

التحكم الدقيق في حالات الاستقطاب من ضوء الليزر مهم في تجارب القياس الدقيق. في التجارب التي تنطوي على استخدام بيئة فراغ، وتأثير birefringence الناجم عن الإجهاد من النوافذ فراغ سوف تؤثر على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر داخل نظام فراغ، وأنه من الصعب جدا لقياس وتحسين حالات الاستقطاب من ضوء الليزر في الموقع. الغرض من هذا البروتوكول هو توضيح كيفية تحسين حالات الاستقطاب من ضوء الليزر على أساس الفلوريس من الأيونات في نظام فراغ، وكيفية حساب birefringence من النوافذ فراغ على أساس زوايا azimuthal من لوحات موجة خارجية مع مصفوفة مولر. الفلور من ²⁵ملغ⁺ أيونات الناجمة عن ضوء الليزر الذي هو صدى مع انتقال |3²ف_3/2، F = 4 ، م_F = 4 figure-abstract-1 → | 3²S_1/2،F =3، م_F = 3حساس لحالة الاستقطاب من ضوء figure-abstract-2 الليزر، وسوف يتم مراعاة الحد الأقصى من الفلوريسنس مع ضوء مستقطب دائري خالص. ويمكن أن يحقق مزيج من صفيح نصف الموجة (HWP) ولوحة ربع الموجة (QWP) تخلفاً تعسفياً في المرحلة ويستخدم لتعويض birة نافذة الفراغ. في هذه التجربة، يتم تحسين حالة الاستقطاب من ضوء الليزر على أساس الفلوريسنس ^{من 25}ملغ⁺ أيون مع زوج من HWP و QWP خارج غرفة فراغ. عن طريق ضبط زوايا azimuthal من HWP وQWP للحصول على أقصى قدر من الفلورية الأيونية، يمكن للمرء الحصول على ضوء مستقطب دائرياً خالص داخل غرفة الفراغ. مع المعلومات عن زوايا azimuthal من HWP الخارجي وQWP، يمكن تحديد birefringence من نافذة فراغ.

المقدمة

في العديد من المجالات البحثية مثل تجارب الذرة الباردة¹، وقياس ثنائي القطب الكهربائية لحظة²، اختبار التكافؤ - nonconservation³، وقياس الفراغ birefringence⁴، الساعات البصرية⁵، الكم البصريات التجارب⁶، والكريستال السائل الدراسة⁷، من المهم أن نقيس بدقة وبدقة السيطرة على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر.

في التجارب التي تنطوي على استخدام بيئة فراغ، وتأثير birefringence الناجم عن الإجهاد من النوافذ فراغ سوف تؤثر على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر. ليس من الممكن وضع محلل الاستقطاب داخل غرفة الفراغ لقياس حالات الاستقطاب مباشرة من ضوء الليزر. أحد الحلول هو استخدام الذرات أو الأيونات مباشرة كمحلل استقطاب في الموقع لتحليل البيرة من النوافذ الفراغية. ناقلات تحولات الضوء من ذرات CS⁸ حساسة لدرجات الاستقطاب الخطي للإصابة ضوء الليزر⁹. ولكن هذه الطريقة تستغرق وقتا طويلا ويمكن تطبيقها فقط على كشف ضوء الليزر المستقطبة خطيا.

قدم هو طريقة جديدة وسريعة ودقيقة في الموقع لتحديد حالات الاستقطاب من ضوء الليزر داخل غرفة فراغ على أساس تعظيم واحد ²⁵ملغ⁺ fluorescence في فخ أيون. ويستند الأسلوب على علاقة الفلورية أيون إلى حالات الاستقطاب من ضوء الليزر، الذي يتأثر birefringence من نافذة فراغ. يتم استخدام الطريقة المقترحة للكشف عن birefringence من النوافذ فراغ ودرجات الاستقطاب الدائري من ضوء الليزر داخل فراغ غرفة^10.

الطريقة قابلة للتطبيق على أي ذرات أو أيونات يكون معدل الفلورس حساسة لحالة الاستقطاب من ضوء الليزر. وبالإضافة إلى ذلك، في حين يتم استخدام المظاهرة لإعداد ضوء مستقطب دائريا نقية، مع معرفة birefringence من نافذة فراغ، يمكن إعداد حالات الاستقطاب التعسفي من ضوء الليزر داخل غرفة فراغ. لذلك ، فإن الأسلوب مفيد للغاية لمجموعة واسعة من التجارب.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد الاتجاهات المرجعية للمستقطبين A و B

وضع المستقطب A والمستقطب B في شعاع الليزر (280 نانومتر الرابع ليزر التوافقي) المسار.
تأكد من أن شعاع الليزر عمودي على أسطح المستقطبات عن طريق ضبط أصحاب المستقطب بعناية للحفاظ على ضوء الانعكاس الخلفي بالتزامن مع ضوء الحادث.
ملاحظة: يجب أن تتبع كافة إجراءات المحاذاة التالية لمكونات البصريات نفس القاعدة. وضع المستقطب A و B في مسار الليزر ليست مهمة. وينبغي أن تكون المسافات بينهما كبيرة بما يكفي لتعديل مريحة في المستقبل.
وضع متر السلطة وراء المستقطب A وتدوير المستقطب لتعظيم قوة الانتاج. تعريف زاوية السمتثال (انظر النتائج والمناقشة) من المحور البصري للمستقطب A كـ 0°. تعريف اتجاه عقارب الساعة كإتجاه إيجابي واتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة كإتجاه سلبي عند المراقبة على طول اتجاه انتشار الضوء.
1. استخدام مرحلة دوران المحرك السائر لعقد المستقطب A ووضع متر السلطة وراء المستقطب A لتسجيل زوايا التناوب والقوى الليزر الناتج. تناسب زاوية مقابل منحنى السلطة مع وظيفة الجيوب الأنفية; أقصى موقف قوة الانتاج من المستقطب A هو 0 ° موقف زاوية azimuthal.
وضع متر السلطة وراء المستقطب B وتدوير المستقطب B لتحقيق أقصى قدر من قوة الانتاج. زاوية السماتال للمحور البصري للمستقطب B ثم أيضا 0 درجة.
1. استخدام آخر stepper مرحلة دوران المحرك لعقد المستقطب B ووضع متر السلطة وراء المستقطب B لتسجيل زوايا التناوب والقوى الليزر الناتج. تناسب زاوية مقابل منحنى السلطة مع وظيفة الجيوب الأنفية; الحد الأقصى لموقف قوة الانتاج من المستقطب B هو 0 ° موقف زاوية azimuthal (انظر الشكل 1).

2. إعداد الاتجاهات المرجعية لزوايا السمتال من لوحات الموج

وضع HWP في مسار شعاع بين المستقطب A والمستقطب B وتدوير HWP لتحقيق أقصى قدر من قوة الانتاج. ثم تكون زاوية السماتال للمحور البصري للمحور HWP 0 درجة.
1. استخدام مرحلة دوران المحرك السائر لعقد HWP ووضع متر السلطة وراء المستقطب B لتسجيل زوايا التناوب والقوى الليزر الناتج. تناسب زاوية مقابل منحنى السلطة مع وظيفة الجيوب الأنفية; أقصى موقف قوة الناتج من HWP هو 0 ° زاوية azimuthal.
ضع QWP في مسار الحزمة بين HWP والمستقطب B ، قم بتدوير QWP لتحقيق أقصى قدر من قوة الإخراج. ثم تكون زاوية السماتال للمحور البصري لبرنامج عمل QWP 0 درجة.
1. استخدام مرحلة دوران المحرك السائر لعقد QWP ووضع متر السلطة وراء المستقطب B لتسجيل زوايا التناوب والقوى الليزر الناتج. تناسب زاوية مقابل منحنى السلطة مع وظيفة الجيوب الأنفية; أقصى موقف قوة الناتج من QWP هو 0 ° موضع زاوية azimuthal.
إزالة المستقطب B ومتر الطاقة من مسار شعاع. استخدام اثنين من المرايا لتوجيه شعاع الليزر في غرفة فراغ التي تضم فخ أيون للتفاعل مع ²⁵ملغ⁺ أيونات.
ملاحظة: يجب أن يكون اتجاه الانتشار بالليزر على طول اتجاه المجال المغناطيسي داخل غرفة الفراغ. ويستخدم حقل مغناطيسي لتحديد محور تكميم الأيونات.

3. دوبلر تبريد واحد ²⁵ملغ⁺ أيونات

بدوره على الليزر الاجتثاث 532 نانومتر، وهو ليزر Nd:YAG مبدلة Q. معدل التكرار هو 1 كيلو هرتز، مع طاقة نبضية تبلغ 150 ميكرو جي. يشع الليزر الاستئصال سطح هدف سلك المغنيسيوم داخل غرفة الفراغ، ثم يتم إخراج ذرات المغنيسيوم (ملغ) من السطح المستهدف.
ملاحظة: يجب تشغيل مصدر الطاقة الملائمة الأيونية.
في الوقت نفسه، بدوره على ليزر المؤينة 285 نانومتر إلى ذرات ملغ المتأينة. الليزر التأين هو ليزر التوافقي الرابع مع قوة انتاج 1 ميغاواط. سوف الليزر التأين تضيء مركز فخ أيون.
تأكد من وجود أيون واحد فقط في فخ أيون من خلال النظر إلى صورة جهاز إلكترون مضروبة مشحونة (EMCCD). يتم عرض صورة مثال تظهر الأيونات المحاصرة في الشكل 2. كل بقعة مضيئة هي أيون واحد. إذا كان هناك أكثر من أيون واحد في الفخ، إيقاف إمدادات الطاقة من فخ أيونات لإطلاق الأيونات. ثم كرر الخطوات 3.1-3.2 حتى واحد فقط (أي، واحد) أي أيون محاصرين.
ملاحظة: يتكون نظام التصوير محلي الصنع من EMCCD من أربع عدسات، والتكبير هو 10x. التباعد الأيوني حوالي 2-10 ميكرومتر والتباعد بكسل من EMCCD هو 16 μm. ولذلك يمكن استخدام نظام الإدارة البيئية - الاقتصادي- التكدّي لتحديد وجود أيون واحد.
تعيين المجال المغناطيسي ليكون 6.5 غاوس عن طريق ضبط تيار لفائف هيلمهولتز. يتم قياس المجال المغناطيسي من خلال مقارنة الترددات المختلفة بين الانتقالات الحالة الأرضية اثنين، و . للحصول على تفاصيل الطريقة يرجى الرجوع^11.

4. قفل 280 نانومتر دوبلر تبريد تردد الليزر إلى الطول الموجي متر¹²

مسح تردد الليزر 280 نانومتر وعد أرقام الفوتون الفلوري التي تم جمعها بواسطة أنبوب مضاعف فوتون (PMT) بواسطة عداد التردد. في الوقت نفسه، تسجيل تردد الليزر باستخدام متر الطول الموجي. أوجد التردد الرنان_{ν 0} حيث يصل معدل الفلوريسين إلى الحد الأقصى.
ملاحظة: سوف يزيد عدد الفلوريسنس عندما يتحرك تردد الليزر بالقرب من تردد الرنانة الأيونية وسيصل إلى حد أقصى عند التردد الرنان.
قفل تردد الليزر إلى متر الطول الموجي باستخدام برنامج التحكم في جهاز التحكم الرقمي الذي يتم تشغيله على جهاز كمبيوتر مصاحب. انقر على زر القفل على واجهة البرنامج الرسومية عندما يظهر متر الطول الموجي قراءة .

5. تعيين شدة الليزر على قدم المساواة كثافة التشبع¹²

تغيير قوة الليزر عن طريق ضبط قوة القيادة من acousto البصرية-المغير (AOM)، والذي يستخدم في مسار شعاع لتغيير تردد وقوة الليزر. سجل القوة و العد المفلور.
تناسب منحنى السلطة والفلوريسنس العد مع المعادلة (6) ، والحصول على قوة التشبع.
تعيين قوة الليزر إلى عن طريق ضبط قوة القيادة من AOM.

6. قياس birefringence من نافذة فراغ.

وبالمثل، قم بضبط الزوايا السمتة لـ HWP و QWP لزيادة عدد الفلوريس. سجل زوايا السمتال في HWP و QWP في الحد الأقصى للعد، والتي α β.
1. استخدم مراحل دوران المحرك السائر لتدوير HWP و QWP وتسجيل زوايا الدوران وعدد الفلوريسنس المقابل.
استخدم المعادلة (4) والمعادلة (5) لحساب birة نافذة الفراغ و.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويبين الشكل 3 مسار شعاع التجربة. تتم إزالة المستقطب B في الشكل 3أ بعد تهيئة الزاوية (الشكل 3b). وقد مر الليزر عبر مستقطب، وHWP، وQWP، ونافذة الفراغ، بالتسلسل. متجه ستوكس من الليزر هو figure-results-1 ، أين هو السلطة الليزر figure-results-2 تطبيع...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تصف هذه المخطوطة طريقة لإجراء قياس في الموقع ل birefringence من نافذة الفراغ والدول الاستقطاب من ضوء الليزر داخل غرفة الفراغ. عن طريق ضبط زوايا السمتال من HWP وQWP (α و β)، يمكن تعويض تأثير birefringence من نافذة فراغ (δ و حاد) بحيث الليزر داخل غرفة فراغ هو ضوء مستقطب دائريا نقية. عند هذه النقطة، هناك علاقة محددة بين birefringence من نافذة فراغ وزوايا السمينة من HWP وQWP، والتي يمكننا أن نستنتج من birefringence من نافذة فراغ. تؤثر أخطاء القياس في زوايا السمتثال على دقة قياس البيرفريننس. لذلك، في تهيئة خطوة زاوية azimutha...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

وقد دعم هذا العمل جزئياً برنامج الصين الوطني للبحث والتطوير (منحة رقم 2017YFA0304401) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة رقم 11774108 و91336213 و61875065).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
280 نانومتر دوبلر ليزر تبريد	Toptica	SYST DL-FHG PRO 280	ليزر تبريد دوبلر
285 نانومتر ليزر تأين	Toptica	SYST DL-FHG PRO 285	ليزر التأين
الاستئصال	Changchun New Industries تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية	EL-532-1.5W	Q-switched Nd: YAG ليزر
AOM	Gooch & Housego	AOMO 3200-1220	wavelengh وصولا إلى 257 نانومتر
EMCCD كاميرا	Andor	iXon3 897	تصوير ^{25< / sup>Mg^{+ < / sup> في مصيدة أيون}}
Glan-Taylor المستقطب	الاتحاد البصري	نسبة التمييز المخصصة	1e-6
نصف لوحة موجية	الاتحاد البصري	مخصص	مصنوع من الكوارتز
فوتون أنبوب مضاعف	Hamamatsu	H8259-09	عد الفلورسنت
عداد الطاقة	Thorlabs	PM100D	شاشة طاقة الليزر
ربع لوحة موجية	الاتحاد البصري	مخصص	مصنوع من الكوارتز
مرآة	الاتحاد البصري	مخصص	عازل مطلي ل 280 نانومتر
مرحلة دوران محرك السائر	Thorlabs	K10CR1 / M	لوحات الموجة
الدوارة غرفة	فراغكيمبال الفيزياء	MCF800-SphSq-G2E4C4	مصنوعة من التيتانيوم
فراغ نافذة	الاتحاد البصرية	مخصص	مصنوعة من السيليكا المنصهرة

ليزر

المراجع

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. , Oxford University Press. New York. (2000).
Hu, Z. K., et al. Demonstration of an ultrahigh-sensitivity atom-interferometry absolute gravimeter. Physical Review A. 88 (4), 043610(2013).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

في الموقع قياس الفراغ نافذة Birefringence باستخدام 25ملغ+ Fluorescence