Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Pomiar in situ dwójłomności okna próżniowego przy użyciu fluorescencji 25Mg+

3.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61175

⸱

13 czerwca 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiona tutaj jest metoda pomiaru dwójłomności okien próżniowych poprzez maksymalizację liczby fluorescencji emitowanych przez chłodzone dopplerowskie jony 25Mg+ w pułapce jonowej. Dwójłomność okien próżniowych zmieni stany polaryzacji lasera, które można skompensować poprzez zmianę kątów azymutalnych zewnętrznych płytek falowych.

Streszczenie

Precyzyjna kontrola stanów polaryzacji światła laserowego jest istotna w eksperymentach z zakresu pomiarów precyzyjnych. W doświadczeniach z wykorzystaniem środowiska próżniowego efekt dwójłomności indukowanej naprężeniami w oknach próżniowych wpływa na stany polaryzacji światła laserowego wewnątrz układu próżniowego, co sprawia, że pomiar i optymalizacja stanów polaryzacji światła laserowego in situ jest bardzo trudna. Celem niniejszego protokołu jest zaprezentowanie sposobu optymalizacji stanów polaryzacji światła laserowego w oparciu o fluorescencję jonów w układzie próżniowym oraz metody obliczania dwójłomności okien próżniowych na podstawie kątów azymutalnych zewnętrznych płytek falowych z wykorzystaniem macierzy Muellera. Fluorescencja 25Mg+ jony indukowane światłem laserowym rezonansowym z przejściem |32P3/2,F = 4, mF = 4Równowaga statyczna; ΣFx=0, MA=0; schemat; analiza fizyczna, wektory sił, warunek równowagi. → |32S1/2,F = 3, mF = 3Równowaga statyczna; ΣFx=0, MA=0; schemat; analiza fizyczna, wektory sił, warunek równowagi. jest czułe na stan polaryzacji światła laserowego, a maksymalna fluorescencja zostanie zaobserwowana przy czysto kołowej polaryzacji światła. Kombinacja płytki półfalowej (HWP) i płytki ćwierćfalowej (QWP) pozwala na uzyskanie dowolnego przesunięcia fazowego i jest wykorzystywana do kompensacji dwójłomności okna próżniowego. W niniejszym doświadczeniu stan polaryzacji światła laserowego jest optymalizowany na podstawie fluorescencji 25Mg+ jon z parą płyt ćwierćfalowych (QWP) i półfalowych (HWP) znajdujących się poza komorą próżniową. Poprzez dostrojenie kątów azymutalnych HWP i QWP w celu uzyskania maksymalnej fluorescencji jonu, można uzyskać czyste światło spolaryzowane kołowo wewnątrz komory próżniowej. Na podstawie informacji o kątach azymutalnych zewnętrznych HWP i QWP można wyznaczyć dwójłomność okna próżniowego.

Wprowadzenie

W wielu dziedzinach badawczych, takich jak eksperymenty z zimnymi atomami1, pomiar elektrycznego momentu dipolowego2, test parzystości-niekonserwacji3, pomiar dwójłomności próżni4, zegary optyczne5, eksperymenty z optyką kwantową6, oraz badanie ciekłokrystaliczne7, ważne jest, aby precyzyjnie mierzyć i dokładnie kontrolować stany polaryzacji światła laserowego.

W eksperymentach wykorzystujących środowisko próżniowe, efekt dwójłomności wywołany naprężeniem okien próżniowych wpłynie na stany polaryzacji światła laserowego. Nie jest możliwe umieszczenie analizatora polaryzacji w komorze próżniowej w celu bezpośredniego pomiaru stanów polaryzacji światła laserowego. Jednym z rozwiązań jest użycie atomów lub jonów bezpośrednio jako analizatora polaryzacji in situ do analizy dwójłomności okien próżniowych. Przesunięcia światła wektorowego atomów Cs8 są wrażliwe na stopnie polaryzacji liniowej padającego światła laserowego9. Ale ta metoda jest czasochłonna i może być zastosowana tylko do liniowo spolaryzowanego wykrywania światła laserowego.

Prezentowana jest nowa, szybka, precyzyjna, metoda in situ do określania stanów polaryzacji światła laserowego wewnątrz komory próżniowej w oparciu o maksymalizację pojedynczej fluorescencji 25Mg+ w pułapce jonowej. Metoda opiera się na związku fluorescencji jonów ze stanami polaryzacji światła laserowego, na które wpływa dwójłomność okna próżniowego. Proponowana metoda służy do wykrywania dwójłomności okien próżniowych i stopni kołowej polaryzacji światła laserowego wewnątrz komory próżniowej10.

Metoda ma zastosowanie do wszystkich atomów lub jonów, których szybkość fluorescencji jest wrażliwa na stany polaryzacji światła laserowego. Ponadto, podczas gdy demonstracja służy do przygotowania czystego światła spolaryzowanego kołowo, dzięki wiedzy o dwójłomności okna próżniowego, wewnątrz komory próżniowej można przygotować dowolne stany polaryzacji światła laserowego. Dlatego metoda ta jest bardzo przydatna w szerokim zakresie eksperymentów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Ustawienie kierunków referencyjnych dla polaryzatorów A i B

  1. Umieść polaryzator A oraz polaryzator B na drodze wiązki laserowej (laser czwartej harmonicznej 280 nm).
  2. Upewnij się, że wiązka laserowa jest prostopadła do powierzchni polaryzatorów, uważnie regulując uchwyty polaryzatorów tak, aby światło odbite wstecz pokrywało się ze światłem padającym.
    UWAGA: Wszystkie następujące procedury wyrównywania komponentów optycznych muszą być wykonywane według tej samej zasady. Położenie polaryzatorów A i B na drodze lasera nie jest istotne. Odstęp między nimi powinien być wystarczająco duży, aby umożliwić wygodną regulację w przyszłości.
  3. Umieść miernik mocy za polaryzatorem A i obracaj polaryzator, aby zmaksymalizować moc wyjściową. Zdefiniuj kąt azymutalny (patrz sekcja Wyniki i Omówienie) osi optycznej polaryzatora A jako 0°. Przy obserwacji wzdłuż kierunku propagacji światła przyjmij kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara jako kierunek dodatni, a przeciwny do ruchu wskazówek zegara jako kierunek ujemny.
    1. Użyj obrotowego stołu z silnikiem krokowym do zamocowania polaryzatora A i umieść miernik mocy za polaryzatorem A, aby zarejestrować kąty obrotu i wyjściowe moce lasera. Dopasuj krzywą zależność kąta od mocy za pomocą funkcji sinusoidalnej; pozycja maksymalnej mocy wyjściowej polaryzatora A odpowiada pozycji kąta azymutalnego 0°.
  4. Umieść miernik mocy za polaryzatorem B i obracaj polaryzator B, aby zmaksymalizować moc wyjściową. Wówczas kąt azymutalny osi optycznej polaryzatora B również wynosi 0°.
    1. Użyj innego obrotowego stołu z silnikiem krokowym do zamocowania polaryzatora B i umieść miernik mocy za polaryzatorem B, aby zarejestrować kąty obrotu i wyjściowe moce lasera. Dopasuj krzywą zależność kąta od mocy za pomocą funkcji sinusoidalnej; pozycja maksymalnej mocy wyjściowej polaryzatora B odpowiada pozycji kąta azymutalnego 0° (patrz Rysunek 1).

2. Ustawienie kierunków referencyjnych dla kątów azymutalnych płytek falowych

  1. Umieść płytkę ćwierćfalową (HWP) na drodze wiązki między polaryzatorem A a polaryzatorem B i obracaj HWP, aby zmaksymalizować moc wyjściową. Kąt azymutalny osi optycznej HWP wynosi wówczas 0°.
    1. Użyj obrotowego stołu z silnikiem krokowym do uchwycenia HWP i umieść miernik mocy za polaryzatorem B, aby zapisać kąty obrotu i wyjściowe moce lasera. Dopasuj krzywą zależności mocy od kąta za pomocą funkcji sinusoidalnej; pozycja maksymalnej mocy wyjściowej HWP odpowiada kątowi azymutalnemu 0°.
  2. Umieść płytkę ćwiartofalową (QWP) na drodze wiązki między HWP a polaryzatorem B i obracaj QWP, aby zmaksymalizować moc wyjściową. Kąt azymutalny osi optycznej QWP wynosi wówczas 0°.
    1. Użyj obrotowego stołu z silnikiem krokowym do uchwycenia QWP i umieść miernik mocy za polaryzatorem B, aby zapisać kąty obrotu i wyjściowe moce lasera. Dopasuj krzywą zależności mocy od kąta za pomocą funkcji sinusoidalnej; pozycja maksymalnej mocy wyjściowej QWP odpowiada pozycji kąta azymutalnego 0°.
  3. Usuń polaryzator B oraz miernik mocy z drogi wiązki. Użyj dwóch luster, aby skierować wiązkę lasera do komory próżniowej zawierającej pułapkę jonową w celu oddziaływania z jonami 25Mg+.
    UWAGA: Kierunek propagacji lasera powinien być zgodny z kierunkiem pola magnetycznego wewnątrz komory próżniowej. Pole magnetyczne służy do zdefiniowania osi kwantowania jonów.

3. Chłodzenie dopplerowskie pojedynczych jonów 25Mg+

  1. Włącz laser ablacyjny o długości fali 532 nm, którym jest laser Nd:YAG z przełącznikiem Q (Q-switched). Jego częstotliwość repetycji wynosi 1 kHz, a energia impulsu to 150 µJLaser ablacyjny naświetla powierzchnię tarczy z drutu magnezowego wewnątrz komory próżniowej, w wyniku czego z powierzchni tarczy uwalniane są atomy magnezu (Mg).
    UWAGA: Zasilanie pułapki jonowej powinno być włączone.
  2. Jednocześnie włącz laser jonizacyjny o długości fali 285 nm w celu zjonizowania atomów Mg. Laser jonizacyjny jest laserem czwartej harmonicznej o mocy wyjściowej 1 mW. Laser jonizacyjny będzie oświetlać centrum pułapki jonowej.
  3. Upewnij się, że w pułapce jonowej uwięziony jest tylko jeden jon, analizując obraz z urządzenia CCD z mnożeniem elektronów (EMCCD). Przykład obrazu przedstawiającego uwięzione jony znajduje się w Rycina 2Każdy jasny punkt to jeden jon. Jeśli w pułapce znajduje się więcej niż jeden jon, należy wyłączyć zasilacz pułapki jonowej, aby uwolnić jony. Następnie należy powtarzać kroki 3.1–3.2 aż do momentu, gdy w pułapce zostanie tylko jeden (tj. pojedynczy) jon.
    UWAGA: Własnoręcznie wykonany system obrazowania EMCCD składa się z czterech soczewek, a jego powiększenie wynosi 10x. Odległość między jonami wynosi około 2-10 µm a odstęp między pikselami EMCCD wynosi 16 µmDzięki temu kamera EMCCD może być wykorzystana do identyfikacji obecności pojedynczego jonu.
  4. Ustaw pole magnetyczne na wartość 6,5 Gaussa, regulując prąd w cewkach Helmholtza. Pole magnetyczne jest mierzone poprzez porównanie różnic w częstotliwościach między dwoma przejściami stanu podstawowego. Schemat przejść atomowych, przedstawiający stany od F=2 do F=3, istotne w przejściach między stanami kwantowymi. i Schemat przejść stanów atomowych, F=2, mF=0 do F=3, mF=0, koncepcja fizyki i mechaniki kwantowej.Szczegółowe informacje na temat metody znajdują się w11.

4. Stabilizacja częstotliwości lasera chłodzenia Dopplera o długości fali 280 nm za pomocą miernika długości fali12

  1. Skanuj częstotliwość lasera 280 nm i zlicz liczbę fotonów fluorescencji zbieranych przez fotopowielacz (PMT) za pomocą licznika częstotliwości. Jednocześnie rejestruj częstotliwość lasera przy użyciu miernika długości fali. Wyznacz częstotliwość rezonansową ν0 gdzie szybkość fluorescencji osiąga wartość maksymalną.
    UWAGA: Liczba zdarzeń fluorescencji będzie wzrastać w miarę zbliżania się częstotliwości lasera do częstotliwości rezonansowej jonu i osiągnie maksimum przy częstotliwości rezonansowej Schemat równowagi statycznej, ΣFx=0 z wektorami sił, ilustrujący zasady równowagi..
  2. Zablokuj częstotliwość lasera względem miernika długości fali, korzystając z cyfrowego programu sterowania serwo uruchomionego na towarzyszącym komputerze. Kliknij w Blokada przycisk w graficznym interfejsie programu, gdy miernik długości fali wskazuje odczyt wynoszący Schemat równowagi statycznej, ΣFx=0 z wektorami sił, ilustrujący zasady równowagi..

5. Ustaw intensywność lasera tak, aby była równa intensywności nasycenia12

  1. Zmień moc lasera, regulując moc sterującą modulatora akustyczno-optycznego (AOM), który jest umieszczony na drodze wiązki w celu zmiany częstotliwości i mocy lasera. Zapisz wartość mocy oraz liczbę zliczeń fluorescencji.
  2. Dopasuj krzywą mocy i liczników fluorescencji do równania (6), aby wyznaczyć moc nasycenia Diagram równowagi statycznej ΣFx=0; analiza wektorów sił, badanie rozkładu napięć..
  3. Ustaw moc lasera na Schemat stanu równowagi statycznej ΣFx=0; analiza wektorów sił, badanie rozkładu naprężeń. poprzez regulację mocy sterującej AOM.

6. Pomiar dwójłomności okna próżniowego.

  1. Alternatywnie należy dostosować kąty azymutalne półfalowej płytki opóźniającej (HWP) oraz ćwierćfalowej płytki opóźniającej (QWP), aby zmaksymalizować liczbę odczytów fluorescencji. Należy zapisać kąty azymutalne HWP i QWP przy maksymalnej liczbie odczytów, które wynoszą odpowiednio α i β.
    1. Użyj obrotowych stopni z silnikami krokowymi do obracania półfalowej płytki (HWP) oraz ćwierćfalowej płytki (QWP), a następnie zarejestruj kąty obrotu oraz odpowiadające im wartości zliczeń fluorescencji.
  2. Użyj równania (4) i równania (5), aby obliczyć dwójłomność okna próżniowego θ i Proces chromatografii; wzór ΣFx=0; schemat; układ do oczyszczania białek; analiza danych widmowych..

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 3 przedstawia drogę wiązki w doświadczeniu. Polaryzator B w Rysunek 3a jest usuwany po inicjalizacji kąta (Rysunek 3b). Laser przechodził kolejno przez polaryzator, półfalową płytkę korygującą (HWP), ćwierćfalową płytkę korygującą (QWP) oraz okno próżniowe. Wektor Stokesa lasera wynosi

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Niniejszy manuskrypt opisuje metodę pomiaru in situ dwójłomności okna próżniowego oraz stanów polaryzacji światła laserowego wewnątrz komory próżniowej. Poprzez regulację kątów azymutalnych płytek HWP i QWP (α i β), można skompensować efekt dwójłomności okna próżniowego (δ i θ) w taki sposób, aby laser wewnątrz komory próżniowej emitował czyste światło spolaryzowane kołowo. W tym punkcie zachodzi określona relacja między dwójłomnością okna próżniowego a kątami azymutalnymi HWP i QWP, z której można wywnioskować wartość d...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była częściowo wspierana przez National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304401) oraz National Natural Science Foundation of China (Granty nr 11774108, 91336213 i 61875065).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Dopplerowski laser chłodzący 280 nmTopticaSYST DL-FHG Pro 280Dopplerowski laser
chłodzący 285 nm Laser jonizacyjnyTopticaSYST DL-FHG Pro 285Laser
ablacyjnyChangchun Nowe branże Optoelektronika TechnologiaEL-532-1,5WQ-switched Nd:YAG
laser AOMGooch & HousegoAOMO 3200-1220długość fali do 257 nm
Kamera EMCCDAndoriXon3 897obrazowanie 25Mg+ w pułapce jonowej
Polaryzator Glana-TayloraUnion OpticNiestandardowywspółczynnik rozróżnienia 1e-6
Półpłytka falowaUnion OpticWykonana na zamówieniez kwarcu
Rurka powielacza fotonowegoHamamatsuH8259-09zliczanie fluorescencyjne
Miernik mocyThorlabsPM100DLaserowy monitor mocy
Ćwierćfalowapłyta Union OpticNa zamówieniewykonane z kwarcu
LustroUnion OpticNiestandardowapowłoka dielektryczna dla 280 nm
Etap roacji silnika krokowegoThorlabsK10CR1 / Mobrotowe płyty falowe
KomorapróżniowaKimball PhysicsMCF800-SphSq-G2E4C4wykonany z tytanu
Okno próżnioweUnion OpticWykonane na zamówieniez topionej krzemionki

Bibliografia

  1. Robens, C., et al. High-Precision Optical Polarization Synthesizer for Ultracold-Atom Experiments. Physical Review A. 9 (3), 34016(2018).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Bragin, S., et al. High-Energy Vacuum Birefringence and Dichroism in an Ultra-strong Laser Field. Physical Review Letters. 119 (25), 250403(2017).
  5. Nicholson, T. L., et al. Systematic evaluation of an atomic clock at total uncertainty. Nature Communications. 6, 6896(2015).
  6. Roos, C. F., et al. Revealing Quantum Statistics with a Pair of Distant Atoms. Physical Review Letters. 119 (16), 160401(2017).
  7. Saulius, J., et al. High-efficiency optical transfer of torque to a nematic liquid crystal droplet. Applied Physics Letters. 82, 4657(2003).
  8. Zhu, K., et al. Absolute polarization measurement using a vector light shift. Physical Review Letters. 111 (24), 243006(2013).
  9. Steffen, A., et al. Note: In situ measurement of vacuum window birefringence by atomic spectroscopy. Review of Scientific Instruments. 84 (12), 126103(2013).
  10. Yuan, W. H., et al. A simple method for in situ measurement of vacuum window birefringence. Review of Scientific Instruments. 90 (11), 113001(2019).
  11. Xu, Z. T., et al. Precision measurement of the 25Mg+ ground-state hyperfine constant. Physical Review A. 96 (5), 052507(2017).
  12. 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).
  13. Yuan, W. H., et al. Precision measurement of the light shift of 25Mg+ ions. Physical Review A. 98 (5), 52507(2018).
  14. Loudon, R. The Quantum Theory of Light, 3rd ed. , Oxford University Press. New York. (2000).
  15. Hu, Z. K., et al. Demonstration of an ultrahigh-sensitivity atom-interferometry absolute gravimeter. Physical Review A. 88 (4), 043610(2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Fluorescencja Mgoptymalizacja stanu polaryzacjip ytka p falowap ytka wier falowaanaliza macierzy Muellerafluorescencja w pu apce jonowejkompensacja polaryzacji laseraobr t silnikiem krokowympomiar mocy nasycenia
Pomiar in situ dwójłomności okna próżniowego przy użyciu fluorescencji 25Mg+
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.