Apresentado aqui é um método para medir a birefringência das janelas de vácuo maximizando as contagens de fluorescência emitidas por Doppler resfriado 25Mg+ íons em uma armadilha de íons. A birefringência das janelas de vácuo mudará os estados de polarização do laser, que podem ser compensados alterando os ângulos azimutais das placas de onda externas.
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Artigo de método
Em Situ Medição da Birefringência da Janela de Vácuo usando 25Mg+ Fluorescência
Neste artigo
Resumo
Resumo
O controle preciso dos estados de polarização da luz laser é importante em experimentos de medição de precisão. Em experimentos envolvendo o uso de um ambiente de vácuo, o efeito de birefringência induzida pelo estresse das janelas de vácuo afetará os estados de polarização da luz laser dentro do sistema de vácuo, e é muito difícil medir e otimizar os estados de polarização da luz laser in situ. O objetivo deste protocolo é demonstrar como otimizar os estados de polarização da luz laser com base na fluorescência de íons no sistema de vácuo, e como calcular a birefringência das janelas de vácuo baseadas em ângulos azimutais de placas de ondas externas com matriz Mueller. A fluorescência de 25Mg+ íons induzidos pela luz laser que é ressonante com a transição de |32P3/2, F = 4, mF = 4 
→ | 32S1/2,F = 3, mF = 3é sensível ao estado de polarização da luz laser, e a fluorescência máxima será observada com luz pura polarizada circularmente. Uma combinação de placa de meia onda (HWP) e placa de quarta-de-onda (QWP) pode alcançar o retardo de fase arbitrária e é usada para compensar a birefringência da janela de vácuo. Neste experimento, o estado de polarização da luz laser é otimizado com base na fluorescência de 25Mg+ íon com um par de HWP e QWP fora da câmara de vácuo. Ajustando os ângulos azimutal do HWP e QWP para obter fluorescência de íons máximos, pode-se obter uma luz pura polarizada circular dentro da câmara de vácuo. Com as informações sobre os ângulos azimutal do HWP externo e QWP, a birefringência da janela de vácuo pode ser determinada.
Introdução
Em muitos campos de pesquisa, como experimentos de átomos frios1, medição do dipolo elétrico momento2,teste de paridade-não conservação3,medição da birefringência de vácuo4,relógios ópticos5,experimentos de óptica quântica6e estudo de cristal líquido7, é importante medir e controlar com precisão os estados de polarização da luz laser.
Em experimentos envolvendo o uso de um ambiente de vácuo, o efeito de birefringência induzida pelo estresse das janelas de vácuo afetará os estados de polarização da luz laser. Não é viável colocar um analisador de polarização dentro da câmara de vácuo para medir diretamente os estados de polarização da luz laser. Uma solução é usar átomos ou íons diretamente como um analisador de polarização in situ para analisar a birefringência das janelas de vácuo. As mudanças de luz vetoriais dos átomos de Cs8 são sensíveis aos graus de polarização linear da incidência da luz laser9. Mas este método é demorado e só pode ser aplicado à detecção de luz laser linearmente polarizada.
Apresentado é um novo método, rápido, preciso, in situ para determinar os estados de polarização da luz laser dentro da câmara de vácuo com base na maximização de 25Mg+ fluorescência em uma armadilha de íons. O método baseia-se na relação da fluorescência de íons com os estados de polarização da luz laser, que é afetada pela birefringência da janela de vácuo. O método proposto é usado para detectar a birefringência de janelas de vácuo e graus de polarização circular da luz laser dentro de uma câmara de vácuo10.
O método é aplicável a quaisquer átomos ou íons cuja taxa de fluorescência seja sensível aos estados de polarização da luz laser. Além disso, enquanto a demonstração é usada para preparar uma luz circularmente polarizada, com o conhecimento da birefringência da janela de vácuo, estados de polarização arbitrária de luz laser podem ser preparados dentro da câmara de vácuo. Portanto, o método é bastante útil para uma ampla gama de experimentos.
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Protocolo
1. Configure as direções de referência para polarizadores A e B
- Coloque o polarizador A e o polarizador B no caminho do raio laser (280 nm quarto laser harmônico).
- Certifique-se de que o feixe de laser é perpendicular às superfícies dos polarizadores, ajustando cuidadosamente os suportes do polarizador para manter a luz de reflexo traseiro coincidente com a luz do incidente.
NOTA: Todos os seguintes procedimentos de alinhamento para os componentes ópticos devem seguir a mesma regra. A colocação do polarizador A e B no caminho do laser não é importante. O espaçamento entre eles deve ser grande o suficiente para o ajuste conveniente futuro. - Coloque um medidor de energia atrás do polarizador A e gire o polarizador para maximizar a potência de saída. Defina o ângulo azimutal (ver Resultados e Discussão) do eixo óptico do polarizador A como 0°. Defina a direção no sentido horário como a direção positiva e a direção anti-horário como a direção negativa ao observar ao longo da direção da propagação da luz.
- Use um estágio de rotação do motor do estepe para segurar o polarizador A e coloque o medidor de potência atrás do polarizador A para registrar os ângulos de rotação e os poderes de laser de saída. Ajuste o ângulo vs curva de potência com uma função sinusoidal; a posição máxima de potência de saída do polarizador A é 0° posição de ângulo azimutal.
- Coloque o medidor de energia atrás do polarizador B e gire o polarizador B para maximizar a potência de saída. O ângulo azimutal do eixo óptico do polarizador B é então também 0°.
- Use outro estágio de rotação do motor do estepe para segurar o polarizador B e coloque o medidor de potência atrás do polarizador B para registrar os ângulos de rotação e os poderes de laser de saída. Ajuste o ângulo vs curva de potência com uma função sinusoidal; a posição máxima de potência de saída do polarizador B é 0° posição de ângulo azimutal (ver Figura 1).
2. Configure as direções de referência para os ângulos azimutal das placas de onda
- Coloque um HWP no caminho do feixe entre o polarizador A e o polarizador B e gire o HWP para maximizar a potência de saída. O ângulo azimutal do eixo óptico do HWP é então 0°.
- Use um estágio de rotação do motor do estepe para segurar o HWP e coloque o medidor de potência atrás do polarizador B para registrar os ângulos de rotação e os poderes de laser de saída. Ajuste o ângulo vs curva de potência com uma função sinusoidal; a posição máxima de potência de saída do HWP é ângulo azimutal de 0°.
- Coloque um QWP no caminho do feixe entre o HWP e o polarizador B, gire o QWP para maximizar a potência de saída. O ângulo azimutal do eixo óptico do QWP é então 0°.
- Use um estágio de rotação do motor do estepe para segurar o QWP e coloque o medidor de potência atrás do polarizador B para registrar os ângulos de rotação e os poderes de laser de saída. Ajuste o ângulo vs curva de potência com uma função sinusoidal; a posição máxima de potência de saída do QWP é 0° posição angular azimutal.
- Remova o polarizador B e o medidor de alimentação do feixe. Use dois espelhos para direcionar o raio laser para a câmara de vácuo que abriga uma armadilha de íons para interagir com íons de 25Mg+ .
NOTA: A direção de propagação a laser deve estar ao longo da direção do campo magnético dentro da câmara de vácuo. Um campo magnético é usado para definir o eixo de quantização dos íons.
3. Resfriamento doppler de 25Mg+ íons únicos
- Ligue o laser de ablação de 532 nm, que é um laser Nd:YAG comut em Q. Sua taxa de repetição é de 1 kHz, com energia de pulso de 150 μJ. O laser de ablação irradia uma superfície alvo de fio de magnésio dentro da câmara de vácuo, e então átomos de magnésio (Mg) são ejetados da superfície alvo.
NOTA: A fonte de alimentação da armadilha de íons deve ser ligada. - Ao mesmo tempo, ligue o laser de ionização de 285 nm para átomos mg ionizados. O laser de ionização é um quarto laser harmônico com uma potência de saída de 1 mW. O laser de ionização iluminará o centro da armadilha de íons.
- Certifique-se de que apenas um íon esteja preso na armadilha de íons olhando para a imagem de um dispositivo acoplado carregado multiplicado por elétrons (EMCCD). Uma imagem de exemplo mostrando íons presos é mostrada na Figura 2. Cada ponto brilhante é um íon. Se houver mais de um íon na armadilha, desligue o fornecimento de energia da armadilha de íons para liberar os íons. Em seguida, repita os passos 3.1-3.2 até que apenas um íon (ou seja, único) esteja preso.
NOTA: O sistema de imagem caseiro do EMCCD consiste em quatro lentes, e sua ampliação é de 10x. O espaçamento de íons é de cerca de 2-10 μm e o espaçamento de pixels do EMCCD é de 16 μm. O EMCCD pode, portanto, ser usado para identificar a existência de um único íon. - Defina o campo magnético como 6,5 Gauss ajustando a corrente das bobinas helmholtz. O campo magnético é medido comparando as diferentes frequências entre as duas transições de estado terrestre,
e 
. Para obter detalhes sobre o método, consulte11.
4. Bloqueie a frequência laser de resfriamento doppler de 280 nm a um medidor de comprimento de onda12
- Escaneie a frequência do laser de 280 nm e conte os números de fótons de fluorescência coletados por um tubo multiplicador de fótons (PMT) por um contador de frequências. Ao mesmo tempo, regisse a frequência do laser usando um medidor de comprimento de onda. Encontre a frequência ressonante ν0 onde a taxa de fluorescência atinge um máximo.
NOTA: A contagem de fluorescência aumentará quando a frequência laser estiver se movendo perto da frequência ressonante de íons e atingirá um máximo na frequência ressonante
. - Bloqueie a frequência de laser no medidor de comprimento de onda usando um programa de controle de servo digital que está sendo executado em um computador que acompanha. Clique no botão Bloquear na interface gráfica do programa quando o medidor de comprimento de onda mostrar uma leitura de .
5. Defina a intensidade do laser para igualar a intensidade de saturação12
- Altere a potência do laser ajustando a potência de condução de um modulador acousto-óptico (AOM), que é usado no caminho do feixe para alterar a frequência e a potência do laser. Regisso com a força e a fluorescência.
- Encaixar a curva da potência e a fluorescência conta com equação (6), e obter o poder de saturação
. - Ajuste a potência do laser para ajustar a potência de condução do AOM.
6. Meça a birefringência da janela de vácuo.
- Alternativamente, ajuste os ângulos azimutal do HWP e do QWP para maximizar a contagem de fluorescência. Regissos os ângulos azimutal do HWP e do QWP em contagens máximas, que são α e β.
- Use os estágios de rotação do motor do estepe para girar o HWP e o QWP e registrar os ângulos de rotação e as contagens de fluorescência correspondentes.
- Use Equação (4) e Equação (5) para calcular a bireringência da janela de vácuo φ e
.
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Resultados
A Figura 3 mostra o caminho do viga do experimento. Polarizador B na Figura 3a é removido após a inicialização do ângulo(Figura 3b). O laser passou por um polarizador, um HWP, um QWP, e a janela de vácuo, sequencialmente. O vetor stokes do laser 
é, onde
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Discussão
Este manuscrito descreve um método para realizar a medição in situ da birefringência da janela de vácuo e dos estados de polarização da luz laser dentro da câmara de vácuo. Ajustando os ângulos azimutal do HWP e do QWP (α e β), o efeito da birefringência da janela de vácuo (δ e φ) pode ser compensado de modo que o laser dentro da câmara de vácuo é uma luz pura circularmente polarizada. Neste ponto, existe uma relação definitiva entre a birefringência da janela de vácuo e os ângulos azimutal do HWP e do QWP, a partir do q...
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo Programa Nacional de P&D da China (Grant No. 2017YFA0304401) e pela National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11774108, 91336213 e 61875065).
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| laser refrigerando de 280 nanômetro Doppler | Toptica | SYST DL-FHG Pro 280 | Doppler refrigerando o laser laser da |
| ionização de 285 nanômetro Laser da ionização | de Toptica | SYST DL-FHG Pro 285 | Laser |
| ablação | optoeletrônica das indústrias | Tecnologia EL-532-1.5W | Q-comutada: YAG |
| laser AOM | Gooch & Housego | AOMO 3200-1220 | comprimento de onda até 257 nm |
| Câmera EMCCD | Andor | iXon3 897 | imagem de 25Mg+ em armadilha de íons |
| Polarizador Glan-Taylor | Union Optic Relação | de distinção personalizada | 1e-6 |
| Meia placa | de onda Union Optic | Feito sob medida | de quartzo |
| Tubo multiplicador de fótons | Hamamatsu | H8259-09 | contagem fluorescente |
| Medidor de potência | Thorlabs | PM100D | monitor de potência a laser |
| Quarter waveplate | Union Optic | Feito sob medida | de quartzo |
| Espelho | Union Optic | Dielétrico personalizado revestido para 280 nm | |
| Estágio de rotação do motor de passo | Thorlabs | K10CR1 / M | onda rotativa |
| Câmara | de vácuoKimball Physics | MCF800-SphSq-G2E4C4 | feito de |
| titânio Janela de vácuo | Union Optic | Custom | feito de sílica fundida |
Referências
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- 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).
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- Bragin, S., et al. High-Energy Vacuum Birefringence and Dichroism in an Ultra-strong Laser Field. Physical Review Letters. 119 (25), 250403(2017).
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Reimpressões e permissões
