Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

В Situ Измерение вакуумного окна Birefringence с использованием 25Мги флуоресценции

3.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/61175

⸱

13 июня 2020 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Представлен здесь метод для измерения birefringence вакуумных окон путем максимизации флуоресценции рассчитывает испускаемых Doppler охлаждается 25Мг ионов в ионные ловушки. Бирифрингность вакуумных окон изменит состояния поляризации лазера, что может быть компенсировано изменением азимутных углов внешних волновых пластин.

Аннотация

Точный контроль состояния поляризации лазерного света имеет важное значение в экспериментах по точному измерению. В экспериментах, связанных с использованием вакуумной среды, стресс-индуцированного эффекта бирифринга вакуумных окон повлияет на состояния поляризации лазерного света внутри вакуумной системы, и это очень трудно измерить и оптимизировать состояния поляризации лазерного света на месте. Цель этого протокола состоит в том, чтобы продемонстрировать, как оптимизировать состояния поляризации лазерного света на основе флуоресценции ионов в вакуумной системе, и как рассчитать бирифрингность вакуумных окон на основе азимутных углов внешних волновых пластин с матрицей Мюллера. Флуоресценция 25Мг и ионов, индуцированных лазерным светом, который является резонансным с переходом No 32P3/2, F 4,м F и 4 figure-abstract-1 → | 32S1/2,F No3, mF No 3 чувствителенк figure-abstract-2   состоянию поляризации лазерного света, и максимальная флуоресценция будет наблюдаться с чистым круговым поляризованным светом. Сочетание полуволновых пластин (HWP) и четвертьволновых пластин (ЗВП) может достичь произвольной фазовой задержки и используется для компенсации бирифринга вакуумного окна. В этом эксперименте, состояние поляризации лазерного света оптимизировано на основе флуоресценции 25Мг иона с парой HWP и QWP за пределами вакуумной камеры. Регулируя азимутные углы HWP и QWP, чтобы получить максимальную ионную флуоресценцию, можно получить чистый круговой поляризованный свет внутри вакуумной камеры. С помощью информации об азимутных углах внешних HWP и QWP можно определить бирифрингность вакуумного окна.

Введение

Во многих научно-исследовательских областях,таких как эксперименты холодного атома 1,измерение электрического диполя момент 2, тестпаритета-неконсервации 3,измерение вакуумнойbirefringence 4 ,оптические часы 5,квантовая оптика эксперименты 6,и жидкокристаллическое исследование 7, важно точно измерить и точно контролировать состояния поляризации лазерного света.

В экспериментах, связанных с использованием вакуумной среды, стресс-индуцированного эффекта бирифринга вакуумных окон повлияет на состояния поляризации лазерного света. Не представляется возможным поместить анализатор поляризации внутри вакуумной камеры для непосредственного измерения состояний поляризации лазерного света. Одним из решений является использование атомов или ионов непосредственно в качестве анализатора поляризации на месте для анализа бирифринга вакуумных окон. Векторные световые сдвиги атомов Cs8 чувствительны к степеням линейной поляризации частотного лазерного света9. Но этот метод требует много времени и может быть применен только к линейно поляризованного обнаружения лазерного света.

Представлен новый, быстрый, точный, на месте метод для определения состояния поляризации лазерного света внутри вакуумной камеры на основе максимизации одного 25Мг флуоресценциив ионные ловушки. Метод основан на связи ионой флуоресценции с состояниями поляризации лазерного света, на которые влияет бирифрингность вакуумного окна. Предлагаемый метод используется для обнаружения бирифринга вакуумных окон и степеней круговой поляризации лазерного света внутри вакуумной камеры10.

Метод применим к любым атомам или ионам, скорость флуоресценции которых чувствительна к состояниям поляризации лазерного света. Кроме того, в то время как демонстрация используется для подготовки чистого кругового поляризованного света, с знанием бирифринга вакуумного окна, произвольные состояния поляризации лазерного света могут быть подготовлены внутри вакуумной камеры. Поэтому метод весьма полезен для широкого спектра экспериментов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Настройка ориентиров для поляризаторов A и B

  1. Поместите поляризатор А и поляризатор B в траекторию лазерного луча (280 нм четвертого гармонического лазера).
  2. Убедитесь, что лазерный луч перпендикулярен поверхностям поляризаторов, тщательно регулируя держатели поляризаторов, чтобы свет обратного отражения совпадал со светом инцидента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Все следующие процедуры выравнивания компонентов оптики должны следовать одному и тому же правилу. Размещение поляризатора А и В в лазерной траектории не имеет большого значение. Расстояние между ними должно быть достаточно большим для будущей удобной регулировки.
  3. Поместите счетчик мощности позади поляризатора А и поверните поляризатор, чтобы максимизировать мощность вывода. Определите азимутал угол (см. Результаты и Обсуждение) оптической оси поляризатора А как 0 ". Определите направление по часовой стрелке как положительное направление и направление против часовой стрелки как отрицательное направление при наблюдении по направлению распространения света.
    1. Используйте ступень вращения двигателя для удержания поляризатора А и поместите счетчик мощности за поляризатор А для записи углов вращения и выходных лазерных мощностей. Fit угол против кривой мощности с синусоидальной функцией; максимальная выходная мощность поляризатора А составляет 0 "азимутальное угловое положение.
  4. Поместите счетчик мощности позади поляризатора B и поверните поляризатор B, чтобы максимизировать мощность вывода. Азимутал угол оптической оси поляризатора B, то также 0 ".
    1. Используйте другую ступень стадии вращения двигателя, чтобы удерживать поляризатор B и поставить счетчик мощности позади поляризатора B для записи углов вращения и выходной лазерной силы. Fit угол против кривой мощности с синусоидальной функцией; максимальная выходная мощность поляризатора B составляет 0 "азимутальное угловое положение (см. Рисунок 1).

2. Настройка ориентиров для азимутных углов волновых плит

  1. Поместите HWP в путь луча между поляризатором А и поляризатором B и поверните HWP, чтобы максимизировать мощность вывода. Азимутал угол оптической оси HWP затем 0 ".
    1. Используйте ступень вращения двигателя, чтобы удерживать HWP и поставить счетчик мощности позади поляризатора B для записи углов вращения и выходной лазерной силы. Fit угол против кривой мощности с синусоидальной функцией; максимальное положение мощности вывода HWP составляет 0 "азимутал угол.
  2. Поместите qWP в путь луча между HWP и поляризатором B, поверните QWP, чтобы максимизировать мощность вывода. Азимутал угол оптической оси ЗВП затем 0 ".
    1. Используйте ступень вращения двигателя, чтобы удерживать ЗВП и поставить счетчик мощности позади поляризатора B для записи углов вращения и выходной лазерной мощности. Fit угол против кривой мощности с синусоидальной функцией; максимальная мощность выходной мощности «WP» составляет 0 »азимуталя углового положения.
  3. Удалите поляризатор B и счетчик мощности с пути луча. Используйте два зеркала, чтобы направить лазерный луч в вакуумную камеру, в котором находится ионная ловушка для взаимодействия с 25мгионов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Направление распространения лазера должно быть вдоль направления магнитного поля внутри вакуумной камеры. Магнитное поле используется для определения оси количественной оценки ионов.

3. Доплер охлаждение одного 25Мгионов

  1. Включите лазер абляции 532 нм, который является лазером Nd:YAG, включенным в систему. Скорость его повторения составляет 1 кГц, а импульсная энергия составляет 150 мкД. Лазер абляции облучает поверхность цели магниевого провода внутри вакуумной камеры, а затем атомы магния (Mg) выбрасываются с поверхности цели.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Электроснабжение ионой ловушки должно быть включено.
  2. В то же время включите 285 нм ионизации лазера ионизированных атомов Mg. Лазер ионизации является четвертым гармоническим лазером с выходной мощностью 1 мВт. Лазер ионизации осветит центр ионой ловушки.
  3. Убедитесь, что только один ион оказался в ловушке ионов, глядя на изображение электрона умноженного заряженного соединенного устройства (EMCCD). Пример изображения, показывающего захваченные ионы, показан на рисунке 2. Каждое яркое пятно – это один ион. Если в ловушке находится более одного иона, выключите питание ионные ловушки, чтобы освободить ионы. Затем повторите шаги 3.1-3.2 до тех пор, пока только один (т.е. одиночный) ион не будет пойман в ловушку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Самодельная система визуализации EMCCD состоит из четырех линз, а ее увеличение в 10 раз. Расстояние между ионами составляет около 2-10 мкм, а расстояние между пикселями EMCCD составляет 16 мкм. Таким образом, EMCCD может использоваться для определения существования одного иона.
  4. Установите магнитное поле на 6,5 Гаусс, регулируя ток катушек Гельмгольца. Магнитное поле измеряется путем сравнения различных частот между двумя переходами состояния земли, figure-protocol-1 и figure-protocol-2 . Для получения подробной информации о методе, пожалуйста,обратитесь 11.

4. Блокировка 280 нм Доплер охлаждения лазерной частоты до длины волныметр 12

  1. Сканирование частоты 280 нм лазера и подсчитать флуоресценции фотон номера, собранные фотон мультипликатор трубки (PMT) на частоте счетчика. В то же время, записывают частоту лазера с помощью счетчика длины волны. Найдите резонансную частотуNo 0, где скорость флуоресценции достигает максимума.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Количество флуоресценции будет увеличиваться, когда частота лазера движется близко к ионой резонансной частоты и достигнет максимума на резонансной figure-protocol-3 частоте.
  2. Блокировка частоты лазера на метр длины волны с помощью цифровой программы управления сервоприводом, которая работает на сопроводительном компьютере. Нажмите на кнопку блокировки на графическом интерфейсе программы, когда длина волны метр показывает чтение figure-protocol-4 .

5. Установите интенсивность лазера, чтобы равняться интенсивностинасыщения 12

  1. Измените мощность лазера, регулируя мощность акустооптической модулятора (AOM), который используется на пути пучка для изменения частоты и мощности лазера. Запись мощности и флуоресценции рассчитывает.
  2. Fit кривой власти и флуоресценции рассчитывает с уравнением (6), и получить мощность насыщения figure-protocol-5 .
  3. Установите лазерную figure-protocol-6 мощность, регулируя мощность вождения AOM.

6. Измерьте бирифрингность вакуумного окна.

  1. Кроме того, отрегулируйте азимутные углы HWP и QWP, чтобы максимизировать количество флуоресценции. Завехать азимутал углы HWP и QWP по максимальным подсчетам, которые α и β.
    1. Используйте ступени вращения степпера для вращения HWP и QWP и записи углов вращения и соответствующих флуоресценций.
  2. Используйте Equation (4) и Equation (5) для расчета бирифринга вакуумного окна θ и figure-protocol-7 .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 3 показан путь луча эксперимента. Поляризатор B на рисунке 3a удаляется после инициализации угла(рисунок 3b). Лазер прошел через поляризатор, HWP, QWP, и вакуумное окно, последовательно. Стокс вектор лазера figure-results-1 , где

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этой рукописи описывается метод выполнения измерения на месте бирифринга вакуумного окна и состояния поляризации лазерного света внутри вакуумной камеры. Регулируя азимутные углы HWP и QWP (α и β), эффект бирифринга вакуумного окна (δ и θ) может быть компенсирован так, что лазер внутри вакуумной камеры является чистым круговым поляризованным светом. На данный момент существует определенная взаимосвязь между биефрингом вакуумного окна и азимутными углами HWP и QWP, из которых мы можем сделать вывод о бирифринге вакуумно...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторов нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Национальной ключевой программой НИОКР Китая (Grant No 2017YFA0304401) и Национальным фондом естественных наук Китая (Grant Nos. 11774108, 91336213 и 61875065).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Доплеровский охлаждающий лазер 280 нмTopticaSYST DL-FHG Pro 280Доплеровский лазер
для охлаждения 285 нм Ионизационный лазерTopticaSYST DL-FHG Pro 285Лазер
для абляцииChangchun New Industries Оптоэлектроника ТехнологииEL-532-1.5WQ-switched Nd:YAG лазер
AOMGooch & HousegoAOMO 3200-1220длина волны до 257 нм
EMCCD камераAndoriXon3 897визуализация 25Mg+ в ионной ловушке
поляризатор Glan-TaylorUnion OpticCustomкоэффициент различения 1e-6
Полуволновая пластинаUnion OpticCustomизготовлена из кварца
Фотонная мультипликаторная трубкаHamamatsuH8259-09флуоресцентный счетчик
Измеритель мощностиThorlabsPM100Dлазерный монитор мощности
Четверть волновой пластиныUnion OpticCustomизготовлен из кварца
ЗеркальныйUnion OpticПользовательскийдиэлектрическое покрытие для 280 нм
Шаговый двигатель роационный столикThorlabsK10CR1/MВращающиеся волновые пластины
Вакуумная камераKimball PhysicsMCF800-SphSq-G2E4C4изготовлен из титана
Вакуумное окноUnion OpticCustomиз плавленого кремнезема

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Mg
В Situ Измерение вакуумного окна Birefringence с использованием 25Мги флуоресценции
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.