使用25Mg+荧光原位测量真空窗口双折射

摘要

本文介绍了一种通过最大化离子阱中多普勒冷却的²⁵Mg⁺离子发射的荧光计数来测量真空窗口双折射的方法。真空窗口的双折射会改变激光的偏振态，可通过调节外部波片的方位角进行补偿。

摘要

在精密测量实验中，准确控制激光光的偏振态至关重要。在涉及真空环境的实验中，真空窗口的应力诱导双折射效应会影响真空系统内激光光的偏振态，且很难在现场直接测量和优化激光光的偏振态。本实验方案旨在演示如何基于真空系统中离子的荧光来优化激光光的偏振态，以及如何利用外部波片的方位角结合穆勒矩阵计算真空窗口的双折射。由共振于 |3²P_3/2, F = 4, m_F = 4 → |3²S_1/2, F = 3, m_F = 3 跃迁的激光激发产生的 ²⁵Mg⁺ 离子荧光对激光光的偏振态敏感，当使用纯圆偏振光时可观察到最强荧光。通过组合使用半波片（HWP）和 quarter-wave plate（QWP），可实现任意相位延迟，并用于补偿真空窗口的双折射。在本实验中，通过在真空腔外部使用一对 HWP 和 QWP，并基于 ²⁵Mg⁺ 离子的荧光来优化激光光的偏振态。通过调节 HWP 和 QWP 的方位角以获得最大离子荧光，可在真空腔内部获得纯圆偏振光。根据外部 HWP 和 QWP 的方位角信息，即可确定真空窗口的双折射特性。

引言

在许多研究领域，如冷原子实验¹、电偶极矩测量²、宇称不守恒检验³、真空双折射测量⁴、光钟⁵、量子光学实验⁶以及液晶研究⁷中，精确测量和准确控制激光光的偏振态至关重要。

在涉及真空环境的实验中，真空窗口的应力诱导双折射效应会影响激光的偏振态。将偏振分析仪置于真空腔内以直接测量激光偏振态是不可行的。一种解决方案是利用原子或离子作为原位偏振分析器，用于分析真空窗口的双折射特性。铯原子的矢量光频移⁸对入射激光的线偏振度具有敏感性⁹。但该方法耗时较长，且仅适用于线偏振激光的检测。

本文介绍一种基于离子阱中单个²⁵Mg⁺离子荧光最大化，用于在真空腔内原位快速、精确测定激光光偏振态的新方法。该方法依据离子荧光与激光偏振态之间的关系，而激光偏振态会受到真空窗口双折射效应的影响。所提出的方法可用于检测真空窗口的双折射特性以及真空腔内激光光的圆偏振度

方案

1. 设置偏振器 A 和 B 的参考方向

1. 将偏振器 A 和偏振器 B 放入激光束（280 nm 四倍频激光）光路中。
2. 仔细调节偏振器支架，使激光束垂直于偏振器表面，确保后向反射光与入射光重合。
   注意：后续所有光学元件的准直步骤均需遵循此规则。偏振器 A 和 B 在激光光路中的放置顺序无关紧要，但两者之间的间距应足够大，以便后续方便调节。
3. 在偏振器 A 后方放置功率计，并旋转偏振器以使输出功率最大化。定义偏振器 A 光轴的方位角（见结果与讨论）为 0°。当沿光传播方向观察时，定义顺时针方向为正方向，逆时针方向为负方向。
   1. 使用一个步进电机旋转台固定偏振器 A，并在偏振器 A 后方放置功率计，以记录旋转角度和输出激光功率。将角度与功率的关系曲线用正弦函数拟合；偏振器 A 输出功率最大时的位置即为 0° 方位角位置。
4. 在偏振器 B 后方放置功率计，并旋转偏振器 B 以使输出功率最大化。此时偏振器 B 光轴的方位角也为 0°。
   1. 使用另一个步进电机旋转台固定偏振器 B，并在偏振器 B 后方放置功率计，以记录旋转角度和输出激光功率。将角度与功率的关系曲线用正弦函数拟合；偏振器 B 输出功率最大时的位置即为 0° 方位角位置（见 图 1）。

结果

图3展示了实验的光路。在角度初始化之后，图3a中的偏振片B被移除（图3b）。激光依次通过一个偏振片、一个半波片（HWP）、一个四分之一波片（QWP）和真空窗口。激光的斯托克斯矢量为 ，其中

讨论

本文描述了一种在原位测量真空窗口双折射以及真空腔内激光偏振态的方法。通过调节半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）的方位角（α 和 β），可以补偿真空窗口的双折射效应（δ 和 θ），从而使真空腔内的激光成为纯圆偏振光。此时，真空窗口的双折射与HWP和QWP的方位角之间存在确定的关系，由此可推断出真空窗口的双折射。方位角的测量误差会影响双折射测量的准确性。因此，在初始化波片方位角的步骤中，步进电机旋转平台应具有足够高的精度（约0.001°）。作为替代方案，也可使用其他常见的相位延迟器，例如晶体波片、基于液晶的波片或电光调制器，用于补偿真空窗口的双折射。其他一些系统性不确定因素也会影响测量精度，例如激光器的频率和功率稳定性、光电倍增管（PMT）的暗计数、散粒噪声等。这些因素在Yuan等人的研究中有所讨论¹⁰。

为准确实施该方法，需要准备用于电离镁原子并辐照²⁵Mg⁺的激光器、一对用于调节激光偏振态的半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）、两个格兰-泰勒偏振器以确保和检测偏振态、离子阱用于囚禁.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
280 nm 多普勒冷却激光器	Toptica	SYST DL-FHG Pro 280	多普勒冷却激光器
285 nm 电离激光器	Toptica	SYST DL-FHG Pro 285	电离激光器
烧蚀激光器	长春新产业光电技术	EL-532-1.5W	Q 开关 Nd:YAG 激光器
AOM	Gooch & Housego	AOMO 3200-1220	波长可下至 257 nm
EMCCD 相机	Andor	iXon3 897	离子阱中 25Mg+ 的成像
Glan-Taylor 偏振器	Union Optic	定制	消光比 1e-6
半波片	Union Optic	定制	由石英制成
光电倍增管	滨松	H8259-09	荧光计数
功率计	Thorlabs	PM100D	激光功率监测
四分之一波片	Union Optic	定制	由石英制成
反射镜	Union Optic	定制	介电涂层，适用于 280 nm
步进电机旋转台	Thorlabs	K10CR1/M	用于旋转波片
真空腔体	Kimball Physics	MCF800-SphSq-G2E4C4	由钛制成
真空窗口	Union Optic	定制	由熔融石英制成