In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using <sup>25</sup>Mg<sup>+</sup> 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

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Ingénierie

In Situ Misurazione della Finestra a vuoto Birefringence ^{utilizzando 25}Mg^- Fluorescenza

Published: June 13, 2020

doi:

10.3791/61175

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

Summary

Presentato qui è un metodo per misurare la birefringence delle finestre a vuoto massimizzando i conteggi di fluorescenza emessi da Doppler raffreddato ²⁵^Mg – ioni in una trappola ioni. La birifringenza delle finestre a vuoto cambierà gli stati di polarizzazione del laser, che possono essere compensati cambiando gli angoli azimuthal delle piastre d’onda esterne.

Abstract

Il controllo accurato degli stati di polarizzazione della luce laser è importante negli esperimenti di misurazione di precisione. Negli esperimenti che prevedono l’uso di un ambiente a vuoto, l’effetto di birefringenza indotta dallo stress delle finestre a vuoto influenzerà gli stati di polarizzazione della luce laser all’interno del sistema a vuoto, ed è molto difficile misurare e ottimizzare gli stati di polarizzazione della luce laser in situ. Lo scopo di questo protocollo è dimostrare come ottimizzare gli stati di polarizzazione della luce laser in base alla fluorescenza degli ioni nel sistema a vuoto e come calcolare la birefringence delle finestre a vuoto basate su angoli azimuthal di piastre d’onda esterne con matrice Mueller. La fluorescenza di ²⁵mg^di ioni indotta dalla luce laser che risuona con la transizione di 3²P_3/2,F – 4, m_F – 4 → | 3²S_1/2,F – 3, m_F – 3 èsensibile allo stato di polarizzazione della luce laser e la massima fluorescenza sarà osservata con pura luce polarizzata circolare. Una combinazione di piastra a mezza onda (HWP) e piastra a onde quarti (QWP) può ottenere un ritardo di fase arbitrario e viene utilizzata per compensare la birifezza della finestra a vuoto. In questo esperimento, lo stato di polarizzazione della luce laser è ottimizzato in base alla fluorescenza di ²⁵^Mg – ioni con una coppia di HWP e QWP al di fuori della camera a vuoto. Regolando gli angoli azimuthal dell’HWP e del QWP per ottenere la massima fluorescenza degli ioni, si può ottenere una luce polarizzata circolare pura all’interno della camera a vuoto. Con le informazioni sugli angoli azimuthal dell’HWP esterno e del QWP, è possibile determinare la birifringence della finestra a vuoto.

Introduction

In molti campi di ricerca come esperimenti di atomi^{freddi 1}, misurazione del momento dipolo^{elettrico 2}, test di parità-non conservazione³, misurazione della birefringence^{del vuoto 4}, orologi ottici⁵, esperimenti di ottica^{quantistica 6}e studio di cristallo liquido⁷, è importante misurare con precisione e controllare con precisione gli stati di polarizzazione della luce laser.

Negli esperimenti che prevedono l’uso di un ambiente a vuoto, l’effetto di birifringità indotta dallo stress delle finestre a vuoto influenzerà gli stati di polarizzazione della luce laser. Non è possibile mettere un analizzatore di polarizzazione all’interno della camera a vuoto per misurare direttamente gli stati di polarizzazione della luce laser. Una soluzione consiste nell’utilizzare atomi o ioni direttamente come analizzatore di polarizzazione in situ per analizzare la birifringence delle finestre a vuoto. Gli spostamenti di luce vettoriale degli atomi^{Cs 8} sono sensibili ai gradi di polarizzazione lineare della luce laser di incidenza⁹. Ma questo metodo richiede molto tempo e può essere applicato solo al rilevamento della luce laser polarizzata linearmente.

Presentato è un nuovo, rapido, preciso, metodo in situ per determinare gli stati di polarizzazione della luce laser all’interno della camera a vuoto sulla base di massimizzare ^{singola 25}Mg^– fluorescenza in una trappola ioni. Il metodo si basa sulla relazione della fluorescenza ione con gli stati di polarizzazione della luce laser, che è influenzata dalla birifringence della finestra a vuoto. Il metodo proposto viene utilizzato per rilevare la birifezza delle finestre a vuoto e i gradi di polarizzazione circolare della luce laser all’interno di una camera a^{vuoto 10}.

Il metodo è applicabile a tutti gli atomi o ioni il cui tasso di fluorescenza è sensibile agli stati di polarizzazione della luce laser. Inoltre, mentre la dimostrazione viene utilizzata per preparare una luce polarizzata circolare pura, con la conoscenza della birifringence della finestra a vuoto, gli stati arbitrari di polarizzazione della luce laser possono essere preparati all’interno della camera a vuoto. Pertanto, il metodo è molto utile per una vasta gamma di esperimenti.

Protocol

1. Impostare le direzioni di riferimento per i polarizzatori A e B Mettere il polarizzatore A e il polarizzatore B nel percorso del raggio laser (280 nm del quarto laser armonico). Assicurarsi che il raggio laser sia perpendicolare alle superfici dei polarizzatori regolando attentamente i supporti polarizzatori per mantenere la luce di retro-riflessione coincidente con la luce dell’incidente.NOTA: tutte le seguenti procedure di allineamento per i componenti ottiche devono seguire la stessa regola….

Representative Results

Figura 3 Mostra il percorso del fascio dell’esperimento. Polarizer B in Figura 3a viene rimosso dopo l’inizializzazione dell’angolo (Figura 3b). Il laser è passato attraverso un polarizzatore, un HWP, un QWP e la finestra a vuoto, in sequenza. Il vettore Stokes del laser è , dove è la p…

Discussion

Questo manoscritto descrive un metodo per eseguire in situ la misurazione della birefringence della finestra a vuoto e gli stati di polarizzazione della luce laser all’interno della camera a vuoto. Regolando gli angoli azimuthal dell’HWP e del QWP (α e β), l’effetto della birifebilità della finestra a vuoto (δ e θ) può essere compensato in modo che il laser all’interno della camera a vuoto sia una luce polarizzata circolare pura. A questo punto, esiste una relazione precisa tra la birifringence della finestra a vuo…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dal National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304401) e dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11774108, 91336213 e 61875065).

Materials

280 nm Doppler cooling laser	Toptica	SYST DL-FHG Pro 280	Doppler cooling laser
285 nm ionization laser	Toptica	SYST DL-FHG Pro 285	ionization laser
Ablation laser	Changchun New Industries Optoelectronics Technology	EL-532-1.5W	Q-switched Nd:YAG laser
AOM	Gooch & Housego	AOMO 3200-1220	wavelengh down to 257 nm
EMCCD camera	Andor	iXon3 897	imaging of ²⁵Mg⁺ in ion trap
Glan-Taylor polarizer	Union Optic	Custom	distinction ratio 1e-6
Half waveplate	Union Optic	Custom	made of quartz
Photon multiplier tube	Hamamatsu	H8259-09	fluorescent counting
Power meter	Thorlabs	PM100D	laser power monitor
Quarter waveplate	Union Optic	Custom	made of quartz
Mirror	Union Optic	Custom	dielectric coated for 280 nm
Stepper motor roation stage	Thorlabs	K10CR1/M	rotating wave plates
Vacuum chamber	Kimball Physics	MCF800-SphSq-G2E4C4	made of Titanium
Vacuum window	Union Optic	Custom	made of fused silica

References

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Citer Cet Article

Yuan, W. H., Liu, H. L., Wei, W. Z., Ma, Z. Y., Hao, P., Deng, Z., Deng, K., Zhang, J., Lu, Z. H. In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using ²⁵Mg⁺ Fluorescence. J. Vis. Exp. (160), e61175, doi:10.3791/61175 (2020).