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

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engenharia

في الموقع قياس الفراغ نافذة Birefringence باستخدام ²⁵ملغ⁺ Fluorescence

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

قدم هنا هو طريقة لقياس birefringence من النوافذ فراغ عن طريق تعظيم العد الفلوريسنس المنبعثة من دوبلر تبريد ²⁵ملغ⁺ أيونات في فخ أيونات. سوف birefringence من النوافذ فراغ تغيير حالات الاستقطاب من الليزر، والتي يمكن تعويضها عن طريق تغيير زوايا السماتال من لوحات الموجة الخارجية.

Abstract

التحكم الدقيق في حالات الاستقطاب من ضوء الليزر مهم في تجارب القياس الدقيق. في التجارب التي تنطوي على استخدام بيئة فراغ، وتأثير birefringence الناجم عن الإجهاد من النوافذ فراغ سوف تؤثر على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر داخل نظام فراغ، وأنه من الصعب جدا لقياس وتحسين حالات الاستقطاب من ضوء الليزر في الموقع. الغرض من هذا البروتوكول هو توضيح كيفية تحسين حالات الاستقطاب من ضوء الليزر على أساس الفلوريس من الأيونات في نظام فراغ، وكيفية حساب birefringence من النوافذ فراغ على أساس زوايا azimuthal من لوحات موجة خارجية مع مصفوفة مولر. الفلور من ²⁵ملغ⁺ أيونات الناجمة عن ضوء الليزر الذي هو صدى مع انتقال |3²ف_3/2، F = 4 ، م_F = 4 → | 3²S_1/2،F =3، م_F = 3حساس لحالة الاستقطاب من ضوء الليزر، وسوف يتم مراعاة الحد الأقصى من الفلوريسنس مع ضوء مستقطب دائري خالص. ويمكن أن يحقق مزيج من صفيح نصف الموجة (HWP) ولوحة ربع الموجة (QWP) تخلفاً تعسفياً في المرحلة ويستخدم لتعويض birة نافذة الفراغ. في هذه التجربة، يتم تحسين حالة الاستقطاب من ضوء الليزر على أساس الفلوريسنس ^{من 25}ملغ⁺ أيون مع زوج من HWP و QWP خارج غرفة فراغ. عن طريق ضبط زوايا azimuthal من HWP وQWP للحصول على أقصى قدر من الفلورية الأيونية، يمكن للمرء الحصول على ضوء مستقطب دائرياً خالص داخل غرفة الفراغ. مع المعلومات عن زوايا azimuthal من HWP الخارجي وQWP، يمكن تحديد birefringence من نافذة فراغ.

Introduction

في العديد من المجالات البحثية مثل تجارب الذرة الباردة¹، وقياس ثنائي القطب الكهربائية لحظة²، اختبار التكافؤ – nonconservation³، وقياس الفراغ birefringence⁴، الساعات البصرية⁵، الكم البصريات التجارب⁶، والكريستال السائل الدراسة⁷، من المهم أن نقيس بدقة وبدقة السيطرة على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر.

في التجارب التي تنطوي على استخدام بيئة فراغ، وتأثير birefringence الناجم عن الإجهاد من النوافذ فراغ سوف تؤثر على حالات الاستقطاب من ضوء الليزر. ليس من الممكن وضع محلل الاستقطاب داخل غرفة الفراغ لقياس حالات الاستقطاب مباشرة من ضوء الليزر. أحد الحلول هو استخدام الذرات أو الأيونات مباشرة كمحلل استقطاب في الموقع لتحليل البيرة من النوافذ الفراغية. ناقلات تحولات الضوء من ذرات CS⁸ حساسة لدرجات الاستقطاب الخطي للإصابة ضوء الليزر⁹. ولكن هذه الطريقة تستغرق وقتا طويلا ويمكن تطبيقها فقط على كشف ضوء الليزر المستقطبة خطيا.

قدم هو طريقة جديدة وسريعة ودقيقة في الموقع لتحديد حالات الاستقطاب من ضوء الليزر داخل غرفة فراغ على أساس تعظيم واحد ²⁵ملغ⁺ fluorescence في فخ أيون. ويستند الأسلوب على علاقة الفلورية أيون إلى حالات الاستقطاب من ضوء الليزر، الذي يتأثر birefringence من نافذة فراغ. يتم استخدام الطريقة المقترحة للكشف عن birefringence من النوافذ فراغ ودرجات الاستقطاب الدائري من ضوء الليزر داخل فراغ غرفة^10.

الطريقة قابلة للتطبيق على أي ذرات أو أيونات يكون معدل الفلورس حساسة لحالة الاستقطاب من ضوء الليزر. وبالإضافة إلى ذلك، في حين يتم استخدام المظاهرة لإعداد ضوء مستقطب دائريا نقية، مع معرفة birefringence من نافذة فراغ، يمكن إعداد حالات الاستقطاب التعسفي من ضوء الليزر داخل غرفة فراغ. لذلك ، فإن الأسلوب مفيد للغاية لمجموعة واسعة من التجارب.

Protocol

1. إعداد الاتجاهات المرجعية للمستقطبين A و B وضع المستقطب A والمستقطب B في شعاع الليزر (280 نانومتر الرابع ليزر التوافقي) المسار. تأكد من أن شعاع الليزر عمودي على أسطح المستقطبات عن طريق ضبط أصحاب المستقطب بعناية للحفاظ على ضوء الانعكاس الخلفي بالتزامن مع ضوء الحادث.ملاحظة: يجب أن …

Representative Results

ويبين الشكل 3 مسار شعاع التجربة. تتم إزالة المستقطب B في الشكل 3أ بعد تهيئة الزاوية (الشكل 3b). وقد مر الليزر عبر مستقطب، وHWP، وQWP، ونافذة الفراغ، بالتسلسل. متجه ستوكس من الليزر هو <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_u…

Discussion

تصف هذه المخطوطة طريقة لإجراء قياس في الموقع ل birefringence من نافذة الفراغ والدول الاستقطاب من ضوء الليزر داخل غرفة الفراغ. عن طريق ضبط زوايا السمتال من HWP وQWP (α و β)، يمكن تعويض تأثير birefringence من نافذة فراغ (δ و حاد) بحيث الليزر داخل غرفة فراغ هو ضوء مستقطب دائريا نقية. عند هذه النقطة، هناك علاقة م?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل جزئياً برنامج الصين الوطني للبحث والتطوير (منحة رقم 2017YFA0304401) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة رقم 11774108 و91336213 و61875065).

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

Referências

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

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citar este artigo

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).