In Situ Meting van Vacuüm Venster Birefringence met behulp van 25Mg+ Fluorescentie
Summary
Hier gepresenteerd is een methode om de birefringence van vacuüm ramen te meten door het maximaliseren van de fluorescentie telt uitgezonden door Doppler gekoeld 25Mg+ ionen in een ionenval. De birefringence van vacuümvensters zal de polarisatietoestanden van de laser veranderen, die kunnen worden gecompenseerd door de azimuthalhoeken van externe golfplaten te veranderen.
Abstract
Nauwkeurige controle van de polarisatietoestanden van laserlicht is belangrijk in precisiemetingsexperimenten. In experimenten met het gebruik van een vacuümomgeving zal het stress-geïnduceerde birefringence-effect van de vacuümvensters de polarisatietoestanden van laserlicht in het vacuümsysteem beïnvloeden, en het is zeer moeilijk om de polarisatietoestanden van het laserlicht ter plaatse te meten en te optimaliseren. Het doel van dit protocol is om aan te tonen hoe de polarisatietoestanden van het laserlicht te optimaliseren op basis van de fluorescentie van ionen in het vacuümsysteem, en hoe de birefringence van vacuümvensters te berekenen op basis van azimuthal hoeken van externe golfplaten met Mueller matrix. De fluorescentie van 25Mg+ ionen veroorzaakt door laserlicht dat resonante wijze is met de overgang van |32P3/2, F = 4, mF = 4 
→ | 32S1/2, F =3, mF = 3is gevoelig voor de polarisatietoestand van het laserlicht, en maximale fluorescentie zal worden waargenomen met puur circulair gepolariseerd licht. Een combinatie van halfgolfplaat (HWP) en kwart-golfplaat (QWP) kan willekeurige fasevertraging bereiken en wordt gebruikt voor het compenseren van de birefringence van het vacuümvenster. In dit experiment wordt de polarisatietoestand van het laserlicht geoptimaliseerd op basis van de fluorescentie van 25Mg+ ion met een paar HWP en QWP buiten de vacuümkamer. Door de azimuthalhoeken van de HWP en QWP aan te passen om maximale ionenfluorescentie te verkrijgen, kan men een zuiver circulair gepolariseerd licht in de vacuümkamer verkrijgen. Met de informatie over de azimuthal hoeken van de externe HWP en QWP, kan de birefringence van het vacuümvenster worden bepaald.
Introduction
In veel onderzoeksgebieden zoals koudeatoomexperimenten 1, meting van het elektrische dipoolmoment2, test van pariteit-nonconservatie3, meting van vacuümbirefringence4, optische klokken5, kwantumoptica experimenten6, en vloeibare kristal studie7, is het belangrijk om de polarisatietoestanden van laserlicht nauwkeurig te meten en nauwkeurig te controleren.
In experimenten met het gebruik van een vacuümomgeving zal het stress-geïnduceerde birefringence-effect van vacuümvensters de polarisatietoestanden van laserlicht beïnvloeden. Het is niet haalbaar om een polarisatieanalyzer in de vacuümkamer te plaatsen om de polarisatietoestanden van het laserlicht direct te meten. Een oplossing is om atomen of ionen direct te gebruiken als een in situ polarisatie analyzer om de birefringence van vacuüm ramen te analyseren. De vectorlichtverschuivingen van Csatomen 8 zijn gevoelig voor de graden van lineaire polarisatie van het incidentielaserlicht9. Maar deze methode is tijdrovend en kan alleen worden toegepast op de lineair gepolariseerde laserlichtdetectie.
Gepresenteerd is een nieuwe, snelle, nauwkeurige, in situ methode om de polarisatie toestanden van laserlicht in de vacuümkamer te bepalen op basis van het maximaliseren van enkele 25Mg+ fluorescentie in een ionenval. De methode is gebaseerd op de relatie van de ionenfluorescentie met de polarisatietoestanden van het laserlicht, die wordt beïnvloed door de birefringence van het vacuümvenster. De voorgestelde methode wordt gebruikt voor het opsporen van de birefringence van vacuüm ramen en graden van circulaire polarisatie van laserlicht in een vacuümkamer10.
De methode is van toepassing op atomen of ionen waarvan de fluorescentie gevoelig is voor de polarisatietoestanden van laserlicht. Bovendien, terwijl de demonstratie wordt gebruikt om een zuiver circulair gepolariseerd licht voor te bereiden, met de kennis van de birefringence van het vacuümvenster, kunnen de willekeurige polarisatiestaten van laserlicht binnen de vacuümkamer worden voorbereid. Daarom is de methode heel nuttig voor een breed scala aan experimenten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit manuscript beschrijft een methode om in situ meting van de birefringence van het vacuümvenster en de polarisatiestaten van het laserlicht binnen de vacuümkamer uit te voeren. Door de azimuthal-hoeken van de HWP en de QWP (α en β) aan te passen, kan het effect van de birefringence van het vacuümvenster (δ en γ) worden gecompenseerd zodat de laser in de vacuümkamer een zuiver circulair gepolariseerd licht is. Op dit punt bestaat er een duidelijke relatie tussen de birefringence van het vacuümvenster en de azim…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304401) en de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11774108, 91336213 en 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
- 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).
