In Situ Medición de la Birefringencia de la Ventana de Vacío usando 25Mg+ Fluorescencia
Summary
Aquí se presenta un método para medir la birefringencia de las ventanas de vacío maximizando los recuentos de fluorescencia emitidos por Doppler enfriado 25Mg+ iones en una trampa de iones. La birefringencia de las ventanas de vacío cambiará los estados de polarización del láser, que se puede compensar cambiando los ángulos acimutales de las placas de onda externas.
Abstract
El control preciso de los estados de polarización de la luz láser es importante en los experimentos de medición de precisión. En los experimentos que implican el uso de un entorno de vacío, el efecto de birefringencia inducido por el estrés de las ventanas de vacío afectará a los estados de polarización de la luz láser dentro del sistema de vacío, y es muy difícil medir y optimizar los estados de polarización de la luz láser in situ. El propósito de este protocolo es demostrar cómo optimizar los estados de polarización de la luz láser basados en la fluorescencia de iones en el sistema de vacío, y cómo calcular la birefringencia de las ventanas de vacío basadas en ángulos azimutales de placas de onda externas con matriz Mueller. La fluorescencia de 25Mg+ iones inducidas por la luz láser que es resonante con la transición de 32P3/2,F a 4, mF a 4 
→ | 32S1/2,F a 3, mF a 3es sensible al estado de polarización de la luz láser, y la fluorescencia máxima se observará con luz polarizada circular pura. Una combinación de placa de media onda (HWP) y placa de cuarto de onda (QWP) puede lograr un retardo de fase arbitrario y se utiliza para compensar la birefringencia de la ventana de vacío. En este experimento, el estado de polarización de la luz láser se optimiza en función de la fluorescencia de 25Mg+ ion con un par de HWP y QWP fuera de la cámara de vacío. Al ajustar los ángulos acimutales del HWP y QWP para obtener la máxima fluorescencia iónica, se puede obtener una luz polarizada circular pura dentro de la cámara de vacío. Con la información sobre los ángulos acimutales del HWP y QWP externos, se puede determinar la birefringencia de la ventana de vacío.
Introduction
En muchos campos de investigación como experimentos de átomos fríos1, medición del dipolo eléctrico momento2, prueba de paridad-no conservación3, medición de la birefringencia de vacío4, relojes ópticos5, experimentos de óptica cuántica6, y estudio de cristal líquido7, es importante medir con precisión y controlar con precisión los estados de polarización de la luz láser.
En los experimentos que implican el uso de un entorno de vacío, el efecto de birefringencia inducido por el estrés de las ventanas de vacío afectará los estados de polarización de la luz láser. No es factible colocar un analizador de polarización dentro de la cámara de vacío para medir directamente los estados de polarización de la luz láser. Una solución es utilizar átomos o iones directamente como un analizador de polarización in situ para analizar la birefringencia de las ventanas de vacío. Los cambios de luz vectorial de los átomos Cs8 son sensibles a los grados de polarización lineal de la luz láser de incidencia9. Pero este método consume mucho tiempo y sólo se puede aplicar a la detección de luz láser polarizada linealmente.
Presentado es un nuevo método rápido, preciso, in situ para determinar los estados de polarización de la luz láser dentro de la cámara de vacío basado en maximizar una sola fluorescencia de 25Mg+ en una trampa de iones. El método se basa en la relación de la fluorescencia iónica con los estados de polarización de la luz láser, que se ve afectada por la birefringencia de la ventana de vacío. El método propuesto se utiliza para detectar la birefringencia de las ventanas de vacío y los grados de polarización circular de la luz láser dentro de una cámara de vacío10.
El método es aplicable a cualquier átomo o iones cuya tasa de fluorescencia sea sensible a los estados de polarización de la luz láser. Además, mientras que la demostración se utiliza para preparar una luz pura polarizada circularmente, con el conocimiento de la birefringencia de la ventana de vacío, los estados de polarización arbitraria de la luz láser se pueden preparar dentro de la cámara de vacío. Por lo tanto, el método es bastante útil para una amplia gama de experimentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este manuscrito describe un método para realizar la medición in situ de la birefringencia de la ventana de vacío y los estados de polarización de la luz láser dentro de la cámara de vacío. Al ajustar los ángulos azimutales del HWP y el QWP (α y β), el efecto de la birefringencia de la ventana de vacío (δ y ) se puede compensar de modo que el láser dentro de la cámara de vacío sea una luz polarizada circular pura. En este punto, existe una relación definitiva entre la birefringencia de la ventana de vacío…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue parcialmente apoyado por el Programa Nacional de I+D clave de China (Grant No. 2017YFA0304401) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant Nos. 11774108, 91336213 y 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).
