![Page 1: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/1.jpg)
dr hab. Jerzy Zachorowski
Opracowanie utworu pod tytułem:
"Podstawy technik doświadczalnych chło-
dzenia atomów" w ramach kursu zaawanso-
wanego, organizowanego w dniach 31.08 –
25.09.09 będącego kontynuacją szkoleń z
zakresu eksploatacji i zarządzania duŜą infra-
strukturą badawczą organizowanego przez
Narodowe Laboratorium Technologii Kwan-
towych
![Page 2: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/2.jpg)
![Page 3: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/3.jpg)
Strona 1 z 87
Experimental techniques ofcooling and trappingbasic techniques and methods
Jerzy Zachorowski
Instytut Fizyki Uniwersytet Jagielloński
![Page 4: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/4.jpg)
Strona 2 z 87
Plan
• Lasers
• Atom sources
• Vacuum systems
• Magnetic fields
• Atom transfer
• Experiment control
![Page 5: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/5.jpg)
Strona 3 z 87
Plan
• Lasers
– requirements
– basic types
– stabilization
– beam shaping
– modulators
![Page 6: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/6.jpg)
Strona 4 z 87
Lasers: requirements
• small spectral width, γL<Γ
• good frequency stability
• adequate power, ~100mW do 1W
• good power stability
![Page 7: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/7.jpg)
Strona 5 z 87
Lasers: main types
• Diode lasers: Rb 780nmCs 852nm
• Diode laser + (tapered) amplifier = MOPA
• Laser Ti: sapphire
• Dye laser
![Page 8: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/8.jpg)
Strona 6 z 87
Diode laser
Lasing threshold andspectra
Well above threshold
![Page 9: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/9.jpg)
Strona 7 z 87
Diode lasers: tuning
Temperature tuning: two effects on the emission of the laser diode:
1) Change of the refractive index of the laser material → shift of the lasing modes with the laser temperature. Temperature increase → increase of the wavelength .
2) Shift of the gain of the laser material → change of the emission wavelength of the laser diode. Temperature increase → increase of the wavelength of the laser gain.
Different slopes → mode hops
Example: Diode laser diodowy AlGaAs, 780 nm,
tuning slope: dλ/dT=0.06 nm/K (continuous),
dλ/dT=0.25 nm/K (overall)
![Page 10: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/10.jpg)
Strona 8 z 87
Diode lasers: tuning
Current tuning: faster, smaller range, also changes power
tuning slope: dν/dI=3 GHz/mA (0.006 nm/mA)
Worst case scenario:mode hop at the desiredwavelength
![Page 11: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/11.jpg)
Strona 9 z 87
External resonator diode lasers
Littrow configuration:•tuning: grating rotation•mode-hop free tuning range: typically 4-6 GHz•beam steering may be avoided by using a beam-correction-mirror
Fig.: Sacher Lasertechnik
![Page 12: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/12.jpg)
Strona 10 z 87
External resonator diode lasers
Littman-Metcalf configuration:•tuning: mirror rotation•coupling can be controlled•stable output direction•higher losses
Fig.: Sacher Lasertechnik
![Page 13: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/13.jpg)
Strona 11 z 87
Construction
![Page 14: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/14.jpg)
Strona 12 z 87
Comparison
YesYes,
w. beam correction mirror
Fiber Coupling
2MHz5MHzLinewidth (20s)
300 kHz1 MHz Linewidth (50ms)
3 … 30mW5 … 100mWOutput Power
Littman/MetcalfLittrow
![Page 15: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/15.jpg)
Strona 13 z 87
Mode-hop free tuning
• Antireflection coating of the diodeR = 5.10-4 .. 5.10-5 reasonable coupling of the laser diode
• Special geometry of the resonator
Problem
Fig.: Sacher Lasertechnik
![Page 16: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/16.jpg)
Strona 14 z 87
Lasers: frequency stabilization
• side-of-fringedepends on amplitude,simple
• top-of-fringerequires lock-in detection,more complicated
![Page 17: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/17.jpg)
Strona 15 z 87
Lasers: frequency stabilization
Reference:• External resonator• Saturated absorption• Polarization spectroscopy• Atomic dichroism
(Dichroic Atomic Vapor Laser Lock)• Saturated dichroism
(Doppler Free Dichroic Lock)
![Page 18: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/18.jpg)
Strona 16 z 87
Saturated absorption
Saturated absorption locking scheme
![Page 19: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/19.jpg)
Strona 17 z 87
DAVLL
Differential absorption of two circular polarizations
Doppler broadened anti-symmetric curve: no lock-in required(poor absolute calibration)
Broad capture range
Shift of the locking point possible
Fig.: J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys. 40 (2007)187–198
![Page 20: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/20.jpg)
Strona 18 z 87
DFDL
• Differential saturated absorption of two circular polarizations
• Doppler-free anti-symmetric curves: no lock-in required
• Better absolute calibration
• Small capture range
• Small shift of the locking point possible
G. Wąsik et al. Appl. Phys. B75, 613–619 (2002)
![Page 21: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/21.jpg)
Strona 19 z 87
Why fast modulation?
• Noise amplitude ∝ f -1
• Lock-in detection: shorter time constants → faster reaction of the controller
• Electro-Optic Modulators: up to GHz bandwidth
![Page 22: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/22.jpg)
Strona 20 z 87
FM spectroscopy
SetupLaser Mod.
Oscyl. Faza
Próbka Det.
Mikser
Sygnał DC
E1 E2 E3
S(t)
First application to optical range:•G.C. Bjorklund, IBM Invention Disclosure, 1979, US Patent, 1981•G.C. Bjorklund, Opt. Lett. 5, 15 (1980),•R.G.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J. Hough, G.M.Ford, A.J. Munley
![Page 23: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/23.jpg)
Strona 21 z 87
FM spectroscopy
Laser field behind the modulator:
( )[ ] ( ) ( )[ ]
+++−−= ti
Mtiti
MEtE mCCmC ωωωωω exp
2expexp
2)( 02
Behind the sample an additional factor:
( ) ( ) cjLnLiT mCjjjjjjj ωωφαδφδ +==−−= ;2;exp
( )[ ] ( ) ( )[ ]
+++−−= − ti
MTtiTti
MTEtE mCCmC ωωωωω exp
2expexp
2)( 10103
Intensity measured by the detector:
( ) ( )[ ]tMtMecE
tI mm ωφφφωδδπ
δ sin2cos18
)( 0111120
30 −++−+= −−
−
![Page 24: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/24.jpg)
Strona 22 z 87
FM spectroscopy – signal shape
Demodulated signal versus laser frequency at fixed ωm
![Page 25: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/25.jpg)
Strona 23 z 87
FM spectroscopy – signal shape
Demodulated signal versus laser frequency at fixed ωm
Absorption part Dispersion part
![Page 26: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/26.jpg)
Strona 24 z 87
Laser stabilization to F-P cavity
R.W.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalsky et al., Appl. Phys. B 31 (1983) 97 + R.V Pound earlier work on µ-waves
Now: „Pound-Drever-Hall stabilization method”
ωm~10MHz: high enough for low noise, low enough for spectroscopy
Fig.: Toptica
![Page 27: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/27.jpg)
Strona 25 z 87
Hansch-Couillaud methodT.W. Hänsch, B. Couillaud, Opt. Comm. 137 (1997) 295
F-P cavity with polarization-dependent losses: Brewster plate, polarizer or a birefringent crystal,
Fig.: Toptica
![Page 28: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/28.jpg)
Strona 26 z 87
Hansch-Couillaud methodPolarization components parallel & perp. to minimum loss direction:
Perpendicular component – reflected at entrance window, no phase shift, serves as reference,Parallel component – detuning-dependent phase shift, Combined beam – elliptic polarization, except at resonance.Difference signal of the photocurrents of the two detectors:
,sin,cos 0)(
0)(
|| θθ EEEE rr == ⊥
./2,1
,1
21
1)0(
||)(
||1)0()( cL
re
re
r
trEErEE
i
irr ωδδ
δ
∆=
−−== ⊥⊥
( ) 2/sin41
sinsincos2
2222
221
2)0(21
δδθθ
rr
rtEii
+−∝−
![Page 29: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/29.jpg)
Strona 27 z 87
Comparison
EOM / AOM needed for non-
diode lasers
Temperature and alignment
sensitive
Sideband modulation easily
realized with diode lasers
No laser modulation required
Adjustable locking range,
defined by modulation
frequency
Easier to implement
RF sideband modulation
technique
Polarization sensitive
stabilization
Pound-Drever-HallHänsch-Couillaud
![Page 30: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/30.jpg)
Strona 28 z 87
Laser beam shaping
• Required shape: pure TEM00 mode
�spatial filtering with pinholes
�filtering by a single-mode optical fiber
• Power loss
• Possibility of separation of laser table fromexperiment table
• Polarization maintaining fibers!
![Page 31: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/31.jpg)
Strona 29 z 87
Acousto-optic modulators
• Laser beam diffracted on anacoustic wave (elastooptic effect),
• Glass, quartz, lead molybdate, tellurium oxide
• Running acoustic wave, • Acoustic velocity ~5 km/sec,• Transducer frequency 40–300 MHz.
beam deflection, φ(fAOM)
intensity control, I±1(Prf)
frequency change: fout = fin+ fAOM
![Page 32: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/32.jpg)
Strona 30 z 87
Acousto-optic modulators• Acousto-optic modulators are used to vary and
control laser beam intensity.
• A frequency shifter uses the shift inherent in the acousto-optic interaction to up- or down-shift a laser’s frequency.
• A deflector is used to scan a laser beam over a range of angles. The angle of the first order output beam is directly linked to the RF frequency. By varying the frequency, the output laser beam angle is modified.
![Page 33: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/33.jpg)
Strona 31 z 87
Acousto-optic modulatorsExample specifications: ISOMET model 1206C
![Page 34: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/34.jpg)
Strona 32 z 87
AOM tips & tricks
• Double pass: frequency shift scan without beam deflection
• Caution: birefringence!
• Double pass, singlefrequency shift
• Drivers: VCO, DDS
![Page 35: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/35.jpg)
Strona 33 z 87
Electro-optic modulators
• Amplitude & phase modulators
• Frequency up to GHz
• For Pound-Drever-Hall stabilization 10-20 MHz
• Broadband or resonant modulators
![Page 36: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/36.jpg)
Strona 34 z 87
Atom sources
• Evaporative sources
• Atomic beam oven
• High flux sources
• Dispenser
• LIAD
![Page 37: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/37.jpg)
Strona 35 z 87
Atomic beam oven
Velocity distribution
• Heated container + output openingExample for Sr: 200 tubes of 8-mm length and 200-µmdiameter for transverse velocity selection.
beam
gas
−∝
−∝ 2
22
2
23
2exp,
2exp)(
u
vvf
u
vvv gasbeam
![Page 38: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/38.jpg)
Strona 36 z 87
High-flux effusive beam
Oven temp 110–150ºCpRb ~ 0.5 mtorrhole (J) dia. 5 mmhole (I): 7.1 mm dia. flux ~ 1011 atoms/s.cold cup temp -30ºCcapture 99.3% of atomspRb ≈ 2.5 × 10−10 torr.
E. Streed Thesis MIT 2006
![Page 39: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/39.jpg)
Strona 37 z 87
Candlestick sourceNa source:emission point temp. 350ºC:
total flux 1018 at/sRb source:emission hole 2 mmcollimation hole 2mmdist. 2 cmdivergence ̟/50 rademission point temp. 160ºC:
total flux 1.2×1014 at/smean velocity 400 m/s
L.V. Hau and J.A. GolovchenkoRev. Sci. Instrum. 65 (12), December 1994
![Page 40: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/40.jpg)
Strona 38 z 87
Candlestick source
M Walkiewicz et al.Rev.Sci.Instrum.,Vol.71,No.9,September2000
Atomic density in the beam 35 cm from the source
![Page 41: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/41.jpg)
Strona 39 z 87
Alkali Metal Dispensers
SAES Getters S.p.A.
Cs, Na, K, Rb, Li
alkali metal chromate + reducing agent (Zr-Al getter)
heating by electric current: 5 A for 650°C
easy handling and vacuum installation, fast response
a current burst at the beginning to break the oxide layer
12-17 mm
![Page 42: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/42.jpg)
Strona 40 z 87
Vacuum apparatus
• Different requirements for atom collection and experiment (e.g. BEC) areas,
• Pressure in atom collection chamber ~10-8 mbar(alkali metal dispensers)
• Pressure in experimental chamber <10-10 mbar
• Two chambers should be separated and differentially pumped
![Page 43: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/43.jpg)
Strona 41 z 87
Vacuum chambers• Materials:
– stainless steel (304, 316 type),– quartz,– gaskets: copper, indium wire,
• Flanges and fittings CF type
150
100
63
38
19
Nominal ID
203 (8”)DN160CF
152 (6”)DN100CF
114 (4 ½”)DN63CF
70 (2 ¾”)DN40CF
34 (1 1/3”)DN16CF
Outside diameterISO description
![Page 44: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/44.jpg)
Strona 42 z 87
Vacuum pumps
• Ion pump
• Ti sublimation pump
• NEG (Zr-V-Fe or Ti-V getter alloys)
• Turbopump
![Page 45: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/45.jpg)
Strona 43 z 87
Vacuum preparation
1. wash parts in ultrasonic cleaner: alkalinedetergent, trichloroethylene, alkaline degreaser,
2. rinse in demineralised water,3. dry in hot air4. close chamber: all screws silvered or coated with
molybdenum disulphide (MoS2) dry lubricant5. pump the chamber to ~10-8 mbar:
turbomolecular pump + oil-free roughing pump6. vacuum bake
![Page 46: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/46.jpg)
Strona 44 z 87
Vacuum baking1. cover the glass cells,
2. install heating tapes and thermocouples,
3. raise the temperature to 300°C (not faster than 50°C/h) homogeneous heating (diff. < 30°C),
4. heat also metal dispensers and Ti wires insublimation pump,
5. outgass dispensers and Ti wires,
6. bake turbo pump and ion pump,
7. bake for 12 h with turbo pump on,
8. close the turbo pump valve,
![Page 47: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/47.jpg)
Strona 45 z 87
Vacuum baking cont.
9. bake for 48h with ion pump on,
10. cool the apparatus in 6–8 h,
11. end pressure < 10-10 mbar.
![Page 48: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/48.jpg)
Strona 46 z 87
Vacuum pumping
• molecular flows ifmean free path > chamber sizei.e. pressure × size < 10-2 Pa m
• pump speed S: volumetric flow (l/s, m3/h, cfm)
• pump throughput T: measure of the quantity of gasthe pump can remove (torr.liter/sec, Pa m3/s = W)
• effective pumping speed EPS: combination ofconductance and pumping speed
![Page 49: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/49.jpg)
Strona 47 z 87
Vacuum pumping
T = S� pflow in the connecting tube depends on the
conductance and pressure diff.:
T = C (pc – pp)no losses and leaks
or
chamberpc
pp
pumpS
1
C
1
EPS
1 +=CS
SEPS
/1+=
![Page 50: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/50.jpg)
Strona 48 z 87
Conductance
• Circular opening: C[l/s] = 37 r2 [cm2]
• Circular tube: C[l/s] = r3[cm3]/l[m]
Example:
pump S = 300 l/s
tubing section l = 10 cm, Ø = 4 cm, Ct = 80 l/s
valve NW40 Cv = 45 l/s
EPS = 26 l/s (only!!!)
Moreover: pc/pp = S/EPS → pc 10 times more thanin pump
![Page 51: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/51.jpg)
Strona 49 z 87
Construction rules
• It’s easy to spoil conductance,
• Weakest element decisive for total conductance,
• All connections should be short and wide
• Best: pump directly connected to chamber
• Optical acces requirements, magnetic field etc. dictate non-perfect solutions
![Page 52: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/52.jpg)
Strona 50 z 87
Magnetic fields
• Homogeneous fields: Helmholtz coils
• Quadrupole fields (MOT, traps)
• Zeeman slower solenoid
![Page 53: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/53.jpg)
Strona 51 z 87
EquationsMagnetic field of a coil: radius R, axis OZ, position z=A
argument of the complete eliptic integrals K, E(z)
SI units (A,m,T):µ = 4̟ 107
mixed units (A,cm,G)µ = 4̟ /10
![Page 54: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/54.jpg)
Strona 52 z 87
EquationsMagnetic field of a wire parallel to z axis at cylindrical
coordinates ρ=S, φ=α:
![Page 55: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/55.jpg)
Strona 53 z 87
Polynomial expansionSingle coil at z=0
Two coils at z=±A
Helmholtz config. for 2A=R: maximum field uniformity
![Page 56: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/56.jpg)
Strona 54 z 87
Magnetic trapsPotential:
Epot = – µ�B = – µB gF mF B
Inhomogeneous field: Stern-Gerlach force,no field maximum possible (Earnshaw theorem)trap for „low-field-seeking states”
Magnetic moment follows the field direction if itsorientation does not change too fast (adiabaticcriterion)
LBω<<
∇⋅ Bv
![Page 57: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/57.jpg)
Strona 55 z 87
Magnetic trapsQuadrupole trap (W. Paul, W. Phillips):
two coils with opposed equal currentslinear potential — better trapping,but at minimum B = 0: Majorana spin flips
Threshold values of |B| along z and ρ equal ifA/R = 0.63.
T. Bergeman et al. PRA 35, 1535 (1987)
![Page 58: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/58.jpg)
Strona 56 z 87
Magnetic trapsTime-averaged Orbiting Potential (TOP)
![Page 59: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/59.jpg)
Strona 57 z 87
Joffe trapFour conducting bars — quadrupole radial field+ coils on axis (distance > Helmholtz coils) — axial field with a minimum + homogeneous offset field
Total field:
![Page 60: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/60.jpg)
Strona 58 z 87
Joffe trap
Total field:
Harmonic potential close to trap center
Oscillationfrequencies:
![Page 61: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/61.jpg)
Strona 59 z 87
Magnetic trap
Field distribution
![Page 62: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/62.jpg)
Strona 60 z 87
Magnetic trap
B Field along the Z axis for differentoffset field values
Harmonic rangelimited:
![Page 63: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/63.jpg)
Strona 61 z 87
Magnetic trap
![Page 64: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/64.jpg)
Strona 62 z 87
QUICQuadrUpole-Joffe Configuration
T. Esslinger, I. Bloch, and T.W. Hansch. Phys. Rev. A, 58, R2664 (1998)
Position of the field minimum shifts with the Joffe coil currentincrease
![Page 65: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/65.jpg)
Strona 63 z 87
Another version of QUIC
Three identical coils: quadrupole + Joffe coilfield minimum remains in the same position, high value of minimum field.
Additional Helmholtz coils: offset field
Dalibard, 2001
![Page 66: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/66.jpg)
Strona 64 z 87
coils (MT) water cooled(40 A, Ø = 1 mm)
offset coils – Cu tubing
Magnetic trap
![Page 67: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/67.jpg)
Strona 65 z 87
Magnetic coils
![Page 68: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/68.jpg)
Strona 66 z 87
Surface traps (atom chips)R. Folman et al. MICROSCOPIC ATOM OPTICS: FROM WIRES TO AN ATOM CHIP, Adv.in At., Mol. & Opt. Phys. 48
Potential for magnetic guides
![Page 69: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/69.jpg)
Strona 67 z 87
Surface traps (atom chips)
b) U-wire trap:3-D quadrupole fieldwith a zero in thetrapping center,c) Z-wire trap:Ioffe–Pritchard typetrap
radial and axial trapping potential
![Page 70: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/70.jpg)
Strona 68 z 87
Surface traps (atom chips)
Trap and magnetic ‘conveyorbelt’:MPQ Garching87RbAtom number in BEC: 6000Collecting time: 8sCooling time 2,1sCurrent 2A
![Page 71: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/71.jpg)
Strona 69 z 87
Zeeman slower solenoid
• Local magnetic fields compensate Doppler shift
• Simplest case: constant deceleration assumed, no laser detuning
• B ∝ z1/2
• Inconvenient: high fields requireddifficult to control end velocity
• Better:detune the laser
![Page 72: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/72.jpg)
Strona 70 z 87
Zeeman slower solenoid• Non maximum deceleration assumed a=εamax
• Big detuning of the laser beam
• Magnetic shields for better field confinement
• Complicated winding pattern
![Page 73: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/73.jpg)
Strona 71 z 87
Transfer of atoms
Transfer of atoms from MOT to magnetic trap:• atoms should not be lost nor heated — trap potentials
should be well fitted.
MOT: gaussian shape of the atom cloud
−+−=
2
2
2
22
0 exp)(z
MOT
zyxnn
σσ ρ
r
Magnetic trap: what potential shape best preserves thephase-space density?
harmonic trap ? linear trap
![Page 74: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/74.jpg)
Strona 72 z 87
Transfer of atoms
Best harmonic trap shape: parameters such, that clud shape not altered
Caution: gravity!
Next step: adiabatic compression to increase density & collision rate.
![Page 75: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/75.jpg)
Strona 73 z 87
• why?
• difficulties?
upper MOT: a lot of atoms – pressure 10-7 mbar
lower MOT:
pressure < 10-10 mbar
• how?
light pressure– pushing beam
geometry of differential pumping(distance 0,5 m, tube 5 mm, length 8 cm)
atoms released from the upper MOT, recaptured in the lower MOT
Transport of atoms
![Page 76: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/76.jpg)
Strona 74 z 87
Pushing beam
UpperMOT — high intensity, comparable to the trap beams: w1=1,1mm.
LowerMOT — low intensity, no effect on the trap: w2=3,3 mm
L =415 mm
![Page 77: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/77.jpg)
Strona 75 z 87
Atom collection
Loading of the lower MOT
![Page 78: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/78.jpg)
Strona 76 z 87
Other possibilities
• cyclic transfer
• 2D MO traps
![Page 79: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/79.jpg)
Strona 77 z 87
Other possibilities
• magnetic transport : system of quadrupolecoils, sequential action
idea
experimentalsetup
Greiner, Haensch, Monachium 2000
![Page 80: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/80.jpg)
Strona 78 z 87
Other possibilities
• magnetic transport :moving magnetic trap on a linear track
Lewandowski, Cornell, Boulder
![Page 81: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/81.jpg)
Strona 79 z 87
Between MOT and MT
• Additional cooling and compression of atoms :� Cold MOT: higher detuning, lower intensity of laser
beams,
� Higher gradient of magnetic field,
� Subdoppler cooling.
• Only certain magnetic states are trapped —optical pumping necessary.
![Page 82: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/82.jpg)
Strona 80 z 87
Current controlControl of the currents in magnetic trap coils:
currents tens to hundreds A,high power MOSFETsswitching time: mscoil inductance!
![Page 83: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/83.jpg)
Strona 81 z 87
Experiment control
Elements under control:
• AOM frequencies
• switching on and off of AOMs
• shutters
• magnetic trap currents
• rf field frequency
• CCD camera trigger
![Page 84: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/84.jpg)
Strona 82 z 87
Experiment control
• for convenience: two PCs
– experiment control: timing, digital, analog, GPIB commands
– camera control, aquisition and processingof images
• Real-time controlAttention, operating system!
• Software.
![Page 85: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/85.jpg)
Strona 83 z 87
Detection
• A „probe” not possibleprobe of a size ~10µm: 1013 atoms — much more thansample size
• Optical methods:– photon absorption
– photon reemission (fluorescence)
– phase shift (dispersive imaging)
( ) ( )
20
20
0
12;
1
1
2exp
,,
δδσ
δσ
+−=Φ
+−=
= Φ
nnt
eyxtEyxE i
n column density, σ0 cross-section, δ laser detuning
![Page 86: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/86.jpg)
Strona 84 z 87
Optical detection
• Absorption methods — measure of t2
• Dispersive methods:
– phase modulation must be converted into intensity modulation,
– separation of scattered light from direct lightnecessary,
– dark field & phase contrast methods.
![Page 87: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/87.jpg)
Strona 85 z 87
Absorption methods
• Small sample, high density, resonant light —total absorption,
• Atoms released from the trap and expanded:
– smaller density and absorption,
– measutement of initial velocity distribution.
![Page 88: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/88.jpg)
Strona 86 z 87
Image analysisSignal recorded by the camera :
P beam profile, S scattered field, N background, D opticaldensity
Two additional images recorded:with laser beam, but without atoms:
without laser beam
( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )yxNyxSeyxPFyxF yxDII ,,,, ,0 ++= −
( ) ( ) ( )[ ] ( )yxNyxSyxPFyxF IB ,,,, 0 ++=
( ) ( )yxNyxFD ,, =
![Page 89: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022021715/5c7740b909d3f2cd0e8b7725/html5/thumbnails/89.jpg)
Strona 87 z 87
Transmission T(x,y)=t2:
part of the image without atoms used to check if FI0≠FB0
Beckground reduction difficult when vibrations occur
Image analysis
( ) ( ) ( )( ) ( )yxFyxF
yxFyxFyxT
DB
DI
,,
,,,
−−=
( ) ( ) ( )[ ] ( )( )yxP
yxSeeyxT yxDyxD
,
,1, ,, −− −+≈