dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy...

89
dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytulem: "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

Transcript of dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy...

Page 1: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych

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
Page 3: dr hab. Jerzy Zachorowski - University of Warsacikas/docs/wyklady_Zachorowski.pdf · dr hab. Jerzy Zachorowski Opracowanie utworu pod tytułem: "Podstawy technik doświadczalnych

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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, ,, −− −+≈