Modernizacja układu - ekran magnetyczny

W celu prowadzenia w układzie badań magneto-optycznych konieczne było zaprojek-towanie i skonstruowanie ekranu magnetycznego. Został on dokładnie opisany w pracy Marcina Piotrowskiego.

Wraz z jego konstrukcją (gotowy ekran widoczny jest na zdjęciu 4.6) pojawiła się potrzeba skonstruowania nowych cewek kwadrupolowych, oraz kompensacyjnych. Ze względu na małą dostępną objętość wewnątrz ekranu, zaprojektowane przez autora cew-ki kompensacyjne znajdują się pomiędzy cewkami kwadrupolowymi i są nasunięte na szklaną komórkę eksperymentalną. Pozwala to na uzyskanie wystarczających pól ma-gnetycznych ∼1 G przy użyciu zaledwie kilku zwojów drutu (liczbę zwojów oznaczmy przez n) z natężeniem prądu I nie większym od 1 A. Ważnym aspektem przy projek-towaniu układu cewek jest ciepło Joule’a generowane przez każdą z nich podczas pracy.

Ekran magnetyczny jest dość szczelnie zabudowany i słabo odprowadza ciepło ze swo-jego wnętrza. Projekt cewek zarówno MOT-owskich, jak i kompensacyjnych wymagał znalezienia kompromisu pomiędzy natężeniem generowanego pola magnetycznego ∝ nI, wydzielonym ciepłem ∝ nI², i obszarem zajmowanym w ekranie ∝ n. Warunek geome-tryczny wynikał z faktu, że zwoje drutu musiały być ułożone w taki sposób, aby nie przysłaniać wiązek laserowych.

Rysunek 4.6: Zdjęcie układu ekranu magnetycznego

Zaprojektowane cewki dla konkretnych kierunków przedstawiają rysunki 4.7 i 4.8. Projekt ten uwzględnia przestrzenne rozłożenie zwojów drutu o grubości 0.8 mm dla cewek kompensacyjnych i 1.5 mm dla cewek MOT. Aby dobrze zrozumieć geometrię cewek, definiujemy następujące kierunki:

• ˆz - kierunek poziomy wzdłuż głównej pułapki dipolowej, wzdłuż niego są również

ułożone cewki MOT • ˆy - kierunek pionowy

Rysunek 4.7: Schemat rozmieszczenia cewek kompensacyjnych w ekranie magnetycznym - rysunek zaczerpnięty z pracy [40]. Na rysunku kolor złoty: cewki MOT, kolor niebieski: cewki kompensujące pole w kierunku ˆz, kolor czerwony: cewki kompensujące pole w

(a) Projekt cewki MOT-owskiej poło-żonej na osi ˆz (widok z kierunku osi ˆx)

(b) Projekt cewki kompensującej pole w kierunku ˆz (widok z kierunku osi ˆx)

(c) Projekt cewki kompensującej pole w kierunku ˆy (widok z kierunku osi ˆx)

(d) Projekt cewki kompensującej pole w kierunku ˆx (w celu uwidocznienia

li-nii pola - widok z kierunku osi ˆz)

Rysunek 4.8: Projekt cewek MOT oraz kompensacyjnych dla ekranu magnetycznego. Kolor czerwony i niebieski reprezentują kierunek przepływu prądu przez dany przekrój drutu.

Wartość indukcji pola magnetycznego uzyskiwana w centrum pułapki przy użyciu cewek kompensacyjnych przepuszczając przez nie prąd o natężeniu 1 A wynosi dla kie-runku pionowego 0.27 Gs, a dla dwóch poziomych 1.77 Gs (kierunek ˆx) oraz 1.18 Gs

(kierunek ˆz). Ciepło Joule’a wydzielane przy takich warunkach pracy wynosi 50 mW,

110 mW, 190 mW, odpowiednio. Są to niewielkie wartości, które nie spowodują pod-niesienia temperatury wewnątrz ekranu. Cewki kwadrupolowe składają się z 72 zwojów i znajdują się w odległości 16 mm od środka pułapki (odległość dla środka pierwszego drutu). Pułapka pracuje optymalnie (dla zwykle stosowanych parametrów laserów) przy natężeniu prądu 2.4 A dając wtedy gradient indukcji pola magnetycznego 4.44 Gs/cm i wydzielając 2.37 W w postaci energii cieplnej. Podczas fazy kompresji chmury MOT, kie-dy prąd cewek zostaje zwiększony do wartości 6.2 A, gradient pola wynosi 11.5 Gs/cm, a wydzielona moc - 15.8 W.

Zasilacz cewek MOT (Delta elektronika, model SM70-AR-24) posiada wejścia analo-gowe sterujące napięciem lub natężeniem prądu.

Aby zbadać, czy konstrukcja ekranu wpłynęła znacząco na jakość pułapki MOT, wykonałem pomiar czasu życia atomów w pułapce, analogicznie jak w rozdziale 4.1.

Zmodernizowany układ z ekranem magnetycznym został wyposażony w kolimato-ry światłowodowe Sh¨after+Kirchhoff (model 60FC-Q780-4-M75-37), dające na wyjściu spolaryzowaną odpowiednio wiązkę gaussowską o promieniu 6.75 mm. Zastosowanie tych kolimatorów z jednej strony zmniejszyło obszar MOT, co z kolei negatywnie wpłynęło na czas życia atomów w pułapce, ale z drugiej strony zapewniło bardzo dobrą stabilność i jednorodność wiązek laserowych, kompaktowość układu, oraz wygodę przy stosowa-niu ekranu magnetycznego. Po wstępnym wyjustowastosowa-niu zostały one na stałe wklejone do ekranu magnetycznego, co zapewniło stabilność położenia centrum MOT względem środka ekranu. Rysunek 4.9 prezentuje uzyskany czas życia, oraz krzywą ładowania ato-mów do pułapki MOT dla nowych parametrów układu z ekranem.

Jak widać, czas życia uległ znacznemu pogorszeniu, ale wiedza wyniesiona z poprzed-nich pomiarów pozwala wierzyć, że jest to wynikiem zmniejszenia wiązek MOT i nic nie stoi na przeszkodzie wydajnemu chłodzeniu atomów do granicy kondensacji.

4.3 Lasery

W skład układu doświadczalnego wchodzi szereg laserów przeznaczonych specjalnie dla tego eksperymentu:

1. laser diodowy (Toptica TApro) o długości fali emitowanego światła 780 nm wyko-rzystywany jako laser pułapkujący oraz próbkujący atomy

2. laser diodowy (Sacher LYNX model TEC 120) o długości fali 780 nm wykorzysty-wany jako laser repompujący (dalej nazywykorzysty-wany „repumperem”)

3. laser włóknowy (Keopsys, seria CYFL) o mocy 8 W i świecący na długości fali 1083 nm służący do wytworzenia wąskiej pułapki dipolowej

Rysunek 4.9: Pomiar czasu życia atomów w ostatecznej pułapce MOT z ekranem ma-gnetycznym

4. laser włóknowy (Keopsys, model KPS-KILAS-COOL-1560-15-PM-CO) o mocy do 15 W i długości fali 1560 nm pierwotnie przewidziany do generacji pułapki dipo-lowej, po awarii zamieniony na inne

5. laser włóknowy (IPG Photonics, model YLR-50-LP-AC-Y12) o mocy do 50 W i świecący na długości fali 1070 nm służący do wytworzenia szerokiej pułapki dipo-lowej

6. laser diodowy (domowej produkcji) świecący w zakresie 770-790 nm wykorzysty-wany do badania zjawisk elektromagnetycznie indukowanej przezroczystości 7. dwa lasery diodowe (Toptica DLpro) o długości fali emitowanego światła z zakresu

770-797, używane jako lasery próbkujące dla spektroskopii oraz do badania zjawisk EIT i NFE.

Konstrukcja torów optycznych oraz eksperymentalnych metod kontroli światła lase-rowego są efektem pracy autora, zostanie więc im poświęcone w tej pracy nieco więcej miejsca. Lasery znajdują się na innym stole niż komora eksperymentu, ze względu na chęć odizolowania jej od wszystkich źródeł światła rozproszonego. Wstępnie uformowane i kontrolowane wiązki transportowane są na stół z eksperymentem wiązką światłowodów jednomodowych zachowujących polaryzację (PM, FC/APC, kabel typu Panda, długość 10 m, Thorlabs P3-780PM-FC-10), które dokonują filtracji modów poprzecznych światła laserowego, propagując jedynie mod TEM₀₀. Dodatkowo, dla zastosowania pułapki 3D-MOT światło lasera repompującego oraz pułapkującego jest zmieszane oraz podzielone

na 6 identycznych wiązek w światłowodowym mieszaczu i dzielniku produkcji Evane-scent Optics. Jego zastosowanie polega na wprowadzeniu spolaryzowanego liniowo świa-tła dwoma portami wejściowymi do łącznika światłowodowego wykorzystującego fakt przenikania fali zanikającej pomiędzy blisko położonymi rdzeniami. W wyniku zastoso-wania odpowiedniej matrycy dzielników otrzymujemy 6 identycznych wiązek laserowych spolaryzowanych liniowo i wyprowadzonych światłowodami utrzymującymi polaryzację (Rys. 4.10). Cała konstrukcja znajduje się w niewielkim metalowym pudełku o wymia-rach ∼ 5 × 10 × 2 cm, które powinno być zamontowane do rezerwuaru cieplnego w celu zapewnienia stabilności termicznej elementów.

Rysunek 4.10: Schemat łącznika - dzielnika światłowodowego produkcji Evanescent Optics