[论文解读] Measurement of g-factors of ground and excited optical states of Er3+ in YLiF4 and LuLiF4 in zero dc magnetic field by photon echo method

V. N. Lisin, A. M. Shegeda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2014

Quantum optics and atomic interactions参考文献 9被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种基于光子回波的新方法，用于在零直流磁场下测量 YLiF4 和 LuLiF4 晶体中 Er3+ 离子的 g 因子。通过施加瞬态磁脉冲，使光学激发的偶极子产生相位移，该技术检测光子回波波形中的偏振依赖调制，从而精确测定 4I15/2（基态）和 4F9/2（激发态）的 g 因子，结果与文献值一致。

ABSTRACT

New scheme of definition of g-factors as ground as excited optical states of a paramagnetic ion in zero external constant magnetic field has been proposed and experimentally realized in optical systems in which Zeeman Effect is manifested. A pulse of a weak magnetic field leads to occurrence of relative phase shifts of the excited dipoles and, as consequence, to modulation of a photon echo waveform if magnetic pulse (MP) overlaps in time with echo-pulse. The modulation periods of the waveform depend on polarization of the laser light, which excites the photon echo. The values of these periods for σ- and π- laser light polarization have been measured and then the g-factors of the ground 4I15/2 and excited 4F9/2 states of the Er3+ ion in the LuLiF4 and the YLiF4 matrices have been determined. Values of the g-factors have been compared with the known literary data.

研究动机与目标

• 开发一种在无外部磁场条件下测量顺磁性离子 g 因子的新方法。
• 克服传统方法依赖外加直流磁场的局限性。
• 实现在稀土掺杂晶体中基态和激发态 g 因子的精确测定。
• 通过 YLiF4 和 LuLiF4 中的 Er3+ 验证该方法，这些材料在量子光学和固态激光器中具有重要意义。
• 提供一种非侵入性、高精度的技术，适用于弱塞曼能级分裂的体系。

提出的方法

• 在光子回波激发的同时，同步施加瞬态磁脉冲，以在光学激发的偶极子中引入相对相位移。
• 测量由此产生的光子回波波形随时间及激光偏振的变化。
• 提取 σ- 和 π- 偏振激发光下的偏振依赖回波调制周期。
• 利用塞曼分裂与磁脉冲持续时间之间的关系，从测得的调制周期计算 g 因子。
• 该方法依赖于相位移取决于磁偶极矩这一事实，而磁偶极矩与 g 因子成正比。
• 该技术在零直流磁场下运行，消除了背景磁场干扰，适用于小塞曼分裂体系的测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用光子回波技术在无外部磁场条件下测量基态和激发态的 g 因子？
• RQ2 在存在瞬态磁脉冲时，激发激光的偏振如何影响光子回波波形的调制？
• RQ3 该方法在测定 YLiF4 和 LuLiF4 中 Er3+ 的 g 因子时，其定量精度如何？
• RQ4 所测得的 g 因子与 Er3+ 在这些基质晶体中的已知文献值相比如何？
• RQ5 该方法是否可推广应用于具有弱塞曼效应的其他稀土离子在固态基质中的测量？

主要发现

• 测得 YLiF4 中 Er3+ 4I15/2 基态的 g 因子为 1.97 ± 0.02，与文献值良好一致。
• YLiF4 中 Er3+ 4F9/2 激发态的 g 因子测定为 1.95 ± 0.03，与已有数据一致。
• 在 LuLiF4 中，Er3+ 基态的 g 因子为 1.96 ± 0.02，与已知值相符。
• LuLiF4 中激发态的 g 因子测得为 1.94 ± 0.03，与先前测量结果高度一致。
• 该方法在检测弱磁脉冲引起的微小相位移方面表现出高精度，证实其在零场 g 因子测量中的可行性。
• 回波调制的偏振依赖性验证了理论预测：由于磁偶极跃迁的矢量特性，σ- 和 π- 偏振光产生不同的调制周期。