Abstract

The 4 S21/23 D25/2 electric quadrupole transition in calcium ions, which is expected to be used in calcium-ion optical frequency standards, is spectroscopically investigated with a laser system that uses only fundamental waves of diode lasers as light sources. Four Zeeman components allowed by the selection rules for the electric quadrupole transition are identified. As for one Zeeman component, one large carrier and accompanying smaller first sidebands are observed, which implies that Lamb–Dicke confinement of the ion is achieved. The compact and reliable system for spectroscopy of single calcium ions described is advantageous for realization of practical optical frequency standards.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. P. Gill, ed., Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology (World Scientific, Singapore, 2002).
  2. J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
    [CrossRef]
  4. A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
    [CrossRef]
  5. S. Urabe, M. Watanabe, H. Imajo, and K. Hayasaka, Opt. Lett. 17, 1140 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. K. Hayasaka, S. Urabe, and M. Watanabe, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L687 (2000).
    [CrossRef]
  7. K. Toyoda, A. Miura, S. Urabe, K. Hayasaka, and M. Watanabe, Opt. Lett. 26, 1897 (2001).
    [CrossRef]
  8. G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
    [CrossRef]
  9. H. Dehmelt, IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-31, 83 (1982).
    [CrossRef]
  10. G. P. Barwood, C. S. Edwards, P. Gill, H. A. Klein, and W. R. C. Rowley, Opt. Lett. 18, 732 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
    [CrossRef]
  12. W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
    [CrossRef]
  13. D. F. V. James, Appl. Phys. B 66, 181 (1998).
    [CrossRef]
  14. D. J. Wineland and W. M. Itano, Phys. Rev. A 20, 1521 (1979).
    [CrossRef]
  15. Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
    [CrossRef]
  16. H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
    [CrossRef]

2003 (3)

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

2000 (3)

Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
[CrossRef]

K. Hayasaka, S. Urabe, and M. Watanabe, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L687 (2000).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

1998 (2)

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

D. F. V. James, Appl. Phys. B 66, 181 (1998).
[CrossRef]

1995 (1)

J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

1992 (1)

1982 (1)

H. Dehmelt, IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-31, 83 (1982).
[CrossRef]

1979 (1)

D. J. Wineland and W. M. Itano, Phys. Rev. A 20, 1521 (1979).
[CrossRef]

Barwood, G. P.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

G. P. Barwood, C. S. Edwards, P. Gill, H. A. Klein, and W. R. C. Rowley, Opt. Lett. 18, 732 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Becher, C.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

Blatt, R.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Buhner, V.

Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
[CrossRef]

Cirac, J. I.

J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Dehmelt, H.

H. Dehmelt, IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-31, 83 (1982).
[CrossRef]

Edwards, C. S.

Engelke, D.

Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
[CrossRef]

Eschner, J.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Gill, P.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

G. P. Barwood, C. S. Edwards, P. Gill, H. A. Klein, and W. R. C. Rowley, Opt. Lett. 18, 732 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Häffner, H.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

Hayasaka, K.

Huang, G.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

Ikeda, T.

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

Imajo, H.

Itano, W. M.

D. J. Wineland and W. M. Itano, Phys. Rev. A 20, 1521 (1979).
[CrossRef]

James, D. F. V.

D. F. V. James, Appl. Phys. B 66, 181 (1998).
[CrossRef]

Kawasaki, H.

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

Klein, H. A.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

G. P. Barwood, C. S. Edwards, P. Gill, H. A. Klein, and W. R. C. Rowley, Opt. Lett. 18, 732 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Kreuter, A.

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

Lancaster, G. P. T.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

Lea, S. N.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

Leibfried, D.

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Margolis, H. S.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

Miura, A.

Mundt, A. B.

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

Nägerl, H. C.

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Orozco, L. A.

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

Rohde, H.

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Roos, C.

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Rowley, W. R. C.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

G. P. Barwood, C. S. Edwards, P. Gill, H. A. Klein, and W. R. C. Rowley, Opt. Lett. 18, 732 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Schmidt-Kaler, F.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Simsarian, J. E.

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

Sprouse, G. D.

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

Tamm, Chr.

Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
[CrossRef]

Thalhammer, G.

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Toyoda, K.

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

K. Toyoda, A. Miura, S. Urabe, K. Hayasaka, and M. Watanabe, Opt. Lett. 26, 1897 (2001).
[CrossRef]

Urabe, S.

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

K. Toyoda, A. Miura, S. Urabe, K. Hayasaka, and M. Watanabe, Opt. Lett. 26, 1897 (2001).
[CrossRef]

K. Hayasaka, S. Urabe, and M. Watanabe, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L687 (2000).
[CrossRef]

S. Urabe, M. Watanabe, H. Imajo, and K. Hayasaka, Opt. Lett. 17, 1140 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Watanabe, M.

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

K. Toyoda, A. Miura, S. Urabe, K. Hayasaka, and M. Watanabe, Opt. Lett. 26, 1897 (2001).
[CrossRef]

K. Hayasaka, S. Urabe, and M. Watanabe, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L687 (2000).
[CrossRef]

S. Urabe, M. Watanabe, H. Imajo, and K. Hayasaka, Opt. Lett. 17, 1140 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Wilson, M. A.

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

Windeler, R. S.

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

Wineland, D. J.

D. J. Wineland and W. M. Itano, Phys. Rev. A 20, 1521 (1979).
[CrossRef]

Zhao, W. Z.

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

Zoller, P.

J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Phys. B (2)

G. P. T. Lancaster, H. Häffner, M. A. Wilson, C. Becher, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Appl. Phys. B 76, 805 (2003).
[CrossRef]

D. F. V. James, Appl. Phys. B 66, 181 (1998).
[CrossRef]

IEEE Trans. Instrum. Meas. (1)

H. Dehmelt, IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-31, 83 (1982).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys. (2)

K. Toyoda, H. Kawasaki, T. Ikeda, M. Watanabe, and S. Urabe, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 1268 (2003).
[CrossRef]

K. Hayasaka, S. Urabe, and M. Watanabe, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L687 (2000).
[CrossRef]

Opt. Lett. (3)

Phys. Rev. A (4)

D. J. Wineland and W. M. Itano, Phys. Rev. A 20, 1521 (1979).
[CrossRef]

Chr. Tamm, D. Engelke, and V. Buhner, Phys. Rev. A 61, 053405 (2000).
[CrossRef]

H. S. Margolis, G. Huang, G. P. Barwood, S. N. Lea, H. A. Klein, W. R. C. Rowley, P. Gill, and R. S. Windeler, Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).
[CrossRef]

H. C. Nägerl, C. Roos, D. Leibfried, H. Rohde, G. Thalhammer, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. A 61, 023405 (2000).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

A. B. Mundt, A. Kreuter, C. Becher, D. Leibfried, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, and R. Blatt, Phys. Rev. Lett. 89, 103001 (2002).
[CrossRef]

J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Rev. Sci. Instrum. (1)

W. Z. Zhao, J. E. Simsarian, L. A. Orozco, and G. D. Sprouse, Rev. Sci. Instrum. 69, 3737 (1998).
[CrossRef]

Other (1)

P. Gill, ed., Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology (World Scientific, Singapore, 2002).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1
Fig. 1

Spectrum of the 4 S21/23 D25/2 electric quadrupole transition in a single  40Ca+ ion. Four carriers, corresponding to the four Zeeman components allowed by the polarization-selection rules, and accompanying sidebands are seen. The numbers in parentheses represent mj,mj.

Fig. 2
Fig. 2

Spectrum of one Zeeman component. The largest peak at the center is the carrier. The two peaks 1.7 MHz away from the carrier are the first radial sidebands, and the farthest two peaks are the first axial sidebands. The dominance of the carrier implies Lamb–Dicke confinement of the single  40Ca+ ion.

Metrics