Книги по разным темам Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1 02;04;07;12 Наблюдение циркулярного дихроизма ансамбля триплетных метастабильных атомов гелия в NaЦHe газоразрядной плазме при лазерной оптической ориентации атомов натрия й С.П. Дмитриев, Н.А. Доватор, Р.А. Житников, В.А. Картошкин, В.Д. Мельников Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 31 июля 1998 г.) Описывается эксперимент по наблюдению циркулярного дихроизма ансамбля триплетных метастабильных атомов гелия в натрий-гелиевой газоразрядной плазме при оптической ориентации в ней атомов Na циркулярно поляризованным излучением лазера, перестраиваемого в области резонансного дублета натрия 2 2 2 2 (длины волн 589.0 и 589.6 nm, соответствующие переходам 3 S1/2 3 P1/2 и3 S1/2 3 P3/2). Определены 3 условия наблюдения и величина степени поляризации 2 S1-атомов.

Ансамбли спин-поляризованных атомов в газах и газо- ламп, содержащих соответствующий щелочной металл.

разрядной плазме могут быть созданы не только путем Поляризация атомов гелия в этих работах регистрировапрямой оптической ориентации, т. е. путем воздействия лась по изменению поглощения света накачки атомами на них резонансного циркулярно поляризованного излу- щелочного металла при разрушении этой поляризации чения, но также с помощью других методов, в основе с помощью магнитного резонанса, возбуждаемого в 3 которых лежит перенос спиновой поляризации от ансам- 2 S1-состоянии атомов He.

бля оптически ориентированных атомов одного элемента В настоящей работе осуществлена спиновая поляк ансамблю атомов другого элемента. Такой перенос ризация триплетных метастабильных атомов гелия в поляризации в газах и газоразрядной плазме может натрий-гелиевой плазме, возбуждаемой непрерывным быть обусловлен рядом спин-зависимых процессов, про- высокочастотным разрядом, при оптиеской ориентации 2 текающих при столкновениях различных парамагнитных 3 S1/2-атомов Na циркулярно поляризованным излучениатомных частиц [1]. Одним из таких непрямых методов ем перестраиваемого лазера. Предложен метод прямой поляризации является спиновая поляризация ансамбля оптической регистрации созданной таким образом полятриплетных метастабильных атомов гелия в щелочно- ризации метастабильных атомов He, в основе которого гелиевой плазме при оптической ориентации в ней ато- лежит наблюдение циркулярного дихроизма ансамбля мов щелочного металла. Передача спиновой поляриза- 2 S1-атомов гелия, возникающего при поляризации магции от оптически ориентированных n S1/2-атомов ще- нитных моментов этих атомов.

очного металла к 2 S1-метастабильным атомом He про- Схема экспериментальной установки представлена на исходит в результате нескольких идущих одновременно рис. 1. Оптическая ориентация атомов натрия осущеспин-зависимых процессов межатомных и электронно- ствлялась светом перестраиваемого непрерывного лаатомных столкновений. К этим процессам относятся зера на красителе родамин-6G. Применение перестраспин-зависимая пеннинговская ионизация атомов щелоч- иваемого лазера позволило производить поляризацию ного металла при их взаимодействии с метастабильными атомов Na светом одной из D-линий резонансного дубатомами гелия и межатомный спиновый обмен, проте- лета (по выбору D1- или D2-линии, длины волн 589.кающий при упругих столкновениях этих атомов [2Ц6].

и 589.6 nm соответственно). В качестве лазера накачки Существенный вклад в поляризацию ансамбля метаста- использовался аргоновый лазер ЛГН-404а. Резонатор бильных атомов гелия могут дать столкновения этих перестраиваемого лазера включал в себя фильтр Лио атомов с электронами, поляризованными в процессе и тонкий эталон. Мощность лазера накачки 4W.

спинового обмена между свободными электронами плаз- Мощность излучения перестраиваемого лазера при намы и ансамблем оптически ориентированных атомов стройке на одну из линий резонансного дублета нащелочного металла [2,3,5,6].

трия (1 = 589.6nm и 2 = 589.0nm) составляла Таким способом были созданы и использованы в 70 mW. Спектральная ширина лазерного излучения различных физических экспериментах и приборах кван- 0.01 nm. Луч лазера пропускался через четвертьволтовой электроники ансамбли спин-поляризованных ме- новую пластинку (/4), ориентация которой определяла тастабильных атомов He, возбуждаемых в CsЦHe [3], знак циркулярной поляризации (+ или -) лазерного RbЦHe [2,6] и KЦHe [5] плазме в условиях импульсного излучения. Механическое вращение четвертьволновой высокочастотного разряда. Оптическая ориентация ато- пластинки (/4) в плоскости перпендикулярной лучу мов щелочного металла в этих работах осуществлялась света накачки позволяло периодически изменять знак циркулярно поляризованным излучением спектральных (+ -) циркулярной поляризации света (частоНаблюдение циркулярного дихроизма ансамбля триплетных метастабильных атомов гелия... мов Na, т. е. от знака -поляризации света накачки атомов натрия. Регистрация возникшей в столкновительных процессах спиновой поляризации 2 S1-атомов He производилась с помощью детектирующего луча света гелиевой лампы, направленного вдоль поля H0 навстречу лучу света накачки (линия = 1083 nm выделялась интерференционным фильтром, установленным перед фотоприемником). Неполяризованный свет гелиевой лампы после прохождения камеры поглощения поступал на циркулярный анализатор (/4, P), настроенный на +-поляризацию гелиевого света. Для регистрации изменения интенсивности детектирующего света при изменении направления ориентации спиновых моментов ансамбля атомов He (при изменении знака (+ -)-поляризации лазерного излучения, осуществляющего ориентацию атомов Na) использовались фотоприемник, узкополосный усилитель и синхронный детектор, настроенные на удвоенную частоту модуляции 2 . Данная схема регистрации в сравнении с использовавшейся ранее регистрацией поляризации атомов гелия по изменению Рис. 1. Схема экспериментальной устоновки: 1 Ч аргоновый поглощения света накачки атомами щелочного металла лазер накачки; 2 Ч перестраиваемый лазер (); 3 Ч камера позволила исключить в регистрирующем тракте влияние поглощения; 4 Ч ВЧ генератор; 5 Ч термостат; 6 Чкольца шумов лазерного излучения, а также избежать вклада в Гельмгольца; 7 Ч детектирующая гелиевая лампа; 8 Чсхема исследуемый сигнал, прямой оптической ориентации или регистрации; D Ч фотоприемник; F Ч интерференционный выстраивания атомов гелия детектирующим светом. Зафильтр ( = 1083 nm); /4 Ч вращающаяся четвертьволпись сигналов изменения интенсивности детектирующеновая пластинка ( = 589 nm); (/4, P) Ч циркулярный анализатор ( = 1083 nm). го света (линия = 1083 nm), возникающего при оптической ориентации атомов натрия -поляризованным лазерным излучением, осуществлялась посредством перестройки с помощью тонкого эталона длины волны () та вращения 100 Hz, частота изменения знака лазерного излучения в области одной из резонансных (+ -)-света 2 ). Сформированный таким обралиний дублета натрия (1,2).

зом циркулярно поляризованный луч света накачки поНа рис. 2 представлена зависимость изменения инступал в камеру поглощения. Камера поглощения Ч стетенсивности детектирующего света при фиксированном клянный цилиндр (длина 5 cm, диаметр 5 cm) содержала положении анализатора (/4, P), соответствующем наметаллический натрий и газ He (давление 1 Torr). В кастройке на +-поляризацию гелиевого света, при измере с помощью внутреннего остеклованного электрода менении с частотой 2 знака циркулярной поляривозбуждался непрерывный высокочастотный (45 MHz) зации (+ -)-света накачки от. Из рис. разряд. Концентрация метастабильных атомов гелия мовидно, что при совпадении длины волны лазерного изгла быть изменена путем изменения ВЧ тока разряда. Калучения () с одной из линий резонансного дублета мера поглощения помещалась в стеклянный термостат, атомов натрия наблюдается сигнал изменения поглообеспечивающий ее нагрев до температуры 150C, что позволяло достичь плотности Na пара, соответствующей концентрации атомов натрия 1011 cm-3. Термостат с камерой устанавливался в центре многослойного цилиндрического ферромагнитного экрана. Внутри экрана с помощью системы колец Гельмгольца создавалось магнитное поле H0 40 mOe, направленное вдоль оси экрана. Луч света накачки, осуществлявший оптическую ориентацию атомов натрия, был направлен вдоль H0.

Создаваемая таким образом спиновая поляризация атомов натрия передается в столкновительных процессах метастабильным атомам гелия, что определяет возникновение циркулярного дихроизма ансамбля 2 S1-атомов He Рис. 2. Зависимость интенсивности детектирующего света 3 на гелиевой линии = 1083 nm (переход 2 S1-2 P0,1,2), ( = 1083 nm) от длины волны лазерного излучения в области причем направление намагниченности ансамбля атомов спектральных линий резонансного дублета натрия: 1 Чвблизи гелия зависит от направления спиновой ориентации ато- D1-линии дублета, 2 Чвблизи D2-линии дублета.

2 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 18 С.П. Дмитриев, Н.А. Доватор, Р.А. Житников, В.А. Картошкин, В.Д. Мельников Следует отметить, что данная схема эксперимента позволяет определить спектральную ширину лазерного излучения на линиях резонансного дублета натрия с аппаратной шириной, равной спектральной ширине атомарной линии поглощения атомов Na. Действительно, учитывая, что спектральная ширина линии поглощения атомов натрия в условиях эксперимента много меньше ширины линии излучения лазера, по ширине наблюдаемых сигналов (рис. 2) можно определить спектральную ширину лазерного излучения. В данном случае она составляет 0.007 nm. Такая методика представляет интерес, поскольку наблюдаемый сигнал инициируется поглощением атомами натрия лазерного излучения, что определяет аппаратную ширину при измерении спектральной Рис. 3. Зависимость амплитуды сигнала I от температуры ширины лазерной линии и в то же время регистрация при накачке светом D1-линии натрия.

осуществляется светом ФмалошумящейФ гелиевой лампы на линии = 1083 nm, расположенной далеко от дублета натрия. Это особенно важно, когда лазерный щения детектирующего света гелиевой лампы ансам- луч характеризуется достаточно большими ФшумамиФ блем спин-поляризованных 2 S1-метастабильных атомов интенсивности, обусловленными и как самим лазером, гелия. Величина сигналов при накачке атомов натрия так и используемыми в экспериментальной установке светом D1-линии (589.6 nm) была в три раза боль- оптическими элементами. В данной схеме исследуемое ше, чем при накачке светом D2-линии (589.0 nm), что лазерное излучение не влияет непосредственно на фотосоответствует большей поляризации спиновых момен- ток приемника.

тов в 3 S1/2-состоянии атомов Na, создаваемой све- Таким образом, в настоящей работе наблюдалось том D1-линии, по сравнению с поляризацией, создава- возникновение циркулярного дихроизма ансамбля триемой светом D2-линии той же интенсивности. Отноше- плетных метастабильных атомов гелия, возбуждаемых ние амплитуды наблюдаемого сигнала I к изменению в NaЦHe газоразрядной плазме, при оптической ориенинтенсивности I0 гелиевого света при включении и тации атомов натрия циркулярно поляризованным лавыключении разряда, характеризующему стационарное зерным излучением; определены условия наблюдения поглощение гелиевого света ансамблем метастабильных и величина циркулярного дихроизма, индуцированного атомов, составляло I/I0 = 0.002 (или 0.2%). При атомными столкновениями в плазме; предложена меэтом относительное поглощение линии = 1083 nm, тодика определения спектральной ширины лазерного характеризующее концентрацию 2 S1-атомов гелия, рав- излучения, используемого в качестве света накачки при но величине I0/I0 = 0.35 (где I0 Ч интенсивность оптической ориентации атомов натрия.

детектирующего света в отсутствие метастабильных атомов гелия). Величина отношения (1/2) (I/I0) может Список литературы служить оценкой степени спиновой поляризации ансамбля 2 S1-атомов He, обусловленной столкновительными [1] Happer W. // Rev. Mod. Phys. 1972. Vol. 44. P. 169Ц249.

процессами в NaЦHe плазме при оптической ориентации [2] Keiser G.M., Robinson H.G., Jonson C.E. // Phys. Lett. 1975.

в ней атомов натрия. Следует отметить, что возможность Vol. 51A. P. 5.

определения величины I/I0 в данном эксперименте [3] Блинов Е.В., Житников Р.А., Кулешов П.П. // Письма является одним из достоинств использованной схемы ЖТФ. 1976. Т. 2. Вып. 7. С. 305Ц309.

[4] Дмитриев С.П., Житников Р.А., Окуневич А.И. // ЖЭТФ.

регистрации в сравнении ранее применявшейся в рабо1976. Т. 70. Вып. 1. С. 69Ц75.

тах [2Ц6].

[5] Блинов Е.В., Житников Р.А., Кулешов П.П. // ЖТФ. 1984.

Сигналы изменения поглощения I наблюдались в Т. 54. Вып. 2. С. 287Ц292.

диапазоне температур t от 80 до 140C. Зависимость [6] Блинов Е.В., Житников Р.А., Кулешов П.П. // ЖТФ. 1984.

I от температуры приведена на рис. 3. Увеличение Т. 54. Вып. 12. С. 2315Ц2322.

амплитуды сигналов с ростом температуры обусловлено ростом концентрации атомов натрия, являющихся источником спиновой поляризации метастабильных атомов He. Замедление скорости роста амплитуды I при температуре выше 120C можно объяснить уменьшением степени поляризации атомов натрия вследствие увеличения оптической плотности паров металла, приводящего к уменьшению эффективной скорости накачки атомов натрия в объеме камеры поглощения.

   Книги по разным темам