Polarisation nucléaire de 3He gazeux par pompage optique laser

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Polarisation nucléaire de 3He gazeux par pompage

optique laser

P.J. Nacher, M. Leduc, Gérard Trénec, F. Laloë

To cite this version:

P.J. Nacher, M. Leduc, Gérard Trénec, F. Laloë.

Polarisation nucléaire de 3He gazeux par

pompage optique laser.

Journal de Physique Lettres, Edp sciences, 1982, 43 (15), pp.525-529.

�10.1051/jphyslet:019820043015052500�. �jpa-00232087�

Polarisation nucléaire

de

3He

_gazeux

_{par pompage}

_optique

laser

P. J.

Nacher,

M.

Leduc,

G. Trénec et F. Laloë

Laboratoire de

_{Spectroscopie}

Hertzienne de l’E.N.S., 24, rue _Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France

(Reçu le 13 mai 1982, uccepte le 2 _{juin 1982)}

Résumé. 2014 Une

polarisation

nucléaire _élevée, de l’ordre de 70

_%,

a été obtenue par pompage _optique dans 3He gazeux

grâce

à l’utilisation d’un laser à centres

_{colorés (F+2*}

dans _NaF) fournissant _plusieurs

centaines de milliwatts à la

_longueur

d’onde 03BB = _{1,08 03BCm.}

Abstract 2014 A

high

nuclear _{polarization,} of the order of 70

_%,

has been obtained in 3He

_by

_optically

pumping the gas with a colour centre laser

_(F+2*

in _NaF)

_delivering

several hundred milliwatts at the

wavelength

03BB = 1.08 03BCm. Classification

Physics

Abstracts

29.25 - 32.80B - 42.60K - 67.90

11 existe

_plusieurs

methodes

_qui

_permettent

de

_polariser

nucleairement

3He

en

_phase

_gazeuse.

La

_{plus simple}

dans son

principe

est

_probablement

celle

_qui

consiste a refroidir le _gaz dans un

champ magnétique

eleve ;

cependant,

dans un

_champ

de

10~

_gauss et a une

_temperature

de 1

K,

la

_polarisation

nucleaire

_{d’équilibre}

n’est que de l’ordre de 1

_%.

D’autres methodes

_permettent

de créer cette

_polarisation

sans recourir a des

_champs

eleves,

et Fon

_peut

citer _{le pompage}

_optique

des

melanges

alcalins-helium

_[1]

_(voir

dans

_{[2, 3]}

la

_{generalisation}

a d’autres _gaz

_rares),

l’utilisation

d’effets

_complexes

de transferts d’orientation dans les

_decharges

d’helium

_[4],

et surtout la methode du pompage

optique

«indirect» via le niveau metastable 2

_3S,

methode mise au

point

_par

F. D.

_Colegrove,

L. D. Schearer et G. K. Walters

_[5].

Cette demierc utilise la transition

_optique

2

3S-2 3p

de

_1’helium,

de

_longueur

d’onde ~, =

1,08

~m, pour orienter le niveau metastable 2

3S,

dont 1’orientation est ensuite transferee au niveau fondamental au cours des collisions dites

«

_d’echange

de

m~tastabilité

». Grace a l’utilisation de

lampes

a

decharge

intenses _pour

produire

la raie A =

1,08

~m, il est

_possible

de

_produire

de cette

_façon

des taux de

_polarisation

nucleaires

atteignant

15 a 20

_%

_[6,

_7,

_8],

mais

_{guere plus,}

la limitation etant l’intensité des

_lampes

a

_decharge

(il

semble en

_pratique

difficile d’obtenir _par ce

_type

de

_technique

un _{faisceau de pompage}

_polarise

resonnant avec les atomes dont rintensit6 sur la cellule

_depasse

5 ou 10

_mW).

Il est

_cependant

L-526 JOURNAL DE PHYSIQUE - LETTRES

interessant de tenter d’obtenir des

_{polarisations}

nucleaires

_plus

_{elevees ;}

on

_peut

en effet _penser a

des

_applications

_diverses,

_{parmi lesquelles}

les suivantes :

~ realisation de cibles

_polarisees

_pour 1’etude de reactions nucleaires

_{[9, 10]}

ou de la _capture

de muons

[11];

~ realisation

_{de jets polarises,}

soit d’ions

3He+

_[12],

soit d’electrons

_[13],

soit encore d’atomes metastables

_[14];

~ mise en oeuvre d’un maser Zeeman a

3 He

_[15]

ou d’un

_{magnetometre [16] ;}

~

_polarisation

nucleaire de

3He

_liquide,

soit _pur

[ 17],

soit dilue dans

4He

[ 18] ;

~ etudes d’effets

quantiques

_{propres a}

3HeT

(helium polarise)

a basse

temperature

[19,

_20],

telles _que modification de la viscosite ou de la conductivite

_{thermique (qui}

sont des fonctions

quadratiques

du taux de

_polarisation

nucleaire

_{Pn lorsque}

_Pn

est

_faible).

Ces differentes raisons nous ont

_pousses

a utiliser un laser comme source de pompage

_optique.

Le but de cette lettre est de montrer

_qu’un

laser suffisamment

_puissant

conduit effectivement a des

_{polarisations}

nucleaires elevees dans un _gaz de

3He

à

_temperature

_ordinaire,

et de decrire

quelques

resultats obtenus a

plus

basse

_temperature

_(a

77 et

4,2

K).

Un

_compte

rendu

_preliminaire

de cette etude

_peut

etre trouve dans la reference

_[21].

Pour etre utilisable de

façon

efficace au _pompage

_optique

de

1’helium,

un laser doit etre :

-

continu,

car un laser en

_impulsions

ne

_pourrait

fournir un

_temps

de _{pompage moyen}

_plus

court _que l’inverse de son taux de

_{repetition ;}

de

_plus,

des

_impulsions

de forte

_puissance

instantanee induiraient de 1’emission stimulee

_(alors

_que, dans le

_cycle

_{de pompage}

_optique,

c’est l’emission

spontanée qui

doit dominer si l’on veut

_preserver

son

_efHcacite);

-

accordable;

ceci

_permet

d’amener sa

_frequence

en coincidence avec celle de resonance des

atomes, et

(Fetudier

refficacit6 des diverses

_composantes

de structure fine et

_hyperfine

de la raie A =

1,08

~m ;

-

suffisamment

_{monochromatique (pour}

_que toutes les

_frequences

emises tombent a rint6rieur de la

_{largeur Doppler}

de la raie

_{d’absorption}

des

_atomes)

et

_puissant

_pour creer une

_polarisation

nucleaire élevée.

Apres

les

_premiers

essais avec des lasers a colorants en _pompage

_{synchrone qui}

nous ont

conduits a des

_puissances

_{moyennes trop} faibles

_[21],

nous en sommes venus a 1’utilisation d’un laser a centres colorés

_{(F2 )*}

dans un cristal de

_NaF,

mis au

_point

recemment _par L.

Molle-nauer

[22].

Comme dans les

_experiences

decrites dans

_{[21],1’excitation}

du laser a centres colores etait assuree par un laser a colorant

_H.I.T.C.,

lui-meme

_pompe

_par un laser a

Kr+

de

_puissance.

Cependant

ce dernier était

utilise,

non sur les raies

infrarouges

comme dans les essais

prece-dents

_[21],

mais sur les raies rouges a ~ = 647 _nm et 676 _{nm; en}

_augmentant

la concentration de

_H.I.T.C.,

on obtient ainsi

_jusqu’a

_1,5

W a ~, = 890 _nm

[23].

Le laser a centres colores est lui-meme decrit dans la reference

_[24].

Pour

_{1’experience présente,}

ce laser fonctionnait simuttanement sur trois modes distants

_{approximativement}

de 150

_MHz,

ce

qui permettait

de mieux couvrir le

profil d’absorption Doppler

des atomes

3 He

_{( ~}

2 GHz a 300

_K).

Dans ce

_but,

la cavite décrite

dans

_[24]

a ete

_légèrement

_modihee,

de

_façon

a transformer le laser en anneau en laser a ondes

stationnaires

_présentant

une

_grande

distance

(~50

cm)

entre le milieu

_{amplificateur (le cristal)}

et les miroirs de bout de

cavite.

’

Le faisceau laser a

_1,08

_~m était

_polarise

par une lame

_quart

d’onde et etendu _par un

telescope

de

_façon

a avoir un diamètre de l’ordre de 4 cm a 1’entree de la cellule.

Apres

traversée de

celle-ci,

la

_partie

non absorbee du faisceau etait réfléchie sur la cellule _par un miroir de

_renvoi;

ce

_dispositif

permettait

d’exciter

directement,

avec les trois modes du

laser,

en tout six classes de vitesses

atomiques

differentes. Les cellules étaient des

_cylindres

de pyrex

scelles,

de 5 cm de

_longueur

et

5 cm de

diametre,

remplis

de _gaz

3He

a des

pressions

allant de

0,1

a 3 torr. La cellule était

_placee

au centre de bobines de Helmholtz

_produisant

un

champ magnetique Bo de

5 gauss environ. Un

depo-lariser les atomes.

_{L’homogeneite}

relative du

_champ

_Bo

sur le volume de la cellule etait de l’ordre

de

_10-4,

de

_façon

a ne _pas raccourcir le

_temps

de relaxation

nucleaire 7i

de

3He

_par des

_gradients

magnetiques

[25, 26].

La methode de detection

_optique

etait celle décrite dans

_{[27, 28], qui}

consiste a mesurer le taux

de

_polarisation

circulaire de la raie A = 668 _nm emise par la

decharge,

dans la direction du

champ Bo. Comparee

a celle

_qui

utilise

_{1’absorption}

de la raie ~, =

1,08

~m

[5, 6, 29],

cette methode

posscde

I’avantage

considerable de donner des

_signaux

variant lineairement avec la

polarisation

nucleaire

_Pn

_(meme

_{lorsque Pn}

est de l’ordre de

_1).

De

_plus,

elle a été calibrée _par

_comparaison

avec

des mesures absolues de

_polarisation

nucleaire

_Po

effectuées avec un

_{magnétomètre}

a _pompage

optique

[28,

30]

ou _{par passage}

_{adiabatique rapide}

en resonance

_{magnetique [31].}

Du fait de

1’existence des collisions

_depolarisant

le niveau

3 ID

de

3He

dont est issue la raie ~, = 668

nm,

le

_rapport

entre

_Pn

et le taux de

_{polarisation ~}

de cette raie

_depend

de la

_{pression :}

_pour une

pression

de 1 _{torr, il} vaut

9,1,

alors _{que pour} une

_pression

de

_0,1

torr il n’est _que de

_6,9

_(ces

chiffres

sont valables a

_temperature

_ordinaire)

_[28].

Nous avons mesure la

_polarisation

nucleaire

_Po

ainsi obtenue en fonction de la

_puissance

I

du

_laser,

_pour différentes valeurs de la

_frequence

du

_peigne

des trois modes du laser a rint6rieur de la structure de la raie

_{2 ~Si-2 ~Po,i,2}

(qui

s’étend a _peu

_pres

sur 40

_GHz).

Nous avons determine

qu’a temperature

ordinaire la

_{pression correspondant}

a la

_plus

forte valeur de

_Pn

se situe autour

de

_0,3

torr. Nous avons obtenu une valeur maximale de

_Pn

de 69

%

avec une

_puissance

laser de 300 mW sur la

_composante

2

_3S1

_(F

=

3/2)-2

3Po

de la raie

1,08

~m. La courbe en traits

_pleins

de la

_figure

1 montre la

_dépendance

de

_Pn

en fonction de

_{I ;}

la forme de cette courbe est assez bien

décrite _par un modele dont le detail sera

_expose

dans un

_prochain

article

_[32].

La

_figure

2

_indique

les valeurs maximales de

_Pn

que nous avons obtenues a différentes

_pressions.

Nous avons recommence la meme etude a 77 K. La

plus

forte valeur de

_{Pn enregistrec}

est de ’’

52

_%

_pour une

_pression

de

0,3

torr. La courbe en

_pointilles

de la

_figure

1 donne la valeur obtenue de

_{Pn en}

fonction de la

_puissance

du laser. La meilleure raie de _pompage

_{correspondait}

_pour cette

Fig. 1. - Polarisation nucleaire

Pn obtenue par pompage optique dans une _{vapeur de} 3He a 0,3 torr de

pression. En abscisse est

_portée

_{rintensit6 I du laser de pompage A A} = 1,08

um. En traits

pleins

les resultats

trouves a 300 _K, en

_pointilles

ceux a 77 K.

[Nuclear

polarization

Pn obtained _by laser _{optical pumping} as a function of _{the laser power I} at the

wave-length ~,

= _{1.08 ~m. The pressure} of 3He _gas was 0.3 torr. The full line

_gives

the results at 300 K, the broken line at 77

_K.]

L-528 JOURNAL DE PHYSIQUE - LETTRES

Fig. 2. - Valeur maximale de

Pn obtenue a differentes _{pressions pour la meme intensite du laser de pompage}

(7 ~ 300 mW) a 300 K.

[Maximum

values obtained for _Pn as a function of the 3He _{gas pressure, for the} same _{laser power}

(7 ~ 300 _mW) at 300

_K.]

temperature

a la transition 2

_3S1

_(F

=

1/2)-2

3Po.

On voit _sur la

figure

1 que la _{pente au}

depart

de la courbe

_Po

fonction de Iest

_plus

forte a 77 K

_qu’a

300

_K,

ce

_{qui s’explique qualitativement}

_par

le

_fait,

_que la

_{largeur Doppler}

des atomes etant 2 fois

_plus

faible a 77 K

_qu’a

300

K,

la

_puissance

du laser est mieux absorbee _par les atomes. En

revanche,

un facteur defavorable est _que la section efficace

_d’echange

de

metastabilite,

qui

assure le transfert d’orientation vers le

fondamental,

est nettement

_plus

faible

_{qu’a temperature}

ordinaire

_[33,

34,

35],

ce

_qui

_peut

_expliquer

une saturation

plus

severe.

Enfin,

nous avons fait des essais

_{preliminaires}

de pompage de

3He

a

_4,2

K. Nous avons _pour cela

utilise des cellules

_identiques

aux

_precedentes

mais contenant, en

_plus

de 3He,

de

_rhydrogene

sous une

_pression

de 4 torr

_(mesuree

a la

_temperature

_ordinaire).

Selon la méthode decrite dans

_[36]

et etudiee en detail _par V. Lefevre

_[31],

_{l’hydrogène produit}

à

4,2

K un film solide sur les

_parois

de la

_cellule,

assurant ainsi de tres

_longs

_temps de relaxation nucteaire

_Ti

_pour les atomes

de 3He.

Pour concentre- la

_puissance

laser dans la structure

_Doppler

a

_4,2

K

_{( ~}

200

_MHz)

nous avons

cette fois rendu le laser monomode avec run des

_dispositifs

decrits dans

_{[24]. Quelle}

_que soit la

frequence

du

_laser,

la valeur de

_Pn

atteinte n’a

_{jamais dépassé}

15

_%.

La saturation s’observe des

que la

puissance

laser

depasse

10 mW. Différentes

explications

sont

_possibles

et 1’etude

experi-mentale de ce

_problème

est en cours.

En

_conclusion,

les resultats obtenus semblent ouvrir la voie a l’étude de

3He

_polarise

en

_phase

gazeuse, bien que les

polarisations

obtenues a basse

_temperature

restent encore modestes. On

_peut

espérer

ameliorer ce dernier

_point

_par 1’utilisation de deux lasers de

_façon

a _{eviter le pompage}

hyperfin

dans le niveau metastable 2

_3S1.

_Cependant

la chute tres

_rapide

a basse

_temperature

de la section efficace

_d’echangc

de metastabilite

_risque

de limiter la valeur de

_Po

obtenue.

Quoi

qu’il

en

soit,

les taux de

_polarisation

atteints dans les meilleures conditions du pompage

optique

sont

maintenant du meme ordre _que ceux obtenus en

_{phase liquide}

_par la méthode de la

_{decompression}

rapide

du solide

_polarise

_([37-40]).

Remerciements. - Les

auteurs remercient vivement V. _{Lefèvre pour} son aide dans divers

domaines,

en

_particulier

les

_problemes

de pompage

_optique

a basse

temperature

et de detection R.M.N. de la

_polarisation

nucleaire. Ils remercient

_également

L. Mollenauer dont 1’aide et les conseils ont ete determinants au cours des

_premiers

stades du

_{developpement}

d’un laser a ~ =

1,08

~m dans notre laboratoire.

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Phy-sique-Lett. 40 ₍₁₉₇₉₎ L-143.

[40] Voir les contributions des auteurs des références _{[37], [38], [39]} au fascicule C7 du J.

_{Physique Colloq.}

41 _(1980).