[论文解读] Magnetic Field Effects on the 1083 nm Atomic Line of Helium. Optical Pumping of Helium and Optical Polarisation Measurement in High Magnetic Field

Emmanuel Courtade, Marion François+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2002

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 30

一句话总结

本文研究了高磁场（最高达1.5 T）下氦的1083 nm跃迁中的磁场效应，推导出高磁场下光学泵浦的速率方程，并证明在约0.1 T时超精细耦合解耦可显著提高核极化转移效率。提出了一种新颖的光学方法以测量任意磁场下的基态核极化，实验验证表明该方法在传统方法失效的高场区域可实现高精度极化检测。

ABSTRACT

The structure of the excited $2^{3}$S and $2^{3}$P triplet states of $^{3}$He and $^{4}$He in an applied magnetic field B is studied using different approximations of the atomic Hamiltonian. All optical transitions (line positions and intensities) of the 1083 nm $2^{3}$S-$2^{3}$P transition are computed as a function of B. The effect of metastability exchange collisions between atoms in the ground state and in the $2^{3}$S metastable state is studied, and rate equations are derived, for the populations these states in the general case of an isotopic mixture in an arbitrary field B. It is shown that the usual spin-temperature description remains valid. A simple optical pumping model based on these rate equations is used to study the B-dependence of the population couplings which result from the exchange collisions. Simple spectroscopy measurements are performed using a single-frequency laser diode on the 1083 nm transition. The accuracy of frequency scans and of measurements of transition intensities is studied. Systematic experimental verifications are made for B=0 to 1.5 T. Optical pumping effects resulting from hyperfine decoupling in high field are observed to be in good agreement with the predictions of the simple model. Based on adequately chosen absorption measurements at 1083 nm, a general optical method to measure the nuclear polarisation of the atoms in the ground state in an arbitrary field is described. It is demonstrated at $B\sim$0.1 T, a field for which the usual optical methods could not operate.

研究动机与目标

• 理解在高磁场下³He和⁴He的2³S与2³P态的Zeeman分裂及能级交叉现象。
• 对亚稳态交换碰撞进行建模，并推导出在任意磁场下同位素混合物中种群动力学的速率方程。
• 开发并验证一种在高磁场（最高达1.5 T）下测量氦基态核极化的新型光学方法，该方法在标准光学检测失效时仍有效。
• 证明高场光学泵浦可在高压和低温条件下提高极化转移效率，克服传统低场方法的局限性。

提出的方法

• 通过不同近似方法对原子哈密顿量进行理论分析，计算作为磁场B函数的Zeeman分裂和1083 nm 2³S–2³P跃迁的跃迁强度。
• 推导出包含亚稳态交换碰撞和同位素混合的2³S亚稳态与基态种群的耦合速率方程。
• 基于推导出的速率方程，采用简化的光学泵浦模型，预测由交换碰撞引起的B依赖性种群耦合。
• 利用单频激光二极管进行频率扫描和1083 nm跃迁的强度测量，实验验证磁场范围为B = 0至1.5 T。
• 在1083 nm实施吸收测量，利用磁场诱导的超精细解耦推断基态核极化。
• 通过系统性实验检验验证模型，包括与B ≈ 0.1 T时的理论预测进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场最高达1.5 T时，如何影响氦中1083 nm 2³S–2³P跃迁的能级结构和跃迁强度？
• RQ2 高场光学泵浦在高压或低温氦中对核极化转移效率的提升程度如何？
• RQ3 基于1083 nm吸收测量的新型光学方法是否能可靠地测量任意磁场下的基态核极化，特别是在标准方法失效的区域？
• RQ4 在高磁场下，亚稳态交换碰撞在种群耦合中的作用是什么？如何实现其精确建模？
• RQ5 在0.1619 T和4.716 T处的能级交叉如何影响2³S–2³P系统的种群动力学和极化转移？

主要发现

• 理论计算表明，在B ≈ 0.1 T时超精细耦合显著减小，使得在更高压力下可实现有效的光学泵浦。
• 推导出的同位素混合物的速率方程在高磁场下依然有效，且自旋温度描述保持成立。
• 实验测量证实，在高磁场（B ≈ 0.1 T）下由超精细解耦引起的光学泵浦效应与理论模型定量吻合。
• 在B ≈ 0.1 T时，演示了一种测量基态核极化的新型光学方法，该方法在传统光学检测失效时仍有效。
• 对频率扫描和强度测量的系统性验证表明，在B = 0至1.5 T范围内具有高精度，验证了实验装置的可靠性。
• 该方法可在高场中实现可靠的极化测量，对极化氦气用于肺部磁共振成像等应用至关重要。