Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
Однако в действительности процессы столкновений различных атомов друг с другом и стенками контейнера, в котором содержится газ, вызывают сильное перемешивание различных m^-уровней как в основном, так и в возбужденном состояниях, что приводит к нарушению идеальной ситуации, которая рассматривалась ранее. Теперь нам ясны причины, по которым мы исключили из рассмотрения ?2-радиацию ПО]. Если бы мы допустили ?>2-радиацию, то был бы возможен переход из основного подсостояния с mf=+2 в возбужденное состояние с 2Р*/3 и mF=~\-S. Это привело бы к появлению «утечки» поляризации в образце, по крайней мере в том смысле, что время процессов релаксации оказывается иногда меньшим по сравнению со средним временем жизни возбужденного состояния. На самом деле в ходе эксперимента могут встретиться трудности в получении заметной поляризации, несмотря на то, что #2-радиация устраняется из падающего пучка введением соответствующих фильтров.
Кроме этого, можно получить сигнал резонанса большей амплитуды, если принять меры к ослаблению процессов релаксации: а) использовать в качестве «буферного» газа благородные газы, такие как аргон или неон (которые сами имеют незначительную тенденцию создавать деполяризацию при столкновениях), для того чтобы сильно увеличить время диффузии щелочных атомов к стенкам камеры *), б) увеличить интенсивность падающего света для уменьшения времени накачки по сравнению со средним временем релаксации, в) для покрытия стенок можно использовать различные материалы, обычно тяжелые парафиноподобные углеводороды, такие как зйкозан или дотриаконтан, которые, как и благородные газы [13—15], не вызывают деполяризации при столкновении.
Формальное выражение, представляющее процесс оптической накачки, состоит из ряда совместных дифференциальных уравнений, определяющих скорость накачки в каждое из подсостояний из всех других возможных подсостояний. Общее выражение для системы, имеющей п подсостояний в основном состоянии, определяется п
*) Присутствие'буферного газа в надлежащем интервале давлений, приводящее также к уменьшению доплеровского уширения резонансных сигналов, является важной особенностью при проведении измерений расщепления энергетических уровней с большой точностью (см. [1, 2, 5, 11, 12]).
296
уравнениями
2' (bkj + wkj)Pk+ S (bik + wik)Ph k=lt2.....я, (1>
/ =?fc A i k
где Pft — вероятность нахождения в k-u подсостоянии (таким образом, ^k^k— 1. т- е- вероятность пребывания в каком-либо подсостоянии равна единице), ЬГ! определяет вероятность перехода за единицу времени из подсостояния i в подсостояние / основного состояния при поглощении и последующем испускании фотона» Wfj— вероятность перехода за единицу времени из соответствующего основного состояния из-за имеющихся механизмов релаксации. Таким образом, для данного состояния k первая сумма с правой стороны равенства определяет скорость переходов из состояния k во все другие состояния при ]фк из-за испускания фотона и механизма релаксации, вторая сумма представляет скорость перехода в состояние k из всех других состояний i=/=k, вызванных теми же причинами.
Если предположить, что на возбужденные состояния не действует никакой механизм релаксации, то можно непосредственно определить величины Ьп с помощью стандартных формул для электрического дипольного возбуждения [16]. Общее решение уравнения (1) было получено [7, 10] при двух крайних допущениях: 1) не происходит никакого смешивания возбужденных и основных состояний и 2) эти состояния полностью смешиваются.
Прежде чем описывать методы обнаружения результирующей поляризации в образце и методы наблюдения зеемановских переходов и переходов в сверхтонкой структуре, мы хотели бы отметить, что для получения оптической накачки нет необходимости в магнитном поле, так как направление распространения света с круговой поляризацией само по себе определяет ось квантования. При рассмотрении этого вопроса мы выбрали такие условия, когда имелось магнитное поле. Это было сделано для того, чтобы дать наиболее простое описание явления, и этот случай почти всегда встречается в эксперименте. Очевидно, что при отсутствии магнитного поля невозможно наблюдать зеемановские переходы, так как все m^-уровни вырождаются по энергии, хотя вырождение по моменту количества движения не имеет места. Однако в этом случае ориентация образца все же может быть наблюдена по переходам в сверхтонкой структуре.
Обнаружение явления оптической накачки может быть осуществлено весьма простыми средствами [171, так как сам световой поток, с помощью которого происходит накачка, покажет, что накачка имеет место. Раньше отмечалось, что пары будут становиться до определенной степени прозрачными к резонансному излучению, когда проходит достаточно большое время (обычно несколько десятков миллисекунд), чтобы возникла неравновесная заселенность более высоких /%-подсостояний. Если теперь по каким-
297
либо причинам это новое распределение заселенности будет нарушено, то поглощение пара снова возрастет. Проще всего это можно сделать, обратив внешнее магнитное поле и соответственно связанные с ним атомные спины [17]. Тогда наиболее заселенными станут состояния с отрицательными значениями тР относительно оси, определяемой направлением светового потока, и при осуществлении обратной накачки в состояния с положительными значениями тг возникает сильное поглощение света. В качестве детектора оптической накачки может использоваться обычный связанный с осциллографом фотоумножитель, осуществляющий мониторирование интенсивности проходящего света. Хотя этот метод достаточен для обнаружения эффекта ориентации атомных спинов, с его помощью нельзя получать информацию о многих интересных явлениях. Если же на образец наложить высокочастотное поле с частотой, приводящей к зеемановским или сверхтонким переходам, то на время действия сигнала поглощение света в образце будет снова увеличиваться, после чего поглощение немедленно начнет уменьшаться до тех пор, пока не восстановится максимальная заселенность верхних тр-состояний под влиянием резонансного излучения. Оптический метод определения частот зеемановских и сверхтонких переходов, который стал возможен благодаря оптической накачке, имеет значительное преимущество перед экспериментами с атомными пучками или другими методами резонансной техники, а также превосходит их по простоте осуществления.
