Pompage optique par échange de métastabilité dans un gaz d’hélium-3 jusqu’à 30 mT
Marion Batz (LKB)

Infos Complémentaires

salle E314

département de Géosciences

24 rue Lhomond

Vendredi 8 juillet 2011 à 14h

Résumé :

Les progrès en pompage optique (PO) par échange de métastabilité (EM) dans de l’hélium-3
gazeux à forte puissance laser, dont les applications sont variées, mais aussi à forte pression p_3 et fort champ
magnétique B ont fortement motivé la reprise d’investigations pour comprendre les processus limitant cette
technique puissante. Nous présentons une étude systématique, expérimentale et théorique, de l’efficacité du
POEM et des mécanismes de relaxation à B~\leq~30 mT et p_3=0.63-2.45 mbar. La polarisation nucléaire M
de l’hélium-3 est mesurée par absorption en configuration longitudinale, en utilisant des faisceaux à 1083 nm
de faible puissance, parallèles à B et à l’axe de la cellule, et de polarisations circulaires opposées pour sonder la
distribution des populations dans l’état métastable. Nos tests détailés montrent que cette méthode est fiable
pour l’étude de la dynamique du POEM malgré la redistribution des populations par la lumière de pompage.
La perte de M associée à l’émission de lumière polarisée par la décharge qui crée le plasma nécessaire au
POEM décroît au-dessus de 10 mT, comme attendu, à cause du découplage hyperfin dans les états très
excités. Pourtant cela n’améliore pas l’efficacité du POEM à forte puissance laser. Par contre, nous avons
mis en évidence une relaxation supplémentaire liée à la présence du laser pompe. Les pertes importantes de
M renforcées par PO, qui limitent actuellement les performances du POEM, sont étudiées quantitativement
avec une approche basée sur un bilan de moment angulaire et un modèle détaillé, récemment développé,
qui décrit les effets combinés du PO, de l’EM et de la relaxation, validé par comparaison aux résultats
expérimentaux.

Abstract :

Advances in metastability exchange optical pumping (MEOP) of ^3He at high laser powers,
with its various applications, but also at high gas pressures p_3 and high magnetic field strengths B, have
provided strong motivation for revisiting the understanding and for investigating the limitations of this
powerful technique. For this purpose, we present systematic experimental and theoretical studies of efficiency
and of relaxation mechanisms in B~\leq~30 mT et p_3=0.63-2.45 mbar. ^3He nuclear polarisation is measured
by light absorption in longitudinal configuration where weak light beams at 1083 nm parallel to magnetic
field and cell axis with opposite circular polarisations are used to probe the distribution of populations in the
metastable state. This method is systematically tested to evaluate potential systematic biases and is shown
to be reliable for the study of OP dynamics despite the redistribution of populations by OP light. Nuclear
polarisation loss associated to the emission of polarised light by the plasma discharge used for MEOP is
found to decrease above 10 mT, as expected, due to hyperfine decoupling in highly excited states. However,
this does not lead to improved MEOP efficiency at high laser power. We find clear evidence of additional
laser-induced relaxation instead. The strong OP-enhanced polarisation losses, currently limiting MEOP
performances, are quantitatively investigated using an angular momentum budget approach and a recently
developed comprehensive model that describes the combined effects of OP, ME and relaxation, validated by
comparison to experimental results.

salle E314

département de Géosciences

24 rue Lhomond