Authors:	Batz, Marion
Title:	Metastability exchange optical pumping in 3 He gas up to 30 mT: Efficiency measurements and evidence of laser-induced nuclear relaxation
Online publication date:	6-Feb-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	Advances in metastability exchange optical pumping (MEOP) of 3He at high laser powers, with its various applications, but also at high gas pressures p3 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≤30 mT and p3=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. Fortschritte im Bereich des Metastabilen Optischen Pumpens (MEOP) von 3He bei hohen Laserleistungen, aber auch bei hohen Gasdrücken p3 und hohen Magnetfeldern B, haben entscheidend dazu beigetragen, Untersuchungen limitierender Prozesse dieser leistungsfähigen Technik mit zahlreichen Anwendungen wiederaufzunehmen. Mit dieser Zielsetzung stellen wir eine systematische Studie (experimentell und theoretisch) über MEOP-Effizienz und Relaxationsmechanismen in B≤30 mT und bei p3=0.63−2.45 mbar vor. Die Kernspinpolarisation von 3He wird durch Absorption in longitudinaler Konfiguration gemessen mittels schwacher 1083 nm-Probelaserstrahlen, parallel zu B und zur Zellenachse, mit entgegengesetzten Zirkularpolarisationskomponenten, um die Verteilung der Besetzungszahlen im metastabilen Zustand zu messen. Detaillierte Tests zeigen, dass diese Methode trotz Umverteilung der Besetzungszahlen durch Pumplicht zuverlässig zur Untersuchung von MEOP-Dynamiken eingesetzt werden kann. Emission von polarisiertem Licht durch die Gasentladung führt zu Polarisationsverlusten, die oberhalb von 10 mT aufgrund der Hyperfeinentkopplung in höher angeregten Zuständen abnehmen. Dennoch erhöht dies nicht die MEOP-Effizienz bei hohen Laserleistungen. Stattdessen können wir bei vorhandenem Pumplaser zusätzliche Kernspinrelaxation nachweisen. Die beträchtlichen OP-verstärkten Polarisationsverluste, die gegenwärtig die MEOP-Effizienz limitieren, werden quantitativ untersucht mithilfe eines Drehimpulsbilanz-Ansatzes und eines kürzlich entwickelten umfassenden Modells, das die kombinierten Auswirkungen von OP, ME und Relaxation beschreibt und durch Vergleich mit experimentellen Ergebnissen validiert wird.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1304
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30380
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	394 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen