A new method for the study of the diffusion of optically oriented atoms in a buffer gas

Summary

We describe a new method for studying the diffusion and relaxation of an optically oriented vapour inside a buffer gas. By measuring the rotatory power of the criented vapor for light whose frequency is near that of an absorption line, the vapour’s polarization can be recorded continuosly during the relaxation or the diffusion process. Moreover, since the spectral distribution of this light is outside that of the absorption line, the vapour’s polarization is practically unperturbed by the detection process. The vapour is contained in a cylindrical cell. By means of a pulse of circularly polarized light we pump the vapour into a small cylindrical region of the cell. A second beam of linearly polarized light parallel to the pumping one (the analysing beam) travels inside the cell at a distance Δx from the oriented region. To every pulse of the orienting light a signal is obtained from a polarimeter, showing that the plane of polarization of the analysing beam rotates owing to the diffusion of the atoms, oriented by the pumping pulse, into the region of the cell scanned by the analysing beam. This signal is delayed by a timeT(x) from the pumping pulse. By measuringT(x) as a function of Δx, it is possible to obtain the diffusion coefficientD and the cross-section for disorienting collisions against the buffer gasσ. The experiment has been carried out orienting sodium vapour in He as a buffer gas.

Riassunto

Si descrive un metodo per lo studio del rilassamento e della diffusione di na vapore orientato otticamente in un gas tampone. Misurando il potere rotatorio del vapore orientato per luce di frequenza vicina a quella di una riga di assorbimento può misurarsi la polarizzazione del vapore, in funzione del tempo, durante il processo di rilassamento o di diffusione. Poichè la distribuzione spettrale della luce usata è nulla alla frequenza della riga di risonanza, tale metodo di misura non perturba apprezzabilmente la polarizzazione. Il vapore, contenuto in una cella cilindrica, è orientato mediante un breve impulso di luce di risonanza, polarizzata circolarmente, che investe soltanto uns piecola regione della cella. Un secondo fascio di luce polarizzata linearmente (fascio di analisi) si propaga nel vapore, parallelamente al fascio di pompaggio, ad una distanza Δx da esso. Ad ogni impulso della luce di pompaggio si ottiene un segnale da un polarimetro che analizza il fascio di analisi. Tale segnale è ritardato di un tempoT(x) rispetto all’impulso che ha orientato il vapore. MisurandoT(x) in funzione di Δx è possibile ricavare il coefficiente di diffusioneD del vapore nel gas tampone e la sezione d’urto per disorientazione σ degli atomi orientati con gli atomi del gas tampone. L’esperienza è stata eseguita sul vapore di sodio, usando He come gas tampone.

Реэюме

Мы описываем новый метод для иэучения диффуэии и релаксации оптически ориентированного пара внутри буфферного гаэа. Иэмеряя знергию врашения ориентированного пара для света, частота которого блиэка к линии погло-шения, можно непрерывно регистрировать поляриэацию пара во время релаксации или процесса диффуэии. Кроме того, так как спектральное распределение света выходит эа пределы линии поглошения, то поляриэация пара практически не воэму-шается в реэультате процесса детектирования. Пар содержится в цилиндрической ячейке. С помошью импульса циркулярно поляриэованного света мы накачиваем пар в маленькую цилиндрическую область ячейки. Второй пучок линейно поляри-эованного света, параллельный накачиваюшему пучку (аналиэируемый пучок), проходит внутрь ячейки на расстояние Ах от ориентированной области. К каждому импульсу ориентированного света, иэ поляриметра получается сигнал, покаэы-ваюший, что плоскость поляриэации аналиэируемого пучка врашается иэ-эа диф-фуэии атомов, ориентированных с помошью накачиваюшего импульса, в область ячейки, сканированной посредством аналиэируюшего пучка. Этот сигнал отстает на времяT(x) от накачиваюшего импульса. ИэмеряяT(x), как функцию от Ах, воэможно получить козффициент диффуэии D и поперечное сечение для деэориен-тируюших соударений в буфферном гаэе σ. Был осушествлен зксперимент по ориен-тации паров натрия в Не как буфферном гаэе.