Optikai pumpálás

Kómár Péter, Szécsényi István

2007. 11. 28.

2

Elmélet I.

• Pumpálás:– Adott szintek közötti gerjesztés A B– Spontán emisszió (B C)– Relaxáció (C A)

Termikus relaxáció (LASSÚ)

Optikai pumpálás

A

B

Spontán emisszió (GYORS)

C

Pumpálási szintek

3

E

N

• Betöltöttség:

A

B

C

A

B

C

E

N

…Elmélet I. …

Termikus egyensúly Populáció inverzió

4

• Zeeman-felhasadás:– Külső mágneses-tér – spin kölcsönhatása– Energiaszintek felhasadása

…Elmélet I. …

3 2 P 1/2

3 2 S 1/2

–

+

cirkulárisan poláros fénnyel gerjeszthetők

m j = + 1/2

B

m j = + 1/2

m j = – 1/2

m j = – 1/2

5

…Elmélet I.

+

3 2 P 1/2

+ 1/2

– 1/2

3 2 S 1/2

+ 1/2

– 1/2

33%

67%

I.

II.

III.

…

V.IV.

6

Munkamódszer

• Rb gázt adott hullámhosszú, cirkulárisan poláros fénnyel világítunk meg

• Emiatt a környezettől függően (B-tér, EM)átrendeződnek az energiaszintek betöltöttségei

• Emiatt pedig megváltozik a gáz abszorpciós képessége a megvilágítás fényére

• Mi az átmenő fény intenzitását mérjük, és ennek változásából következtetünk a belső változásra

7

Mérési elrendezés

Rb kisülési cső („pumpa”)

Négyszögjel generátor (Bvált)

Áramgenerátor(Báll)

Rezgőkör ()

Erősítő a fotodiódától Oszcilloszkóp

8

…Mérési elrendezés…

1. Rb kisülési cső

2. Lencse

3. Interferencia szűrő

4. Polárszűrő

5. /4 – es lemez

6. Tekercspár (Zeeman)

7. Rb gáz

8. Rezgőkör tekercse

9. Lencse

10. Fotodióda

1.

1.

9.

9.

2.

2.

3.

3.

4.

4.+5.

5.6. 6.

6. 6.

7.

7.

8.

8.

8.

10.

10.

9

• Pumpálás és relaxáció együttes időállandója:B változása megfordítja a pumpálás irányát

A pumpálható elektronok száma gyorsan csökken

I.

E Zeeman I.

– B

II. + B

E ZeemanII.

III.

III.

IV.

IV.

Idoállandók mérése

10

–BFöld

A pumpálható elektronok száma nő

• Termikus relaxáció időállandója:

Btekercs = – BFöld

E = 0 I.

I.

II.

II.

III.

III.

…Időállandók mérése…

11

Elmélet II.• A felhasadt nívók távolsága:

ahol a Bohr-magneton pedig j-től, s-től és I magspintől

függ

• EM sugárzással gerjeszthető az átmenet:– Abszorpció: PAbsz ~ Nalsó

– Indukált emisszió: PIndE ~ Nfelső

BgE FBBFg

h∙fh∙f

12

…Elmélet II.

Kevés pumpálható e–

Csak pumpálás

Alacsony abszorpció

Nagy fotodióda jel

Több pumpálható e–

Pumpálás + EM

Magasabb abszorpció

Kisebb fotodióda jel(rezonancia)

Opt

ikai

pum

pálá

s

Termikus relaxáció

Indukált emisszió

13

• Rezonanciafeltétel: Bgfh FBRezonancia mérése

• f frekvenciát „beállítjuk” és mérjük:

14

…Rezonancia mérése …

• B rezonanciához tartozó értékét kell megtalálni !• B három részből áll:

– Kézzel változtatható állandó komponens (ezt mérjük)

– Szinuszosan változtatott komponens – Föld mágneses tere

(polaritáscserével kiküszöböljük)

mA

15

• A szinuszos komponens segít: egyszerre egy egésztartomány vizsgálható

• Báll-t beállítjuk, hogy rezonancián Bszinusz = 0

B

Brez

…Rezonancia mérése …

Fotodióda jele

Bszinusz

16

Magspin meghatározása• Két izotóp: 85Rb, 87Rb• 4 különböző f frekvencia• Ismétlünk ellentétes polaritással

a Föld mágneses tere miatt

16 különböző Brez

2×4 átlag Brez

Mágneses térerősség értéke rezonancia esetén különböző frekvenciákon

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

f (MHz)

B (T)

1. izotóp

2. izotóp

Bgfh FB

17

…Magspin meghatározása

• Az egyenesek meredekségéből:

• j, s és B ismeretében

• gF -ből

FBg

hB

I magspin mindekét izotópra kiszámítható

Irodalmi értékek:

2/3

2/5

87

85

Rb

Rb

I

I

Sikeres mérést!

Szórt fény

Direkt fény tükröződése

Rb kisülési cső

Lyuk az optikai eszközök dobozának falán