DE1491518A1 - Vorrichtung zum optischen Pumpen von Hyperfeinstruktur-Zustaenden - Google Patents

Vorrichtung zum optischen Pumpen von Hyperfeinstruktur-Zustaenden

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DE1491518A1 DE19641491518 DE1491518A DE1491518A1 DE 1491518 A1 DE1491518 A1 DE 1491518A1 DE 19641491518 DE19641491518 DE 19641491518 DE 1491518 A DE1491518 A DE 1491518A DE 1491518 A1 DE1491518 A1 DE 1491518A1
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    • H—ELECTRICITY
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Description

Tl V29 15
Ysrign Associates
Palo AlIo / California
T. Stj r. Amerika
TorriohtuBf
sub optischen Pustp·» von Hyp«rf«iaetruktttr-Zu*tinden
PrioriUtι Tereinigt· Staaten τοη Amerika τββ 26« Deieaber 1963 3#r. Ιο·
Χ)1· Krflnduaf !»«trifft optisch·· Puap·» un4 iB*b««ond«r· ·1η eraartig·· ?«rfahr«tt und «In· Blnrlehtun« so» optleohea Ραιρω «ur Brmi«liiat «ln«r g««Qmacht«n Polariaation worn prl»*4i*r«id*a Ato«partik«ln*
Xa t«r demtich« Pat«ntan»«ldttn« Y 22 185 tXXX ο / 21 f und ö#r TT. 3. Patentanaeldun« 129 «75 vom 7. Augu«t 1961 der Anm«ld«rin aind Terfahrem «oUI Elnriohtuiic«n se· optlaeh·« Fnapsn -ron ()uant*&»jr»t«aMn b«eohrleb«u Xn d«& b«eolurl«b«n·« ^rst«asn» «b«nso «1· la ander·«. b«kannt«n optisch·* PuaptystwKttt dl« als Kr«^ttsnsBontsl·» Maentt<m*t*r, 3p«ktroe«Ur, «ttt d»r«l*loh«i T«rv«od*t ««rd«Dt ist ·· erfordtrlieh, optlsohs
909 80 7/06 2 3 BAD ORIGINAL
xu verwenden, am unerwünschte Linien der iiesonanzstrahlung fernzuhalten, •ο dass eine einzelne, reine Spektrallinie Überwacht und beobachtet werden kann· Ke «erden deshalb in diesen Systemen Zirkulär-Polarisatoren» Interferenzfilter unter anderem ale optisch selektive Sloaente benutzt, die hSufig nur mit grossen Schwierigkeiten oder sogar überhaupt nicht rervirklicht werden können, vas häufig die Ursache won unerwünschten Frequenavorschiebungen der intereeelerenden BP-Übergßnge sein kann·
Konventionelle optische Punpayatene sind auch la allgeaeinen feldabhlingi^r, und sie unterliegen willkürlichen Xnderungen in vorhandenen Süßeren Magnetfeldern, wodurch sich störende Resonanzlinien-Verschiebungen ergeben» Es ist deshalb erforderlich, ein genaues Magnetfeld konstanter Intensität und Homogenität zu schaffen, das eine genaue Regulierung erfordert«
Durch die Erfindung soll ein neuartiges und verbessertest Verfahren und eine solche Einrichtung zu« optischen Puepen verfügbar geaaoht werden·
Erfindungsgealss wird eine Ansammlung von £uantensyste«en optisch duroh eine Lichtquelle gepumpt, die periodisch Kit der Zeesean-Frequenz pulsiert, Me Quantensyetea«, die in einer Absorptionsselle enthalten sind, sind in einen Resonanahohlraua untergebracht, darkle Ryperfeinstruktur-Frequens der Atose in de« Quantenayste« abgoatimmt ist» Sin ifagnetfeÜ relativ geringer Stlrke, dessen sagnetiacher üektor i« wesentlichen senkrecht zu« Strahl von der Lichtquelle steht, wird an die Absorptionszelle angelegt« Ss werden dadurch H/perfelnstruktttr-^ustassdeClbergXnc·
..•/3
909Ö07/0623 bad original
M · Qt-* O bewirkt ι co ααβ ein auagewahlter feldunabhHagiger Hyperfeinatruktur-Zuotand auf Konten eine· anderen beaetst wird· Di« HjrperfelB· atruk tür-Übergänge sorg·» für Änderungen la der Intenaitat d·· Licht··, da* von des» bestrahlten Quastcneyatea ausgeht und in bekannter Ttfeia· überwacht und beobachtet worden kann«
Der Einfachheit halber wird die folgend· Beaehreibung auf die Verwendung der /Irfindunff ala Prequenznonsftl gerichtet· Dl« Erfindung lot jedoch in gleicher ?>eiaa bei MagnctoKetern, Spektroaetorn, Käsern und öergleichen, HBd gana allgeaein bei irgendeine« optieoh gepumpten Syetaa anwendbar·
Sie 2rfindun.· soll anhand de* in der Zeichnung dargestellten teilveiee achenatieche» Blookachaltbilöeo einer Aueführangefora der Erfindung naher erläutert werden·
3trahlunßaquelle C, beie? ielaweiee eine Hatalu»-Spektrallaape, wird intermittierend »Ittela eines Krregera 12 pulalcrt, der »it eine» Xapulageber 14 erregt wird· l'er lepulaöeber 14 erzeugt periodlooh lepulae der Zeooan-Frequons, die bei cieaer Auaführungafora etwa 7CX) Hs betritt· Jeder lapule hat «ine relativ kttrse Bauer, die kleiner ist ala dl« Zeeaan-Prftseaaionaperlode der HatriuaaJaaipf-Atoee in einer Abaori'tionaselle 16.
SIa pulaierender Strahl optlaoher KeaonanaatrahlunK wird wo» dar Laape C l&nge einer optlaehenAchae X duroh eine Linae 15 «ad «inen Zirkular* F«lariaator 17 aar Zeil· 16 gerichtet· Die !find· der Zelle 16 sind von»«»1* welae alt einer Subetana beachiehtet, beiepielaweiee «itiea
BAD
' . 909807/06 2 3 ■
gesättigten Kohlenwaeeeratoffwachs , und/oder sie enthalt ein netes Puffergeff» u« die Belaxatlozunelt der Itvmm au erhöhen, lie Absorptionsselle 16 ist in einea Kohlrauaresonator 1β untergebracht, der Ton einer Spule 20 umfaßt wird* dl· ein in einer Biohtung wirkende« Magnetfeld H^ erzeugt, ämm&mtt Tektor 1» wesentliche« senkreoht sor optiachen Achse X liegt, und parallel »ar 2-Ach«·, dl« durch BQ definiert 1st. Si« Spul« 20 erhalt ro» einer Spannungequell·, beispielsweise «iner nioht dargestellten Batterie, «la« Gleichspannung, so daß das Feld SQ aufgebaut wird» wXhrend dar nohlraua 16 und dia Abaorptioitsselle 16" gegen Kagnetfeider In der ustgebungt beispielsweise daa Brdfeld, abg··» schiret werden, beispielsweise mittel« einer Abschirmung 22 ana Mu-Ketall· Das in einer Richtung wirkend« Feld H kann «in relativ sohwaoh·· Feld won etwa beispielsweise 10**5 Baues sein·
Der Hohlrauaresonator 18 liefert «in HF-ielÄ E1 1st wesentlichen parall·! susi statischen Magnetfeld UQ und ist so abgeetitsat, daB er bei dar Hyperreinstruktur-Prequen« won Xatriua, das heißt 1722 KHs, in Resonana koaMtt die τοη einea Signalkanal geliefert wird, der «inen Kristall« ossillator 24 enthilt· Me liohlrauawand 1st so gesohlitst, daß swar dl« Kikrttwelleiistrua« in der Hohlrauawandung nioht gastCrt werden, Licht aber •rthogonal «u R1 durch dan Hohlraum 18 passieren kann· Der OssiIlator 24 liefert «In« latten-IejueTrequeas roe beispielsweise 5 XHs0 dl« durch einen Htaaenaedttlaktor 26 an «In« S/mtheseeohjiltttng 28 geliefert wird· Mm 8j»these««h»ltang 2$ entWllt regeneratire Teiler wcti Addierer, dl« das« dienen, «la· Fresttaai su erxeugen, die eine aubharaonisehe d«r ^jrperfeinstrwktur-Frectueni ist« la rorliegend« Au«fuhrun««beispiel lat di«a« Stt»haraoeisah· 177© 2 KB*· Sm Fr«tua«is->A««can«:aeignal dar 3ynth»a*schalttmg 29 wird la Terrielfacher 50 m*£ dia
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▼οβ 1772 XBi Terrielfaoiit, imd Hab YerrielXachte Au»gan#esignal «Ird tut £«tt Hohlraum 19 gekoppelt« Xn den fill·»« in taunt dl· I?yp*rf«in«Pr«tjueiui •In direkt«· Vielfache« dear Ontillatorfrmittenx let» od«t «in« SuWiarmtmieoh· d«rs*lb*at Vreeoftt kein· SjmtJ»*««ehaltttiMf 'fmrwmwimt werdwu
52 «in Trifgvr-Sign&l «it schürf«r SpItx« wm «invr Λτ»<ια·η» 1TCHK V«i«pi«l·- v«i·« «iwa 20 Hst dft» ein·· Teilw 54 MycefUiirt «1x4· Der Teiler M» ϋ·1*ρ1·1·*»1*# ·1η biatablttr HultiTibwitoroler nip-Flop» wird iureh 41«««η Impale g*titig&f*% end t«ilt di· OesilXmtarfr^u·!» mit 10 Ha, XHUnes 10 HB-3ijn»l »ir* wt d«a FhMMnMAdulfttor 26 e?NE«b«n9 ι» da· H HHa(-Sieiua το» 0»slXlator 24 «u fy«4|««XM»Boattli*r«it· Imi tfodalatiesu»» ftign»! »ird dareb Ai* Q7nth«»«aoh*ltanc 28 tmd den T*rri#lf*ob«r JO i*sehioktf ns »in· tfodalation von ttvt «in»r Linieabreit* «uf di· Spits· d·· Hesonmnsaienal·· »a <«iNm» dm« äureli di· Absorptionsx·!!· «ird.
All Au«g»»f»*nd· der Sell· %$ vnA Unf» der opti*ohea Ache· X richtet •in« optieoh· Idf»« 3$ ν»ϋ *·* Α!ι··3τρϋ·»**·11· 16 «of eift· liohtespfittdliohe Sinriohtuact »«i«plel»»ei·· eiae Soenenmelle. Die tmll* 36 liefert *in elektrieehe· Signal* deeten trSB· de» Isteneitlt i*m auftreffend«! Lieht«· entspricht. In 4*r LiohUnteneiUlt, Mm eioh durch lttderung der t·» ««r Xell· 1(S ergeWa« werdea το« «ur liehte»pfiÄilichea |i l»o»»»öhtet. für ein· Im· ein»«ln« «^iend· Sarliuterua« **r
Wrtrftiwi« dareh Atow^steM wir* mti di· Ö.S, Patent-3 071 721 end di· i«it»oh· PaWataaneldi«« T 1J 82? IX / 42 β
BAD ORIGINAL t*
909807/0623 *'**
de» 4n»«lderin verwiesen·
In Effekt bewirkt optisohos Puapen, defl optische "b*rgt»ge ron den verschiedenen ÜnergiesustSnden oder Zeessn-ünternivssas ausgehen* so deS äle Qaanteneysteee oder Atob· von bestimmten optisch absorbierendes sagnetlsohes Unterniveaue auf niohtsbsorbiereade oder nicht au lee ffifaeus angehoben werden· De* pulsiert« Licht bewirkt eis* aslant*!« Polarisation* 4· nrnoh der Impttlodmuer and der ftelcxfttionsxait der Attxte» Earaue ergibt sieh eine Tor herrschende Besetstxsc der nioht absorbie Qame nicht su leerenden Hiveansi ein· solche Besetsuna^ilÄderang wird als Ausrichtung bezeichnet. Euroh !tbervschcnff der Äbsorpftionseigenechsften U9r Zelle 16 ist es mSglloh, zu beatia»enf ob eine eines bestimmte» Zuetanöes eingetreten ist und in welahest
werden im wesentliahea »lie A.to«e des »*trittw4eapfee
in den niohtabsorbierenden Zustand F * I + t/2» anfSnglich Μχ ■* I + i/2 ^•pttsipt» der dann *u präzedleren beginnt» 1 1st ümt Keraapin. Weil aim Ataoe deii prSsedierenden 2uetand F «· I ♦ 1/2 beeetsea» wird &*r ^xstanA F · Σ - t/2 geleert. Die aussohlisJSlleh· Besetzung de« prSswdierendsn 2u8tandes F - I + t/2 entspricht in 3«HsJraen» bei 1 m 5/2» einer seituoabhHrtgigen Teilbesetsunf der !fiTeaue j**]· 2t1#0 το» t/16* 1/4 un4 3/8* Heil der Zustand P-I- 1/2» M * 0 den Lichtstrahl wie ein nl«J>t orientierter Zustand absorbiert» können Harperfeinübergange X * durah überwachunf der durohgelassenen Llohtintensitfit beobachtet Sie·· Technik ist für Strahlung Sw2 · P^2 uad/cnler Swg - P, #- bar, wobei eise optische FeIn- oder B^perfeinat**k**r-Jilteran£ nicht erforderlieb ist«
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Η91518
Σ» Betrieb ersetigt öl* phetoolektrisobe Äeil« 36 «Ια elektrisches da» dear InteneitSt des rtm §e* Atssorptionezelle 1
dttrehgslesseiien Linkte· entspricht. Dieses Ausgangeβignal enthält eiae kräftige 3ig3i»lfc<miKm«ttef ate sieh idf der tempert-i'ulsfttionarate *o& TOO Ss Ißöert» gleichgültig, ob «ie Zelle 1? in Ηββοη»ΐιβ i«t oder nicht, lean die Zelle 16 Mit· «et Resonanz iet# «tjfd te« ?00 H*-Signal öle fO Ss-I%««e3»odttl*tioaefre<|u«ns »odull«rtt tmd ebenso eit »•eite» Ha«WBti*ehea m,wc eines SM) Hje-Signelkoationente. I» Heeone»«- sn«t«nd &XW atm tO S»-ÖnMiöeignia herftu», and Öa» TOO H*-Sign*l ist »er «it lter »weiten K*raoaisoheöi sodttliert·
Diese« MOialierte Sigael wird am eis Bsa4li*ß-Pilter 56 gegeben» Öse «lie« sperrt* aber <SUui »oÄulierte ?00 fix-Signal durchlBßt· Bee gefilterte Signsl wir* ia eine« Ter»tlrker 40 yeratlrkt und la eines I*t«ktor 4I in des die 10 H*» »ad die 20 H*-Signslko*p<menfcen
«erden, die von öer piiotoelektriechen Zelle 56 «.uf&enu«tien Hese deetodaliertes Signale «erden eine« Sperrfilter 4? auge führt» des amm 20 Bs~3igne.l sperrt, «ber da« 10 H«-3ignsl as einen Phasen4et«ktor dttrdblKSt« dter gleieluteitlg ein 10 Hs-Beaueseignsl rom Te λ ler 54 erhält· ££tt gleichetrott»AVi»eieimn|Cseignsl wird το» Phaseadetektor 42 abeefeben» «ad das Pehlereignal eir* eine« Serroeeehaaisaus oder SerroveretÄrker 44 ««geführt. Der SexTtrrerstarker 44 »teilt den Abetiaakreii des Krietalleszillatore 24 nac&v fw ilm genau mti die Kesmfrequens von 5 HH« *» sentriereB. Auf dies* Weiee «ird ein sehr genaues und stabiles Pree.ueBS· «it holier spektraler Reinheit realisiert. Vm das stabile Prequenm-SicBAl auesaaetsett, «ird der Ausgang *esi Ossillator 24 fiber eis· Xsolierstiife »der eisen Piff*r 46 «n einen Terbr«echer 48 geliefert·
■■'^•.;'-ϊ?". ■ ■ . ■ ■ BAD
909801/0023
Wi* bereits ervfthnt ist dl« Erfindung nicht auf Prequ«nsnorsal· besohrlaktf aber auch nioht auf dl· epe*iellen Parameter und di· Kombination, di· oben b«echri«b«n i»t. !Die Erfindung 3.18t sieh ia gleicher fels· aueth amf optisch· gepuapt· Wagnetoaeter, Spektrometer und Änaer unter anderen anwenden. Auoh di· Frequena- und Feldstltrkenwert· aiad »»tare anderen «ill* kürlieh g«wihlt und können für rereehiedene AmrcsduAgafCll· andara g««fihlt «erden. Carttft«r hinau· kam ti· Afcaerptieasi·!!· Waa*»ret*ff# Ealitttf Rubiditta oder andere AlkalidSapfe od«r ·£*·· statt latritw •nthaitenv di« «in· geeignete ftMOMansatrahiunf für optieoh·· Fuapea aufweisen.
Darüber hlnaua können bei d«r »rfiBduagagssJH·» Vorriehtunf Orundsuetliii· oder Mtastabil· ^ttstXnd« verwendet werdenv sofern di· ltoetsyst··· la dl···» Zu*t«nd*n la&elaeig sind. Aueh tfi· 1:α1·1·η»β der teeoaa&Mtrahlaiif vom d«r Laejp«al«r Liebtqu«ll· kaj» »it ·1β·χ· Pr*fu*as «rf·!*·** di· «la Iruehteii vor f^a ist« «ob·! a »la« ««as· Zahl d»r Zs»aian*fre<iuena fg 1st·
•/TataatansprUam·
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Claims (1)

  1. T1 F29
    PttiBttniprüohi
    1· Vorrichtung xuk optiaohan Puepen τοη QuaAteaeyateaen, boatehend aue
    einer RoetrahluntfMinriohfcunfi für dl« Quantoneyete*«, «in·» Bthwmohmt μ
    in einer Hiohitmg wirk«nd«n Hagn«tr«ldv cintr Binriohtungt alt d*r «Is W«oh»*lfeld «n 41« Quanten«yat«tt· «ng«l«et «ird# deaeen Fr«qu«ns «in· Hyperfelnatruktiir-Frequenü d«r Quantene/at·»· let, und ein·· Detektor für ton üen. 'iuantenayetetiitn kommende Strahlunt*, daduroh £«k«nna«i«hmtt AtB eine Hinriohttuix YOrgaa*h«n laif durch d«r«n älnfluB dl« Strahltm^ ▼en der Beatr*hl«»eaeiariohtung alt eimer Frequeni pulsiert» die te ein·« ff&nEaahXigan TerhMltnie aur Zee«»n-Fr«queia* steht» ao daß fOr ein· Orientierung der Quejutemayata«· gemorst wird·
    2· Vorrichtung nach Anapruoh 1, dudaroh ee^«nnBeiehnet» daü die BeetrahlungeeinriohtujOif Licht der Haeonaaaetrahlxing der atrableneem viuantonsjeteijiQ liefert·
    3* Torriobtung naoh Aaepruch 3# daduroh gekennaeiobnot» daJ der Detektor eine liohteapfindliebe Kinriohtimg let.
    90980r/0623 bad OR.G.MAU
    4· Verrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch ftekennxeiohnet» daß ein· Modmlutlonsechaltung vorgesehen ist» »it dor dft· Secneelfelä Moduliert sird, und der Detektor die fhasenlege und di· Frequenz der Modulation Überwacht.
    5· Yorriohtunf nach eines dor Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet» daß der faktor äeo sohvaahen Uagnetfaldos i« wesentlichen senkrecht zur Bostrahlungeachse liegt«
    6» Torriehtung nach Anepruch 5t dadurch gekennaeichnet« daß der Magnetische Vektor des Beohselfaldea parallel suit Vektor 4ea schwachen Ifagnetfelöes liegt·
    7· Torrlohtnng nach «ine* der Ineprüehe 1-6» dadurch gekennaoichnstt dal di* lulaiereinriohtune lapulae der Zevaan-Frequen» liefert, die eis· kOrxcre Pauor haben als die Zeesan-rrfiseasionsperiod· der Atoae*
    8«Torriohtung nach eine« der Ansprüche 1*7» dadurch ^kennseiohnetv
    daü dl· i nlsioreinrichtung den strahl internittierend eperrt und freigibt.
    9· Vorrichtung nach eines der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß sviftohen der Bestrafclun^seinrichtung und den kuantensysteaen «in Zirkular-rolaxlBiitor angeordnet lot*
    10· Terrlohtunjt nach eine· der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daS di· pulsierende Bestrahlung für eine Beaetsun« des prazediereadeai Zustanden F · I ♦ 1/2 auf Kosten d«s Zustande« F-I- 1/2 «or**·
    909807/0623
    BAD ^
    ti» Torriehtung nach einea der Aneprüehe 1 - 10« dadurch gekennzeichnet, daß ^/perfeinttn&ttt*«-tIberg!'tiiga ** 9» 0'*—^0 Veooachtet «erde«·
    12« Torrichttinß naoh eine« dar Anspruch« t - 11, d&durah gekenn*·!cha·*, daS dia Qaant«n«yst««e Atoae eine· ia eine Zelle eingeschlossenen Hempt»m sind, dia in einen Hohlrauaraaonator untergebracht ist·
    13· Torriohtun« nach eines der. Ansprüche 1 - 12, dadurch gekannseiohnet, daß dia Yreahaelfeldeinrichtune einen Oasillator und einan an diesen Frequeneteiler und/oder -Yerrielfacher uafafit·
    14* Torrlohtung nach einen dar Aneprüehe 4 · 13t dadurch gekennzeichnet, daS an den Ausgang fm Detektor« ain aar daa iodulationasifnal dnrehlaasenda« Filter ancasohloaaan let, ain ait dan Hadalatien·· aignal Beaafsohla^ter Phfcsendetektor fQr das Filter eine lünriehi«Bat Mldet, «it dar «la A»«elohunca»icnal eeolldat wird, uni aa da· rhaaandatektar tmi dia laahselfaldalnrlahttt&c ein Sarroa/«te« attfa· schlössen let, «it da« die %'aahsalfaldainriohttinff aatapraahaai daa Abveleaungsalcnal ve« I htsendetektor naahseatiicat «ird, «ad dal aim Tersraoeher «1% die·«* Signal aaaMfaahlagt wird.
    15· Irequananoroal «it einer Tarriohtua# na«h eiaea Aar Tnr«nm«nga«aa Anaprüaha, dadurah gekannselcluiet, daß daa IIjFerfeiaetraktur^rrai«· aal vo* der »eanfrequen» abgeleitet let «ad die«« Oaar da« Xfetakter sastaaart vird«
    9O98O7/0ft23 · bad
DE1491518A 1963-12-26 1964-11-06 Vorrichtung zum optischen Pumpen von Quantensystemen Expired DE1491518C3 (de)

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