WO1991007668A1 - Cellule de vapeurs atomiques ou moleculaires pour pompage optique et magnetometre ou gyroscope utilisant une telle cellule - Google Patents

Cellule de vapeurs atomiques ou moleculaires pour pompage optique et magnetometre ou gyroscope utilisant une telle cellule Download PDF

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cell
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optical pumping
pumping
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Christian Larat
Pierre-Jean Nacher
Michèle LEDUC
Claude Weisbuch
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/60—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers
    • G01C19/62—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers with optical pumping

Definitions

  • the present invention relates to an atomic or molecular vapor cell for optical pumping by an optical pumping wave as well as a magnetometer or gyroscope using such a cell.
  • the use of the optical pumping properties of atomic or molecular gases such as helium-3 and helium-4 is now well known for the detection of weak magnetic fields.
  • atomic or molecular gases such as helium-3 and helium-4
  • atoms in the metastable 2 3 S state are created by a gentle electrical discharge.
  • One or more components of the transition 2 3 S-2 3 P are excited by a resonant light towards 1.08 ⁇ m suitably polarized.
  • the metastable atoms are thus oriented or aligned by optical pumping in the 2 3 S state.
  • helium-3 which has a non-zero nuclear spin
  • This helium polarization method is used in particular in magnetometers to measure magnetic induction.
  • the helium-4 magnetometer is based on the measurement of the electronic magnetic resonance in the magnetic field to be measured.
  • the resonant frequency gives the value of the field to be measured.
  • Electronic resonance is detected by the variation in the absorption coefficient induced on a beam of light circularly polarized at 1.08 ⁇ m or in the polarization of fluorescent light.
  • the helium-3 magnetometer is based on the measurement of nuclear magnetic resonance or free precession of polarized nuclei in the ground state.
  • the nuclear relaxation time can be very long, greater than 24 h if an adequate gas cell is used, which makes it possible to separate the nuclear spin orientation and measurement of the precession frequency from these spin s oriented.
  • the measurement operation can therefore be carried out continuously or repeated at regular intervals without having to orient the cores.
  • Such a magnetometer using the nuclear magnetic resonance effect is described in particular in the article: "A nuclear free precession magnetometer using opticaUy polarized He 3 gas" by RE SLOCUM and B. I. MARTON in IEEE of April 1974.
  • magnetometers operate with optimal helium pressures of the order of 1 torr. It can be shown that the optical power necessary for obtaining high rates of orientation or electronic or nuclear alignment is of the order of a few hundred milliwatts in the usual geometries.
  • the use of lasers tuned to one of the transition frequencies therefore requires relatively high power, especially when using semiconductor lasers as a source.
  • the present invention relates to a new atomic or molecular vapor cell for optical pumping, making it possible to obtain a higher rate of nuclear polarization in helium-3 or electronic in helium-4.
  • Another object of the present invention is a new atomic or molecular vapor cell for optical pumping, making it possible to use a low power laser source while having a pumping efficiency greater than that of direct pumping of metastables of helium-3.
  • the present invention also aims to provide a new atomic or molecular vapor cell for optical pumping usable in a magnetometer whose sensitivity has been increased compared to magnetometers of the prior art.
  • the subject of the present invention is an atomic or molecular vapor cell for optical pumping by an optical pumping wave, characterized in that the gas of the cell consists of a mixture of helium-3 and helium-4 .
  • the mixture comprises for example between 1/10 and 1/3 of helium-3 in helium-4. If the cell is used in a magnetometer of the helium-4 magnetometer type, a lower proportion of helium-3 may be preferred, for example of the order of 10%.
  • the laser source is preferably tuned to one of the 2 3 S-2 3 P transitions of helium-4.
  • the present invention also relates to a magnetometer with optical helium pumping of the type comprising:
  • a sensitive cell formed of an enclosure at least partially transparent, containing a gas, - one or more laser sources directed towards the cell, and
  • the magnetometer being characterized in that the sensitive cell is a cell as described above.
  • Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the description given below of two different embodiments of a magnetometer with optical helium pumping using an atomic or molecular vapor cell in accordance with the present invention , its description being made with reference to the attached drawings in which:
  • FIG. 1 is a diagram of a magnetometer according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a diagram of a magnetometer according to a second embodiment.
  • the same elements have the same references.
  • magnetometers described below are given by way of example of use of a cell in accordance with the present invention.
  • present invention can be applied to other types of magnetometers and also to gyroscopes comprising as main element a cell of the type described in the invention.
  • Figure 1 there is shown schematically a magnetometer with optical helium pumping in which the measurement of the magnetic induction returns to that of the electronic resonance frequency of helium-3 or helium-4 in its metastable state.
  • the reference 1 designates the magnetometric probe proper.
  • This probe consists, for example, of a cell made, at least in part, in pyrex. According to the present invention, this cell is filled with a gas constituted by a mixture of helium-3 and helium-4 under a pressure of the order of one Torr.
  • the mixing will be carried out with a small proportion of helium-3, for example less than 10%.
  • the cell 1 is lit by a pumping light beam coming from a light source 2 constituted by a laser source.
  • the laser source 2 is preferably constituted by a semiconductor laser which can be of any kind, single mode or multi ode, with standard double heterostructure or with quantum wells or any other structure. However, other laser sources can be envisaged such as NN-doped LiNbO-lasers or even LNA lasers.
  • the laser source 2 is constituted by a laser tunable on one of the 2 3 S-2 3 P transitions of helium-4. The light coming from the laser therefore has a wavelength of approximately 1.08 ⁇ m.
  • the pumping beam F 1 from the source 2 is polarized linearly and a quarter-wave plate 3 therefore provides a circularly polarized pumping beam illuminating the cell 1.
  • two electrodes 4, 5 or excitation rings are brought to an alternating voltage by a generator 6 high frequency providing a signal of the order of MHz, which allows to maintain a gentle discharge necessary for obtaining metastable atoms.
  • the metastable helium atoms created by the discharge are thus oriented lon itudinally in the direction D of the magnetic field B.
  • the orientation rate is higher than with pure helium-4, because of the indirect couplings between Zeeman populations of helium-4 (2 3 S-) induced by the cross-exchanges and the hyperfine coupling.
  • the actual measurement of the magnetic induction is carried out as follows: two windings 7, 8 situated in planes parallel to the direction of propagation of the pumping beam F. and on either side of this beam are supplied by a radio frequency generator 9 and provide a radio frequency field.
  • the radio frequency field thus created perpendicular to the longitudinal component of the magnetic induction B induces the electronic magnetic resonance of helium-3 or helium-4 between sub-levels Zeeman 2 3 S 1 , when the radio generator frequency 9 is frequency modulated around an adjustable value.
  • the radio-frequency field can be adjusted from the radiation transmitted by cell 1.
  • a detection cell 11 receives the radiation transmitted by the cell 1 and allows, using a processing circuit 10, to act on the radio-frequency generator 9.
  • FIG. 2 another embodiment of a magnetometer with optical helium pumping in which the measurement of the magnetic induction returns to that of the precession frequency of the nuclear magnetization of helium -3 by nuclear magnetic resonance.
  • the atomic or molecular vapor cell 1 is, in accordance with the present invention, filled, as for the embodiment of FIG. 1, with a mixture of helium-3 and helium-4 with a proportion of helium-3 greater than that of the device described above, for example between 1/3 and 1/10.
  • the optical pumping of cell 1 is carried out, as for the embodiment of FIG. 1, by a laser source 2 emitting light F., at a wavelength of approximately 1.08 ⁇ m linearly polarized on a blade quarter wave 3 which polarizes it circularly before sending it to cell 1.
  • Cell 1 is subjected to a gentle discharge created by a high frequency generator 6 connected to two excitation coils 5, 4.
  • the discharge creates metastable helium atoms which are oriented by optical pumping in the D direction.
  • the helium-3 atoms have a nuclear spin.
  • the helium-3 atoms contained in the mixture acquire a longitudinal nuclear orientation in the metastable 2 3 S_ state. . This interaction occurs between the total electronic angular momentum and the nuclear spin of the helium-3 atoms in the 2 3 S 1 state .
  • Metastability exchange collisions thus occur between the set of atoms in the excited state 2 3 S 1 and the helium-3 atoms in the ground state 1 S Q.
  • collisions of helium-4 in the excited state 2 3 S 1 and helium-4 in the ground state do nothing from the point of view of polarization.
  • crossed collisions play a role: helium-4 (2 3 S 1 ) + helium-3 ( ⁇ Q ) -> helium-3 (2 3 S 1 ) + helium-4 (1 S Q ).
  • an NMR tilt generator ( nuclear magnetic resonance) 14 is briefly excited to provide a wobulated frequency.
  • the magnetic resonance frequency there is a brief tilting of the longitudinal orientation of the nuclear spins of the helium-3 atoms. While they were initially in the direction of field B, these spins will find themselves taking a perpendicular direction. After this tilting, a free precession of the nuclear spins occurs around the direction of the static field, at a frequency proportional to the amplitude of the induction B in the cell.
  • two other coils 15, 16 are advantageously placed in the Helmhotz position on either side of cell 1, with a common axis perpendicular to the direction of measurement of field B. The signal collected at the terminals of the coils 15, 16 is then applied to a frequency measuring device 17 so as to carry out a frequency measurement in a known manner in nuclear magnetic resonance.
  • a frequency measuring device 17 so as to carry out a frequency measurement in a known manner in nuclear magnetic resonance.
  • the atomic or molecular vapor cell for optical pumping used is therefore a cell containing a mixture of helium-3 and helium-4.
  • the absorption of the pumping beam by helium-4 is more effective than by helium-3, because the oscillator forces are greater (there are 3 sub-levels of fine structure and not much more because of hyperfine structure); while the efficiency of electronic -> nuclear orientation transfer mechanisms remains comparable to that of pure helium-3.

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Abstract

La présente invention concerne une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique. Le gaz de cette cellule est constitué par un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4. L'invention s'applique notamment aux magnétomètres ou aux gyroscopes à pompage optique d'hélium.

Description

CELLULE DE VAPEURS ATOMIQUES OU MOLECULAIRES POUR POMPAGE OPTIQUE ET MAGNETOMETRE OU GYROSCOPE UTILISANT UNE TELLE CELLULE.
La présente invention concerne une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique par une onde optique de pompage ainsi qu'un magnétomètre ou gyroscope utilisant une telle cellule . L'utilisation des propriétés de pompage optique de gaz atomique ou moléculaire tel que l'hélium-3 et l'hélium-4 est maintenant bien connue pour la détection des faibles champs magnétiques . Dans le cas de l'hélium-4, on crée par une décharge électrique douce, des atomes dans l'état métastable 23S . On excite par une lumière résonnante vers 1, 08 μm convenablement polarisée une ou plusieurs composantes de la transition 23S-23P à partir de cet état métastable . On oriente ou aligne ainsi par pompage optique les atomes métastables dans l'état 23S . Lorsque l'on emploie de l'hélium-3, qui présente un spin nucléaire non nul, on oriente aussi le spin nucléaire dans l'état fondamental grâce à l'interaction hyperfine électron-noyau et aux collisions échangeant le spin entre atomes dans l'état métastable et dans l'état fondamental. Cette méthode de polarisation de l'hélium est utilisée notamment dans les magnetometres pour mesurer l'induction magnétique .
Le magnétomètre à hélium-4 est basé sur la mesure de la résonance magnétique électronique dans le champ magnétique à mesurer. La fréquence de résonance donne la valeur du champ à mesurer. La résonance électronique est détectée par la variation du coefficient d'absorption induite sur un faisceau de lumière polarisée circulairement à 1, 08 μ_m ou de la polarisation de la lumière de fluorescence.
Le magnétomètre à hélium-3 est basé sur la mesure de la résonance magnétique nucléaire ou de la précession libre des noyaux polarisés dans l'état fondamental. Dans l'état fondamental, le temps de relaxation nucléaire peut être très long, supérieur à 24 h si l'on utilise une cellule à gaz adéquate, ce qui permet de séparer les opérations d'orientation de spin nucléaire et de mesure de la fréquence de précession de ces spin s orientés . L'opération de mesure peut donc être effectuée en continu ou répétée à intervalles réguliers sans avoir à orienter les noyaux. Un tel magnétomètre utilisant l'effet de résonance magnétique nucléaire est décrit notamment dans l'article : "A nuclear free precession magnetometer using opticaUy polarized He3 gas" de R.E. SLOCUM et B . I . MARTON dans IEEE d'avril 1974.
Ces magnetometres opèrent avec des pressions optimales d'hélium de l'ordre de 1 torr. On peut montrer que la puissance optique nécessaire à l'obtention de forts taux d'orientation ou d'alignement électronique ou nucléaire est de l'ordre de quelques centaines de milliwatts dans les géométries habituelles . L'utilisation de lasers accordés sur l'une des fréquences de transition nécessite donc une puissance relativement élevée, surtout lorsque l'on utilise des lasers semi- conducteurs comme source. D'autre part, même en utilisant une source laser, on n'a pu obtenir que des taux de polarisation nucléaire inférieurs à 70 % à la température ordinaire, dans le cas de l'hélium-3 à quelques dixièmes de torr de pression.
La présente invention a pour objet une nouvelle cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique permettant d'obtenir un taux supérieur de polarisation nucléaire dans l'hélium-3 ou électronique dans l'hélium-4.
La présente invention a encore pour but une nouvelle cellule de vapeur atomique ou moléculaire pour pompage optique permettant d'utiliser une source laser de faible puissance tout en ayant une efficacité de pompage supérieure à celle du pompage direct des métastables de l'hélium-3.
La présente invention a aussi pour but de fournir une nouvelle cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique utilisable dans un magnétomètre dont la sensibilité a été accrue par rapport aux magnetometres de l'art antérieur .
En conséquence la présente invention a pour objet une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique par une onde optique de pompage, caractérisée en ce que le gaz de la cellule est constitué par un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4.
En fait, si la cellule est utilisée dans un magnétomètre du type magnétomètre à hélium-3, le mélange comporte par exemple entre 1/10 et 1/3 d'hélium-3 dans l'hélium-4. Si la cellule est utilisée dans un magnétomètre du type magnétomètre à hélium-4, une proportion plus faible d'hélium-3 pourra être préférée, par exemple de l'ordre de 10%.
Dans tous les cas, la source laser est de préférence accordée sur l'une des transitions 23S-23P de l'hélium-4.
La présente invention a aussi pour objet un magnétomètre à pompage optique d'hélium du type comprenant :
- une cellule sensible, formée d'une enceinte au moins en partie transparente, contenant un gaz, - une ou plusieurs sources -laser dirigée vers la cellule, et
- des moyens de mesure de l'induction magnétique dans la cellule, le magnétomètre étant caractérisé en ce que la cellule sensible est une cellule telle que décrite ci-dessus . D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de deux modes de réalisation différents d'un magnétomètre à pompage optique d'hélium utilisant une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires conforme à la présente invention, sa description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'un magnétomètre selon un premier mode de réalisation, et
- la figure 2 est un schéma d'un magnétomètre selon un second mode de réalisation. Dans les figures pour simplifier la description les mêmes éléments présentent les mêmes références .
De plus, il est évident pour l'homme de l'art que les magnetometres décrits ci-après sont donnés à titre d'exemple d'utilisation d'une cellule conforme à la présente invention. Bien entendu, la présente invention peut s'appliquer à d'autres types de magnetometres et également aux gyroscopes comportant comme élément principal une cellule du type décrit dans l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un magnétomètre à pompage optique d'hélium dans lequel la mesure de l'induction magnétique revient à celle de la fréquence de résonance électronique de l'hélium-3 ou de l'hélium-4 dans son état métastable . Comme représenté sur la figure 1, la référence 1 désigne la sonde magnétométrique proprement dite. Cette sonde est constituée, par exemple, d'une cellule réalisée, au moins en partie, en pyrex. Conformément à la présente invention, cette cellule est remplie d'un gaz constitué par un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4 sous une pression de l'ordre de un Torr. De préférence, le mélange sera réalisé avec une faible proportion d'hélium-3, par exemple inférieure à 10%.
Comme représenté sur la figure 1, la cellule 1 est éclairée par un faisceau lumineux de pompage issu d'une source lumineuse 2 constituée par une source laser. La source laser 2 est, de préférence, constituée par un laser semiconducteur qui peut être de nature quelconque, monomode ou multi ode, à double hétérostructure standard ou à puits quantiques ou toute autre structure. Toutefois, d'autres sources lasers peuvent être envisagées telles que les lasers en LiNbO- dopé Nd ou même des lasers LNA. Dans le cas de la présente invention, la source laser 2 est constituée par un laser accordable sur l'une des transitions 23S-23P de l'hélium-4. La lumière provenant du laser possède donc une longueur d'ondes d'environ 1,08 μm. Le faisceau de pompage F1 issu de la source 2 est polarisé linéairement et une lame quart d'onde 3 fournit donc un faisceau de pompage polarisé circulairement éclairant la cellule 1.
D'autre part, aux deux extrémités de la cellule 1 située sur l'axe de propagation de l'onde de pompage F.. , deux électrodes 4, 5 ou anneaux d'excitation sont portées à une tension alternative par un générateur 6 haute fréquence fournissant un signal de l'ordre du MHz, ce qui permet d'entretenir une décharge douce nécessaire à l'obtention d'atomes métastables . Sous l'effet de la lumière polarisée circulairement par la lame quart d'onde 3, les atomes métastables d'hélium créés par la décharge sont ainsi orientés lon itudinalement selon la direction D du champ magnétique B . Dans ce cas, le taux d'orientation est plus important qu'avec de l'hélium-4 pur, à cause des couplages indirects entre populations Zeeman de l'hélium-4 (23S- ) induits par les échanges croisés et le couplage hyperfin.
Dans le mode de réalisation représenté à titre d'exemple, la mesure proprement dite de l'induction magnétique est réalisée de la manière suivante : deux enroulements 7, 8 situés dans des plans parallèles à la direction de propagation du faisceau de pompage F. et de part et d'autre de ce faisceau sont alimentés par un générateur radio -fréquence 9 et fournissent un champ radio-fréquence. Le champ radio-fréquence ainsi créé perpendiculairement à la composante longitudinale de l'induction magnétique B induit la résonance magnétique électronique de l'hélium-3 ou de l'hélium-4 entre sous niveaux Zeeman 23S1 , lorsque le générateur radio-fréquence 9 est modulé en fréquence autour d'une valeur réglable. Le réglage du champ radio-fréquence peut se faire à partir du rayonnement transmis par la cellule 1.
Pour cela une cellule de détection 11 reçoit le rayonnement transmis par la cellule 1 et permet à l'aide d'un circuit de traitement 10 d'agir sur le générateur radio-fréquence 9.
Le fonctionnement de ce type de magnétomètre est bien connu de l'homme de l'art. On en trouvera une description notamment dans la demande de brevet européen A- 246 146.
On décrira maintenant avec référence à la figure 2 un autre mode de réalisation d'un magnétomètre à pompage optique d'hélium dans lequel la mesure de l'induction magnétique revient à celle de la fréquence de précession de l'aimantation nucléaire de l'hélium-3 par résonance magnétique nucléaire.
Dans ce cas, la cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires 1 est, conformément à la présente invention, remplie, comme pour le mode de réalisation de la figure 1, d'un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4 avec une proportion d'hélium-3 supérieure à celle de l'appareil précédemment décrit, comprise, par exemple, entre 1/3 et 1/10. Le pompage optique de la cellule 1 est réalisé, comme pour le mode de réalisation de la figure 1, par une source laser 2 émettant une lumière F., à une longueur d'onde d'environ 1,08 μm polarisée linéairement sur une lame quart d'onde 3 qui la polarise circulairement avant de l'envoyer sur la cellule 1. La cellule 1 est soumise à une décharge douce créée par un générateur haute fréquence 6 connecté à deux bobines d'excitation 5, 4. Dans ce cas, la décharge crée des atomes d'hélium métastables qui sont orientés par pompage optique dans la direction D. Toutefois, les atomes d'hélium-3 possèdent un spin nucléaire. Dans ce cas, par interaction hyperfine électron-noyau, les atomes d'hélium-3 contenus dans le mélange acquièrent une orientation nucléaire longitudinale dans l'état métastable 23S_. . Cette interaction intervient entre le moment cinétique électronique total et le spin nucléaire des atomes d'hélium-3 dans l'état 23S1 .
Il se produit ainsi des collisions d'échange de métastabilité entre l'ensemble des atomes de l'état excité 23S1 et les atomes d'hélium-3 dans l'état fondamental 1 SQ. En fait, les collisions d'hélium-4 dans l'état excité 23S1 et d'hélium-4 dans l'état fondamental ne font rien du point de vue de la polarisation. Par contre, les collisions croisées jouent un rôle : hélium-4 (23S1) + hélium-3 (ΛQ) — > hélium-3 (23S1) + hélium-4 (1 SQ) . Il en résulte un métastable 23S1 de l'hélium-3 orienté électroniquement. Ses orientations électroniques et nucléaires se couplent entre elles sous l'effet du couplage hyperfin. Puis, une nouvelle collision ramène l'hélium-3 (23S1 ) dans l'état fondamental en conservant l'orientation de son noyau. Avec ce processus mettant en jeu les collisions d'échange de métastabilités croisées entres les deux isotopes, on obtient donc dans la cellule une aimantation nucléaire de l'ensemble des atomes d'hélium-3 dans l'état fondamental. Les atomes ainsi orientés peuvent alors demeurer sensibles au champ magnétique pendant un temps important. En conséquence, la mesure du champ magnétique proprement dit peut se faire par résonance magnétique nucléaire des atomes d'hélium-3 dans l'état fondamental. Pour réaliser cette mesure on dispose d'une paire de bobines de petite taille 12 et 13 (illustrées en tiretés sur la figure 2) placées de part et d'autre de la cellule 1. D'autre part, un générateur de basculement RMN (résonance magnétique nucléaire) 14 est excité brièvement de manière à fournir une fréquence wobulée . Lorsque l'on passe à la fréquence de résonance magnétique, il se produit un basculement bref de l'orientation longitudinale des spins nucléaires des atomes d'hélium-3. Alors qu'ils étaient initialement dans la direction du champ B, ces spins vont se trouver prendre une direction perpendiculaire . Après ce basculement, il se produit une précession libre des spins nucléaires autour de la direction du champ statique, à une fréquence proportionnelle à l'amplitude de l'induction B dans la cellule . Pour mesurer cette fréquence, on prévoit deux autres bobines 15, 16 placées avantageusement en position d'Helmhotz de part et d'autre de la cellule 1, avec un axe commun perpendiculaire à la direction de mesure du champ B . Le signal recueilli aux bornes des bobines 15, 16 est ensuite appliqué à un dispositif de mesure de la fréquence 17 de manière à procéder à une mesure de fréquence de manière connue en résonance magnétique nucléaire . Un fonctionnement détaillé de ce type de magnétomètre est décrit dans la demande de brevet européen mentionnée ci-dessus.
Conformément à la présente invention la cellule de vapeur atomique ou moléculaire pour pompage optique utilisée est donc une cellule contenant un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4.
Exemple de réalisation pratique :
- Expérience préliminaire :
Avec de l'hélium-3 pur (0,44 Torr) , on obtient 3, 3% de polarisation nucléaire par milliWatt laser. Avec de l'hélium-3 (0,44 Torr) + Hélium-4 (1,32 Torr) , on obtient 14% par milliWatt.
- Interprétation :
L'absorption du faisceau de pompage par l'hélium-4 est plus efficace que par l'hélium-3, car les forces d'oscillateur sont plus grandes (il y a 3 sous niveaux de structure fine et non beaucoup plus à cause de la structure hyperfine) ; alors que l'efficacité des mécanismes de transfert d'orientation électronique --> nucléaire reste comparable à ce qu'elle est dans l'hélium-3 pur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires pour pompage optique par une onde optique de pompage, caractérisée en ce que le gaz de la cellule est constitué par un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4.
2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mélange est réalisé avec de l'ordre de 33% d'hélium-3.
3. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que, lorsque la cellule est utilisée dans un magnétomètre du type magnétomètre à hélium-3, le mélange comporte environ de 0 1/10 à 1/3 d'hélium-3.
4. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que, lorsque la cellule est utilisée dans un magnétomètre du type magnétomètre à hélium-4, ce mélange comporte de l'ordre de 10% d'hélium-3.
5. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que l'onde optique de pompage est fournie par une source laser accordée sur l'une des transitions 23S-23P de l'hélium-4.
6. Magnétomètre à pompage optique d'hélium du type ° comprenant :
- une cellule sensible, formée d'une enceinte, au moins en partie transparente, contenant un gaz,
- une ou plusieurs sources lasers dirigées vers la cellule, et - des moyens de mesure de l'induction magnétique dans la cellule, caractérisé en ce que la cellule est une cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Gyroscope à pompage optique d'hélium comportant une cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
PCT/FR1990/000796 1989-11-14 1990-11-06 Cellule de vapeurs atomiques ou moleculaires pour pompage optique et magnetometre ou gyroscope utilisant une telle cellule WO1991007668A1 (fr)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997029836A1 (fr) * 1996-02-16 1997-08-21 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Installation et procede pour la production d'helium-3 polarise en phase vapeur, en particulier pour l'imagerie par rmn
CN100538269C (zh) * 2006-11-14 2009-09-09 中国科学院武汉物理与数学研究所 微型原子陀螺仪
CN103604429A (zh) * 2013-11-19 2014-02-26 北京航空航天大学 一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
FR3035769A1 (fr) * 2015-04-30 2016-11-04 Commissariat Energie Atomique Cellule de generation d'un plasma

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1036307A (en) * 1962-04-09 1966-07-20 Texas Instruments Inc Polarizing method and apparatus
GB2137357A (en) * 1983-03-30 1984-10-03 Litton Systems Inc Optical pumping of a nuclear magnetic resonance (nmr) cell
EP0246146A1 (fr) * 1986-05-12 1987-11-19 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Magnétomètre à hélium pompé par laser
EP0288927A2 (fr) * 1987-04-30 1988-11-02 Texas Instruments Incorporated Magnétomètre à helium pompé par laser
US4814707A (en) * 1987-06-17 1989-03-21 Texas Instruments Incorporated Scalar magnetometer with vector capabilities
EP0347292A1 (fr) * 1988-06-15 1989-12-20 Thomson-Csf Système de pompage optique d'une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires et application à un magnétomètre

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1036307A (en) * 1962-04-09 1966-07-20 Texas Instruments Inc Polarizing method and apparatus
GB2137357A (en) * 1983-03-30 1984-10-03 Litton Systems Inc Optical pumping of a nuclear magnetic resonance (nmr) cell
EP0246146A1 (fr) * 1986-05-12 1987-11-19 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Magnétomètre à hélium pompé par laser
EP0288927A2 (fr) * 1987-04-30 1988-11-02 Texas Instruments Incorporated Magnétomètre à helium pompé par laser
US4814707A (en) * 1987-06-17 1989-03-21 Texas Instruments Incorporated Scalar magnetometer with vector capabilities
EP0347292A1 (fr) * 1988-06-15 1989-12-20 Thomson-Csf Système de pompage optique d'une cellule de vapeurs atomiques ou moléculaires et application à un magnétomètre

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997029836A1 (fr) * 1996-02-16 1997-08-21 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Installation et procede pour la production d'helium-3 polarise en phase vapeur, en particulier pour l'imagerie par rmn
FR2744932A1 (fr) * 1996-02-16 1997-08-22 Centre Nat Rech Scient Installation et procede pour la production d'helium-3 polarise en phase vapeur, en particulier pour l'imagerie par rmn
US6282920B1 (en) 1996-02-16 2001-09-04 Centre National De La Recherche Scientific-Cnrs Apparatus and method for producing polarized vapor-phase helium-3, particularly for NMR imaging
CN100538269C (zh) * 2006-11-14 2009-09-09 中国科学院武汉物理与数学研究所 微型原子陀螺仪
CN103604429A (zh) * 2013-11-19 2014-02-26 北京航空航天大学 一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
CN103604429B (zh) * 2013-11-19 2017-01-04 北京航空航天大学 一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
FR3035769A1 (fr) * 2015-04-30 2016-11-04 Commissariat Energie Atomique Cellule de generation d'un plasma

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