Pompage optique des atomes alcalins dans un gaz étranger sous haute pression et détermination de la distribution de spin

Abstract
Experimehts have been performed on the optical pumping and magnetic resonance of alkali vapor, in argon with pressures greater than 20 mm Hg. The resanances observed have been the Zeeman resonance in Na, K and Rb, and hyperfine resonances in Na and K. Relative signal intensities have been studied with a view to obtaining information on the exact nature of the pumping process and the distribution of spin population among the ground state sublevels. It is indicated that two principal factors have to be taken into account in order to describe the pumping. One is the preferential absorption of certain spectral components of the light, resulting in intensity differences which can produce optical pumping at the rear of the absorption cell. The simpler problems of this sort have exact mathematical solutions. The other factor is the behavior of atoms in the optically excited states. Approximate signal intensity calculations have been made, based on two alternative assumptions : a) that the spins are completely randomized among sublevels of the P states before reemitting light, and b) following a suggestion of Dehmelt, that only the electron spins are randomized, the nuclear spins remaining unperturbed. The experimental results appear to verify the importance of the preferential light absorption. The signal intensities agree generally with the hypothesis of complete randomization in the excited states, except for one example in sodium which is in clear disagreement with this interpretation. With sodium, it appears possible to start with unpolarized light and obtain, at the rear of the absorption cell, about 90 % of the population in the F = 2 state (as against 62 % when not pumped). If the light is circularly polarized, then the population is further compressed into only 3 magnetic sublevels.

Résumé
Nous avons mis au point des expériences sur le pompage optique et la résonance magnétique des vapeurs alcalines dans l'argon à des pressions supérieures à 20 mm Hg. Nous avons observé les résonances Zeeman de Na, K et Rb et les résonances hyperfines de Na et K. Nous avons étudié les intensités relatives des signaux en vue d'obtenir des informations sur la nature exacte du processus de pompage et sur la distribution des populations de spin dans les sous-niveaux de l'état fondamental. On doit tenir compte de deux facteurs principaux pour décrire le pompage. L'un est l'inégale absorption des composantes spectrales de la lumière se traduisant par des différences d'intensité qui peuvent produire un pompage optique à l'arrière de la cellule d'absorption. Les cas les plus simples ont reçu des solutions mathématiques rigoureuses. L'autre facteur est le comportement des atomes dans les états optiquement excités. Nous avons fait le calcul approché de l'intensité du signal d'après l'une ou l'autre des hypothèses suivantes : a) tous les spins sont distribués au hasard parmi les sous-niveaux des états P avant la réémission de lumière et : b) (d'après une suggestion de Dehmelt) seuls les spins électroniques sont distribués au hasard, les,spins nucléaires restant inchangés. Les résultats expérimentaux semblent vérifier l'importance de l'absorption sélective de la lumière. Les intensités des signaux concordent généralement avec l'hypothèse d'une distribution complètement au hasard dans les états excités, sauf par exemple dans le cas du sodium qui est nettement en désaccord avec cette interprétation. Pour le sodium, il semble possible de partir de lumière non polarisée et d'obtenir à l'arrière de la cellule d'absorption environ 90 % de la population dans l'état F = 2 (contre 62 % sans pompage). Si la lumière est polarisée circulairement, la population est de plus concentrée en 3 sous-niveaux magnétiques seulement.