On étudie théoriquement l'effet des collisions d'échange de métastabilité dans 3He sur les variables internes des atomes, dans l'état fondamental 1 1S0 et dans l'état métastable 2 3S 1. La méthode adoptée ici consiste à utiliser directement les équations qui régissent l'évolution de l'orientation et de l'alignement dans les différents niveaux. On parvient ainsi à une description théorique détaillée et relativement simple du mécanisme de pompage optique « indirect » de 3He. L'étude du couplage entre les orientations longitudinales des différents niveaux permet de rendre compte de la cinétique de ce pompage, en particulier du temps de construction de l'orientation nucléaire dans le niveau fondamental. En ce qui concerne les orientations transversales, on calcule en détail les effets de « circulation de cohérence », qui se traduisent par exemple par un déplacement des fréquences de résonance des différents niveaux.
On étudie théoriquement l'effet des collisions d'échange de métastabilité dans 3He sur les variables internes des atomes, dans l'état fondamental 1 1S0 et dans l'état métastable 2 3S 1. La méthode adoptée ici consiste à utiliser directement les équations qui régissent l'évolution de l'orientation et de l'alignement dans les différents niveaux. On parvient ainsi à une description théorique détaillée et relativement simple du mécanisme de pompage optique « indirect » de 3He. L'étude du couplage entre les orientations longitudinales des différents niveaux permet de rendre compte de la cinétique de ce pompage, en particulier du temps de construction de l'orientation nucléaire dans le niveau fondamental. En ce qui concerne les orientations transversales, on calcule en détail les effets de « circulation de cohérence », qui se traduisent par exemple par un déplacement des fréquences de résonance des différents niveaux.
Nous mettons en évidence les collisions d'échange de métastabilité dans le néon entre atomes dans l'état métastable Ne*(3P2) et dans l'état fondamental. Pour cela nous créons par pompage optique une orientation des atomes Ne* portés dans l'état métastable par une décharge dans du néon sous faible pression. Nous mesurons le taux de relaxation des Ne* par l'élargissement des courbes de résonance magnétique en fonction de la pression de néon. Les expériences portent sur des mélanges isotopiques comportant des proportions variables d'isotopes pairs et de 21Ne. Après un calcul des transferts d'orientation électronique et nucléaire au cours des collisions Ne*-Ne, nous déduisons des mesures d'élargissement une valeur de la section efficace d'échange de métastabilité dans le néon à 300 K : σ e = (22 ± 6) × 10-16 cm2. Cette valeur est compatible avec des calculs récents effectués à partir de déterminations ab-initio des potentiels moléculaires de Ne2.
On expose dans cet article une nouvelle méthode permettant d'orienter des états atomiques excités ; cette méthode fait intervenir les trois processus suivants : — on crée par pompage optique une orientation nucléaire dans l'état fondamental des atomes d'une vapeur ; — une décharge H. F. porte les atomes dans divers états excités, sans détruire leur orientation nucléaire. — l'orientation nucléaire ainsi obtenue dans chaque niveau excité peut être transformée en orientation électronique, par l'intermédiaire du couplage hyperfin aI. J ; la lumière émise par la décharge est alors polarisée. L'étude théorique de l'orientation électronique obtenue par cette méthode a été effectuée, de façon à mettre en évidence l'influence des diverses caractéristiques du niveau excité, ainsi que celle du champ magnétique. Cette méthode a été utilisée pour orienter divers niveaux excités de 3He. Une étude détaillée a été effectuée pour les niveaux 3 1D, 4 1 D et 5 1D, notamment dans le cas où un champ magnétique statique introduit un découplage hyperfin partiel ; ces expériences ont conduit à une mesure de la structure hyperfine de ces trois niveaux.
Ce travail de thèse a consisté en une étude expérimentale de l’effet des collisions binaires entre atomes dans l’état 2³P d’une part et entre 2³P et 1¹S d’autre part sur les populations des sous-niveaux magnétiques de cet état excité. Les états 2³P, 2³S et 1¹S sont impliqués dans le pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium et ces collisions sont soupçonnées d’en limiter l’efficacité. La caractérisation précise de l’effet des collisions a été réalisée par spectroscopie laser d’absorption sur la transition 2³P - 3³S, en utilisant une configuration de pompe-sonde doublement résonante. Une diode laser à 1083 nm, peuple sélectivement les sous-niveaux de l’état 2³P, ensuite sondés par une diode laser 706.5 nm, balayée sur toute la transition 2³P - 3³S. Nous présentons d’abord un calcul théorique des niveaux atomiques et des transitions optiques impliqués dans les isotopes de l’hélium. Puis nous décrivons les modèles simples d’équations d’évolution des populations, qui nous permettent d’interpréter les observations expérimentales, en considérant différents effets possibles, comme un changement interne du sous-niveau (mJ ou mF), de niveau J ou F, avec ou sans changement de la vitesse des atomes. À partir des spectres d’absorption enregistrés, nous identifions les populations des niveaux pompés ainsi que celles résultant de changements de niveaux. La première série de résultats de l’étude expérimentale des écarts de fréquence des raies d’absorption est en excellent accord avec les valeurs attendues, compte tenu des structures Zeeman en présence d’un champ magnétique, la structure hyperfine pour l’état 3³S de l’³He et du décalage isotopique ³He - ⁴He. Ensuite, les formes des spectres d’absorption ont été étudiées en fonction de l’intensité de pompe utilisée. Enfin nous décrivons l’étude des effets de collisions dans l’⁴He, à diverses pressions (0.13 à 4.27 mbar). À partir des valeurs des aires des raies d’absorption, nous mesurons les populations dans chaque niveau de l’état 2³P, pour finalement déduire les taux de transfert par collision comparés à la littérature et discutés dans la perspective des limitations de la technique du pompage optique par échange de métastabilité.
Ce travail de thèse a consisté en une étude expérimentale de l’effet des collisions binaires entre atomes dans l’état 2³P d’une part et entre 2³P et 1¹S d’autre part sur les populations des sous-niveaux magnétiques de cet état excité. Les états 2³P, 2³S et 1¹S sont impliqués dans le pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium et ces collisions sont soupçonnées d’en limiter l’efficacité. La caractérisation précise de l’effet des collisions a été réalisée par spectroscopie laser d’absorption sur la transition 2³P - 3³S, en utilisant une configuration de pompe-sonde doublement résonante. Une diode laser à 1083 nm, peuple sélectivement les sous-niveaux de l’état 2³P, ensuite sondés par une diode laser 706.5 nm, balayée sur toute la transition 2³P - 3³S. Nous présentons d’abord un calcul théorique des niveaux atomiques et des transitions optiques impliqués dans les isotopes de l’hélium. Puis nous décrivons les modèles simples d’équations d’évolution des populations, qui nous permettent d’interpréter les observations expérimentales, en considérant différents effets possibles, comme un changement interne du sous-niveau (mJ ou mF), de niveau J ou F, avec ou sans changement de la vitesse des atomes. À partir des spectres d’absorption enregistrés, nous identifions les populations des niveaux pompés ainsi que celles résultant de changements de niveaux. La première série de résultats de l’étude expérimentale des écarts de fréquence des raies d’absorption est en excellent accord avec les valeurs attendues, compte tenu des structures Zeeman en présence d’un champ magnétique, la structure hyperfine pour l’état 3³S de l’³He et du décalage isotopique ³He - ⁴He. Ensuite, les formes des spectres d’absorption ont été étudiées en fonction de l’intensité de pompe utilisée. Enfin nous décrivons l’étude des effets de collisions dans l’⁴He, à diverses pressions (0.13 à 4.27 mbar). À partir des valeurs des aires des raies d’absorption, nous mesurons les populations dans chaque niveau de l’état 2³P, pour finalement déduire les taux de transfert par collision comparés à la littérature et discutés dans la perspective des limitations de la technique du pompage optique par échange de métastabilité.
La thématique abordée dans cette thèse relève de la manipulation d’un jet d’atomes d’argon métastables (Ar* ³P2) dans différentes configurations. Premièrement, je présente l’échange de métastabilité entre un atome au fondamental et un atome excité à de faibles énergies de centre de masse (entre 4 et 9 meV). Je propose également l’interprétation théorique par une approche semi-classique (approximation JWKB) qui se révèle validée, dans ce domaine d’énergies, en comparaison avec la résolution exacte de l’équation de Schrödinger radiale mettant en jeu les potentiels concernés par la collision. Les sections efficaces absolues d’échanges, déduites d’une analyse en temps de vol du signal métastable, permettent de réaliser une comparaison sans biais avec les prédictions théoriques. Les caractéristiques d’un jet ralenti par effet Zeeman sont dégradées par le processus de ralentissement et le rende difficilement utilisable en deçà de quelques dizaines de mètres par seconde. C’est pourquoi, dans un deuxième temps, je présente la réalisation d’un jet lent original, issu d’un piège magnéto-optique et présentant des caractéristiques remarquables. La vitesse est accordable entre 10 et 100 m/s, la dispersion de vitesse relative est très faible (6 % à 20 m/s) et le flux est conséquent (10⁹ Ar*/s/sr), pour une ouverture angulaire standard (35 mrad FWHM). Ce nouveau dispositif permet de présenter certaines questions d’interférométrie et d’optique atomique telles que les interactions atome-surface de type van der Waals et l’étude de potentiels comobiles ainsi que leurs applications dans la réalisation de milieux d’indice négatif ou de ralentisseurs.
Un inconvénient important du pompage optique indirect de l'hélium-3 traditionnel est qu'il opère à des pressions faibles qui ne sont en particulier pas favorables aux applications médicales d'IRM nécessitant la production d'hélium-3 gazeux très polarisé et dense : une voie prometteuse est d'utiliser un fort champ magnétique qui permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression. Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.