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Journal de physique

Étude de la lumière de fluorescence d'atomes excités en interaction résonnante avec un laser I. Analyse théorique

M. Dumont, Bernard Decomps

Published Jan 1, 1968• 45 citations
Publisher

Abstract

On étudie l'effet de l'irradiation par un laser à gaz sur la lumière de fluorescence d'atomes excités par une décharge dans les niveaux supérieur et inférieur de la transition laser. Ces atomes sont soumis de plus à un champ magnétique statique. Le calcul, développé dans le formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles, tient compte de l'existence de relaxations isotropes et du transfert d'excitation par émission spontanée entre le niveau supérieur et le niveau inférieur (effet de cascade). Suivant la méthode de Lamb [1], l'irradiation laser est décrite classiquement par son champ électrique et ses effets sont prévus par un développement en perturbation. On se limite ici à l'ordre 2. L'application des formules générales permet de définir un ensemble de grandeurs accessibles à l'expérience, rigoureusement décrites par l'ordre 2 des perturbations et simplement reliées aux valeurs des paramètres caractéristiques des diverses relaxations. La vérification expérimentale sera décrite dans un second article. L'accord avec les résultats de l'analyse théorique présentée ici montre que cette méthode permet d'étudier effectivement plusieurs types de relaxations. L'application au niveau 2p4 du néon y sera présentée.

DOI
10.1051/jphys:01968002902-3018100

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Étude de la lumière de fluorescence d'atomes excités en interaction résonnante avec un laser. II. Vérification expérimentale application au niveau 2p4 du néon

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On étudie le transfert d'excitation par émission spontanée dans une vapeur atomique. L'effet d'un champ magnétique statique sur une cascade radiative est analysé dans le formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles ; on y tient compte de l'existence de relaxations isotropes. La forme de courbe de dépolarisation magnétique est étudiée. Le cas d'une excitation par irradiation laser est plus spécialement abordé et l'importance du transfert de cohérence Zeeman sur la transition laser elle-même est mise en évidence. Enfin les résultats sont étendus au transfert de cohérence hyperfine par émission spontanée. Un second article (8) présentera les vérifications expérimentales. Elles recouvriront aussi bien le transfert sur la transition laser que celui sur des transitions différentes. L'application à l'étude du niveau 2p2 du néon y sera présentée.

Journal de physique•Jan 1, 1970•40 citations

Étude du transfert d'excitation par émission spontanée II. Vérifications expérimentales dans le cas d'une irradiation laser application au niveau 2 p2 du néon

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La lumière de fluorescence émise par des atomes de néon soumis à un champ magnétique et placés à l'intérieur de la cavité d'un laser à gaz est modifiée par l'irradiation laser. Dans le cas de l'irradiation par la raie λ = 1,52 μ (2 s2-2 p1) du néon, les modifications observées sur les raies de fluorescence issues des niveaux 2 S2 et 2 p 4 permettent de vérifier la théorie de transfert d'excitation par émission spontanée (2 S2 → 2 p4), telle qu'elle a été présentée dans l'article I (2). La méthode mise au point à l'aide de ces vérifications permet alors d'étudier la relaxation de la population et de l'alignement du niveau 2 p2 également peuplé par émission spontanée à partir du niveau 2 S2. On a pu mesurer les sections efficaces correspondantes et la durée de vie naturelle de ce niveau. On a aussi mis en évidence un phénomène de réabsorption des raies de fluorescence issues du niveau 2 p2 par les états métastables 1 s du néon. L'irradiation laser à la longueur d'onde λ = 6 401 Å (3 s2-2 p2) permet de retrouver les résultats précédents. Dans ce cas, on a pu observer la création d'alignement dans le niveau 2 p2 simultanément par le laser et par l'émission spontanée sur la raie laser elle-même. Cette dernière étude a mené à la détermination de la probabilité de transition de la raie λ, = 6 401 Å : γba = 1,2 ± 0,5 × 106 s-1 .

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Étude des interactions dipolaires induites par la lumières dans les ensembles d'atomes froids

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Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.

•Feb 26, 2020•0 citations

Étude expérimentale de la réponse non linéaire d’atomes de néon soumis à une irradiation laser résonnante

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L’analyse de la lumière de fluorescence émise par des atomes pompés optiquement par un faisceau laser polarisé permet un grand nombre d’expériences. Pour une grande partie de ces expériences (effet Hanle, résonance magnétique, croisement de niveaux), le laser est simplement utilisé comme une source lumineuse particulièrement bien adaptée au pompage optique des niveaux excités. Ce premier ensemble d’expériences peut être interprété dans le cadre de la réponse linéaire du milieu atomique à l’irradiation laser. Cependant, à cause des fortes intensités d’irradiation mises en jeu, il apparaît aussi des effets non linéaires par rapport à l’intensité laser. Cette réponse non linéaire peut apparaître de deux façons :

Annales de Physique•Jan 1, 1973•13 citations

Importance des proprietes spectrales des lasers pour les performances des horloges atomiques a pompage optique

Gaëlle Lucas-Leclin

Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.

•Jan 1, 1998•1 citation
On étudie l'effet de l'irradiation par un laser à gaz sur la lumière de fluorescence d'atomes excités par une décharge dans les niveaux supérieur et inférieur de la transition laser. Ces atomes sont soumis de plus à un champ magnétique statique. Le calcul, développé dans le formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles, tient compte de l'existence de relaxations isotropes et du transfert d'excitation par émission spontanée entre le niveau supérieur et le niveau inférieur (effet de cascade). Suivant la méthode de Lamb [1], l'irradiation laser est décrite classiquement par son champ électrique et ses effets sont prévus par un développement en perturbation. On se limite ici à l'ordre 2. L'application des formules générales permet de définir un ensemble de grandeurs accessibles à l'expérience, rigoureusement décrites par l'ordre 2 des perturbations et simplement reliées aux valeurs des paramètres caractéristiques des diverses relaxations. La vérification expérimentale sera décrite dans un second article. L'accord avec les résultats de l'analyse théorique présentée ici montre que cette méthode permet d'étudier effectivement plusieurs types de relaxations. L'application au niveau 2p4 du néon y sera présentée.
La lumière de fluorescence émise par des atomes de néon d'une cellule C soumise à un champ magnétique et placée à l'intérieur de la cavité d'un laser à gaz est modifiée lors de l'irradiation par la raie laser λ = 6 328 Å (3s2-2p4) du néon. L'étude détaillée de ces modifications sur les raies de fluorescence émises par le niveau 2p 4 permet de vérifier les prévisions théoriques développées dans un article antérieur (2) . Elle montre, en particulier, l'importance de l'effet de cascade par émission spontanée sur la transition λ = 6 328 Å. On trouve que les temps de relaxation de la population et de l'alignement du niveau 2p4 sont très différents. Les sections efficaces de collision correspondantes ont été mesurées. De plus, on a mis en évidence un phénomène de diffusion multiple cohérente sur la raie 5 943 Å (2p4-1s5) sensible au courant de la décharge excitatrice de C.
On étudie le transfert d'excitation par émission spontanée dans une vapeur atomique. L'effet d'un champ magnétique statique sur une cascade radiative est analysé dans le formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles ; on y tient compte de l'existence de relaxations isotropes. La forme de courbe de dépolarisation magnétique est étudiée. Le cas d'une excitation par irradiation laser est plus spécialement abordé et l'importance du transfert de cohérence Zeeman sur la transition laser elle-même est mise en évidence. Enfin les résultats sont étendus au transfert de cohérence hyperfine par émission spontanée. Un second article (8) présentera les vérifications expérimentales. Elles recouvriront aussi bien le transfert sur la transition laser que celui sur des transitions différentes. L'application à l'étude du niveau 2p2 du néon y sera présentée.
La lumière de fluorescence émise par des atomes de néon soumis à un champ magnétique et placés à l'intérieur de la cavité d'un laser à gaz est modifiée par l'irradiation laser. Dans le cas de l'irradiation par la raie λ = 1,52 μ (2 s2-2 p1) du néon, les modifications observées sur les raies de fluorescence issues des niveaux 2 S2 et 2 p 4 permettent de vérifier la théorie de transfert d'excitation par émission spontanée (2 S2 → 2 p4), telle qu'elle a été présentée dans l'article I (2). La méthode mise au point à l'aide de ces vérifications permet alors d'étudier la relaxation de la population et de l'alignement du niveau 2 p2 également peuplé par émission spontanée à partir du niveau 2 S2. On a pu mesurer les sections efficaces correspondantes et la durée de vie naturelle de ce niveau. On a aussi mis en évidence un phénomène de réabsorption des raies de fluorescence issues du niveau 2 p2 par les états métastables 1 s du néon. L'irradiation laser à la longueur d'onde λ = 6 401 Å (3 s2-2 p2) permet de retrouver les résultats précédents. Dans ce cas, on a pu observer la création d'alignement dans le niveau 2 p2 simultanément par le laser et par l'émission spontanée sur la raie laser elle-même. Cette dernière étude a mené à la détermination de la probabilité de transition de la raie λ, = 6 401 Å : γba = 1,2 ± 0,5 × 106 s-1 .
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L’analyse de la lumière de fluorescence émise par des atomes pompés optiquement par un faisceau laser polarisé permet un grand nombre d’expériences. Pour une grande partie de ces expériences (effet Hanle, résonance magnétique, croisement de niveaux), le laser est simplement utilisé comme une source lumineuse particulièrement bien adaptée au pompage optique des niveaux excités. Ce premier ensemble d’expériences peut être interprété dans le cadre de la réponse linéaire du milieu atomique à l’irradiation laser. Cependant, à cause des fortes intensités d’irradiation mises en jeu, il apparaît aussi des effets non linéaires par rapport à l’intensité laser. Cette réponse non linéaire peut apparaître de deux façons :
Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.