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Journal de physique

Autoélargissement des courbes de croisement de niveaux observées en rétrodiffusion (niveau 6 3P1 du mercure).

B. Dodsworth, J. C. Gay, A. Omont

Published Jan 1, 1972• 6 citations
Publisher

Abstract

Etude théorique et expérimentale de la largeur des signaux Hanle observés sur la lumière diffusée vers l'arrière par une vapeur de mercure, pour des pressions comprises entre 10-3 et 1 torr. Les signaux sont élargis par les collisions résonnantes entre atomes de mercure, et par le déplacement des atomes excités qui provoque en particulier des collisions sur la paroi de la cellule ; l'effet de ce déplacement peut représenter 35 % de l'élargissement total observé ; il est très sensible à la fréquence du rayonnement d'excitation et à la concentration de l'isotope étudié ; nous en proposons une théorie dans un modèle simplifié. Les résultats de cette théorie combinés à ceux de la théorie des collisions résonnantes sont en très bon accord avec les observations des divers signaux Hanle obtenus pour plusieurs profils de la raie d'excitation et diverses concentrations de l'isotope étudié.

DOI
10.1051/jphys:0197200330106500

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•Jan 1, 1998•3 citations

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Journal de physique•Jan 1, 1959•88 citations
Etude théorique et expérimentale de la largeur des signaux Hanle observés sur la lumière diffusée vers l'arrière par une vapeur de mercure, pour des pressions comprises entre 10-3 et 1 torr. Les signaux sont élargis par les collisions résonnantes entre atomes de mercure, et par le déplacement des atomes excités qui provoque en particulier des collisions sur la paroi de la cellule ; l'effet de ce déplacement peut représenter 35 % de l'élargissement total observé ; il est très sensible à la fréquence du rayonnement d'excitation et à la concentration de l'isotope étudié ; nous en proposons une théorie dans un modèle simplifié. Les résultats de cette théorie combinés à ceux de la théorie des collisions résonnantes sont en très bon accord avec les observations des divers signaux Hanle obtenus pour plusieurs profils de la raie d'excitation et diverses concentrations de l'isotope étudié.
Les signaux de croisement de niveaux sont visibles à des pressions de vapeur très élevées sur la lumière de résonance diffusée vers l'arrière dans toutes les directions par une vapeur. Au signal classique d'effet Hanle, lié à l'absorption « réelle )) des photons du centre de la raie de résonance, vient s'ajouter une contribution due à la polarisation rotatoire magnétique des photons quasi-résonnants des ailes de la raie, diffusés de façon appréciable aux pressions de vapeur élevées. On présente un calcul théorique du phénomène, assez voisin de celui de Lecler [4] pour la diffusion latérale, en insistant sur son interprétation. Comme la théorie le prévoit, les signaux d'effet Hanle du niveau 5 1P1 de Cd sont déformés pour des pressions de vapeur intermédiaires mais les déformations du signal observé en diffusion vers l'arrière disparaissent aux pressions très élevées.
Les mesures par diverses méthodes (résonance magnétique ou dépolarisation magnétique) de la durée de vie τ du niveau 6 3P1 du mercure conduisent en réalité à une « durée de cohérence » T plus longue que τ, tendant vers τ aux très basses pressions de vapeur. Ce phénomène est dû à la diffusion multiple des photons de résonance optique par les atomes de mercure. Celle-ci se produit de façon indépendante pour chaque composante hyperfine de la raie 2 537 Å ; elle est responsable également de la dépolarisation de la raie de résonance optique quand la pression de vapeur augmente. La théorie permet de prévoir des relations entre la durée de cohérence et le taux de polarisation pour une composante hyperfine d'un isotope déterminé, ou entre les durées de cohérence relative. aux différentes composantes hyperfines. Elle donne aussi la forme théorique des raies de résonance magnétique dans le cas où on isole les photons diffusés deux fois par les atomes de mercure. Les résultats expérimentaux sont en accord satisfaisant avec les prévisions théoriques.
Dans une cellule à résonance contenant un mélange 198Hg, 199Hg et azote sous une pression de 2 torr, on excite les atomes 198Hg par la raie de résonance 2 537 Å (6 1S0-6 3P1). Par collisions contre les molécules d'azote, les atomes excités 198Hg sont transférés du niveau 6 3P 1 au niveau métastable 6 3P0. Les mesures d'absorption sur les composantes hyperfines de la raie 4 047 Å (6 3P0 -7 3S1) montrent une concentration importante d'atomes 199Hg dans le niveau 6 3P0. Ceci est dû aux collisions du type : [FORMULE] Les auteurs écrivent les équations qui rendent compte des processus existant dans la vapeur et montrent comment déduire des mesures d'absorption la section efficace relative au transfert de métastabilité : $$ Leur résultat expérimental est : σ20 = (60 ± 20) Å2.
Les résultats de la théorie développée dans deux publications précédentes ont été vérifiés expérimentalement dans le cas de la diffusion multiple des photons de la raie 2 537 Å (6 1S0 — 6 3P1) par les atomes de mercure. En particulier, le taux de polarisation de la lumière de résonance optiqùe et la durée de vie apparente ou durée de cohérence du niveau 6 3P1 ont été mesurés, dans le cas de l'excitation sélective d'un isotope pair ou de l'un des niveaux hyperfins des isotopes impairs, en fonction du nombre d'atomes par cm3 diffusant le rayonnement, pour des conditions géométriques déterminées. L'influence des conditions géométriques a été également étudiée, ainsi que la largeur et la forme des raies de résonance magnétique dans le cas de la diffusion double. Les résultats expérimentaux sont en général en bon accord avec les prévisions théoriques.
Cette these decrit l'etude de l'absorption lumineuse d'une vapeur resonnante contenue dans une enceinte de geometrie presque bidmensionnelle : la duree de vol libre des atomes est imposee par collision avec les parois et devient tres anisotrope. Pour un faisceau optique de diametre grand devant l'epaisseur (l) de vapeur, le temps d'interaction des atomes avec le champ lumineux, et depend seulement de la direction de propagation atomique : seuls ceux a incidence rasante des parois sont en regime stationnaire et si l'irradiation est a incidence normale il apparait de resonances sub doppler dans le spectre d'absorption. La partie theorique du premier chapitre modelise le regime transitoire du pompage optique (processus incoherent non lineaire) sur un systeme atomique a trois niveaux et etudie la distribution de vitesse des atomes ainsi selectionnes qui peut etre superlente. Sa partie experimentale caracterise les resonances sub doppler apparues dans le spectre d'absorption d'un faisceau laser de diametre grand (3mm) devant l'epaisseur (de 10 a 100m) de la vapeur de cs sondee (transition d#2 a =852nm). La partie theorique du second chapitre etudie le regime transitoire du dipole optique sur un systeme atomique a deux niveaux : des resonances sub doppler apparaissent egalement, mais associees a une echelle de temps plus courte. Le montage experimental est analogue a celui du premier chapitre, avec une intensite lumineuse incidente extremement faible (i > les resultats de rh. Dicke dans le domaine micro-onde avec l=/2. Le troisieme chapitre relate une etude experimentale d'absorption saturee en cellule mince qui permet de sonder separement la reponse optique des differentes classes de vitesse atomiques. Le dernier chapitre presente une experience de spectroscopie raman dont le but est l'etude de la selection de vitesse en vapeur confinee.
On applique au cas des M atomes d'une vapeur les résultats obtenus dans une publication précédente sur le problème de la diffusion multiple de la lumière de résonance optique. On résoud les équations d'évolution des amplitudes de probabilité des états excités par approximations successives par rapport aux termes de couplage représentant la diffusion multiple. Des approximations d'ordre géométrique permettent de sommer les séries obtenues et d'exprimer les résultats en fonction d'un seul paramètre x ; x représente la probabilité pour qu'un photon émis par un des M atomes soit réabsorbé par un autre avant de sortir de la cellule à résonance. La durée de vie apparente du niveaux excité (« durée de cohérence »), le taux de polarisation de la lumière de résonance, le temps d'emprisonnement du rayonnement sont exprimés en fonction de x pour les différents sous-niveaux hyperfins des isotopes du mercure. On discute enfin les diverses approximations faites dans le calcul.