Étude de la relaxation des niveaux de l'hélium excités par impact d'ions lourds : - III. — Orientation par relaxation anisotrope d'atomes excités dans des états initialement alignés
E. Chamoun, M. Lombardi, M. Carré, Michel Louis Gaillard
Dans cet article, le dernier de cette série consacrée aux phénomènes de relaxation observés dans une cellule d'Hélium basse pression excité par un faisceau d'ions accélérés, nous démontrons expérimentalement l'existence du phénomène de transfert d'alignement en orientation par relaxation anisotrope. Nous rappelons brièvement les considérations théoriques qui avaient conduit à prévoir ce phénomène ; puis nous précisons les conditions qui nous ont permis de mettre en évidence la composante circulairement polarisée de la lumière émise par la cible à partir du niveau 4 1D de HeI excité par impact d'ions Na+.
Dans cet article, le dernier de cette série consacrée aux phénomènes de relaxation observés dans une cellule d'Hélium basse pression excité par un faisceau d'ions accélérés, nous démontrons expérimentalement l'existence du phénomène de transfert d'alignement en orientation par relaxation anisotrope. Nous rappelons brièvement les considérations théoriques qui avaient conduit à prévoir ce phénomène ; puis nous précisons les conditions qui nous ont permis de mettre en évidence la composante circulairement polarisée de la lumière émise par la cible à partir du niveau 4 1D de HeI excité par impact d'ions Na+.
Nous décrivons une méthode permettant de mesurer la durée de vie des niveaux d'énergie d'ions par transfert de cohérence dans une collision de Penning contre des atomes d'hélium dans le niveau 2 3S1 initialement orienté. Si l'on soumet les atomes d'hélium dans le niveau 23S 1 à une résonance magnétique, le champ R.F. fait apparaître une composante transversale du moment magnétique des atomes métastables d'hélium, qui précesse de façon cohérente à la pulsation ω du champ R.F. L'orientation transversale de l'hélium est partiellement transférée aux ions produits lors de la collision de Penning. Après la collision elle précesse à la pulsation de Larmor ω' 0 du niveau excité dans lequel l'ion a été porté. Le taux d'orientation stationnaire du niveau excité de l'ion dépend du déphasage moyen, pendant la durée de vie τ' de ce niveau, entre la précession de Larmor à la pulsation ω' 0 et la précession forcée de l'hélium. On détecte l'orientation en mesurant le taux de modulation de la lumière émise par les ions lors de la désexcitation radiative du niveau excité considéré. L'étude de la variation de ce taux, en fonction de la pulsation ω de la radiofréquence, permet de mesurer la durée de vie τ'.
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.
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.
L'influence d'un champ magnétique intense sur les collisions en phase vapeur est étudiée dans le cas des collisions non résonnantes entre un atome excité dans un niveau J = 1 et un atome perturbateur sans structure dans l'état fondamental. Le modèle suppose que le potentiel d'interaction varie en R -6 avec la distance. On ne prend en considération que la partie anisotrope de l'interaction. La collision est traitée dans l'approximation d'impact à trajectoires rectilignes. Les hypothèses admises dans ce modèle sont donc a priori justifiées essentiellement dans le cas des collisions entre atomes lourds. Les effets du caractère fini de la durée de la collision comparée à la période de l'évolution du niveau excité sous l'influence du champ sont traités. On établit dans ce modèle simple les symétries de la matrice de relaxation à l'aide de méthodes exposées dans une précédente publication. On montre que la relaxation est anisotrope et qu'il existe en particulier des termes de couplage entre les composantes de l'orientation et de l'alignement dans l'état excité de l'atome. Ceci se traduit par l'existence de taux de transferts différents du sous-niveau Zeeman m = 0 vers les sous-niveaux m = ± 1. On en déduit une méthode simple pour déterminer le signe de l'anisotropie du potentiel. On donne enfin les variations en fonction du champ des diverses grandeurs décrivant la relaxation obtenues par résolution numérique de l'équation de Schrödinger. Les résultats sont comparés à ceux obtenus lors de récentes études expérimentales des collisions Hg-gaz rares dans des champs de 200 kG.