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Probing collision effects intheconfined environment ofananocell

Armenia

Published Jan 1, 2005• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Spectroscopy close toaninterface isappropriate toevaluate collisional effects, like pressure broadening and shifts, inanoptically opaquemedium, asoccurs atlarge atomic densities. Relatively tothevolumespectroscopy in comparable conditions, applicable onlyinthefarspectral wings, itprovides aninformation obtained close tothe resonance line-centre. However, itimplicitly assumes that thevicinity withthesurface hasnotmodified thecollisional features themselves. Thissupposes that theatomdynamics -i.e. thevelocity distribution andthepopulation distributionisidentical inthegasbulkandclose tothesurface, andthat soistheinteraction between anatomanditsperturber. To testsuchanassumption, we havestarted toinvestigate thecollisional effects innanocell spectroscopy [11, inthe elementary caseofaresonant transition. Indeed, therecentdevelopment ofnanocells ofatomic vapour, withthickness typically spanning from20to1000nm,offers aspectroscopic alternate tolong-time developed Selective Reflection (SR) spectroscopy ataninterface, withtheadditional possibility ofexploring avariable distance tothesurface. Presently, ourdetailed experiments, performed onthewell-resolved CsD1line(894nm),haveenabled a simultaneous comparison ofX/2andk/4thickness forvarious densities. Systematic experiments forshorter thickness areplanned forthenearfuture. Because nanocell spectroscopy, whenperformed under normal incidence irradiation, allows asub-Doppler resolution owing tothevelocity-selecti on

Related papers

Probing an atomic gas confined in a nanocell

Isabelle Maurin, P Todorov, I. Hamdi +8 more

Since the recent realization of extremely thin vapour cells (local thickness: 20-1000 nm), we investigate the optical properties of these 1-D confined vapours. Aside from their interest for Doppler-free spectroscopy, nanocells offer a new tool to evaluate collisional shift and broadening, yielding an access to the open problem of collisions under confinement. It also allows probing of the atom-surface interaction in a range of unusual short distances. The experimental exploration of the distance dependence, normally evolving according to the z −3 van der Waals (vW) dependence ( z : the atom-surface distance), is worth doing because it could be affected by imperfections of the real surface, such as roughness, adsorbed impurities or charges. A detailed lineshape analysis is now under progress, with tight constraints imposed to the fitting by the twin information brought by simultaneous reflection and transmission spectra. Another issue is a possible resonant enhancement, susceptible to induce a repulsive vW, due to the coupling between atom excitation and a surface mode.

Journal of Physics Conference Series•Jan 1, 2005•10 citations

Spectroscopy of the atom-wall interactions in a nanocell

V. V. Khromov, A. E. Logunov, Anatoly S. Pazgalev +3 more

The optical spectroscopy of rubidium atoms confined to a nanocell was employed to study the quenching and energy transfer processes in the course of atom-wall collisions. The distance between the sapphire windows of the cell varies between 150 and 500 nm forming a vapour wedge. At moderate pressures, the frequency of the atom-wall collisions greatly exceeds the frequency of atom-atom collisions. Hence, the line shapes and intensities recorded in a nanocell provide valuable information about interactions of excited atoms with the surface of the window material.

Journal of Physics Conference Series•Dec 6, 2012•4 citations

Probing collision effects in the confined environment of a nanocell

L. Hamdi, P. Todorov, Isabelle Maurin +6 more

The collisional effects in nanocell spectroscopy are investigated. Experiments performed on the well-resolved Cs D/sub 1/ line (894 nm), have enabled a simultaneous comparison of /spl lambda//2 and /spl lambda//4 thickness for various densities. Because nanocell spectroscopy, when performed under normal incidence irradiation, allows a sub-Doppler resolution owing to the velocity-selection operated by the transient regime of optical interaction, the pressure behaviour of the various hyperfine components can be studied individually. Considerable differences are found to occur for the pressure-induced shift, as already observed through selective reflection (SR) spectroscopy on the Cs D/sub 2/ line.

European Quantum Electronics Conference (EQEC)•Jan 18, 2006•0 citations

Selective reflection spectroscopy of alkali vapors confined in nanocells and emerging sensing applications

Emmanuel Klinger

Spectroscopie par réflexion sélective de vapeurs alcalines confinées dans des nanocellules et applications de détection émergentes Cette thèse vise à étudier l'interaction résonante d'un rayonnement laser avec une couche mince d'épaisseur sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nanocellule ; et les applications de détection qui en émergent.Nous nous concentrons sur la réflexion sélective se produisant à l'interface entre une fenêtre diélectrique et une vapeur résonante, et montrons que la dérivée des spectres de réflexion sélective est composée de résonances étroites dont les maxima correspondent aux positions des transitions atomiques. Ces résonances sont observées avec une largeur spectrale jusqu'à quinze fois plus fine que la largeur Doppler du milieu, et leurs amplitudes évoluent de façon linéaire avec celles des transitions. Grâce à ces propriétés et aux faibles épaisseurs de cellule pouvant être sondées, nous examinons les interactions atome-surface et mesurons le coefficient C3 de l'interaction de van der Waals.Nous présentons un modèle théorique décrivant l'interaction entre lumière quasi-résonante et nanocellule remplie d'une vapeur alcaline sous champ magnétique statique. Ce modèle se montre en excellent accord avec les résultats expérimentaux pour une large gamme de champs magnétiques depuis le régime Zeeman jusqu'au régime Paschen-Back. Au vu de ces résultats, nous proposons un concept de magnétomètre optique basé sur les nanocellules. Une preuve de faisabilité est présentée et une analyse en performance révèle un coefficient de variation des mesures de champs magnétiques inférieur à 5 % dans la gamme 0,4 - 2 kG.

•Sep 18, 2019•4 citations

Spectroscopy of molecular gases confined in thin-cells

Hippolyte Mouhanna

La spectroscopie de vapeurs atomiques confinées dans des cellules d'épaisseur micrométrique, voire nanométrique, a permis d'étudier le rétrécissement Dicke cohérent, l'interaction Casimir-Polder entre des atomes et une surface, et d'observer des effets collectifs qui pourrait permettre le développer des technologies quantiques. En s'inspirant des expériences de spectroscopie de vapeurs atomiques confinées nous sondons des transitions moléculaires de l'ammoniac (NH3) et d'hexafluorure de soufre (SF6), à une longueur d'onde de 10.55µm, ainsi qu'une transition de l'acétylène (C2H2) dans le domaine des télécommunications, à 1.53µm, dans une cellule d'épaisseur avoisinant 5.3µm (cellule mince). Ces expériences mettent en évidence un rétrécissement Dicke, induit par les collisions molécule-surface, qui favorise la contribution des molécules lentes dans la direction de propagation du laser. Notre modèle prend en compte l'interaction transitoire du champ électromagnétique avec les molécules allant d'une paroi à l'autre, ainsi que les effets Fabry-Perot de faible finesse de la cellule. Il reproduit fidèlement les spectres expérimentaux et permet d'extraire l'élargissement, le décalage et l'intensité de chaque raie observée.L'intensité des transitions d'acétylène et d'ammoniac extraites de la spectroscopie moléculaire en cellule mince est cohérente avec les valeurs de la base de données moléculaires HITRAN et avec des expériences d'absorption linéaire. Ces résultats démontrent que la spectroscopie moléculaire à travers une cellule mince est une technique alternative fiable, linéaire et à haute résolution de fréquence, capable d'enrichir les bases de données moléculaires et de fournir des données spectroscopiques de haute qualité. Nous utilisons alors cette spectroscopie pour extraire l'intensité de nombreuses raies de SF6 qui ne sont pas répertoriées dans la base de données HITRAN. Nous sondons également les transitions NH3 et SF6 dans l'infrarouge moyen, dans une cellule d'une épaisseur nanométrique dont l'épaisseur est comprise entre 600nm et 1.2µm. Malgré la faible amplitude du signal, nos techniques de détection nous permettent d'obtenir des spectres, avec un bon rapport signal sur bruit, qui sont très bien décrits par notre modèle de cellule mince et nous permettent d'étudier la dynamique de ces gaz fortement confinés. Nos expériences montrent que la spectroscopie de l'acétylène à travers une cellule mince pourrait être utilisée pour développer des références de fréquence compactes dans le domaine des télécommunications. Nous présentons le prototype d'une nouvelle cellule mince à haute finesse qui pourrait produire un signal moléculaire suffisamment important pour stabiliser une source lase. Enfin, la spectroscopie moléculaire à travers des cellules minces pourrait également être utilisée pour étudier l'interaction Casimir-Polder entre les molécules et une surface. Nous envisageons de sonder des molécules HF dans une cellule d'épaisseur nanométrique qui pourraient mettre en évidence une anisotropie de l'interaction Casimir-Polder.

•Dec 11, 2025•0 citations

Doppler-free selective reflection spectroscopy of the 6 s 2 S 1 / 2 → 7 p 2 P 3 / 2 transition of Caesium using an optical nanocell

Armen D. Sargsyan, Rodolphe Momier, David G. Sarkisyan

Abstract Selective reflection (SR) spectroscopy of the 6 s 2 S 1 / 2 → 7 p 2 P 3 / 2 electric dipole transition of Caesium ( λ = 456 nm) is performed for the first time using a nanometric-thin cell (L = 50–1500 nm, T = 200 ∘ C). We successfully form narrow resonances corresponding to the F g = 3 , 4 → F e = 2 , 3 , 4 , 5 hyperfine transitions. All transitions are well spectrally resolved, and the geometry of the cell allows us to obtain a strong 30 times narrowing of the Doppler width with a single beam pass. For lower thicknesses ( L < 400 nm), we observe a red shift of the SR lines, which we attribute to atom-surface interactions, and provide estimates of the C 3 interaction coefficient. The oscillator strengths of the 6 s 2 S 1 / 2 → 7 p 2 P 3 / 2 hyperfine transitions are about two orders of magnitude smaller than that of the Cs D 2 line at 852 nm. Our experimental measurements are in good agreement with theoretical calculations. We emphasize the advantage of nanocell spectroscopy compared to the well-known saturated absorption method and present possible applications.

Journal of Physics B Atomic Molecular and Optical Physics•Sep 23, 2025•3 citations
Spectroscopy close toaninterface isappropriate toevaluate collisional effects, like pressure broadening and shifts, inanoptically opaquemedium, asoccurs atlarge atomic densities. Relatively tothevolumespectroscopy in comparable conditions, applicable onlyinthefarspectral wings, itprovides aninformation obtained close tothe resonance line-centre. However, itimplicitly assumes that thevicinity withthesurface hasnotmodified thecollisional features themselves. Thissupposes that theatomdynamics -i.e. thevelocity distribution andthepopulation distributionisidentical inthegasbulkandclose tothesurface, andthat soistheinteraction between anatomanditsperturber. To testsuchanassumption, we havestarted toinvestigate thecollisional effects innanocell spectroscopy [11, inthe elementary caseofaresonant transition. Indeed, therecentdevelopment ofnanocells ofatomic vapour, withthickness typically spanning from20to1000nm,offers aspectroscopic alternate tolong-time developed Selective Reflection (SR) spectroscopy ataninterface, withtheadditional possibility ofexploring avariable distance tothesurface. Presently, ourdetailed experiments, performed onthewell-resolved CsD1line(894nm),haveenabled a simultaneous comparison ofX/2andk/4thickness forvarious densities. Systematic experiments forshorter thickness areplanned forthenearfuture. Because nanocell spectroscopy, whenperformed under normal incidence irradiation, allows asub-Doppler resolution owing tothevelocity-selecti on
Since the recent realization of extremely thin vapour cells (local thickness: 20-1000 nm), we investigate the optical properties of these 1-D confined vapours. Aside from their interest for Doppler-free spectroscopy, nanocells offer a new tool to evaluate collisional shift and broadening, yielding an access to the open problem of collisions under confinement. It also allows probing of the atom-surface interaction in a range of unusual short distances. The experimental exploration of the distance dependence, normally evolving according to the z −3 van der Waals (vW) dependence ( z : the atom-surface distance), is worth doing because it could be affected by imperfections of the real surface, such as roughness, adsorbed impurities or charges. A detailed lineshape analysis is now under progress, with tight constraints imposed to the fitting by the twin information brought by simultaneous reflection and transmission spectra. Another issue is a possible resonant enhancement, susceptible to induce a repulsive vW, due to the coupling between atom excitation and a surface mode.
The optical spectroscopy of rubidium atoms confined to a nanocell was employed to study the quenching and energy transfer processes in the course of atom-wall collisions. The distance between the sapphire windows of the cell varies between 150 and 500 nm forming a vapour wedge. At moderate pressures, the frequency of the atom-wall collisions greatly exceeds the frequency of atom-atom collisions. Hence, the line shapes and intensities recorded in a nanocell provide valuable information about interactions of excited atoms with the surface of the window material.
The collisional effects in nanocell spectroscopy are investigated. Experiments performed on the well-resolved Cs D/sub 1/ line (894 nm), have enabled a simultaneous comparison of /spl lambda//2 and /spl lambda//4 thickness for various densities. Because nanocell spectroscopy, when performed under normal incidence irradiation, allows a sub-Doppler resolution owing to the velocity-selection operated by the transient regime of optical interaction, the pressure behaviour of the various hyperfine components can be studied individually. Considerable differences are found to occur for the pressure-induced shift, as already observed through selective reflection (SR) spectroscopy on the Cs D/sub 2/ line.
Spectroscopie par réflexion sélective de vapeurs alcalines confinées dans des nanocellules et applications de détection émergentes Cette thèse vise à étudier l'interaction résonante d'un rayonnement laser avec une couche mince d'épaisseur sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nanocellule ; et les applications de détection qui en émergent.Nous nous concentrons sur la réflexion sélective se produisant à l'interface entre une fenêtre diélectrique et une vapeur résonante, et montrons que la dérivée des spectres de réflexion sélective est composée de résonances étroites dont les maxima correspondent aux positions des transitions atomiques. Ces résonances sont observées avec une largeur spectrale jusqu'à quinze fois plus fine que la largeur Doppler du milieu, et leurs amplitudes évoluent de façon linéaire avec celles des transitions. Grâce à ces propriétés et aux faibles épaisseurs de cellule pouvant être sondées, nous examinons les interactions atome-surface et mesurons le coefficient C3 de l'interaction de van der Waals.Nous présentons un modèle théorique décrivant l'interaction entre lumière quasi-résonante et nanocellule remplie d'une vapeur alcaline sous champ magnétique statique. Ce modèle se montre en excellent accord avec les résultats expérimentaux pour une large gamme de champs magnétiques depuis le régime Zeeman jusqu'au régime Paschen-Back. Au vu de ces résultats, nous proposons un concept de magnétomètre optique basé sur les nanocellules. Une preuve de faisabilité est présentée et une analyse en performance révèle un coefficient de variation des mesures de champs magnétiques inférieur à 5 % dans la gamme 0,4 - 2 kG.
La spectroscopie de vapeurs atomiques confinées dans des cellules d'épaisseur micrométrique, voire nanométrique, a permis d'étudier le rétrécissement Dicke cohérent, l'interaction Casimir-Polder entre des atomes et une surface, et d'observer des effets collectifs qui pourrait permettre le développer des technologies quantiques. En s'inspirant des expériences de spectroscopie de vapeurs atomiques confinées nous sondons des transitions moléculaires de l'ammoniac (NH3) et d'hexafluorure de soufre (SF6), à une longueur d'onde de 10.55µm, ainsi qu'une transition de l'acétylène (C2H2) dans le domaine des télécommunications, à 1.53µm, dans une cellule d'épaisseur avoisinant 5.3µm (cellule mince). Ces expériences mettent en évidence un rétrécissement Dicke, induit par les collisions molécule-surface, qui favorise la contribution des molécules lentes dans la direction de propagation du laser. Notre modèle prend en compte l'interaction transitoire du champ électromagnétique avec les molécules allant d'une paroi à l'autre, ainsi que les effets Fabry-Perot de faible finesse de la cellule. Il reproduit fidèlement les spectres expérimentaux et permet d'extraire l'élargissement, le décalage et l'intensité de chaque raie observée.L'intensité des transitions d'acétylène et d'ammoniac extraites de la spectroscopie moléculaire en cellule mince est cohérente avec les valeurs de la base de données moléculaires HITRAN et avec des expériences d'absorption linéaire. Ces résultats démontrent que la spectroscopie moléculaire à travers une cellule mince est une technique alternative fiable, linéaire et à haute résolution de fréquence, capable d'enrichir les bases de données moléculaires et de fournir des données spectroscopiques de haute qualité. Nous utilisons alors cette spectroscopie pour extraire l'intensité de nombreuses raies de SF6 qui ne sont pas répertoriées dans la base de données HITRAN. Nous sondons également les transitions NH3 et SF6 dans l'infrarouge moyen, dans une cellule d'une épaisseur nanométrique dont l'épaisseur est comprise entre 600nm et 1.2µm. Malgré la faible amplitude du signal, nos techniques de détection nous permettent d'obtenir des spectres, avec un bon rapport signal sur bruit, qui sont très bien décrits par notre modèle de cellule mince et nous permettent d'étudier la dynamique de ces gaz fortement confinés. Nos expériences montrent que la spectroscopie de l'acétylène à travers une cellule mince pourrait être utilisée pour développer des références de fréquence compactes dans le domaine des télécommunications. Nous présentons le prototype d'une nouvelle cellule mince à haute finesse qui pourrait produire un signal moléculaire suffisamment important pour stabiliser une source lase. Enfin, la spectroscopie moléculaire à travers des cellules minces pourrait également être utilisée pour étudier l'interaction Casimir-Polder entre les molécules et une surface. Nous envisageons de sonder des molécules HF dans une cellule d'épaisseur nanométrique qui pourraient mettre en évidence une anisotropie de l'interaction Casimir-Polder.
Abstract Selective reflection (SR) spectroscopy of the 6 s 2 S 1 / 2 → 7 p 2 P 3 / 2 electric dipole transition of Caesium ( λ = 456 nm) is performed for the first time using a nanometric-thin cell (L = 50–1500 nm, T = 200 ∘ C). We successfully form narrow resonances corresponding to the F g = 3 , 4 → F e = 2 , 3 , 4 , 5 hyperfine transitions. All transitions are well spectrally resolved, and the geometry of the cell allows us to obtain a strong 30 times narrowing of the Doppler width with a single beam pass. For lower thicknesses ( L < 400 nm), we observe a red shift of the SR lines, which we attribute to atom-surface interactions, and provide estimates of the C 3 interaction coefficient. The oscillator strengths of the 6 s 2 S 1 / 2 → 7 p 2 P 3 / 2 hyperfine transitions are about two orders of magnitude smaller than that of the Cs D 2 line at 852 nm. Our experimental measurements are in good agreement with theoretical calculations. We emphasize the advantage of nanocell spectroscopy compared to the well-known saturated absorption method and present possible applications.