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Annales de Physique

La fluorescence de résonance : Etude par la méthode de l’atome habillé

Serge Reynaud

Published Jan 1, 1983• 101 citations

Abstract

Resonance fluorescence consists of photon absorption and photon reemission by an atom interacting with a monochromatic, resonant and intense laser wave. The aim of this paper is to show that all fluorescence signals can be quantitatively calculated through the dressed atom method and that simple physical pictures can be associated to the results obtained in this manner. In such a method, the compound system «atom plus laser photons interacting together» (atom dressed by the laser photons) is first considered and the emission of fluorescence photons is then included as a radiative relaxation of this new quantum system. Emission frequencies thus appear as allowed Bohr frequencies of the dressed atom and Rabi nutation appears as a quantum beat signal between dressed states. Photon correlation and photon counting signals are well understood when fluorescence is considered as a radiative cascade of the dressed atom downwards its energy diagram. Mixed analysis time-frequency, for example study of temporal correlations between photons emitted in some sidebands of the fluorescence spectrum, is suggested by the dressed atom approach. Finally, when compared with the well known optical Bloch equations method, the dressed atom is shown to have a larger validity domain for the Markov approximation On montre que la methode de l'atome habille permet un calcul quantitatif de tous les signaux de fluorescence et associe les resultats a des interpretations physiques simples. Discussion des resultats et presentation des avantages de cette methode

DOI: 10.1051/anphys/198308080315

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Dressed atom approach to collisional redistribution

Serge Reynaud, Claude N. Cohen-Tannoudji

Résumé. 2014 La description de la fluorescence de résonance par la méthode de l’atome habillé est généralisée pour inclure les effets collisionnels. Ces effets s’interprètent comme une modification par les collisions de la cascade radiative de l’atome habillé. Toutes les caractéristiques des spectres d’absorption et d’émission sont exprimées en fonction des paramètres de relaxation, de type T1 et T2, de l’atome habillé. On analyse le domaine de validité de cette approche et on montre qu’il est plus large que celui des équations de Bloch optiques. Les paramètres de relaxation sont reliés à la matrice S de collision. En utilisant une représentation de spin, on les met également sous la forme de transformées de Fourier d’une fonction de corrélation de la perturbation collisionnelle. Abstract. 2014 The dressed atom approach to resonance fluorescence is extended to include collisional effects. These effects appear as a collision induced modification of the radiative cascade of the dressed atom. All the cha-racteristics of absorption and emission spectra are expressed in terms of the T1 and T2 type relaxation para-meters of the dressed atom. The domain of validity of this approach is investigated and is shown to be larger than that of the optical Bloch equations. The relaxation parameters are related to the collision S matrix. By using a spin representation, they are also expressed in terms of the Fourier transform of some correlation function of the collisional perturbation.

Journal de physique•Jan 1, 1982•53 citations

Photon statistics and quantum jumps: the picture of the dressed atom radiative cascade

Serge Reynaud, Jean Dalibard, Claude N. Cohen-Tannoudji

The statistics of spontaneous photon emission times in single atom resonance fluorescence are investigated through the radiative cascade of the dressed atom. The delay function which gives the distribution of the delays between two successive emissions is calculated for a coherent as well as an incoherent laser excitation. For a two-level atom, various signals that reflect the fluorescence intensity (average value, photon counting, fluctuation spectrum, etc.) are reviewed by this method. For a three-level atom, this approach is applied to the analysis of the recently observed phenomenon of intermittent fluorescence and quantum jumps.>

IEEE Journal of Quantum Electronics•Jul 1, 1988•45 citations

Etude théorique et expérimentale des corrélations temporelles entre photons de fluorescence effet d'une sélection en fréquence.

Jean Dalibard

Etude du signal de corrélations temporelles entre photons émis dans les bandes latérales du triplet de fluorescence. Ce signal constitue une analyse mixte de la lumière de fluorescence puisqu'il concerne a la fois ses caractéristiques spectrales et temporelles. Etude théorique de cet effet: le calcul perturbatif du champ diffuse par l'atome et la méthode utilisant les équations de bloch ont permis d'interpréter l'effet mis en évidence expérimentalement. Une autre approche théorique présentée est la méthode de l'atome habille.

•Mar 31, 1981•0 citations

Dressed-atom description of resonance fluorescence and absorption spectra of a multi-level atom in an intense laser beam

Claude N. Cohen-Tannoudji, Serge Reynaud

A dressed-atom approach to resonance fluorescence in intense laser fields is presented. Simple and general results are derived which include the now well known predictions concerning two-level atoms but are not restricted to such simple cases. The positions of the various components of the fluorescence and absorption spectra are given by the allowed Bohr frequencies of the total system: atom+laser mode (dressed atom). The master equation, describing spontaneous emission from the dressed atom is solved in the limit of high intensities. Simple expressions, taking into account the effect of cascades, are derived for the widths of the components.

Journal of Physics B Atomic and Molecular Physics•Feb 21, 1977•655 citations

Les spectres de fluorescence ou d’absorption d’une vapeur excitée par laser : étude par la méthode de l’atome habillé

Serge Reynaud

On montre que la méthode de l’atome habillé peut être généralisée à l’étude d’expériences en vapeur, expériences dans lesquelles l’effet Doppler joue un rôle important. Cette généralisation repose sur l’introduction de “diagrammes de fréquence” donnant, en fonction de sa vitesse, les fréquences émises par l’atome dans son référentiel propre. Une construction graphique simple permet alors d’effectuer la sommation sur les vitesses. Elle met clairement en évidence l’existence de structures sub-Doppler, ayant une largeur de Tordre de la largeur homogène, dues à la compensation de l’effet Doppler à l’émission par la variation en fonction de la vitesse des déplacements lumineux. Appliquée à la saturation d’un système à deux niveaux, cette méthode graphique permet de retrouver rapidement les caractéristiques bien connues du doublet Autler-Townes en vapeur, mais aussi de prévoir des structures nouvelles (doublet fortement dissymétrique ou même triplet ou quadruplet) pour des excitations lumineuses suffisamment intenses. On étudie ensuite une configuration où trois niveaux sont couplés au laser, configuration plus favorable à la mise en évidence de l’effet de compensation. On montre enfin que la méthode bien connue de calcul des spectres de vapeur par intégration algébrique (méthode des résidus) peut être interprétée comme une généralisation au plan complexe de la construction graphique.

Annales de Physique•Jan 1, 1983•1 citation

Investigation of resonance fluorescence in intense laser field via dressed atom approach

In F

The resonance fluorescence of an atom in an intense laser field was investigated via dressed atom approach. The steady st te solution of the master ,equation was obtained, in which the damping of the photon in laser mode was compensated by introducing a exciting term in the master equation. The shape and intensity of the resonance fluoresoenoe was given. Some physios means was discussed.

Acta Optica Sinica•Jan 1, 1989•0 citations

Resonance fluorescence consists of photon absorption and photon reemission by an atom interacting with a monochromatic, resonant and intense laser wave. The aim of this paper is to show that all fluorescence signals can be quantitatively calculated through the dressed atom method and that simple physical pictures can be associated to the results obtained in this manner. In such a method, the compound system «atom plus laser photons interacting together» (atom dressed by the laser photons) is first considered and the emission of fluorescence photons is then included as a radiative relaxation of this new quantum system. Emission frequencies thus appear as allowed Bohr frequencies of the dressed atom and Rabi nutation appears as a quantum beat signal between dressed states. Photon correlation and photon counting signals are well understood when fluorescence is considered as a radiative cascade of the dressed atom downwards its energy diagram. Mixed analysis time-frequency, for example study of temporal correlations between photons emitted in some sidebands of the fluorescence spectrum, is suggested by the dressed atom approach. Finally, when compared with the well known optical Bloch equations method, the dressed atom is shown to have a larger validity domain for the Markov approximation On montre que la methode de l'atome habille permet un calcul quantitatif de tous les signaux de fluorescence et associe les resultats a des interpretations physiques simples. Discussion des resultats et presentation des avantages de cette methode

Résumé. 2014 La description de la fluorescence de résonance par la méthode de l’atome habillé est généralisée pour inclure les effets collisionnels. Ces effets s’interprètent comme une modification par les collisions de la cascade radiative de l’atome habillé. Toutes les caractéristiques des spectres d’absorption et d’émission sont exprimées en fonction des paramètres de relaxation, de type T1 et T2, de l’atome habillé. On analyse le domaine de validité de cette approche et on montre qu’il est plus large que celui des équations de Bloch optiques. Les paramètres de relaxation sont reliés à la matrice S de collision. En utilisant une représentation de spin, on les met également sous la forme de transformées de Fourier d’une fonction de corrélation de la perturbation collisionnelle. Abstract. 2014 The dressed atom approach to resonance fluorescence is extended to include collisional effects. These effects appear as a collision induced modification of the radiative cascade of the dressed atom. All the cha-racteristics of absorption and emission spectra are expressed in terms of the T1 and T2 type relaxation para-meters of the dressed atom. The domain of validity of this approach is investigated and is shown to be larger than that of the optical Bloch equations. The relaxation parameters are related to the collision S matrix. By using a spin representation, they are also expressed in terms of the Fourier transform of some correlation function of the collisional perturbation.

The statistics of spontaneous photon emission times in single atom resonance fluorescence are investigated through the radiative cascade of the dressed atom. The delay function which gives the distribution of the delays between two successive emissions is calculated for a coherent as well as an incoherent laser excitation. For a two-level atom, various signals that reflect the fluorescence intensity (average value, photon counting, fluctuation spectrum, etc.) are reviewed by this method. For a three-level atom, this approach is applied to the analysis of the recently observed phenomenon of intermittent fluorescence and quantum jumps.>

Etude du signal de corrélations temporelles entre photons émis dans les bandes latérales du triplet de fluorescence. Ce signal constitue une analyse mixte de la lumière de fluorescence puisqu'il concerne a la fois ses caractéristiques spectrales et temporelles. Etude théorique de cet effet: le calcul perturbatif du champ diffuse par l'atome et la méthode utilisant les équations de bloch ont permis d'interpréter l'effet mis en évidence expérimentalement. Une autre approche théorique présentée est la méthode de l'atome habille.

A dressed-atom approach to resonance fluorescence in intense laser fields is presented. Simple and general results are derived which include the now well known predictions concerning two-level atoms but are not restricted to such simple cases. The positions of the various components of the fluorescence and absorption spectra are given by the allowed Bohr frequencies of the total system: atom+laser mode (dressed atom). The master equation, describing spontaneous emission from the dressed atom is solved in the limit of high intensities. Simple expressions, taking into account the effect of cascades, are derived for the widths of the components.

On montre que la méthode de l’atome habillé peut être généralisée à l’étude d’expériences en vapeur, expériences dans lesquelles l’effet Doppler joue un rôle important. Cette généralisation repose sur l’introduction de “diagrammes de fréquence” donnant, en fonction de sa vitesse, les fréquences émises par l’atome dans son référentiel propre. Une construction graphique simple permet alors d’effectuer la sommation sur les vitesses. Elle met clairement en évidence l’existence de structures sub-Doppler, ayant une largeur de Tordre de la largeur homogène, dues à la compensation de l’effet Doppler à l’émission par la variation en fonction de la vitesse des déplacements lumineux. Appliquée à la saturation d’un système à deux niveaux, cette méthode graphique permet de retrouver rapidement les caractéristiques bien connues du doublet Autler-Townes en vapeur, mais aussi de prévoir des structures nouvelles (doublet fortement dissymétrique ou même triplet ou quadruplet) pour des excitations lumineuses suffisamment intenses. On étudie ensuite une configuration où trois niveaux sont couplés au laser, configuration plus favorable à la mise en évidence de l’effet de compensation. On montre enfin que la méthode bien connue de calcul des spectres de vapeur par intégration algébrique (méthode des résidus) peut être interprétée comme une généralisation au plan complexe de la construction graphique.