Transitions à deux photons sans élargissement Doppler

Two photons transitions without Doppler broadening

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l’E. N. S. Université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie, 4, Place Jussieu — 75230 Paris Cedex 05, France.

Résumé

On s’intéresse aux transitions atomiques dans lesquelles deux photons sont absorbés simultanément sans niveau résonnant intermédiaire. On démontre théoriquement et expérimentalement leurs possibilités d’application à de nombreuses études spectroscopiques de haute précision.

• 1°

  Principe de la méthode : suppression de l’élargissement Doppler si l’atome est soumis à deux ondes Laser se propageant en sens opposés, parce que l’effet Doppler de l’une compense exactement celui de l’autre. Généralisation au cas de trois photons ou plus.

• 2°

  Calcul de la probabilité de transition à deux photons ; on donne le résultat des calculs en discutant les hypothèses de validité : forme de raie, rôle de la polarisation lumineuse, ordre de grandeur dans des conditions pratiques.

• 3°

  Premières expériences réalisées sur le sodium : description d’un montage expérimental et présentation de résultats typiques obtenus avec un Laser à colorant monomode et continu.

• 4°

  Applications de la méthode : mesure de structures fines et hyperfines ; séparation des sous-niveaux magnétiques ou électriques en champs faibles : mesures d’écarts isotopiques ; élargissements et déplacements par collisions à faibles pressions ; population sélective dans un groupe de niveaux très proches; mesures absolues de niveaux d’énergie dans le domaine optique.

Abstract

This paper is concerned by atomic transitions where two photons are simultaneously absorbed without an intermediate resonant level. One shows theoretically and experimentally the possibilities of these transitions for numerous spectroscopic studies of high precision.

• 1°

  Principle of the method: the Doppler broadening is suppressed if the atom is irradiated by two Laser waves traveling in opposite directions, because the Doppler effect of one wave cancels the other one.

• 2°

  Calculation of the two photon transition probability, the results of the calculus are given and their hypothesis are discussed; line-shape, effect of the light polarization, order of magnitude in practical conditions.

• 3°

  First experiments on the sodium: experimental apparatus and typical results obtained with C. W. dye Laser in single frequence operation.

• 4°

  Applications of the method: precise measurement of fine and hyperfine structures; splitting of magnetic or electrical sublevels in low fields; measurements of isotopic shifts; broadening and shift by collisions at low pressures; population of a selected level among closely spaced levels; absolute measurements of energy levels in the optical range.