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

Resonance fluorescence : the dressed atom approach

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l’E.N.S., 24, rue Lhomond, F 75231 Paris Cedex 05, France.

Résumé

La fluorescence de résonance est le phénomène d’absorption et de réémission de photons par un atome en interaction avec une onde laser monochromatique, résonnante et intense. Le but de cet article est de montrer que la méthode de l’atome habillé permet un calcul quantitatif de tous les signaux de fluorescence et que les résultats obtenus sont associés à des interprétations physiques simples. Dans cette méthode, on considère d’abord le système formé par l’atome et les photons laser en interaction mutuelle (atome habillé par les photons laser) et l’émission de photons de fluorescence est ensuite traitée comme une relaxation radiative de ce nouveau système quantique. Les fréquences d’émission apparaissent ainsi comme les fréquences de Bohr des transitions permises de l’atome habillé et la précession de Rabi apparaît comme un signal de battement quantique entre niveaux habillés. Les signaux de corrélation ou de comptage de photons s’interprètent bien en considérant la fluorescence comme une cascade radiative de l’atome habillé le long de son diagramme d’énergie. La méthode de l’atome habillé suggère l’étude de signaux d’analyse mixte temps fréquence, par exemple corrélations temporelles entre photons émis dans des raies données du spectre de fluorescence. Enfin, la comparaison avec la méthode largement utilisée des équations de Bloch optiques montre que la méthode de l’atome habillé a un domaine de validité plus étendu en ce qui concerne l’approximation de Markov.

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.