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

Fluorescence and absorption spectra of a laser excited vapour : the dressed atom approach

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

Résumé

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.

Abstract

One shows that the dressed atom approach can be generalized to the study of vapour spectra though the Doppler effect is important in such a case. This generalization is founded upon some “frequency diagrams” which gives as functions of its velocity the frequencies emitted in the rest frame by the atom. Integration over atomic velocities is thus performed by a simple geometrical construction. This makes obvious that there exist Doppler free structures due to a compensation of the emission Doppler effect by velocity dependent light shifts. When applied to the saturation of a two level atom, such a geometrical method easily gives the well known features of the vapour Autler-Townes doublet. It also predicts novel structures such as asymmetrical doublet or even triplet and quadruplet for sufficiently intense excitations. A configuration where three levels are saturated is then shown to be more interesting for the compensation effect.

One finally demonstrates that the well known method of algebraic integration of the vapour spectra (residue method) can be interpreted as a generalization of the geometrical construction in the complex space.