2.2 Etudes en fonction de la longueur d’onde de pompe
2.2.1 Cas où la pompe est polarisée horizontalement
Les résultats peuvent être séparés en distinguant trois zones spectrales, à savoir autour de
300 nm, autour de 302.5 nm et autour de 305.3 nm, ce qui correspond bien aux longueurs d’onde
de résonance pour atteindre les états 6set 4dà trois photons.
❏ région spectrale centrée à305.3 nm : un seul état est pompé pour cette valeur de longueur
d’onde, à savoir 4d[7/2]
o3. Celui-ci engendre alors une transition vers l’état 5p[5/2]
2, à
1689.51 nm. La raie d’émission qui lui est associée présente une forme très inhabituelle.
En effet, on peut observer que deux ailettes [indiquées sur la figure4.11] se déploient en
fonction de la valeur de la longueur d’onde de pompe, en une forme proche d’un arc de
cercle, orienté du côté des infrarouges et dont le diamètre serait de même longueur que la
gamme spectrale sur laquelle la raie d’émission existe. Toutefois, à ce jour, nous sommes
incapables d’expliquer l’origine d’un tel comportement.
Ensuite, partant de l’état 5p[5/2]
2, deux transitions prennent place : la première vers
l’état 5s[3/2]
o1(à 877.92 nm), et la deuxième vers l’état 5s[3/2]
o2(à 810.66 nm). Il semblerait
donc que, bien que ces deux transitions soient en concurrence au niveau de leur état de
départ commun, leurs forces respectives soient de valeurs similaires.
Enfin, la raie à 811.51 nm est également présente, de manière assez surprenante puisque
nous n’avions pas identifié son état de départ, 5p[5/2]
3, comme étant peuplé. La présence
de cette raie prouve qu’il en est autrement. Deux hypothèses sont alors proposées pour
expliquer ce fait : soit la transition 4d[7/2]
o3−→5p[5/2]
3prend en fait place, sans que
l’on ait pu en avoir la preuve au travers d’une observation de la raie correspondante (à
1685.81 nm) ; soit la très grande proximité en énergie entre les états 5p[5/2]
2et 5p[5/2]
3joue un rôle dans le fait que le deuxième se retrouve peuplé. Comme nous aurons
l’oc-casion de l’invoquer à nouveau un peu plus loin, ces deux états semblent en effet être
très « connectés ». Notons toutefois, et cela est davantage visible à partir d’une autre série
de mesures [cf figure4.12(b)], que cette raie à 811.51 nm est plus intense au niveau de la
limite supérieure de l’intervalle de longueurs d’onde de pompe pour lesquelles elle est
ob-servable. En fait, sur une petite plage spectrale, elle est même visible tandis que sa voisine
à 810.66 nm ne l’est plus ! Nous ne savons pas expliquer ceci pour le moment.
❏ région spectrale centrée à302.5 nm : dans ce cas également, un seul état est pompé : 4d[5/2]
o3.
Depuis celui-ci, une transition part pour atteindre l’état 5p[3/2]
2à 1678.97 nm. La raie
qui lui est associée présente la même forme inhabituelle que celle à 1689.51 nm, vue
ci-avant. Toutefois, une autre raie est observable au niveau de cette région spectrale :
cen-trée à 1476.27 nm, elle sort difficilement du bruit et correspond à la transition 4d[5/2]
o3−→
5p[5/2]
2. Cette transition est particulière en ceci qu’elle est en concurrence à la fois avec
la transition à 1678.97 nm (via leur état de départ commun) et avec celle à 1689.51 nm (via
leur état d’arrivée commun). Etant donné qu’elle est observable sur une plus courte plage
spectrale que toutes les autres raies, on en déduit qu’elle est dominée par ces deux
transi-tions, et qu’elle ne s’exprime que quand celles-ci s’atténuent.
Le seul état 5ppeuplé de manière conséquente est donc l’état 5p[3/2]
2, qui est ensuite
à l’origine de la transition 5p[3/2]
2−→5s[3/2]
o2, à 760.36 nm. La raie d’émission associée
possède elle-aussi une ailette. De plus, une autre série de mesures, dont les résultats sont
représentés sur la figure4.12(b), révèle que la raie à 810.66 nm est (faiblement) présente
dans cette région spectrale, et ce malgré le fait que la transition « du premier étage » (i.e.
celle à 1476.27 nm) soit d’une amplitude très faible d’une part, et d’autre part que la
tran-sition à 760.36 nm partage le même état d’arrivée avec celle à 810.66 nm, détruisant donc
l’inversion de population de cette dernière.
-85 -55 -65 -75 810 811.8 810.6 811.2 Sp e ct re (d Bm) 300 301 302 303 304 305 306 Sp e ct re (d Bm) -74 -77 -80 Lon g u e u rs d ’o n d e é mi se s (n m) L o n g u e u rs d ’o n d e é mi se s (n m) 767 768 769 299 300 301 (a) (b)
Longueur d’onde de pompe (nm) Longueur d’onde de pompe (nm)
5p [5/2]2 - 5s [3/2]2 5p [5/2]3 - 5s [3/2]2 5p’ [1/2]0 - 5s’ [1/2]1 5p [1/2] 0 - 5s [3/2] 1
F
IGURE4.12: (a) Raie à 768.52 nm, et (b) raies à 810.66 nm et à 811.51 nm, en fonction de la
longueur d’onde de pompe, pour une série de mesures différente de celle dont les résultats sont
présentés sur la figure4.11
❏ région spectrale centrée à300 nm : deux états 6set un état 4dy sont contenus dans 0.81 nm
de bande spectrale. Une fois peuplés, chacun d’entre eux est à l’origine d’une transition
(au moins) vers des états 5pdifférents, à savoir : 6s[3/2]
o1−→5p[3/2]
1(1443.07 nm), 4d[3/2]
o1−→
5p[1/2]
0(1800.72 nm), 4d[3/2]
o1−→5p[5/2]
2(1362.61 nm) et 6s[3/2]
o2−→5p[5/2]
3(1363.79 nm).
On déduit donc, à propos de ces transitions, qu’elles dominent toutes les autres
possible-ment réalisables à partir de ces trois états.
Toutefois, on peut se demander quelle influence le fait de pomper trois états à la fois a
sur la présence (ou non) d’une transition. Par exemple, la transition 6s[3/2]
o1−→5p[3/2]
1est-elle celle qui domine « naturellement » les autres, comme elle semble le faire selon nos
résultats, ou bien profite-t-elle du fait que la transition 4d[3/2]
o1−→5p[1/2]
0peuple l’état
5p[1/2]
0, détruisant ainsi l’inversion de population entre les états 4d[3/2]
o1et 5p[1/2]
0?
Quoiqu’il en soit, il apparaît que (au moins) quatre états 5psont peuplés suite à la
réa-lisation du premier étage de l’effet laser, à savoir : 5p[1/2]
0, 5p[3/2]
1, 5p[5/2]
2et 5p[5/2]
3.
La présence de chacune des raies dans le visible et dans le proche infrarouge à cette
lon-gueur d’onde de pompe de 300 nm est explicable à partir de ces quatre états. La transition
à 758.95 nm, qui est au passage la plus intense de toutes, prend ainsi place entre les états
5p[1/2]
0−→5s[3/2]
o1. La raie qui lui est associée possède une ailette du même genre que
celles des raies à 16XX nm. Nous identifions cette ailette comme telle, plutôt que comme
la raie associée à la transition à 760.36 nm, du fait que l’état 5pde départ de cette dernière
n’est, selon les raies que nous avons observé au niveau du premier étage de l’effet laser,
pas peuplé.
De plus, à partir d’une autre série de mesures dont les résultats sont représentés sur
la figure4.12(a), on peut identifier la présence de la raie à 768.52 nm, associée à la
tran-sition 5p
′[1/2]
0−→5s
′[1/2]
o1. Même si l’état de départ de cette transition n’avait pas été
identifié comme peuplé à partir du premier étage de l’effet laser, il est nécessaire de
re-marquer que ceci aurait impliqué des transitions
2à 9624.84 nm (à partir de 6s[3/2]
o1) et à
12639.95 nm (à partir de 4d[3/2]
o1). Avec le matériel que nous utilisions, il était donc
im-possible de détecter les raies d’émission qui leur étaient associées, et on peut donc
suppo-ser qu’au moins une prenait effectivement place. Cependant, remarquons que cette raie à
768.52 nm est identifiable uniquement à des longueurs d’onde de pompe pour lesquelles
la raie à 758.95 nm voit son spectre s’étendre suffisamment, et atteindre cette valeur. On en
déduit ainsi que la force de la transition associée à la raie à 768.52 nm n’est pas très
impor-tante, et que celle-ci est en fait renforcée par émission stimulée grâce à la raie à 758.95 nm.
Concernant l’état 5p[3/2]
1, aucune raie lui correspondant n’a été enregistrée. On peut
cependant supposer que la population ne reste pas piégée dans cet état, mais simplement
que la(les) transition(s) dont il est à l’origine n’est pas assez forte pour que l’on ait pu
re-lever la raie qui lui est associée.
La raie à 810.66 nm est à peine discernable pour cette longueur d’onde de pompe sur
2. Seuls deux des trois états pompés à 300 nm possèdent une valeur deJ respectant la condition pour qu’une transition prenne place vers l’état 5p′[1/2]0.