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d’absorption lin´eaire, proportionnel `a la densit´e N de particules (atomes) - en supposant que la densit´e ne fait pas varier, par exemple par ´elargissement collisionnel, la r´eponse individuelle d’une particule (atome) :α(ν) =N A(ν) =N A0g(ν), o`u A(ν) est la r´eponse spectrale d’une particule, et o`u g(ν) est une r´eponse spectrale normalis´ee autour de la rsonanceν0 [i.e.g(ν0) = 1]. Dans ce cadre, le param`etre quantitativement important pour l’absorption totale estNL (que l’on note N =NL).
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A partir de l’´equation (7.1), nous pr´esentons (fig. (7.1)) les spectres de fluorescence pour diff´erentes valeurs de N, qui caract´erise l’´epaisseur optique, et en supposant pour la r´eponse spectrale g(ν) une r´eponse gaussienne associ´ee `a un ´elargissement Doppler de l’absorption. Le spectre de fluorescence lui-mˆeme ressemble `a la gaussienne source aux faibles ´epaisseurs optiques, mais, quand N devient grand, le laser est compl`etement absorb´e dans le volume d´etect´e et, l’intensit´e de la fluorescence atteint une valeur limite, et s’´elargit notablement (le remplacement pour g(ν) d’un profil gaussien, par un profil de Voigt, changerait seulement la forme des ailes des courbes pr´esent´ees `a la figure(7.1)).
- 3 - 2 - 1 0 1 2 3 0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 I ( ν ) k u N = 0 , 5 N = 1 N = 2 N = 4 N = 4 0
Figure 7.1: Spectres num´eriques de fluorescence selon la densit´e optique en N en
sup-posant une r´eponse gaussienne d’´elargissement Doppler.
7.2 Niveaux d’´energie et description exp´erimentale
7.2.1 Transfert depuis les niveaux Cs 7P
1/2et Cs 7P
3/2Pour un atome de Cs dans les niveaux 7P1/2 ou 7P3/2, plusieurs voies de transfert d’´energie peuvent ˆetre efficaces, soit par d´esexcitation, soit par transfert collisionnel (figure (7.2)).
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7𝑆1/ 2 6𝑆1/ 2 8𝑆1/ 2 6𝑃1/ 2 6𝑃3/ 2 𝟕 𝑷𝟏/𝟐 𝟕 𝑷𝟑/𝟐 5𝐷 5/ 2 5𝐷 3/ 2 6𝐷 3/ 2 6𝐷 5/ 2 7𝐷 5/ 2 7𝐷 3/ 2
Figure 7.2: Principales voies de couplage et chemins de d´esexcitation des niveaux 7P1/2
et 7P3/2. Le niveau 7P se d´esexcite vers 6S, 7S et 5D, avec une probabilit´e respective de
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7.2.2 Dispositif exp´erimental pour collecter la fluorescence r´
etro-diffuse
7.2.2.a Sch´ema de la d´etection
Le sch´ema de la d´etection de fluorescence est pr´esent´e `a la figure (7.3). Les lasers employ´es dans cette exp´erience sont ceux d´ej`a utilis´es pour r´ealiser la spectroscopie de r´eflexion s´elective pour les transitions 6S1/2 → 7P1/2 et 6S1/2 → 7P1/2 (lasers diode `a cavit´e ´etendue). L’incidence des lasers est choisie quasi-normale `a la fenˆetre de la cellule (2◦). Une absorption satur´ee auxiliaire est enregistr´ee simultan´ement aux spectres d’exci-tation de la fluorescence. Comme la lumi`ere d’excitation peut subir une forte absorption (les conditions qui nous int´eressent sont typiquement celles de la r´eflexion s´elective, o`u le signal est produit sur ∼ 100 nm, et la cellule de Cs est en g´en´eral celle permettant une forte temp´erature pour la fenˆetre saphir et le corps de cellule environnant), la fluo-rescence n’existe que pr`es de la fenˆetre d’entr´ee. Nous la d´etectons dans une direction `a peu pr`es oppos´ee `a celle du laser, pour des raisons d’encombrement (g´eom´etrie du four, ...). La lumi`ere de fluorescence est collect´ee par une lentille de fort diam`etre (∼2 cm) et de focale courte (f = 10 cm) pour maximiser l’angle solide de collection (∼10−2 sr).
Figure 7.3: Sch´ema exp´erimental standard pour la d´etection de la fluorescence.
7.2.2.b Description du spectrom`etre
Pour les exp´eriences -section (7.3)- visant `a analyser le spectre d’´emission de la fluo-rescence, et les ´echanges d’´energie `a partir des niveaux 7P1/2 et 7P3/2, on a utilis´e un spectrom`etre sensible aux longueurs d’onde entre ∼ 350 et ∼ 1100 nm. Ce spectrom`etre
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(OCEAN OPTICS) collecte la lumi`ere `a partir d’une fibre optique multimode, d’ouverture de 100µm, sur laquelle on focalise la lumi`ere collect´ee. La sortie de la fibre est connect´ee au spectrom`etre qui int`egre un r´eseau de diffraction, et envoie la lumi`ere sur une camera CCD compos´ee de 2048 ´el´ements de d´etection de 20 µm. L’´echelle en longueur d’onde du spectrom`etre a ´et´e calibr´ee avec 6 lasers : λ = 459 nm, λ = 455 nm, λ = 894 nm,
λ = 852 nm, λ = 633 nm et λ = 543 nm. L’´echelle verticale d’intensit´e pour chaque canal de longueur d’onde est en “Counts” (une grandeur proportionnelle au nombre de photons). Selon le fournisseur `aλ= 400 nm on a 75 Counts/photons et `aλ= 600 nm on a 41 Counts/photons.
La saturation de chaque ´element est pour 14.104 Counts, et la saturation peut in-fluencer la d´etection sur les canaux voisins. Pour corriger la r´eponse en intensit´e du spectrom`etre `a chaque longueur d’onde, nous avons d´etect´e l’´emission d’une lampe `a fil de tungst`ene qui ´emet, selon le fabricant, une lumi`ere ´equivalent `a un corps noir `a
T = 2800 K. Le temps d’int´egration (τexp) pour l’analyse du spectre des photons collect´es peut varier de 1 ms `a 60s.
Pour d´etecter les spectres d’´emission de fluorescence, il est utile de soustraire, aux spectres obtenus avec une excitation laser r´esonnante, les effets de la lumi`ere diffus´ee quand le laser est hors r´esonance (d´ecalage de ∼ 50 GHz). On ´elimine ainsi la diffusion laser (sur les fenˆetres du four et de la cellule), qui est monochromatique mais assez intense pour exciter sous incidence oblique divers canaux du spectrom`etre, et o`u ´elimine ´egalement les photons de rayonnement du corps noir, ´emis par la cellule notamment quand elle est `
a temp´erature ´elev´ee. De plus, on d´etecte en g´en´eral plusieurs spectres (5) d’affil´ee, `a la r´esonance et hors r´esonance, pour moyenner des spectres qui ont ´et´e individuellement enregistr´es sur des temps assez courts pour ´eviter la saturation du spectrom`etre.
7.2.2.c Description du photod´etecteur
Pour les exp´eriences d´ecrites en section (7.4) et [35], le d´etecteur est un simple pho-tod´etecteur amplifi´e du mˆeme type que utilis´e pr´ec´edemment (chap. (5) et (6)), ´eventuellement dans une variante “germanium” sensible `a l’infrarouge (0,8−1,7 µm), dans une bande spectrale ´eventuellement r´eduite `a 1,1−1,5µm par un filtre adapt´e.
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