Mécanismes d'excitation responsables d'une différence entre largeurs d'émission et d'absorption observée sur une raie de HeI

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Mécanismes d’excitation responsables d’une différence entre largeurs d’émission et d’absorption observée sur

une raie de HeI

R. Damaschini, J. Brochard

To cite this version:

R. Damaschini, J. Brochard. Mécanismes d’excitation responsables d’une différence entre largeurs

d’émission et d’absorption observée sur une raie de HeI. Journal de Physique, 1975, 36 (10), pp.923-

925. �10.1051/jphys:019750036010092300�. �jpa-00208337�

923

MÉCANISMES D’EXCITATION RESPONSABLES D’UNE DIFFÉRENCE

ENTRE LARGEURS D’ÉMISSION ET D’ABSORPTION OBSERVÉE

SUR UNE RAIE DE HeI

R. DAMASCHINI et J. BROCHARD

Laboratoire

Aimé-Cotton,

^C.N.R.S.

II,

^Bât.

505,

⁹¹⁴⁰⁵

Orsay,

^France

(Reçu

^{le 18 avril 1975,}

accepté

^{le 12 mai}

1975)

Résumé. ^- Dans le cas de la raie 492,2 ^nm

(2

^1P-4

1D)

de HeI excité dans une décharge ^{continue à}

basse pression ^et faible densité de courant, le profil d’émission diffère nettement du

profil

d’absorp-

tion. Nous décrivons le dispositif expérimental ^et proposons ^une interprétation qui prend ^en compte les mécanismes d’excitation du niveau 4 1D et leur incidence sur la distribution des vitesses.

Abstract. ²⁰¹⁴ In a weakly ^excited discharge ^at low pressure, the width observed for the emission line 03BB ⁼ 492.2 nm in HeI differs from the width observed for the absorption ^{line. The} expérimental set-up is described and an interpretation ^is

proposed

^{in terms} of excitation mecanisms which

modify

velocity

distributions.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 36, ^OCTOBRE 1975,

Classification

Physics ^Abstracts

5.250

Dans un

précédent

^{travail nous avons}

^mesuré,

par

une méthode

d’absorption,

^les

probabilités

^{de transi-}

tion relatives de 8 raies de Hel

ayant

le même niveau inférieur

2 ’P beaucoup plus peuplé

^{dans la}

décharge

que leurs niveaux

supérieurs [1].

Cette étude nous a

conduits à _comparer le

profil

^en

absorption

^{de la raie}

2

’P-4 ’D (492,2 nm)

^{à son}

profil

d’émission

pris

dans des conditions

identiques.

On admet

généralement

que les

profils

^{d’émission}

Pe(v)

^et

d’absorption P.(v)

d’une tranche mince de la

décharge

^sont

identiques,

^mais pour la raie

21 P-41 D

les anomalies de

profil

que ^nous avions observées antérieurement en émission

[2] permettaient

^{de mettre}

en doute cette identité. De

plus

les niveaux

2’P

et

4 1 D

sont excités _par des mécanismes différents et la therma- lisation _par choc contre les neutres

joue

différemment pour ^ces 2 niveaux

qui

^ont des durées de vie très iné-

gales.

Une différence est donc

possible

^{entre les}

profils Doppler

^{en émission et en}

absorption.

Il n’a _pas été

possible

^de comparer directement

Pa(v)

^à

Pe(v)

^car l’étude de

profil

^{à l’aide du} spectro- mètre

Fabry-Perot

^est

beaucoup plus

^{difficile en}

absorption qu’en

émission. Nous avons dû

opérer

avec une limite de résolution

qui

^n’est pas très infé- rieure à la

largeur

^{de raie et} travailler sur un milieu

qui

n’est pas

optiquement mince,

^{cas où l’émission}

s’accompagne d’auto-absorption.

^En prenant pour

Pe(v)

^et

Pa(v)

^des

profils

^normalisés

BJ /

l’intensité absorbée à

partir

^d’un

spectre plat

^et

l’inten-

sité émise sont

respectivement :

et

1 :

épaisseur

^du milieu excité considéré comme homo-

gène.

^Si

Pe(v)

^z

Pa(v),

^{on a}

Ia(v)

^oc

Ie(v). ^Si,

^de

plus,

la fonction

d’appareil

^{est la}

même,

^les

profils

^enre-

gistrés

^{ont même}

largeur. Inversement,

^une

différence

entre les

largeurs

we ^et wa des

profils enregistrés provient

^de

Pa(v) :0 Pe(v).

^{C’est ce} que ^{nous avons} observé sur la raie

492,2

^nm.

La

figure

¹

représente

le schéma du montage. ^Le tube _source, excité à fort courant, émet la raie avec un

profil spectral Io(v) quasi plat

^{sur environ}

0,385 cm-1 (trace ^(a) reportée

^{sur la}

figure

^{2 mais} provenant ^d’un

enregistrement séparé).

^Le tube absor- beur est utilisé dans des conditions telles _que la raie

d’absorption

^{ait une}

largeur

^nettement inférieure à cette valeur : courant et

pression faibles,

refroidisse- ment à l’azote

liquide.

Pour que la

comparaison

^des

profils

^se fasse dans les mêmes conditions et avec la même fonction

d’appareil,

^d’une part ^des

diaphragmes

délimitent le faisceau utile de la même

façon

pour

FIG. 1. ^- Schéma du montage.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019750036010092300

924

l’émission et

l’absorption,

^d’autre part ^les

profils

sont

enregistrés

simultanément

grâce

^{à une modula-}

tion

mécanique

^{de ce faisceau entre les 2 tubes. Sur}

la voie

(1)

la détection

synchrone

^{de la}

partie

^alterna-

tive du

signal

^{donne la raie}

large

^{du tube source}

absorbée au centre par le second tube

(trace (a’)

^{de la}

figure 2).

^Sur l’autre voie

(2)

^le

signal

n’est détecté que

lorsqu’une pale

du modulateur

interrompt

^le

faisceau issu de la source. On obtient ainsi le

profil

d’émission du second tube

(trace (b)).

L’extinction du tube absorbeur immédiatement

après

le passage ^de la raie

(point

^A

Fig. 2)

permet ^{d’obtenir une zone de} raccordement avec le

profil

^{de source}

qui constitue,

en

chaque point,

^{le zéro}

d’absorption (trait

^interrom-

pu).

Pour comparer les

largeurs

^{nous utilisons en fait}

un

profil d’absorption corrigé, identique

^{à celui} que l’on obtiendrait si

IO(v)

^{était constant sur le domaine}

,

spectral

^utile.

FIG. 2. ^- Enregistrement pour 1= 2 mA ; ^traces (a) ^et (a’) : absorption ; ^trace (b) : ^émission.

Nous avons fait des

enregistrements

pour 1= 2 mA et I ⁼ 5 mA

(avec

^{la même}

pression :

^{p =}

1,25 torr).

La raie d’émission est

toujours plus large

que la raie

d’absorption.

^{Nous avons}

également

^{fait des mesures}

en inversant la

polarité

des électrodes du second tube :

aucune variation

significative

n’a pu être observée

(comme

cela doit être si la

partie

axiale de la

décharge

est

pratiquement homogène). Finalement,

^{sur 17 me-}

sures la différence relative est

dw/we

^{= 8 ± 1}

%.

La fonction

d’appareil

^{a une}

largeur

^d’environ

4/10

de _We et sa forme mal connue ne permet pas de _pro- céder à une déconvolution. Mais l’effet de la fonction

d’appareil

^est de réduire les différences de

largeur

^et

la valeur mesurée est une borne inférieure _pour l’écart relatif entre les

largeurs

^des

profils le(v)

^et

la(V).

Les données dont nous

disposons

^ne permettent pas ^une

interprétation quantitative

de la différence de

largeur

observée mais celle-ci

peut s’expliquer

par

une différence de l’ordre de 20

%

^{entre les}

tempéra-

tures de translation des

populations

^{41 D et}

21 P,

différence _que l’examen des _processus d’excitation permet ^de

comprendre.

^{Pour le montrer nous nous}

sommes donc donné a

priori T(21 ’P)

^{= 80 K}

(bain

d’azote

liquide),

^{AT =}

T(41D) - T(2 ’P)

^{= 16 K}

et nous avons calculé

le(v)

^et

la(v)

^en utilisant la valeur du coefficient kl déterminée _{par la} mesure de

l’absorp-

tion

intégrale [1] et

^la

largeur homogène

^donnée par J. M.

Vaughan [3].

^Les

profils

ainsi reconstitués ont

une différence de

largeur

^{d’environ 9}

%,

^valeur

compatible

^avec le résultat

expérimental.

L’emprisonnement

de la radiation de résonance 1 lS-2

’P (58,4 nm)

accroît considérablement la durée de vie du niveau de

21P ;

^{l’effet est limité} par l’émis- sion de la raie 2 058 nm

(2 ^’S-2 ’P) qui

^{conduit à un}

facteur

d’emprisonnement

^{voisin de}

^103. Ainsi,

^sauf

pour 1 ^{atome sur}

1000a

^la

population

^{du niveau}

2

’P

résulte de l’excitation

optique

^à

partir

^{du fonda-}

mental dont la

population

^est bien thermalisée à une

température

voisine de celle du bain. Ce mécanisme d’excitation ne modifiant _pas la

répartition

^{de vitesse}

on

a bien

T(2 1P)~

^{80 K. Par contre} certains méca- nismes d’excitation du niveau 4

1 D

sont

responsables

d’une

température plus

^élevée pour la distribution de vitesse de translation des atomes émetteurs. En effet :

- le

peuplement

^{du niveau 4}

^{1 D}

^{se fait en}

partie

par transfert d’excitation à

partir

du niveau

41 P,

transfert souvent

évoqué (voir

^par

exemple [4])

^pour

expliquer

les anomalies rencontrées dans l’étude de l’excitation _par choc

électronique.

^{On a :}

avec

L’écart

d’énergie

^{se retrouve sous la forme}

d’énergie cinétique.

^{Dans le cas}

particulier

^{des conditions}

d’expérience,

l’intervalle de temps ^{entre 2 chocs}

est du même ordre de

grandeur

que la durée de vie radiative du niveau

41 D.

L’effet de thermalisation est suffisant _{pour que} la distribution des vitesses suive

pratiquement

^{une loi de} Maxwell-Boltzman mais avec un excès de

température

^{d’environ 13 K}

(le

^résultat

dépend,

^mais peu, de la

façon

^{dont la}

section de transfert est fonction de la

vitesse).

Ce mécanisme doit

jouer

^{un rôle}

important

^car,

d’une part, la section efficace de ce transfert est

grande (la valeur Q

^{= 67 x}

10-15 cm’

donnée dans

[4]

est

cependant incertaine),

^d’autre part, ^{le niveau 4}

’P

est fortement

peuplé

^{dans la}

décharge : l’emprison-

nement de radiation est suffisant _pour assurer une

population

^{élevée et bien} thermalisée.

- les chocs

électroniques

excitateurs

produisent

un échauffement

qui

n’est pas

négligeable

pour l’hé- lium alors _que

pratiquement

^{il l’est} pour les autres corps. En

effet,

l’atome d’hélium est

léger

^{et a des}

potentiels

d’excitation et d’ionisation

élevés,

respon- sables d’une

température électronique

^{élevée. Les}

données dont nous

disposons

permettent ^seulement de

grossières

estimations mais l’élévation de

tempé-

rature attendue dans le cas de l’excitation directe de 4

1D

est du même ordre de

grandeur

que dans le cas

de l’excitation _par transfert.

925

Les

profils Doppler correspondant

^aux processus

envisagés

^{ont donc des}

largeurs

^{voisines et mal}

connues et il n’est

possible

^{ni a}

priori,

ni par

l’analyse

du

profil expérimental

de déterminer leur

importance

relative. L’excitation du niveau 4 1 D se fait aussi _par d’autres mécanismes de moindre

importance impli- quant

éventuellement des cascades. Parmi eux la recombinaison radiative et les chocs d’électrons sur

des atomes excités

(métastable,

^fort

résonnant)

^ne

donnent des contributions notables

qu’à

^{fort courant.}

Conclusion. ^- En utilisant _pour

l’absorption

^une

source

classique

^{et en}

analysant

^les

profils

^{à l’aide}

d’un étalon de

Fabry-Perot

de résolution

modérée,

nous avons montré _que la raie

21 P-41 D

de Hel

présente

^{en émission un}

élargissement qui n’apparaît

pas ^en

absorption.

^Nous attribuons cet

élargissement

aux mécanismes d’excitation du niveau 4

’D

et à leur incidence sur les vitesses des atomes excités. Par une

analyse

^très

soignée

^du

profil

d’émission A. R. Mal-

vern et al.

[5]

aboutissent à une conclusion similaire.

On connaît d’autres cas de

profils

^{anormaux dus à}

une distribution de vitesse hors

d’équilibre,

^consé-

quence soit d’un transfert

d’excitation,

soit . d’une dissociation moléculaire

[6, 7, 8],

^{mais le cas étudié ici}

diffère de tous les autres par l’un’au moins de ses

caractères _{propres :}

(i)

le gaz ^est excité de

façon

^non sélective à l’état pur ^{et non} dans un

mélange ;

(ii)

^{c’est un} gaz

atomique

^{à basse}

pression

^{où les}

molécules très instables sont trop ^rares pour

jouer

^un

rôle ;

(iii)

^le

profil élargi,

^{observé en émission}

spontanée,

concerne la

population

^{du niveau}

supérieur, prise

dans son ensemble et non une fraction

singulière

^de

cette

population.

Le cas étudié ici n’est

cependant

pas a

priori

excep- tionnel et il en existe d’autres où un transfert d’exci- tation

peut

modifier le

profil d’émission,

^{en fausser}

l’analyse

^et conduire à une évaluation erronée de la

largeur homogène.

Il existe des méthodes

qui

per- mettent d’éviter de telles erreurs mais

qui

^{ne sont} pas

toujours applicables.

^On peut, ^en

émission,

^utiliser

essentiellement les

parties

^du

profil

^{situées assez loin}

du centre, ^{là où} l’effet

Doppler joue

peu. Dans le ^cas où le niveau int’érleur

(résonnant

^ou

métastable)

^{est à}

la fois bien

peuplé

^{et bien}

thermalisé,

^{l’étude du}

profil d’absorption

convient. On peut

aussi,

dans certains cas, ^mesurer directement la

largeur homogène

par

absorption

saturée. Grâce aux

progrès

des lasers

accordables,

^les études de

profils

^en

absorption

devraient maintenant se

généraliser

^{en devenant}

plus simples

^et

plus précises

^et c’est seulement en les améliorant ainsi _que nous

envisageons

d’étendre à d’autres raies les

comparaisons

^entre

profil

^{d’émission}

et

d’absorption.

Bibliographie [1] DAMASCHINI, ^{R. et} BROCHARD, J., Opt. Commun. 9 (1973)

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