HAL Id: jpa-00214678
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Submitted on 1 Jan 1971
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ETUDE EXPERIMENTALE DE L’IONISATION MULTIPHOTONIQUE DES GAZ RARES ET DES
ATOMES ALCALINS
P. Agostini, G. Mainfray, C. Manus, J. Morellec
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P. Agostini, G. Mainfray, C. Manus, J. Morellec. ETUDE EXPERIMENTALE DE L’IONISATION MULTIPHOTONIQUE DES GAZ RARES ET DES ATOMES ALCALINS. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-142-C5b-144. �10.1051/jphyscol:19715104�. �jpa-00214678�
ETUDE EWERIMENTALE DE L'IONISATION WLTIPHOTONIQUE DES GAZ RARES ET DES ATOMES ALCALINS
P. Agostini, G. Mainfray, C. Manus, e t J. Morellec C e n t r e d'Etudes Nuclkaires de Saclay-Service d e Physique Atomique
Boite Postale n o 2 , 91 - Gif-sur-Yvette, r rance).
Résumé.
Description d'une expérience permettant l a m e s u r e d e s probabilités d'ioniea- tion multiphotonique d e s gaz r a r e s e t d e s alcalins ainsi que l a valeur d e s o r d r e s de non l i n é a r i t é d e s processus. L e s r é s u l t a t s semblent confirmer l'hypothèse d'une ionisation en deux é t a p e s , l a p r e m i è r e portant l ' é l e c t r o n s u r un niveau dont l ' é n e r g i e e s t voisine de celle d'un nombre e n t i e r d e photons, l a seconde l e portant dans l e continuum.
Abstract.
An experiment i s discribed allowing the measurement of the multiphoton ioni- zation probabilities of r a r e g a s e s and of two alkali vapors. The experimental values of the probabilities and of the o r d e r of non linearity a r e given. These r e s u l t s s e e m to confirm a two stage p r o c e s s hypothesis.
1. INTRODUCTION.
Un flux intense de photons i s s u d'un l a s e r déclenché permet d'ioniser un atome avec d e s photons dont l ' é n e r g i e E e s t t r è s i n f é r i e u r e à
P
1 'knergie d'ionisation Ei , de l ' a t o m e considkre.
Si l'ionisation multiphotonique correspondait à une transition d i r e c t e e n t r e l ' é t a t fondamental de l'atome et l e continu l'atome absorberait un nom- b r e de photons K ~ = - + 1 . E n fait l ' e x p é r i en- c e m o n t r e que l'or&& de non linéarité du p r o c e s - s u s d'absorption e s t toujours inférieur à Ko lorsqu'il existe une c o h c i d e n c e e n t r e un niveau de l ' a t o m e et un nombre e n t i e r de photons K<Ko.
De plus l a probabilité d'ionisation en deux étapes e s t a l o r s augmentée d e plusieurs o r d r e s de g r a n - d e u r p a r rapport à l'ionisation directe.
Nous présentons i c i l e s valeurs e x p é r i - mentales d e s o r d r e s d e non l i n é a r i t é d e l ' i o n i - sation multiphotonique d e s gaz r a r e s e t d e s vapxa alcalines ainsi que l e s vapeurs d e s probabilités d'ionisation. C e s rksultats semblent confirmer l e rOle jouk p a r l e s niveaux i n t e r m é d i a i r e s de I'ato- me.
II. DISPOSITIF EXPERIMENTAL.
On dispose d'un l a s e r CGE à v e r r e dopé
l a longueur d'onde 1 ,O6 ou, a p r k s doublage de fréquence dans un c r i s t a l de K D P , 0 , 5 3 r .
La puissance totale disponible e s t de 1 , 7 G W au fondamental et de 250 MW à l'harmonique 2. E l l e p e r m e t g r a c e ?une optique de concentration i
appropriée d'obtenir d e s flux de l o l
cm
2( 1 , 0 6 y ) et 1 0 l 2 W/c m 2 (0.53 y ) dans d e s volumes d'environ 1 0 - ~ c m ~ . La p r e s s i o n du gaz r a r e étudié e s t suffisamment faible ( 2 x 1 0 - ~ T o r r ) , pour é v i t e r l'ionisation p a r avalanche. L a densité du jet d'alcalin (101° c m - 3 ) respecte également cette condition. L e s flux utilisés pour ioniser l e s
8 2
alcalins sont de l ' o r d r e d e 10
cm
. L e s ions c r g d s p a r effets multiphotoniques sont collectés p a r un collecteur blindé e t l e courant ionique correspondant e s t m e s u r e .L a distribution spatio-temporelle du flux d e photons e s t déterminée p a r 3 "diagnostics''.
L ' é n e r g i e totale e s t m e s u r é e p a r un c a l o r i m k t r e , l a fonction de distribution spatiale F ( x , y , z , ) e s t dkterminée p a r une méthode photométrique a s s o - ciée à une optique d'agrandissement convenable permettant une rksolution de 2 r, . L a fonction de distribution temporelle G (t) e s t analysée avec une résolution d e 0 , l n s g r â c e à une photodiode L E P au néodyme e t fonctionnant en r é g i m e multimode e t un oscilloscope de 5 GHz de bande passante.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715104
IONISATION MULTIPHOTONIQUE DES GAZ RARES ET DES ATOMES ALCALINS
III. PRINCIPE DES MESURES E T RESULTATS EXPERIMENTAUX.
La probabilité d'ionisation multiphotonique v a r i e avec l e flux r selon l a relation W = A r K . .
L a pente de l a droite Log N.= K L o g r donne l a valeur de K. Le volume e t l a d u r é e efficaces d'interaction sont ensuite déterminés par l e s relations :
L a probabilité e s t elle m & m e déterminée p a r l a formule :
Ni où n r e p r é s e n t e l a densité
W = O
no Vk C k d'atome neutre.
pour l e flux
r
donnant l e nombre d'ions N..L e s tableaux (1) e t (II), page suivante, donnent pour l e s atomes étudiés l e s v a l e u r s expérimentales de K , l'indication de l ' é t a t i n t e r -
Schéma du dispositif expérimental.
rnédiaire 'présonnant", et de l ' é c a r t à l a résonan- l e s v a l e u r s de champ é l e c t r i - c e e = En .. - n p ,
que ( r w/cm2) = 2 . 6 9 4 1 0 - ~ f ( ~ / c r n ) , n é c e s s a i -
7 1
r e pour atteindre une probabilité de 10 + 1 s - .
IV. CONCLUSION.
Nous avons m e s u r é l e s o r d r e s de non linkarité et l e s probabilitks d'ionisation pour l e s gaz r a r e s e t l e s alcalins. L'examen d e s r é s u l t a t s semblent indiquer une corrélation e n t r e l e s v a l e u r s de K e t l e nombre de photons n é c e s s a i r e s pour atteindre un riiveau de l ' a t o m e considéré. P o u r que l a corncidence s e produise i l faut f a i r e i n t e r - venir d e s déplacements e t é l a r g i s s e m e n t s d e s niveaux sous l'action du flux intense. Ceci pour- r a i t expliquer pourquoi c e s "résonances1' ne semblent p a s s e manifester dans l'ionisation de c e r t a i n s alcalins. Seule une étude effectuée en faisant v a r i e r l a longueur d'onde au voisinage de l a résonance nous p e r m e t t r a de confirmer e t de
p r é c i s e r l e s différents aspects de c e mécanisme. X a K r A r Ne H e
w . c r n - ' r
- 1 1 1 7 T r l l l o l l - r T - 1 T TV TT v
1013 '-- r' " ' 3 1 4 Variation du nombre d'ions en fonction du flux
pour & ~ , 0 6 ~ .
P. AGOSTINI ET AL.
TABLEAU 1 = 1 , 0 6 ~
TABLEAU II = 0 , 5 3 p
A t o m e He Ne A K r X e C S K
n
1 8 14 10 9 9 3 3
~ ( ~ / c r n ) * w = 1 0 7 +1 8-1
(1 + 0.25) 10 8
(9 ~ 2 ~1 0 27 ) ( 5 + 1 , 2 ) l o 7 ( 3 , s O , 9) 1 0 7
(3 + 0 , 7 ) 1 0 7 non m e s u r é
non m e s u r é Ko
2 1 19 14 12 11 .
4 4
c ( c m - ' )
2p = 968 3s =1694 4 s = 24 5 s = 24
4d =2258 6 s = 565 8d =161 7 s = 343 58= 2433
n
7
6 5
4 1 1 A t o m e
He Ne
A
K r X e
G s K
k = k - k
O
3 t 0 * 3
5 , 3 + 0 , 3 3 , 7 + 0 , 3 3 2 0 , 3 2 , 3 + 0 , 3
1 + 0 , 2
0 , l + 0 , 2
K
l 8 t 0 n 3 1 3 , 7 + 0 , 3 1 0 , 3 + 0 , 3 9 + 0 , 3 8 , 7 ~ 0 . 3 3 , 2 + 0 , 2 3.9 + 0 , 2
t ( ~ / c m ) W = ~ O 7 - 1
(3,7+ 0 , 8 ) 107
(3,5t 107
( I , I S +O, 2) 1 0 7
( 9 , 2 + 1 . 8 ) 1 0 6 ( 7 , 5 + 1 , 5 ) 10 6
non m e s u r é non m e s u r é 8 ( c m - ' )
2 ~ = + 9 6 8 3 s =
i 1694 4 s =
24 5s = 81 7 s = 81 6f =
8 4f =
K,
11 10
7
6 6
2 2
K 9 , 2 $ 0 , 3 7 , 3 t 0 , 3
5 , 7 + 0 , 3
5,5$0,6 4 , 1 + 0 , 3
1 , 7 5 + 0 , 1 1 , 8 5 2 0 , l
K = K - K
O
1,8+ 0 ' 3 2 , 7 9 , 3
1 , 3 + 0 , 3
0 , 5 + 0 , 6 1 , 9 9 , 3
0,25+0,1 O , 1 5 2 0 , l
