Étude expérimentale des collisions de redistribution et d'échange dans le niveau 2³P de l'hélium

Experimental study of redistribution and exchange collisions in the 2³P level of helium

• Auteur / Autrice : Ali Dia
• Direction : Pierre-Jean Nacher, Marie Abboud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique atomique
• Date : Soutenance le 07/05/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Université Saint-Joseph (Beyrouth)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Roger Lteif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Nacher, Marie Abboud, Roger Lteif, Mahmoud Korek, Hervé Gilles, Agustin Palacios-Laloy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mahmoud Korek, Hervé Gilles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes

Mots clés libres

Hélium

Spectroscopie laser d'absorption

Redistribution collisionnelle

Transfert d'excitation

Helium

Absorption laser spectroscopy

Collisional redistribution

Excitation transfer

Résumé

Ce travail de thèse a consisté en une étude expérimentale de l’effet des collisions binaires entre atomes dans l’état 2³P d’une part et entre 2³P et 1¹S d’autre part sur les populations des sous-niveaux magnétiques de cet état excité. Les états 2³P, 2³S et 1¹S sont impliqués dans le pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium et ces collisions sont soupçonnées d’en limiter l’efficacité. La caractérisation précise de l’effet des collisions a été réalisée par spectroscopie laser d’absorption sur la transition 2³P - 3³S, en utilisant une configuration de pompe-sonde doublement résonante. Une diode laser à 1083 nm, peuple sélectivement les sous-niveaux de l’état 2³P, ensuite sondés par une diode laser 706.5 nm, balayée sur toute la transition 2³P - 3³S. Nous présentons d’abord un calcul théorique des niveaux atomiques et des transitions optiques impliqués dans les isotopes de l’hélium. Puis nous décrivons les modèles simples d’équations d’évolution des populations, qui nous permettent d’interpréter les observations expérimentales, en considérant différents effets possibles, comme un changement interne du sous-niveau (mJ ou mF), de niveau J ou F, avec ou sans changement de la vitesse des atomes. À partir des spectres d’absorption enregistrés, nous identifions les populations des niveaux pompés ainsi que celles résultant de changements de niveaux. La première série de résultats de l’étude expérimentale des écarts de fréquence des raies d’absorption est en excellent accord avec les valeurs attendues, compte tenu des structures Zeeman en présence d’un champ magnétique, la structure hyperfine pour l’état 3³S de l’³He et du décalage isotopique ³He - ⁴He. Ensuite, les formes des spectres d’absorption ont été étudiées en fonction de l’intensité de pompe utilisée. Enfin nous décrivons l’étude des effets de collisions dans l’⁴He, à diverses pressions (0.13 à 4.27 mbar). À partir des valeurs des aires des raies d’absorption, nous mesurons les populations dans chaque niveau de l’état 2³P, pour finalement déduire les taux de transfert par collision comparés à la littérature et discutés dans la perspective des limitations de la technique du pompage optique par échange de métastabilité.

This work consisted in an experimental investigation of the effect of collisions in the 2³P state, and between the 2³P and the fundamental 1¹S states, on the populations of the 2³P magnetic sublevels. The 2³P, 2³S, and 1¹S states are involved in metastability exchange optical pumping in helium and these collisions are currently suspected to limit its efficiency. Accurate characterization of the collisional redistribution of atoms has been achieved by a laser absorption spectroscopy technique on the 2³P - 3³S transition using a double-resonance ladder scheme and two tunable monochromatic lasers. A laser diode at 1083 nm selectively populates sublevels of the 2³P state, while all populations are probed by a laser diode at 706.5 nm scanned over the entire 2³P - 3³S transition. We present a theoretical calculation of the relevant level structure of helium as well as simple models with the rate equations for the populations, suitable for interpretation of the experimental observations by considering various processes such as changes of sublevel mJ or mF, of level J or F, with or without change of atoms velocity. From scans of the probe laser frequency, we identify the populations of pumped levels as well as those resulting from the transfer of atoms from other levels. A first set of experimental results from the study of the absorption line profiles is in excellent agreement with the previously calculated values for the Zeeman structures, the hyperfine structure of the 3³S state of ³He and the ³He - ⁴He isotopic shift. The shapes of the absorption spectra were studied as a function of the pump intensity used. Finally, we present the study of the effects of collisions in ⁴He, at different pressures, ranging from 0.13 to 4.27 mbar. It was also applied to isotopic mixtures, at different pressures, where the excitation transfer can be directly observed. The values of integrated absorption of the spectral lines yields populations in each level in the 2³P state from which collisional transfer rates can be inferred. These rates are compared with those reported in the literature and discussed from the point of view of the limits of metastability exchange optical pumping technique.