P2 - Spectroscopie sub-doppler par absorption saturée.

Travaux pratiques de 3ème année
Spectroscopie sub-Doppler
par absorption saturée
Ce TP est à rendre à la n de la séance. Il est donc indispensable de répondre aux
questions Q1 à Q10 avant la séance.
1 Étude préliminaire
1.1 L’élargissement Doppler
          ν    
     ν    Oz     
    Vz     Oz   
ν=ν(−Vz/c)
             c  

Q1 Expliquez rapidement la démonstration de la formule 1.
f(V) = (m
πkT)/
 (−mV
kT).
   V      T    m  
     ×   k     ×   
Q2 Montrez que la largeur à mi-hauteur de la raie élargie par eet Doppler vaut :
ν=√  √kT
m
ν
c.
Q3 Utilisez la formule 2 pour calculer l’élargissement Doppler à T = ◦de la raie D1 du
rubidium 85, qui centrée à 795 nm.
1.2 Structure de la raie D1 du rubidium 85
 /    /        
Q4 Combien de raies devrait-on observer en théorie ? Rangez ces raies suivant l’ordre crois-
sant des fréquences de résonances.
Q5 Compte tenu de l’élargissement Doppler, quelles sont les raies que l’on pourra résoudre
avec un spectre en absorption simple ? À quelle température faudrait-il descendre pour ré-
soudre l’intégralité de la structure hyperne ? Sachant que la largeur naturelle des niveaux
excités vaut = , à quelle température faudrait-il descendre pour pouvoir la mesu-
rer ? Comment peut-on y parvenir ?
1.3 Saturation de l’absorption
 A            
           σ  
           n    
  n           I
           A     
 A  n−n    I    A    

794.979 014 933(96) nm
377.107 385 690(46) THz
12 578.948 390 0(15) cm-1
1.559 590 695(38) eV
1.264 888 516 3(25) GHz
1.770 843 922 8(35) GHz
3.035 732 439 0(60) GHz
F=3
F=2
150.659(71) MHz
210.923(99) MHz
361.58(17) MHz
F=3
F=2
52P1/2
52S1/2
52P1/2
794.978 851 156(23) nm
377.107 463 380(11) THz
12 578.950 981 47(37) cm-1
1.559 591 016(38) eV
2.563 005 979 089 109(34) GHz
4.271 676 631 815 181(56) GHz
6.834 682 610 904 290(90) GHz
F=2
F=1
305.43(58) MHz
509.05(96) MHz
814.5(15) MHz
F=2
F=1
52S1/2
           Rubidium 85
D Line Data      http://steck.us/
alkalidata

A=σ×(n−n) n−n=n
+I/I
,
 n      I       
      ,  .−    
   s=I/I          
     n=n=n/
Q6 Rappelez pourquoi il n’est pas possible d’inverser les populations sur un système à 2 ni-
veaux, c’est-à-dire de réaliser la condition n<n.
Q7 Comparez qualitativement l’absorption dans les cas limite s ≪et s ≫.
1.4 Application à la spectroscopie sub-Doppler (méthode pompe-
sonde)
       ν  
         Oz       
         Oz        
      ν      
    Vz=−c(−ν/ν)        
  Vz= +c(−ν/ν)           
  ν̸=ν             
  ν=ν              

–Vz ν/c
+Vz ν/c
sonde
pompe
1
2
Vz
pompe sonde
 ν<ν
sonde
pompe
1
2
pompe sonde
 ν=ν
0
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
transmission (u.a.)
décalage en fréquence (GHz)
2 4 6 8
       et al.Microfabricated saturated
absorption laser spectrometer     