Experimental study of redistribution and exchange collisions in the 23P level of helium
Etude expérimentale des collisions de redistribution et d'échange dans le niveau 23P de l'hélium
Résumé
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.
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. A 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). A 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.
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