POMPAGE OPTIQUE

Le pompage optique est un procédé qui permet de changer d'une manière appréciable les valeurs des populations des états quantifiés des atomes, des molécules et des ions (on désigne par le mot « population » le nombre d'atomes dans un état quantique donné). On peut ainsi créer une distribution de population très différente de la distribution d'équilibre thermique et maintenir un état permanent de cette nouvelle distribution. En irradiant une assemblée d'atomes avec une lumière monochromatique dont la fréquence correspond à une raie d'absorption de l'atome à partir de l'état fondamental (raie de résonance), on peut peupler un niveau excité donné et changer la répartition de population entre les états de structure hyperfine et les états Zeeman de l'état fondamental. On est amené à employer une radiation incidente convenablement polarisée pour modifier la population des états Zeeman.

Dans cet article, après avoir rappelé quelques notions fondamentales relatives aux niveaux d'énergie des atomes, on s'intéressera au mécanisme du pompage optique dans le cas particulier de l'atome de sodium, et on rappellera les applications des techniques du pompage optique aux différents domaines de la physique, en renvoyant, pour plus de précisions, le lecteur à l'article lasers.

Répartition entre niveaux d'énergie

L'état énergétique d'une assemblée comprenant un grand nombre d'atomes identiques peut être caractérisé par leur répartition entre les différents niveaux d'énergie : N₁ est le nombre des atomes qui se trouvent à l'état E₁, et, d'une façon générale, N_n est le nombre d'atomes dans un état d'énergie E_n. On dit que N_n est la population de l'état E_n.

Lorsque le milieu auquel appartiennent les atomes est à l'état d'équilibre thermique à une température donnée T, les populations N_n des différents états E_n obéissent à la loi de Boltzmann, soit N_n proportionnel à exp(− E_n/kT), où k est la constante de Boltzmann égale au quotient de la constante R des gaz parfaits par le nombre d'Avogadro N :

(la constante k a les dimensions d'une énergie divisée par une température ; elle est ici exprimée en joule par kelvin).

Plus l'état d'énergie est élevé (E_n grand), plus la population correspondante N_n est faible.

L'état d'énergie le plus bas, E₁, s'appelle l'« état fondamental de l'atome » ; les autres états d'énergie s'appellent les « états excités ». La relation de Boltzmann peut se mettre sous la forme :

Sous cette forme, elle permet de comparer directement la population d'un état excité E_n à celle de l'état fondamental E₁.

Lorsque la différence d'énergie ΔE_n est très supérieure à kT (soit ΔE_n >> kT), la population N_n est pratiquement négligeable par rapport à celle de l'état fondamental ; en outre, lorsqu'il en est ainsi pour tous les états E_n, tous les atomes se trouvent dans l'état fondamental à l'équilibre thermique, et les états excités sont vides.

Au contraire, quand il existe des états E_n proches de l'état fondamental (ΔE_n de l'ordre de kT), leur population est importante, et, dans le cas où ΔE_n ⪡ kT, ils sont aussi peuplés que l'état fondamental.

Si une assemblée d'atomes est perturbée et mise dans un état différent de l'état d'équilibre thermique (par exemple, par une décharge électrique au sein du gaz ou par une irradiation optique), les processus de relaxation ont toujours tendance à rétablir l'état d'équilibre thermique. Lorsqu'ils interviennent seuls, le système se maintient à l'équilibre thermique.

En général, à un changement de structure électronique d'un atome par rapport à l'état fondamental correspond une variation d'énergie[...]