J. Phys. France 40, 115-128 (1979)
DOI: 10.1051/jphys:01979004002011500

Resonant multiphoton ionization of caesium atoms

G. Petite, J. Morellec et D. Normand

Service de Physique Atomique, Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay, B.P. n° 2, 91190 Gif sur Yvette, France

Abstract
This paper studies the resonant multiphoton ionization (RMPI) phenomenon, in the case of caesium atoms interacting with the intense field of a neodymium-Glass laser. In the first part, we present a recent theory of RMPI, in a simplified form in order to obtain the main informations on the physics of RMPI. Then we present two experiments of RMPI : four-photon ionization of the caesium atom in its ground state, with a three-photon resonance on the 6F level and three-photon ionization of the caesium atom is its 62P3/2 state with a two-photon resonance on the 12F level. In the first experiment, the internal structure of the resonant transition is resolved, enabling us to point out and analyse the important effect of pulse shapes and focusing conditions on our experimental results, which are discussed in detail. We also give some new interpretations of results published previously [1]. In the second experiment, we measure the 12F fine structure - which is found to be (0.016 ± 0.008) cm-1 - and show that we have reached the limits imposed by the Doppler effect. These experimental results are in good agreement with the theoretical predictions suggesting that the physical picture given of RMPI by recent works on this subject is satisfactory.

Résumé
L'objet de cet article est l'étude du phénomène d'ionisation multiphotonique résonnante (IMPR) de l'atome de césium soumis au champ intense d'un laser au verre dopé au néodyme. Une première partie est consacrée à l'exposé d'une théorie récente de l'IMPR, sous une forme simplifiée, pour en tirer les informations essentielles sur la physique de l'IMPR. Nous présentons ensuite deux expériences d'IMPR du césium : ionisation à quatre photons de l'atome de césium dans son état fondamental, avec résonance à trois photons sur le niveau 6F ; ionisation à trois photons de l'atome de césium dans son état 62P3/2 avec résonance à deux photons sur le niveau 12F. Dans la première expérience, on résout la structure fine de la transition résonnante, ce qui permet de mettre en lumière et d'analyser l'effet important des formes d'impulsions et des conditions de focalisation sur nos résultats expérimentaux. Nous donnons aussi des interprétations récentes de certains résultats publiés auparavant [1]. Dans la deuxième expérience, on mesure la structure fine du niveau 12F, qui est trouvée égale à (0,016 ± 0,008) cm-1 et on montre que nous arrivons aux limites imposées par l'effet Doppler. Les résultats de ces expériences sont en bon accord avec les prévisions théoriques, et permettent de considérer comme satisfaisante l'image physique que nous donnent de l'IMPR les récents travaux à ce sujet.

PACS
3280F - Photoionization of atoms and ions.
3280R - Multiphoton ionization and excitation to highly excited states (e.g., Rydberg states).

Key words
atomic fine structure -- atomic resonant states -- caesium -- ionisation of atoms -- photoionisation