Transit-time effects in saturated absorption resonances

Abstract
The main characteristics of the saturated absorption resonance (its line shape, its amplitude, power and collisional broadening) are studied in detail, experimentally and theoretically, covering both the domain of very small and relatively large saturation levels. In contrast with numerous previous papers, it is shown that the width of the resonance in the free-flight regime is governed only by the typical transit time of molecules across the beam, while the width of the first derivative is equal to the square root of the product of the collisional and transit-time linewidths. The effect of slow molecules on the shape of the resonance and the second-order Doppler shift has been detected and studied experimentally for the first time. The unprecedented accuracy of about 3 parts in 1013 is reported for the laser frequency standard.

Résumé
Les caractéristiques principales des résonances d'absorption saturée (leur forme, leur amplitude, l'élargissement de puissance et de collision) sont étudiées en détail expérimentalement et théoriquement pour des niveaux de saturation très petits et relativement grands. A la différence des travaux précédents on montre que la largeur de la résonance dans le régime de vol libre n'est déterminée que par le temps typique de transit des molécules à travers le faisceau lumineux, tandis que la largeur de la première dérivée est proportionnelle à la racine carrée du produit des largeurs de collision et de transit. Pour la première fois on a détecté et étudié l'influence des molécules lentes sur la forme de la résonance et sur le décalage à cause de l'effet Doppler de second ordre. Nous avons atteint pour la première fois une précision de 3 x 10-13 pour les standards laser de fréquence.