J. Phys. France 38, 629-640 (1977)
DOI: 10.1051/jphys:01977003806062900

Doppler-free two-photon spectroscopy of neon. II. Line intensities

G. Grynberg, F. Biraben, E. Giacobino et B. Cagnac

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'E.N.S., Université Pierre-et-Marie-Curie, Tour 12, 75230 Paris cedex 05, France

Abstract
We report in this paper the principle of the calculation of the hyperfine components of a two-photon absorption line and we compare the results of the calculation with some of our expérimental results. In the first part of the paper, the two-photon transition operator is expanded on a tensorial irreductible set basis. That operator is generally the sum of two operators, one scalar and the other one quadrupolar. We deduce from it the selection rules for two-photon absorption and the formulae which permit one to calculate the intensities of the hyperfine components of a two-photon absorption line. We also report the density matrix in the excited state obtained after the two-photon excitation process, which permits one to calculate the fluorescence lines. At last we present the atomic quantities involved in the collision broadening of a two-photon absorption line. In the second part, we present the experimental hyperfine spectra obtained on the neon 21 atom for the transitions between the 3s[3/2] 2 metastable level and the 4d'[5/2] 2, 4d'[3/2] 2 and 4d[3/2] 2 excited levels. We show that the expérimental ratios between the scalar and the quadrupolar parts are very different from one transition to another. At last we compare these ratios with theoretical values obtained using the formulae of the first part. We find a good agreement between expérimental and theoretical values.

Résumé
Nous présentons dans cet article le principe du calcul des intensités des composantes hyperfines d'une raie d'absorption à deux photons et nous comparons les résultats du calcul à nos résultats expérimentaux. Dans la première partie de l'article nous décomposons l'opérateur transition à deux photons sur une base d'opérateurs tensoriels irréductibles. Cet opérateur est en général la somme de deux opérateurs, l'un scalaire, l'autre quadripolaire. Nous en déduisons les règles de sélection pour l'absorption à deux photons ainsi que les formules permettant de calculer l'intensité des composantes hyperfines d'une raie d'absorption à deux photons. Nous donnons également la matrice densité dans l'état excité après le processus d'excitation à deux photons, ce qui permet de calculer l'intensité des raies de fluorescence. Nous étudions enfin les grandeurs intervenant dans l'élargissement par collision d'une raie d'absorption à deux photons. Dans la seconde partie nous présentons les spectres hyperfins expérimentaux obtenus dans l'atome de néon 21 pour les transitions entre le métastable 3s[3/2] 2 et les niveaux excités 4d'[3/2] 2, 4d'[5/2] et 4d[3/2] 2. Ces transitions sont intéressantes parce que les moments cinétiques extrêmes de la transition étant égaux, l'opérateur transition à deux photons comporte une partie isotrope et une partie quadripolaire. Nous montrons que les rapports expérimentaux entre les parties scalaires et quadripolaires de la transition sont très différents d'une transition à l'autre. Nous montrons enfin qu'un calcul théorique utilisant les formules de la première partie permet de rendre compte de ces rapports.

PACS
3230J - Visible and ultraviolet spectra.
3270F - Absolute and relative intensities.
3280R - Multiphoton ionization and excitation to highly excited states (e.g., Rydberg states).

Key words
neon -- two photon spectra