J. Phys. France 51, 2263-2273 (1990)
DOI: 10.1051/jphys:0199000510200226300

High resolution spectroscopy of the hydrogen atom. I. Method and experiment

J.C. Garreau, M. Allegrini, L. Julien et F. Biraben

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'ENS, Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, Tour 12, E01 75252 Paris Cedex 05, France

Abstract
In order to determine the Rydberg constant R∞ to a very high accuracy, we have performed a Doppler-free two-photon absorption experiment on atomic hydrogen and deuterium. We have obtained a new value of R∞ which is in excellent agreement with other recent measurements and the most precise one at the present time. Here we give a detailed report on the method and apparatus we have used. A metastable beam of 2S H and D atoms has been prepared and laser excited to Rydberg nS and nD levels (n≽8) in a two-photon transition. The experimental geometry has been carefully designed to make the atomic beam collinear with the two counterpropagating laser beams. With this set-up we have observed very narrow resonances, with relative linewidths smaller than 10-9. Among all the transitions investigated we have selected three transitions (2S-8D, 2S-10D and 2S-12D) in hydrogen and deuterium to determine R ∞.

Résumé
Pour mesurer la constante de Rydberg R∞ avec une très grande précision, nous avons fait une expérience d'absorption à deux photons sans effet Doppler sur les atomes d'hydrogène et de deutérium. Nous avons obtenu une nouvelle valeur de R∞ qui est en excellent accord avec les autres mesures récentes, et la plus précise à ce jour. Nous décrivons ici en détail la méthode et l'appareillage utilisés. Un jet d'atomes d'hydrogène métastables est excité vers les états de Rydberg nS et nD (n≽8) dans une transition à deux photons. La géométrie expérimentale a été choisie de façon à rendre colinéaires le jet atomique et les faisceaux laser. Avec ce montage, nous avons observé des résonances très étroites avec une largeur relative inférieure à 10- 9. Parmi toutes les transitions observées, nous avons sélectionné trois transitions (2S-8D, 2S-10D et 2S-12D) dans l'hydrogène et le deutérium pour déterminer R∞.

PACS
3280R - Multiphoton ionization and excitation to highly excited states (e.g., Rydberg states).
3150D - Potential energy surfaces for excited electronic states.
3230 - Atomic spectra.
3270F - Absolute and relative intensities.

Key words
atomic excited states -- atomic spectra -- atomic spectral line breadth -- deuterium -- hydrogen neutral atoms -- two photon spectra