The optical autler-townes effect in doppler-broadened three-level systems

Abstract
Some features of the optical Autler-Townes effect as observed in Doppler-broadened three-level systems, including the physical significance of the observed line splitting, the conditions for the observation of the doublet, the doublet separation and the detuning effects, are discussed in this paper. A graphical illustration of the phenomenon, based on a search for on-resonance velocity groups, is proposed which allows a complete qualitative discussion of the effect and shows that the observed doublet is not really a splitting of the resonance as for the atom at rest but rather corresponds to a frequency hole where the laser probe does not see any resonant velocity group. The method is applied to real three-level systems of neon as typical cases. A semi-classical density-matrix calculation is performed numerically and definitely confirms the results of the qualitative graphical discussion ; furthermore it shows that, for many experimental situations, the first order approximation is inadequate. The observation of the Autler-Townes doublet in a new experiment using two dye lasers is reported. The experimental results and that of one of our previous experiments are compared with the theoretical predictions ; the agreement is quite satisfactory.

Résumé
On discute quelques propriétés de l'effet Autler-Townes optique tel qu'il est observé dans les systèmes à trois niveaux avec élargissement Doppler, et particulièrement la signification physique du dédoublement de raies observé, les conditions d'observation et l'écart de ce doublet, ainsi que les effets dus à un désaccord de fréquence du laser saturant. On propose une représentation graphique du phénomène, fondée sur la recherche de classes de vitesse en résonance, et on en déduit une discussion qualitative complète de l'effet; on montre en particulier que le doublet observé n'est pas vraiment un dédoublement de la résonance comme pour l'atome immobile, mais correspond à l'existence d'un trou de fréquence où le laser sonde ne voit aucune classe de vitesse en resonance. On applique ensuite cette méthode à des cas typiques qui correspondent à des systèmes réels à trois niveaux du néon. Les courbes théoriques obtenues à partir du calcul semi-classique utilisant la matrice densité permettent de confirmer les résultats qualitatifs de la discussion graphique. On montre, de plus, que l'approximation du premier ordre n'est pas suffisante pour de nombreux cas expérimentaux. L'ensemble de ces prédictions théoriques est ensuite confronté à une nouvelle expérience utilisant deux lasers à colorant, ainsi qu'à une expérience récemment publiée. L'accord entre théorie et expérience est tout à fait satisfaisant.