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

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 ∞.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∞