Efeito do campo magnético na transição ressonante por dois fótons induzida por um trem de pulsos ultracurtos

Neste trabalho estudamos o efeito de um campo magnético oscilante sobre uma transição de dois fótons em átomos de Rubídio, quando excitados por um laser de Titânio-safira de femtosegundos. Os átomos, na forma de vapor, na proporção isotópica natural, estão contidos em uma célula fechada, a qual é aquecida por pequenas bobinas que são alimentadas por uma corrente variável (ac). Com o comprimento de onda central do laser em 778 nm, os átomos são excitados do estado 5S para o estado 5D e depois podem decair para o estado fundamental via o estado 6P, emitindo um feixe em 420 nm co-propagante ao do bombeio. A oscilação da corrente nas bobinas gera um campo magnético variável no tempo cujo efeito sobre os átomos se manifesta em oscilações no sinal analisado em 420 nm. Como os estados envolvidos no processo de excitação, 5S-5P-5D, têm tempo de vida muito maior que a separação temporal entre os pulsos do laser, podemos considerar que os átomos interagem, não com um único pulso, mas com um pente de frequências. Isto nos permite tratar o processo de excitação como sendo realizado por um grande número de lasers contínuos e considerar o efeito Zeeman devido à presença do campo magnético. No regime estacionário, a absorção de dois fótons pode ocorrer através de um processo direto ou em duas etapas. No processo de absorção direto, com dois fótons simultâneos e um nível virtual, a variação na intensidade do sinal na presença do campo magnético é muito pequena, devido ao alargamento Doppler, e não consegue explicar a variação no sinal observada. Já no processo de absorção em duas etapas, que têm três níveis reais, ressonante com o nível intermediário 5P, temos uma condição de dupla ressonância, a qual deixa de ser satisfeita quando o campo magnético muda a energia dos subníveis Zeeman. Embora os átomos apresentem uma distribuição de velocidades descrita por uma função Gaussiana, os resultados experimentais são bem descritos quando consideramos uma probabilidade de transição, para a dupla ressonância, dada por uma função Lorentziana. Também mostramos que, para campos magnéticos pequenos, da ordem do campo gerado pelas bobinas ao redor da célula, é a largura de linha do nível superior 5D5/2 que governa esta probabilidade de transição.FACEPEIn this work, we study the effect of an oscillating magnetic field on a two-photon transition in rubidium atoms, when excited by a femtosecond Titanium-sapphire laser. A Rb vapor in natural isotropic proportion, is in an optical sealed cell, which is heated by small coils that are fed by a variable current (AC). With the laser’s central wavelength at 778 nm, the atoms are excited from the state 5S to 5D state, and then can decay to the ground state via 6P state, emitting a co-propagating beam at 420 nm. The oscillation of the current in the coils generates a variable magnetic field whose effect on the atoms is manifested in oscillations in the analyzed signal at 420 nm. As the states involved in the excitation process, 5S-5P-5D, have lifetime larger than the temporal separation between the laser pulses, we can consider that the atoms interact, not with a single pulse, but with a frequency comb. This allows us to treat the excitation process as performed by a large number of continuous lasers and consider the Zeeman effect due to the presence of the magnetic field. At steady regime, the two-photon absorption can occur through a direct process or in two stages. In the direct two-photon absorption, the signal intensity variation in the magnetic field is very small due to the Doppler broadening, and doesn’t explain the observed signal variation. In the two steps process, resonant with an intermediate level 5P, we have a double resonance condition, which is no longer satisfied when the magnetic field changes the energy of the Zeeman sublevels. Although the atoms show a velocity distribution described by a Gaussian function, the experimental results are well described when considering a transition probability for double resonance, give by a Lorentzian function. We also show that for small magnetic fields, of the order of field generated by coils surrounding the cell, is the linewidth of 5D5/2 state that determines this transition probability