Le pompage optique est un procédé qui permet de changer d'une manière appréciable les valeurs des populations des états quantifiés des atomes, des molécules et des ions (on désigne par le mot « population » le nombre d'atomes dans un état quantique donné). On peut ainsi créer une distribution de population très différente de la distribution d'équilibre thermique et maintenir un état permanent de cette nouvelle distribution. En irradiant une assemblée d'atomes avec une lumière monochromatique dont la fréquence correspond à une raie d'absorption de l'atome à partir de l'état fondamental (raie de résonance), on peut peupler un niveau excité donné et changer la répartition de population entre les états de structure hyperfine et les états Zeeman de l'état fondamental. On est amené à employer une radiation incidente convenablement polarisée pour modifier la population des états Zeeman.
Dans cet article, après avoir rappelé quelques notions fondamentales relatives aux niveaux d'énergie des atomes, on s'intéressera au mécanisme du pompage optique dans le cas particulier de l'atome de sodium, et on rappellera les applications des techniques du pompage optique aux différents domaines de la physique, en renvoyant, pour plus de précisions, le lecteur à l'article lasers.
1. Répartition entre niveaux d'énergie
L'état énergétique d'une assemblée comprenant un grand nombre d'atomes identiques peut être caractérisé par leur répartition entre les différents niveaux d'énergie : N1 est le nombre des atomes qui se trouvent à l'état E1, et, d'une façon générale, Nn est le nombre d'atomes dans un état d'énergie En. On dit que Nn est la population de l'état En.
Lorsque le milieu auquel appartiennent les atomes est à l'état d'équilibre thermique à une température donnée T, les populations Nn des différents états En obéissent à la loi de Boltzmann, soit Nn proportionnel à exp(− En/kT), où k est la constante de Boltzmann égale au quotient de la constante R des gaz parfaits par le nombre d'Avogadro N :[…]
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