Optical frequency measurement of the 1S-3S two-photon transition in hydrogen

This article reports the first optical frequency measurement of the $1\mathrm{S}-3\mathrm{S}$ transition in hydrogen. The excitation of this transition occurs at a wavelength of 205 nm which is obtained with two frequency doubling stages of a titanium sapphire laser at 820 nm. Its frequency is measured with an optical frequency comb. The second-order Doppler effect is evaluated from the observation of the motional Stark effect due to a transverse magnetic field perpendicular to the atomic beam. The measured value of the $1\mathrm{S}_{1/2}(F=1)-3\mathrm{S}_{1/2}(F=1)$ frequency splitting is $2 922 742 936.729 (13) \mathrm{MHz}$ with a relative uncertainty of $4.5\times10^{-12}$. After the measurement of the $1\mathrm{S}-2\mathrm{S}$ frequency, this result is the most precise of the optical frequencies in hydrogen

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∞

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∞

High Resolution Spectroscopy of the Hydrogen Atom. III. Wavelength Comparison and Rydberg Constant Determination

This paper is the last of a series giving a detailed description of our recent determination of the Rydberg constant. Here we carefully describe the wavelength comparison procedure. The wavelengths of the three two-photon transitions 2S-8D, 2S-10D, and 2S-12D in hydrogen and deuterium are compared to that of an I2-stabilized He-Ne laser which is the present best reference in the optical domain. The key of this comparison is a high stability Fabry-Perot cavity etalon. The reflective phase shifts are taken into account by changing the length of this cavity ("virtual mirrors method"). In order to measure the Fresnel phase shift we study the frequency difference between the first transverse mode and the fundamental mode of the cavity. From the six measured wavelengths we deduce a new value for the Rydberg constant, R∞ = 109737.315709(18) cm-1, currently the most precise one. The H-D isotopic shifts have been also measured and a value for the proton-to-electron mass ratio is deduced: mp/me = 1836.15259(24)

High resolution spectroscopy of the hydrogen atom - III. Wavelength comparison and Rydberg constant determination

This paper is the last of a series giving a detailed description of our recent determination of the Rydberg constant. Here we carefully describe the wavelength comparison procedure. The wavelengths of the three two-photon transitions 2S-8D, 2S-10D, and 2S-12D in hydrogen and deuterium are compared to that of an I2-stabilized He-Ne laser which is the present best reference in the optical domain. The key of this comparison is a high stability Fabry-Perot cavity etalon. The reflective phase shifts are taken into account by changing the length of this cavity ("virtual mirrors method"). In order to measure the Fresnel phase shift we study the frequency difference between the first transverse mode and the fundamental mode of the cavity. From the six measured wavelengths we deduce a new value for the Rydberg constant, R∞ = 109737.315709(18) cm-1, currently the most precise one. The H-D isotopic shifts have been also measured and a value for the proton-to-electron mass ratio is deduced: mp/me = 1836.15259(24).Cet article est le dernier d'une série de trois donnant une description détaillée de notre mesure récente de la constante de Rydberg. Nous y décrivons soigneusement la méthode de mesure des longueurs d'onde. Les longueurs d'onde des trois transitions A deux photons 2S-8D, 2S-10D et 2S-12D dans l'hydrogène et le deutérium sont comparées à celle d'un laser He-Ne stabilisé sur l'iode, laser qui est actuellement la meilleure référence dans le domaine optique. Cette comparaison est faite à l'aide d'un étalon Fabry-Perot de grande stabilité. Les déphasages à la réflexion sont pris en compte en changeant la longueur de cette cavité ("méthode des miroirs virtuels"). Pour mesurer le déphasage de Fresnel nous étudions la différence de fréquence entre le premier mode transverse et le mode fondamental de cette cavité. A partir des six longueurs d'onde mesurées, nous déduisons une nouvelle valeur de la constante de Rydberg R∞ = 109737, 315709(18) cm-1, la plus précise à l'heure actuelle. A partir des déplacements isotopiques entre l'hydrogène et le deutérium nous déduisons aussi une valeur pour le rapport de masse entre le proton et l'électron: mp/me = 1836.15259 (24)

High resolution spectroscopy of the hydrogen atom. II. Study of line profiles

As second part of the detailed description of our recent work on the Rydberg constant measurement, here (paper II) we present our calculations of the line profiles of the hydrogen 2S-nS and 2S-nD Doppler-free two-photon signals observed in our experiment. Various broadening and shift effects have been considered and detailed calculations of the two-photon transition probability and of the light-shift have been done. The contributions of all possible trajectories of the atoms in the metastable beam have been summed to get the detected signal. The fit of each observed line with the corresponding calculated profile provides the line position with a relative accuracy of a few parts in 1011.Cet article est le deuxième d'une série de trois articles décrivant en détail notre récente mesure de la constante de Rydberg. Nous y présentons le calcul théorique des formes de raies attendues dans notre expérience de spectroscopie à deux photons des transitions 2S-nS et 2S-nD de l'atome d'hydrogène. Les différents effets d'élargissement et de déplacement des raies ont été pris en compte, et nous avons calculé la probabilité de transition à deux photons et le déplacement lumineux sous l'effet de l'interaction des atomes metastables 2S avec le laser. Les contributions au signal de toutes les trajectoires atomiques possibles ont été sommées. La comparaison de chaque profil expérimental avec le profil théorique correspondant donne la position de la raie avec une précision de quelques 10-11