Cartographier un faisceau focalisé au delà de l'approximation paraxiale avec des transitions quasi-interdites : transfert du moment orbital, superchiralité, ... Daniel Bloch* 1 , Vasily Klimov 2 , Martial Ducloy 1 , Pedro Chaves de Souza Segundo 3 , Satoshi Tojo 4 , Jose R Rios Leite 5 1. Laboratoire de physique des lasers, CNRS et Université Paris 13 - Sorbonne Paris-Cité, 93430 Villetaneuse 2. P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscou 119991, Russie 3. Centro de Educação e Saúde, UFPCG ( Universidade Federal de Paraiba – Campina Grande), Cuité, PB, Brésil 4. Department of Physics, Chuo university, Tokyo, Japon 5. Departamento de Fısica, Universidade Federal de Pernambuco, 50670-901 Recife, PE, Brésil * daniel.bloch@univ-paris13.fr La démonstration par Allen et al. [1], en électromagnétisme "classique", que les faisceaux Laguerre- Gauss (LG) portent un moment angulaire orbital quantifié, mais possiblement supérieur à l'unité, laissent souvent les opticiens perplexes, car les détecteurs usuels en optique sont de type "dipolaire électrique" (E1), ce qui paraît limiter le transfert à une seule unité de moment angulaire pour l'absorption d'un photon. L'étude directe du processus élémentaire d'absorption linéaire entre un faisceau à structure spatiale complexe (LG notamment) et un atome éclaire les processus en jeu. Le transfert d'un moment angulaire élevé peut en fait se diviser en transfert interne à l'atome, et en transfert au mouvement externe de l'atome (analogue de la mise en rotation d'une particule macroscopique absorbant un faisceau LG). Par symétrie, ce transfert au mouvement externe ne peut avoir lieu pour un atome localisé sur l'axe du faisceau LG. Or, contrairement à ce que laisse penser une analyse limitée au seul champ électrique, un faisceau LG n'est pas très "singulier" sur l'axe. Pour un moment orbital l = 2, le champ magnétique n'est pas absolument nul [2]. Il est même non négligeable pour une forte focalisation (diamètre comparable à la longueur d'onde, ce qui interdit l'approximation paraxiale). Il en va de même pour le gradient du champ électrique. Les transitions M1 et E2, "quasi-interdites" en optique, sont donc détectables sur l'axe, dans des situations qui permettent un transfert de plusieurs quantums de moment angulaire [3]. De plus, selon la transition interne (Zeeman) détectée, la cartographie fournit des diamètres apparents différents. Cette analyse ouvre la voie à la recherche d'une possible "superchiralité" [4] d'un champ LG, ou plus généralement d'un champ à structure spatiale complexe : en certains lieux du champ, une excitation sélective de molécules droites, ou gauches, serait possible, plus efficacement même que par une pure discrimination en polarisation (combinaison algébrique d'une transition E1, et d'une transition M1). En revanche, on sait que tant que la détection est effectuée globalement sur la totalité du faisceau, aucune sélectivité chirale ne peut être démontrée malgré l'analogie apparente entre moment de spin (polarisation), et moment orbital d'un faisceau LG. La sensibilité des transitions quadrupolaires à la structure spatiale du champ avait déjà été mise en évidence en contrôlant l'extension spatiale d'une onde évanescente [5]. La possibilité de travailler avec les champs nano-structurés renforce désormais l'intérêt d'exalter la détection de transitions quasi-interdites. Fig. 1 : Cartographie théorique (d'après [2]) d'un faisceau LG( l = 2, p = 6) très focalisé (kw0 = 6) en fonction de la transition Zeeman choisie -transition transition quadrupolaire électrique d'un niveau S vers D-, (de m=0  m'=-2 à gauche, à m=0  m'=+2 à droite La polarisation du faisceau est circulaire ( =-1) et la transition m=0  m'=+1 est donc autorisée sans transfert au mouvement externe. Remerciements Travail soutenu par le PICS France Russie (5813) et le CAPES-COFECUB (Ph 740-12) Références [1] L. Allen et al., "Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes", PRA 45, 8185 (1992) [2] V. Klimov et al., "Detecting photons in the dark region of Laguerre-Gauss beams", Opt. Express, 17, 9798 (2009) [3] V. Klimov et al., "Mapping of focused Laguerre-Gauss beams: The interplay between spin and orbital angular momentum and its dependence on detector characteristics", PRA, 85, 053834 (2012) [4] Y. Tang and A. Cohen, "Optical Chirality and Its Interaction with Matter", PRL. 104, 163901 (2010) [5] S. Tojo et al., "Absorption Enhancement of an Electric Quadrupole Transition of Cesium Atoms in an Evanescent Field," PRL 92, 053001 (2004) View publication stats View publication stats