光泵磁共振

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,光泵磁共振试验,物理与电子科学学院,仲明礼,光泵磁共振引言,这个试验方法是由法国物理学家Kastler在1950年首创的。,1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒Alfred Kastler，19021984，以表彰他觉察和进展了争论原子中光磁共振的光学方法光抽运的方法。,问题的提出,磁共振信号的特点是：区分率高共振频率很窄、很精细灵敏度低信号弱,气体原子塞曼子能级间的磁共振信号特别弱，仅用磁共振的方法难于观看。,怎样才能既保持了磁共振区分率高的优点，同时又能提高气体的探测灵敏度?,光泵磁共振的根本思想,利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman能级上粒子分布的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann分布。光抽运过程,然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进展扰动，打破这种偏极化状态，使Zeeman能级上粒子重新分布。磁共振过程,利用光探测器对抽运速率变化光抽运信号进展观看和测量，来探测争论原子Zeeman能级的超精细构造。光探测过程,试验过程是光抽运与磁共振交替进展的过程,一试验目的：,1、了解光泵磁共振的原理，观看光磁共振现象。,2、测量铷Rb原子的g因子及地磁场的大小。,二、试验原理,一、铷原子基态和最低激发态的能级的分裂状况,1、铷Z=37是一价金属元素，自然铷有两种稳定的同位素：85Rb和87Rb，二者的比例接近2比1。,2、铷原子基态：两种同位素的基态都是52S1/2，即n=5主量子数，L=0轨道量子数，S=1/2自旋量子数，J=1/2总角动量量子数,LS耦合 ,3,、铷原子最低激发态：,5,2,P,1/2,，,5,2,P,3/2,，,L,=,1,铷原子的最低激发态 L=1，S=1/2在LS耦合下，发生能级分裂，产生出精细构造。,轨道角动量：自旋角动量：,总的角动量：,总角动量量子数：,最低激发态：L1，S12，J32，12,4,、,5P5S,能级间的跃迁产生出铷原子主线系的两条光谱线,它们的波长分别是：794.8nm和780.0nm,试验中只争论780.0nm,5,、电子的总磁矩,J,与总角动量,P,J,的关系,通过LS耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外J电子的总磁矩J 为：,其中,就是著名的Longde因子，m是电子质量，e是电子电量。,6、核磁矩与电子的总磁矩相互作用造成能级的附加分裂，产生出超精细构造JI耦合,核角动量,P,I,和核外电子的角动量,P,J,耦合成一个更大的角动量，用符号,P,F,表示：,对于,5,2,S,1/2,：,87,Rb,：,I,3,2,，,J,1,2,，,F,2,，,1,对于,5,2,P,1/2,：,87,Rb,：,I,3,2,，,J,1,2,，,F,2,，,1,核磁矩与电子的总磁矩相互作用的超精细构造,7,、原子的总磁矩,F,与总角动量,P,F,的关系,通过,J,I,耦合形成了原子的总角动量,P,F,，与此相联系的原子的总磁矩,F,为：,其中,是对应于,F,与,P,F,关系的,Longde,因子，,m,是电子质量，,e,是电子电量。,8,、总磁矩与外场相互作用产生附加的能量,在有外静磁场B的状况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量,其中B称为玻尔磁子,，共有个值,相邻的子能级的能量差为：,9、在有外磁场B的状况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量，产生出塞曼能级,二、光抽运过程粒子数的偏极化过程,87Rb原子受D1+左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则：,由于+光子的角动量为+h，故只能产生MF+1的跃迁。,由 52P1/2到 52S1/2 放射光子的跃迁中MF0，1的各种跃迁都是可能的。,87Rb原子受D1+左旋圆偏振光照射时间抽运的结果,在没有D1+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，消失了“偏极化”的现象，也叫“粒子数反转”,(,三,),、弛豫过程,系统由非平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程弛豫过程,试验中应减缓这个过程。,方法是：再铷样品泡中充入肯定量磁性很弱的氮气或氖气。由于这类气体对铷原子状态的扰动很小，不影响原子分布的偏极化。,四、核磁共振过程,1、磁共振的条件和选择定则,假设在垂直于静磁场B方向上加一射频振荡的磁场。,磁共振的频率条件：,1,磁共振跃迁的选择定则：,。,2,、磁共振跃迁的过程,在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会放出一个频率为、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子，而跃迁到MF=+1的子能级，MF=+2上的原子数就会削减。,同样，MF=+1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到MF=0的子能级上如此下去，5S态的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光吸取过程重又开头。,跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。,3,、磁共振跃迁的结果,在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会发生磁共振跃迁。,这种磁共振跃迁破坏了光抽运过程形成的片极化，随之5S态的8个子能级上全有了原子各能级上的粒子数重新分布。,使得光抽运过程得以连续进展。,三、试验装置,实物图,四、光抽运与磁共振的过程在光探测器上的显示,当光抽运过程进展时，照射到铷样品泡中D1+光，由于被样品泡中铷原子吸取掉一局部，所以此时，光电接收器输出的电信号减小。,当铷原子全部被“抽运”到MF=+2的子能级上时，样品泡中铷原子不再吸取光，此时，光电接收器输出的电信号最强。,当满足磁共振条件时，处于MF=+2子能级上的原子会发生磁共振跃迁。各能级上的粒子数重新分布，光抽运过程得以重新进展，光电接收器输出的电信号立刻增加。,试验过程就是光抽运与磁共振同时进展的过程，一旦磁共振立刻进展光抽运,五、用扫场法和调频法实现磁共振,磁共振的频率条件：,扫场信号,B,：周期性扫场信号一般有两种：方波信号和三角波信号。,总的磁场,B=B,0,+B,：实际是,B,total,=B,DC,+B,S,+B,e,B,t,B,t,B,0,B,0,0,B,B,t,B,t,六、光泵磁共振的应用,光磁共振方法的主要应用是为争论原子物理的供给了一种重要的试验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细构造和超精细构造、能级寿命、塞曼分裂，原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。,利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，,也可以制成高稳定度的原子频标。,七、试验内容,一光抽运信号的观看,方波信号用于观看“光抽运”过程，在参加了周期性的“扫描场”以后，总磁场为：,Btotal=BDC+BS+Be,试验要求BDC+Be0,二、测量gF因子,2,3,B,0,0,B,t,B,0,0,B,t,由、3式得：,BDC可依据亥姆霍兹线圈磁感应强度计算公式算出,三地磁场的测量,1、先使扫场和水平场与地磁场水平重量方向一样，测得：4,2、使扫场、水平场方向与地磁场水平重量方向相反，又得到：5,由4，5两式得：,6,3、垂直磁场由下式计算：,其中I为亥姆霍兹线圈内的电流，在光抽运信号最强最均匀时测出,