实验93_光磁共振

实验9.3光磁共振引言光磁共振技术是２０世纪５０年代法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Ｋａｓｔｌｅｒ）提出的。他于１９９６年获诺贝尔物理学奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。实验目的１．掌握光抽－运磁共振－光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。２．测定铷同位素Ｒｂ８７和Ｒｂ８５的ｇF因子，测定地磁场。实验原理光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。1．铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：Ｒb87和Ｒb85。根据ＬＳ耦合产生精细结构，它们的基态是52Ｓ1／2，最低激发态是52Ｐ1／2和52Ｐ3／2的双重态。对Ｒb87，52Ｐ1／2—52Ｓ1／2跃迁为Ｄ1线（λ1＝7９４8）；52Ｐ3／2—52Ｓ1／2为Ｄ2线（λ2＝7200）。铷原子具有核自旋I，相应的核自旋角动量为ＰI，核磁矩为μI。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即ＰI和ＰJ耦合成总角动量ＰF，F为总量子数：F＝I＋Ｊ，…，｜I－Ｊ｜。对Ｒb87，I＝3／2，因此Ｒb87的基态有两个值：F＝2和F＝1。对Ｒb85，I＝5／2，因此ＲB85的基态有F＝3和F＝2。由量子数F标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量ＰF与总磁矩μF之间的关系为：μF＝-gFPF（9.3-1）ｇF＝gJ(9.3-2）在磁场Ｈ中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某－F值，磁量子数ＭF＝F，…，AA－F，即分裂为2F＋1个能量间距相等（ΔＥ＝ｇFμBＨ，μB为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图9.3-1）。在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布（Ｎ＝Ｎ0ｅ－E／kT），由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。2．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应对塞曼效应原子能级跃迁，ＭF通常的选择定则是ΔＭF＝０，±1，但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对于左旋圆偏振的σ＋光子与原子相互作用，因它具有一个角动量＋，原子吸收了它就增加了一个角动量＋值，则只有ΔＭF＝＋1的跃迁。Ｒb87的52Ｓ1／2和52Ｐ1／2态的ＭF最大值都是＋2，当入射光为σ＋时，由于只能产生ΔＭF＝＋1的跃迁，基态52Ｓ1／2中ＭF＝＋2子能级的粒子跃迁概率为０，而粒子从52Ｐ1／2返回52Ｓ1／2的过程，由于是自发跃迁，按选择定则ΔＭF＝０，±1布居，从而使得ＭF＝＋2粒子数增加（见图9.32）。这样经过若干循环后，基态ＭF＝＋2子能级上粒子布居数大大增加，即ＭF≠＋2的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到ＭF＝＋2上，造成粒子数反转，这就是光抽运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，ＲB原子对光的吸收减弱，直至饱和不吸收。同时，每一ＭF表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有ＭF＝＋2的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。σ－光有同样作用，不过它是将大量粒子抽运到ＭF＝－2子能级上。当为π光时，由于ΔＭF＝０，则无光抽运效应，此时Ｒb原子对光有强的吸收。3．弛豫过程原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高光抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。４．射频诱导跃迁——光磁共振光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为1的右旋圆偏振射频场Ｈ1，并使ｈ1等于相邻塞曼子能级差：ｈ1＝ΔＥ＝ｇFμBＨ（9.3-3）则塞曼子能级之间将产生磁共振，使得被抽运到ＭF＝＋2能级的粒子产生感应诱导跃迁，从ＭF＝＋2依次跳到ＭF＝＋1，０，－1，－2等子能级，结果使粒子趋于原来的均衡分布而破坏了偏极化。但是由于抽运光的存在，光抽运过程也随之出现。这样，感应跃迁与光抽运这两个相反的过程将达到一个新的动态平衡。产生磁共振时除能量守恒外还需角动量守恒。频率为1的射频场Ｈ1是加在垂直于恒定水平磁场方向的线偏振场，此线偏振场可分解为一右旋和一左旋圆偏振场，为满足角动量守恒，只是与原子磁矩作拉摩尔旋进同向的那个圆偏振场起作用。例如当用σ＋光照射时，起作用的是角动量为－的右旋圆偏振射频场。5．光探测射到样品上的Ｄ1σ＋光一方面起光抽运的作用，另一方面透过样品的光兼作探测光，即一束光起了抽运与探测两个作用。由于磁共振使Ｒb对Ｄ1σ＋光吸收发生变化，吸收强时到达探测器的光弱，因此通过测Ｄ1σ＋透射光强的变化即可得到磁共振信号，从而实现磁共振的光探测。磁共振的跃迁信号是很微弱的，特别是对于密度非常低的气体样品的信号就更加微弱，由于探测功率正比于频率，直接观测是很困难的。利用磁共振触发光抽运，导致了探测光强的变化，便是巧妙地将一个低频（射频，约1ＭＨｚ）量子的变化转换成一个高频（光频，约1０8ＭＨｚ）量子的变化，这就使观测信号的功率及灵敏度提高了约8个数量级。实验仪器光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、双踪示波器、直流数字电压表。全部实验仪器与装置如图9.3-３所示。具体说明如下：光泵磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。主体单元是该实验的核心部分，它由三部分组成：Ｄ1σ＋抽运光源、吸收室区和光电探测器。Ｄ1σ＋抽运光源包括铷光谱灯、干涉滤色片、偏振片、波片和透镜组成。铷光谱灯是一种高频无极气体放电泡，处于高频振荡回路的电感线圈中，受高频电磁场的激励而发光。干涉滤色片能很好地滤去Ｄ2光（它不利于Ｄ1光的光抽运）而只让Ｄ1光通过，偏振片和波片将该光输出左旋圆偏振的Ｄ1σ＋光（或右旋圆偏振的Ｄ1σ－光）。吸收室区的中心是充以天然铷和惰性缓冲气体的玻璃吸收泡。该泡两侧对称放置一对与水平场正交的射频线圈，为铷原子系统的磁共振提供射频场，射频场源由射频信号发生器提供，其信号频率由数字频率计显示。吸收泡和射频线圈都置于恒温槽内（称它们为吸收池），槽内温度从４0℃到７0℃连续可调。吸收池放在两对相互垂直的亥姆霍兹线圈的中心。较小的一对线圈产生的磁场用于抵消地磁场的垂直分量；较大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，为铷原子提供使超精细能级产生塞曼分裂的直流磁场Ｈ0，另一组为扫场线圈，它在水平直流磁场上叠加一个调制磁场，其扫场波形由双踪示波器的一踪显示。光电探测器是硅光电池，它接收透过吸收泡的Ｄ1σ＋光，转换成电信号，放大滤波后送到双踪示波器另一踪显示。铷光谱灯、恒温槽、各线圈绕组以及光电探测器的电源均由辅助源提供，其中水平线圈和垂直线圈的电压由直流数字电压表读出。实验内容1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约需３０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。同时旋转波片，可获得最佳光抽运信号（图9.3-４）。扫场是一交流调制场。当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。３．测量基态的ｇF值由磁共振表达式得ｇF=(9.3-４）可由频率计给出，因此如知Ｈ便可求出ｇF。此处Ｈ是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。实验采用将水平场换向的方法来消除地磁水平分量和扫场直流分量。先将水平场和扫场与地磁场水平方向相同，扫场为三角波，水平场电压调到一定值。调节射频信号频率，发生磁共振时将观察到图9.3-5ａ波形，此时频率为1（对应于总场为Ｈ1），再改变水平场方向，仍用上述方法得到频率2（对应于总场为Ｈ2），如图9.3-5ｂ所示。这样就排除了地磁场水平分量和扫场直流分量的影响。而水平场对应的频率为＝（1＋2）／2，水平磁场的数值可由水平电压和水平亥姆霍兹线圈的参数来确定。由于Ｒｂ87与Ｒｂ85的ｇF值不同，根据对Ｒｂ87的／Ｈ＝7０００ＭＨｚ／Ｔ，对Ｒｂ85的／Ｈ＝４7００ＭＨｚ／Ｔ可知，当水平场不变时，频率高的为Ｒｂ87共振信号，频率低的为Ｒｂ85共振信号；当射频不变时，水平磁场大的为Ｒｂ85共振信号，水平磁场小的为Ｒｂ87共振信号。还要注意的是，因为三角波扫场的波峰和波谷处的磁场强度不同，故对每一同位素将分别在波峰和波谷处观察到不同频率的磁共振信号。上述实验是固定水平磁场调节射频频率的方法（调频法），还可以采用固定射频频率调节水平磁场的方法（调场法）进行。４．测量地磁场同测ｇF方法类似，先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同测得1，然后同时改变扫场和水平场的方向测得2，这样得到地磁场水平分量对应的频率为ν＝（1－2）／2，即排除了扫场和水平场的影响，从而得到Ｈ地水平=,而Ｈ地垂直已在实现最佳光抽运信号时测知，由此可得地磁场的大小和方向：（3.2-5）（3.2-6）注意事项１．本实验是在弱磁场中进行的，为保证测量的准确性，主体单元一定要远离其他带有电磁性物体、强电磁场及大功率电源线。磁场方向判断过后，务必取出指南针。２．为避免外界杂散光进入探测器，主体单元应罩上黑布。３．在精测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响，可短时间关掉吸收池加温电流。４．亥姆霍兹线圈轴中心处磁场的运算公式为Ｈ=·×１０-7Ｔ式中：Ｎ——线圈每边匝数；Ｒ——线圈线绕电阻（Ω）；ｒ——线圈有效半径（ｍ）；Ｕ——场直流电压（Ｖ）。其中各线圈的Ｎ、ｒ、Ｒ等参数实验室已给出，Ｕ由数字电压表读出。数据处理线圈参数水平线圈垂直线圈扫描线圈匝数N250100250线圈半径r(m)0.2410.15300.2360线圈电阻R(Ω)24.7525.4224.30测量垂直分量时，U垂直=−1.48V.水平磁场扫描磁场Rb85Rb87++968.0KHz1459.0KHz——694.5KHz1020.4KHz—+315.6KHz468.1KHz测量水平分量时，U水平=6.80V.第一步，计算地磁场的垂直分量B地垂直：B地垂直=16π532∗NUR1r1∗10−7=16∗3.14532∗100∗1.480.1530∗25.42∗10−7=1.71∗10−5