5-2光泵磁共振

15.2光泵磁共振观测气体原子的磁共振信号是很困难的，因为气态物质比凝聚态物质的磁共振信号微弱得多．1950年，法国物理学家卡斯特勒（A.Kastler）发明了光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和原子频标的发展打下了基础，卡斯特勒因而荣获了1966年的诺贝尔物理学奖．光泵磁共振（opticalpumpingmagneticresonance，OPMR），实际上是一个射频信号可以控制一个光频信号的吸收过程．本实验以铷（Rb）原子气体为样本，观察光磁共振现象，并测量85Rb和87Rb两种同位素原子的朗德gF因子．一、实验目的1．掌握光抽运−磁共振−光检测的实验原理及实验方法；2．研究铷原子能级的超精细结构；3．测定铷同位素85Rb和87Rb的朗德因子gF．二、实验原理1．铷原子的基态和最低激发态铷（Rb，Z＝37）是一价碱金属元素，天然铷有两种稳定的同位素：85Rb（占72.15%）和87Rb（占27.85%）．它们的基态都是52S1/2，即主量子数n＝5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J＝1/2（L-S耦合）．在L-S耦合下，铷原子的最低光激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L＝1，自旋量子数S＝1/2，电子的总角动量量子数J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，L-S耦合形成双重态：52P1/2和52P3/2．这两个状态的能量不相等，原子能级产生精细分裂，因此，从5P态到5S态的跃迁产生双线，分别称为Dl和D2线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm，其形成过程表示在图5.2.1中．图5.2.1Rb原子光谱的D双线结构．通过L-S耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ为其中就是著名的朗德（Longde）因子，m是电子质量，e是电子电荷．原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示．核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦,(5.2.1)2JJJegPm1111,(5.2.2)21JJJLLSSgJJ2合成一个更大的角动量，用符号PF表示，其量子数用F表示，则与此角动量相关的原子的总磁矩μF为其中通过原子核角动量−电子总角动量耦合，得到原子的总角动量PF，总角动量量子数F=I+J，…，|I-J|．F不同的原子状态的能量不相等，原子能级产生超精细分裂．我们来看一下具体的分裂情况．87Rb的核自旋I=3/2，85Rb的核自旋I＝5/2，因此，两种原子的超精细分裂将不相同．我们以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况．对于电子态52S1/2，角动量PJ与角动量PI耦合成的总角动量PF有两个量子数：F＝I+J和I-J，即F＝2和l．同样，对于电子态52P1/2，耦合成的总角动量PF也有两个量子数：F=2和l．而对于电子态52P3/2，耦合后的总角动量PF有四个量子数：F=3，2，l，0．在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外磁场相互作用，使原子产生附加的能量其中μB=eħ/2m=9.274×10-24JT-1为玻尔磁子，MF是PF的第三分量Pz的量子数，MF＝-F，-F+1，...，F-1，F，共有2F+1个值．我们看到原子在磁场中的附加能量E随MF变化，原来对MF简并的能级发生分裂，称为塞曼效应，一个F能级分裂成2F+1个子能级，相邻子能级间的能量差为我们可以画出原子在磁场中的塞曼分裂情况，如图5.2.2所示．实验中D2线被滤掉，所以所涉及的52P3/2态的分裂也就不用考虑．图5.2.287Rb原子能级的超精细分裂和塞曼分裂．2．光抽运效应在热平衡状态下，各能级的粒子数分布遵从玻尔兹曼统计规律．由于超精细塞曼子能级间的能量差很小，可近似的认为由铷原子52S1/2态分裂出的8条子能级上的原子数接近均匀分布；同样，由52P1/2态分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布．但这不利于观测这些子能级间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子，使原子能级的粒子数分布产生重大改变．.(5.2.3)FIJPPP,(5.2.4)2FFFegPm111.(5.2.5)21FJFFIIJJggFFB,(5.2.6)22FFzFFFFeeEBgPBgMBMgBmmB.(5.2.7)FEgB3实验中，我们要对铷光源进行滤光和变换，只让左旋圆偏振（D1σ+）光通过并照射到铷原子蒸气上．处于磁场中的铷原子对左旋圆偏振光的吸收遵守如下的选择定则：ΔF＝±1,0；ΔMF＝+l．根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图5.2.3左半部分所示．我们看到，5S能级中的8条子能级，除了MF＝+2的子能级外，都可以吸收（D1σ+）光而跃迁到5P的有关子能级；另一方面，跃迁到5P能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S能级，发出自然光，退激跃迁的选择定则是：ΔF＝±1,0；ΔMF＝±1,0．相应的跃迁见图5.2.3的右半部分．我们注意到退激跃迁中有一部分原子的状态变成了5S能级中的MF=+2的状态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P能级去的，但是那些回到其他7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级．当光连续照着，跃迁5S→5P→5S→5P的过程就会持续下去．这样，5S态中MF=+2的子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对（D1σ+）光的吸收越来越弱，透射光强逐渐增强，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到如此程度，以至于没有几率吸收光，透射光强测量值最大．我们把此时原子的状态称为“偏极化”状态．图5.2.387Rb原子对（D1σ+）光的吸收和退激跃迁．通过以上的讨论可以得出这样的结论：在没有（D1σ+）光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当（D1σ+）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，出现了“粒子数反转”的现象，这就是光抽运效应．对于85Rb，（D1σ+）光是将原子抽运到MF=+3的子能级上．顺便指出：如果入射光是（D1σ-）（即右旋圆偏振光），处于磁场中的铷原子对右旋圆偏振（D1σ-）光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔMF＝-l．跃迁过程与图5.2.3所示类似，只是原子被“抽运”到MF=-2的子能级上．如果入射光是π光（电矢量方向与磁场方向平行），处于磁场中的铷原子对π光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔMF＝0．即每一个子能级上的原子都可以向上或向下跃迁，原子不会在某一个能级上产生积聚，所以铷原子对π光有强烈吸收但无光抽运效应．3．弛豫过程光抽运使得原子在能级上的分布趋于偏极化而达到非平衡状态，原子系统将会通过弛豫过程恢复到热平衡状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内冲入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡内铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响铷原子在能级上的分布，从而保持铷原子系统有较高的偏极化程度．4．光磁共振与光检测在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁4场，并且调整射频量子的频率ν，使之满足这时将出现“射频受激辐射”．即在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会放出一个频率为v、方向和偏振态与入射射频量子完全一样的量子而跃迁到MF＝+l的子能级上，MF=+2上的原子数就会减少；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，即发生了磁共振，（5.2.8）式为共振条件．如此下去，5S态的子能级上很快就都有了原子，于是又开始光抽运过程，透射光强测量值降低．由于在偏极化状态下样品对入射光的吸收很少，透过样品泡的（D1σ+）光已达最大；但是一旦发生磁共振跃迁，样品对（D1σ+）光的吸收将增大，则透过样品泡的（D1σ+）光必然减弱．即只要测量透射光强度的变化就可实现对磁共振信号的检测．由此可见，作用在样品上的（D1σ+）光，一方面起抽运作用，另一方面可把透过样品的光作为检测光，即一束光同时起到了抽运和检测两重作用．三、实验装置本实验使用的是DH807A型光磁共振实验仪，它由主体单元、信号源、主电源和辅助电源等部分组成．其中信号源提供频率和幅度可调的射频功率信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电流；辅助源提供水平磁场调制信号（10Hz方波和10Hz三角波，调制电流的方向可反转）以及对样品室温度的控制．主体单元是本实验的核心，如图5.1.4所示，它由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光探测器以及两组亥姆霍兹线圈组成．图5.1.4主体单元示意图．天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52mm的玻璃泡内，玻璃泡的两侧对称放置一对小射频线圈，它为磁共振提供射频磁场．这个铷吸收泡和射频线圈都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”，槽内温度约在55°C左右．吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心．垂直磁场线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量．水平磁场线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂．另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场．铷光谱灯作为抽运光源．光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两透镜的焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上．干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出D1光．偏振片和1/4波片（和准直透镜装在一起）使出射光成为左旋圆偏振光．发生磁共振时，透过铷吸收泡的光强由于铷原子的吸收而减弱，经过终端的光电探测器测量并放大，通入示波器进行观察。B,(5.2.8)FvEgB5四、光抽运过程和磁共振现象的观察由辅助源提供的水平磁场调制信号也称为“扫场信号”，扫场信号有两种：方波信号和三角波信号．方波信号用于观察“光抽运”过程，三角波信号用于观察磁共振现象．在加入了周期性的“扫描场”以后，总水平磁场为其中BDC是由通有直流电流的水平磁场线圈所产生的磁场，方向在水平方向，Be//是地磁场的水平分量，BS是周期性的扫描场，也在水平方向．1．用方波观测光抽运过程将水平直流磁场BDC调到零，加上方波扫场信号，使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，并调节方波扫场信号的幅度使总磁场过零并对称分布（其波形见图5.2.5）．在方波刚加上的瞬间，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近似相等，即每个子能级上的原子数各占总原子数的l/8，因此，将有7/8的原子能够吸收（D1σ+）光，此时对光的吸收最强，探测器上接收的光信号最弱．随着原子逐步被“抽运”到MF＝+2的子能级上，能够吸收（D1σ+）光的原子数逐渐减少，透过样品泡的光逐渐增强．当抽运到MF＝+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化．当扫场过零时，各子能级简并，原来被抽运到MF＝+2子能级上的原子，通过碰撞使自旋混杂，各子能级上的原子数又接近相等．当扫场反向以后，各子能级重新分裂，对（D1σ+）光的吸收又达到了最大．在示波器上就可以观察到如图5.2.5(a)所示的光抽运信号．地磁场对光抽运信号有很大的影响，特别是地磁场的垂直分量．当地磁场垂直分量被抵消，即垂直方向总磁场为零时光抽运信号最好；当垂直方向磁场不为零，且扫场方波正反向磁场幅度不同时，将出现如图5.2.5(b)和(c)所示畸变的光抽运信号．图5.2.5方波扫场信号和光抽运信号．2．用三角波观察磁共振现象光泵磁共振的观测方法有调频法和调场法两种，本实验采用调频法，即将水平磁场调到一确定值后，调节射频信号的频率使之产生共振．调节直流磁场BDC至某个值，加上一个小幅度的三角波扫场信号．三角波扫场的作用是使总水平磁场在一定大小范围内变化，从而使光磁共振在一定范围内都可发生而不是只在某一点出现，便于实验中共振信号的观察和测量．通过