光泵磁共振

NankaiUniversity光泵磁共振实验原理光磁共振光抽运磁共振弛豫过程光抽运当有外磁场存在时，原子的超精细结构进一步发生塞曼分裂。其磁量子数为mF=F，F-1，…，（-F），每一个超精细能级分裂成(2F+1)个塞曼能级，对于塞曼分裂现象。μF与外场B的相互作用能为E=gFμBmFB，相邻塞曼能级间隔为ΔE=gFμBB.L=1L=052P3/2J=3/252P1/2J=1/252S1/2J=1/2F=32102121mF210-1-2-101210-1-2-101精细结构超精细结构塞曼分裂光抽运入射左旋圆偏光D1σ+选择定则：ΔL=+1，ΔF=±1,0；ΔmF=±152S1/2态的mF=+2的能级的粒子不能跃迁原子“抽运”到52S1/2的mF=+2的能级上，其他能级上可以吸收D1σ+光的原子数目越来越少，造成各子能级上粒子数的不均匀分布，称为偏极化。此时，原子对D1σ+光的吸收越来越少，于是透过吸收池的光由弱变强，直到平衡时透过光强不再变化。这就是光抽运现象和由透过吸收池的光强变化测量光抽运现象的基本原理。52P1/252S1/2弛豫过程系统由非热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程1、铷原子与容器碰撞导致子能级之间的跃迁,使原子恢复到热平衡分布,失去光抽运造成的偏极化。2、铷原子之间的碰撞导致自旋-自旋交换弛豫。当外磁场为0时塞曼子能级简并,这种弛豫使原子回到热平衡分布,失去偏极化。3、铷原子与缓冲气体间碰撞。由于缓冲气体分子磁矩很小，碰撞对铷原子磁能态扰动极小,这种碰撞对原子的偏极化基本无影响。措施：加入1.333×𝟏𝟎𝟑Pa的缓冲气体分子磁共振塞曼能级的差ΔE=gFμBB.在垂直于Z方向（磁场方向）上加一射频线偏振场：B1=2B0coswt将其进行正交分解：BX=B0coswtBy=B0sinwtBX=B0coswtBy=-B0sinwt左旋右旋当gF0时，左旋圆偏振场与原子总磁矩的进动方向一致，若调节射频场的频率与拉莫尔角频率相等，则系统发生吸收或感应跃迁，即ħw=ΔE=gFμBB这过程发生在塞曼子能级间，w在射频波段上。光磁共振光抽运和磁共振同时进行要想在实验中观测到磁共振现象，需要人为的在基态塞曼子能级间造成显著的粒子数差，这一任务就由光抽运完成。射在样品上的D1σ+光的一方面是起光抽运作用,另一方面透过样品的D1σ+光又可兼作探测光,即一束光起了抽运与探测两个作用。实验内容（一）创建实验系统射频源辅助源光泵磁共振装置示波器K观察光抽运信号断开射频源，与扫场线圈和示波器连接，输出方波。用指南针判断地磁场方向，使方波磁场与地磁场水平分量相反。调节水平磁场与垂直磁场为0，旋转起偏镜，在示波器上看到部分光被吸收的信号。调节起偏透镜方向和垂直磁场的大小方向，使吸收信号最强。这时垂直磁场与地磁场的垂直分量抵消，且入射光为D1σ+光，在示波器上可以看到:测量87Rb的gF值选择三角波扫场，保持垂直磁场与地垂直磁场相互抵消，调节扫场水平场，与地磁场方向一致。调节水平场大小，使水平磁场为定值。此时，发生光磁共振，在示波器上观察到A图：hν1=gFμB(B水平+B地水平).再调节水平场方向与地磁场水平分量及扫场方向相反，再次发生光磁共振，观察到B图：hν2=gFμB(|B水平|-|B地水平|)于是有：hν1+hν2=2gFμBB水平,这样就消除了地磁场的干扰，从而求出gF的值。由于85Rb和87Rb都会发生共振，其中87Rb的共振频率高，所以87Rb的取值应选共振频率较大的一组。AB测量地磁场已知地磁场垂直分量，测量水平分量（与核磁共振测量B’方法相同）：1.调节水平磁场使其与地磁场的水平分量相同，测出波谷（吸收信号）与波峰相对时的频率值。2.再次调节水平磁场使其与地磁场的水平分量相反，这次要测量波谷（吸收信号）与波谷相对时的频率值。将两个所测出的频率值做差，这样消除了水平磁场与三角波的影响，利用已经测得的gF值，确定地磁场的水平分量。3.最后根据B地=（B2地垂直+B2地水平）1/2的表达式确定地磁场的大小，同时可以确定地磁场与水平方向的夹角：θ=arctan(B地垂直/B地水平)测量共振信号线宽水平磁场为一定值，调节射频频率，在观察到共振谱线后，再次调节射频频率，使共振信号平移。频率改变量Δf可以求出，Δx可以从示波器上读出，线宽的计算表达式为：δ=ΔfΔx𝒅（d为半宽度）测量抽运时间和弛豫时间光抽运时间指原子由非偏极化到偏极化的时间（T1）。弛豫时间，为其逆过程的时间，指原子由偏极化到非偏极化的时间（T2）。测量时使用三角波扫场，使水平磁场与地磁场水平分量相反，调节垂直磁场的大小方向，使光抽运信号最大，改变示波器扫描速度，测出T1,T2。由于弛豫时间与温度有关，改变吸收池温度，观察T1,T2的变化。参考文献【1】高立模近代物理实验天津：南开大学出版社2006.9谢谢！