光泵磁共振

光泵磁共振一般来说，要了解样品的物质结构可采用光谱分析法，用光谱仪定性及定量测定物质的原子、分子结构。但要搞清原子、分子内部更加精细的结构和变化，光谱仪的分辨力就不够了。为了得到更高的分辨力，可采用波谱学方法，用微波或射频磁共振研究原子的精细、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能级。对于浓度较大的样品，电子自旋共振和核磁共振，可以得到较强的共振信号；但是，对于浓度较低的气态样品，波谱学方法又无能为力了。为了解决上述问题，1950年代法国科学家卡斯特莱（Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。1966年卡斯特莱因发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。实验目的1．掌握光抽运——磁共振——光探测的实验原理，学习近代物理的测量方法。2．测定铷原子的g因子。3．学习用光泵磁共振技术测量弱磁场。实验原理电子在原子中所处的位置，决定了原子状态，一般用能量来表示。原子的能量只能取一系列分立值，称之为能级。一个能级在一定条件下会发生分裂。我们把能级在LS耦合下的分裂，分别叫做能级的精细结构和超精细结构。在外加磁场作用下，超精细结构能级再次分裂，叫塞曼子能级，本实验所研究的铷原子在弱磁场中塞曼能级间的跃迁，一般很弱，不易观测，需要采用光抽运——磁共振——光探测方法，以提高信号强度。1.铷原子的最低激发态和朗德因子铷原子是一价碱金属，其电子组态是：轨道KLMNO能级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f电子数2262610261由上表可见，铷原子基态是52S1/2能级，最低激发态为5p能级。在LS耦合下分裂为52P1/2和52P3/2能（L=0，S=1/2，J=1/2，3/2），称为铷原子的精细结构能级。5s和5p能级间的跃迁产生两条波长相近的谱线D1（794.2nm）和D2（780.0nm）。原子的轨道磁矩为)0.1(,2=−=LLLLgPmegvvμ(1)自旋磁矩为49)0023.2(,2=−=SSSSgPmegvvμ（2）其中PL和PS分别为电子轨道角动量和电子自旋角动量，gL和gS为相应的g因子，e和m为电子的电荷和质量。LS耦合时，合成的总磁矩为)1(2)1()1()1(1,2++++−++=−=JJSSLLJJgPmegJJJJμ(3)如果在LS耦合的基础上进一步考虑自旋对能级的影响，铷原子的两种同位素87Rb和85Rb的自旋量子数I分别为3/2和5/2，即在LI耦合下，5S和5P能级都将再次分裂，称为超精细结构能级。耦合后的总量子数F=I+J+,···∣I-J∣,87Rb的F=2,1，85Rb的F=3,2。由于原子核的磁矩为IIIIIPmegPMegvvv2'2==μ其中18361'==MmggII因而JIμμ故JFμμ≈，FFFPmegvv2−=μ（4）由此可以得到)1(2)1()1()1(++−+++=FFIIJJFFggJF（5）用上式可以计算出铷原子的g因子理论值。当原子位于恒定外磁场B中，由于原子的总磁矩与磁场的相互作用，原子超精细结构能级又会分裂为2F+1个等间距的塞曼子能级。Fμv与Bv的相互作用能级为BMgBMmegBPmegBEBFFFFFFFμμ==•=•−=hvvvv22（6）其中FFFMF−−=,,1,L；Bμ是玻尔磁子。塞曼子能级的能级间距为BgEBFμ=Δ（7）综上所述，图（1）给出了87Rb的原子能级图，85Rb的原子能级图与此类似，但有更多的塞曼能级。由于本实验只用D1线，而D2线用滤波片滤去，因此图中未画出52P3/2的能级分裂状况。2.实现光泵磁共振的必要条件——粒子的偏极化一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁，称为光跃迁。光跃迁的选择定则是1,1,0±=Δ±=ΔFMF（8）由此可知，用左旋圆偏振光入射时，对于87Rb来说，粒子在52S1/2向52P1/2跃迁，需服从的条件，这样基态能级上的粒子就不能跃迁。而当原子经过无辐射跃迁由52S1/2回到52P1/2时，粒子返回基态各子能级的几率相同。这样经过多次循环，基态的子能级上的粒子数只增不减，积聚形成各子能级上的粒子不均匀分布，称为粒子的“偏极化”。形象地看，就向水泵一样将粒子抽到了+σ1D1D1+=ΔFM2+=F2+=FM+σM2+=FM的基态下的能级50上。所以这种方法称为光抽运或光泵。有了偏极化就可以在子能级间得到较强的共振信号。用右旋圆偏振光照射样品效果类似，这时粒子将积聚到基态−σ1D2−=FM子能级上。但是，由于两者作用相反，如果用σ+和σ-构成的椭圆偏振光进行光抽运，效果就差多了。对于85Rb来说，情况大致相同。图（1）铷原子的分裂跃迁和辐射3.塞曼子能级间的磁共振原子在光抽运产生偏极化后，就不在吸收入射光了。此时透射光最强。如果在垂直于恒定磁场B方向加一频率f可调的射频场；改变B或f，当满足BgEhfBFμ=Δ=0（9）时，将产生磁共振。其塞曼子能级间发生跃迁。跃迁的选择定则是1,0±=Δ=ΔFMF（10）这一跃迁使粒子的偏极化受到破坏，样品对入射光吸收增强，投射减弱，重新开始光抽运。这样循环往复，达到动平衡。将测出的f和B代入式（9），即可求出gF的实验值，将其与理论值相比较，两者的一致性将证明上述分析是正确的。由于87Rb和85Rb产生偏极化的塞曼子能级不同，磁共振的吸收频率也不同，可以用这一特点分别测出它们的g因子。4.光探测入射到样品上的光，不但有光抽运的作用，而且透射光可作为探测光。上述光+σ1D51抽运——磁共振过程，伴随样品对吸收的变化，光抽运时透射光最强，磁共振时最弱。这样通过探测透射光就可以检测到磁共振。这就是本实验的光探测，它巧妙地将一个较低频（1—10MHz）的光子转换成一个高频（108MHz）的光子。并使信号功率提高了7—8个数量级。+σ1D实验装置实验装置如图（2）所示。1.光源部分：使用高频无极放电铷灯作为光源，灯泡置于通过高频电流线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。铷光谱含上述D1和D2两条谱线。D2不利于光抽运，在灯光出口处加一滤波片将其滤去。这时铷只射出波长为7948A的D1谱线。2.偏振片、1/4波片和凸透镜组件：偏振片使D1谱线变成线偏振光，1/4波片再将偏振光变成圆偏振光（σ+或σ-）。凸透镜L1（f=77mm）将入射光变成平行光。3.吸收池：由内充铷蒸汽和缓冲气体的样品泡、射频线圈和恒温槽组成。样品泡两侧与入射光平行方向装有一对射频线圈，以激发磁共振。由于样品温度过高，会增强铷原子与容器壁的碰撞几率，引起退极化；温度过低又使铷蒸汽密度过小，减小信号幅度，所以将样品泡置于恒温槽内，保持最佳温度。恒温吸收池偏振片1/4波片铷灯滤光片透镜1垂直水平线圈线圈样品泡透镜2光敏探测器射频线圈对图（2）光泵磁共振实验仪主体单元4.亥姆霍兹线圈：由一对水平和一对垂直亥姆霍兹线圈组成。它们分别产生恒定水平磁场Bh和恒定垂直磁场Bv。水平线圈由两对绕组组成，一对提供直流磁场；另一对提供扫场，它使直流磁场上迭加一个调制磁场。扫场信号可选用方波和三角波，示波器与扫场信号同步，频率为数十Hz，以便观察光探测器接收的光抽运——磁共振信号。恒定垂直磁场Bv用于抵消地磁场。亥姆霍兹线圈中心的磁感应强度为：rNIB0716.0μ=(11)水平线圈对两绕组并联，并联电阻R=26Ω，垂直线圈两对绕组串联，串联电阻R=26Ω；N：线圈匝数，r：线圈平均半径，I：励磁电流。扫场信号为单向交变信号，通过面板上的“方向”开关控制扫场线圈中的电流方向。注意，示波器显示的扫场信号波形不随方向开关改变，波形底部应为0；但由于仪器制造52方面的原因，扫场信号并非从0开始，即有一个附加直流分量。经过分析，只要在测量中合理掌控方向开关，这个附加直流分量的影响可以消除。5．光电探测器：凸透镜L2将透过吸收池（样品）的D1光聚焦到硅光电池接收面，光电流经电流——电压转换及放大后接入示波器。此外，实验装置还包括示波器、频率计和“光磁实验装置辅助源”等。实验步骤1.准2..备工作(1)将辅助源的“池温”钮调到中间位置，打开池温开关，“工作监视”置于“灯温，按下“预热”键，此时辅助源接通电源，开始预热。待灯温达到80°C以上，按下“工作”键，此时铷灯点亮。观察并调整“池温”钮，使池温为50°C左右，由于池温的变化较为缓慢，调整时应留有足够的时间使温度稳定。一般池温要30——40分钟才能达到50°C左右。(2)调整主体单元光轴与地磁场水平分量平行。按实验要求调整光路。(3)按下“工作”键，利用放到恒温吸收池上的小磁针，以地磁场水平分量方向为正方向，分别确定仪器扫场和水平磁场方向开关位置所对应的磁场方向。观察光抽运信号示波器CH1接光探测器信号，CH2接扫场信号，示波器选择“DC“档。水平和垂直磁场调到零。扫场选“方波”，调节扫场的方向和幅度，当扫场方向与地磁场水平分量相反时，水平磁场将在B=0上下变化。将方波加到扫场线圈上。出现磁场的一瞬间，基态各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡分布，各子能级上有大致相等的粒子数。因此这一瞬间有占总粒子数7/8的粒子可吸收D1σ+光，吸收光最强，透过光最弱。随着粒子逐渐被抽运到mF=+2子能级上，能吸收D1σ+光的粒子减少，吸收光减弱，透过光增强。当mF=+2子能级上子能级上粒子数达到饱和，不再有粒子吸收D1σ+光，透过光强到达并保持最大值。当外磁场过零并反向时，塞曼子能级发生简并及重新分裂，在简并时将失去偏极化。能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子数又大致相等，对D1σ+光的吸收又到达最大值。这样周而复始，通过检测透过样品的光强变化，就能观察到光抽运信号。地磁场水平分量使得扫场方波不对称；而地磁场垂直分量的使外磁场无法回零，对光抽运信号有较大影响。因此本实验装置有一对垂直方向的亥姆霍兹线圈，以抵消地磁场垂直分量。当外磁场垂直分量为零时，按上述方法观察到的光抽运信号最强。分析观察记录如下情况的光抽运信号：(1)垂直方向磁场不为零（注意地磁场的垂直分量）时，扫场正反向方波幅度不同时光吸收信号。(2)垂直方向磁场不为零时，扫场正反向方波幅度相同时光吸收信号。(3)垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）时，扫场正反向方波幅度不同时光吸收信号。(4)垂直方向磁场为零时（地磁场的垂直分量被抵消），扫场正反向方波幅度相同时光吸收信号，并确定地磁场的垂直分量的大小。下面的实验保持垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）。53仪器水平和垂直亥姆霍兹线圈产生的磁场方向分别由辅助源背板上的两个开关切换。扫场方波的方向切换开关在面板上。调节垂直磁场时注意调整垂直切换开关。B在方波中心过零点B在方波下沿附近过零点B在方波上沿附近过零点tB图（3）光抽运信号3.观察磁共振现象并测量g因子(1)将扫场信号改为三角波，幅度要小些。打开信号发生器，产生正弦波射频场。(2)固定射频频率，在400K—800KHz范围内等间隔选8个频率点，调整水平磁场Bh，观察如图（4）所示的磁共振信号。记录射频频率及励磁电压，画出波形图。注意在同一频率上应获得85Rb和87Rb两个磁共振信号。(3)测量时要采用“倒号法”消除地磁场水平分量和仪器系统误差，即改变水平磁场的方向，测量值B取两个方向的平均值作为B0。(4)记录灯温，池温和线圈常数，设计记录表格，计算gF，并与理论值相比较。0t0t00ttBB正向磁共振信号反向磁共振信号图（4）正、反向磁共振信号54554.测量地磁场(1)利用前面测量的Bv最佳值，由式（11）计算地磁场垂直分量。(2)地磁场水平分量的测量与测量g方法类似。可采用固定励磁电流调整射频频率的方法。在Bh、Bs（扫场）和地磁场水平分量方向相同时，调整射频频率达到共振，记录共振时的射