近代物理實驗 光泵磁共振 (6-3)課件

1、20142014年年3 3月月1616日日電子信息與光學工程電子信息與光學工程學院學院 光電子技術科學光電子技術科學 于于曉曉源源 11106411110641實驗實驗6-3 6-3 光泵磁共振光泵磁共振 1.1.實驗基本原理實驗基本原理 2.2.實驗內容實驗內容 3.3.擬定的實驗方案擬定的實驗方案 4.4.實驗預習中的一些問題實驗預習中的一些問題 5.5.實驗預習參考文獻實驗預習參考文獻（一）光抽運原理（一）光抽運原理1. 1.實驗基本原理實驗基本原理 當當有有外外磁場存在磁場存在時時，原子的超精細結構，原子的超精細結構進一步發(fā)生進一步發(fā)生塞曼塞曼分裂分裂。其磁量子數其磁量子數為為m mF

2、 F=F=F，F-1F-1，（，（-F-F），），每每一個超一個超精細精細能級分裂能級分裂成成(2F+1)(2F+1)個個塞曼能級塞曼能級，對于塞曼分裂現象。，對于塞曼分裂現象。F F與外場與外場B B的相互作用能的相互作用能為為E=gE=gF FB Bm mF FB B，相鄰塞曼能級間隔為，相鄰塞曼能級間隔為E=gE=gF FB BB.B.L=1L=05 52 2P P3/23/2J=3/2J=3/25 52 2P P1/21/2J=1/2J=1/25 52 2S S1/21/2J=1/2J=1/2F=32102121m mF F210-1-2-101210-1-2-101精細結構精細結構超

3、精細結構超精細結構塞曼分裂塞曼分裂 在在D D1 1+ +光照射的過程中，不斷光照射的過程中，不斷地進行吸收和輻射，最終不斷地將地進行吸收和輻射，最終不斷地將原子原子“抽運抽運”到到5 52 2S S1/21/2的的m mF F=+2=+2的能的能級上，其他能級上可以吸收級上，其他能級上可以吸收D D1 1+ +光光的原子數目越來越少，造成各子能的原子數目越來越少，造成各子能級上粒子數的不均勻分布，稱為級上粒子數的不均勻分布，稱為偏偏極化極化。在偏極化狀態(tài)下，原子對。在偏極化狀態(tài)下，原子對D D1 1+ +光的吸收越來越少，于是透過光的吸收越來越少，于是透過吸收池的光由弱變強，直到平衡時吸收池

4、的光由弱變強，直到平衡時透過光強不再變化。這就是透過光強不再變化。這就是光抽運光抽運現象現象和和由由透過透過吸收池的光強變化測吸收池的光強變化測量光抽運現象的基本原理量光抽運現象的基本原理。5 52 2P P1/21/25 52 2S S1/21/2（二）弛豫過程二）弛豫過程 熱平衡熱平衡狀態(tài)下狀態(tài)下, ,基態(tài)各子能級上的粒子數遵從基態(tài)各子能級上的粒子數遵從玻爾茲曼玻爾茲曼分布分布(N (N = = N N0 0e eE/kTE/kT) )。由于各子能級的由于各子能級的能級差很小能級差很小, ,近似認為各能級近似認為各能級上的粒上的粒子子數相等。數相等。光光抽運造成抽運造成粒子數差變大粒子數差

5、變大, ,使使系統(tǒng)處在系統(tǒng)處在粒子數反轉分布粒子數反轉分布狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)由由非熱平衡非熱平衡分布分布狀態(tài)趨向狀態(tài)趨向熱平衡分布熱平衡分布狀態(tài)的過程稱為狀態(tài)的過程稱為弛豫過程弛豫過程。本。本實驗與實驗與弛豫有關的幾個主要過程弛豫有關的幾個主要過程: : 1 1、銣原子與銣原子與容器碰撞容器碰撞導致導致子能級之間的躍遷子能級之間的躍遷, ,使原子恢復到熱使原子恢復到熱平衡分布平衡分布, , 失去光抽運造成的偏極化。失去光抽運造成的偏極化。 2 2、銣原子之間的銣原子之間的碰撞碰撞導致導致自旋自旋- -自旋交換弛豫。當外磁場自旋交換弛豫。當外磁場為為0 0時時塞曼塞曼子能級子能級簡并簡并, ,

6、這種弛豫使原子回到熱平衡分布這種弛豫使原子回到熱平衡分布, ,失去偏極化。失去偏極化。 3 3、銣原子與緩沖銣原子與緩沖氣體間碰撞氣體間碰撞。由于緩沖氣體分子磁矩。由于緩沖氣體分子磁矩很很小，碰小，碰撞對撞對銣原子磁能態(tài)擾動極小銣原子磁能態(tài)擾動極小, ,這種碰撞對原子的偏極化這種碰撞對原子的偏極化基本無影響基本無影響。 銣銣原子與器壁碰撞原子與器壁碰撞是失去偏極化的是失去偏極化的主要主要原因原因。緩沖緩沖氣體分子氣體分子不可能將子能級之間的躍遷全部抑制不可能將子能級之間的躍遷全部抑制, ,因此不可能把粒子全部抽運因此不可能把粒子全部抽運到到m mF F =+2=+2的子能級上。的子能級上。處于

7、處于5 5 2 2P P1/2 1/2 態(tài)的原子需與緩沖氣體分子碰撞態(tài)的原子需與緩沖氣體分子碰撞多次才有可能發(fā)生多次才有可能發(fā)生能能級級轉移。轉移。緩沖氣體分子還有將粒子更快地抽緩沖氣體分子還有將粒子更快地抽運的運的m mF F=+2=+2子能級的作用。子能級的作用。（三）磁共振原理（三）磁共振原理 塞塞曼曼能級的差能級的差E=gE=gF FB BB.B.在垂直于在垂直于Z Z方向（磁場方向（磁場方向）上加一射頻線偏振場：方向）上加一射頻線偏振場：B B1 1=2B=2B0 0coswt coswt 將其進行將其進行正交分解：正交分解：BX=B0coswtBy=B0sinwtBX=B0cosw

8、tBy=-B0sinwt左旋左旋右旋右旋（四）光磁共振（四）光磁共振 光磁共振是光磁共振是光光抽運抽運和和磁共振磁共振同時進行同時進行的物理過程。的物理過程。 正常情況正常情況下，基態(tài)各塞曼子能級之間的下，基態(tài)各塞曼子能級之間的能級差能級差很小很小，各子，各子能能級級上由玻爾茲曼上由玻爾茲曼分布的粒子分布的粒子數相差數相差很小，可以認為很小，可以認為粒子各能級上粒子各能級上的的分布均勻分布均勻。用射頻場去誘導這些子能級間的磁共振躍遷時，有用射頻場去誘導這些子能級間的磁共振躍遷時，有一個原子吸收一份射頻能量由下能級躍遷到上能級，就有一個原一個原子吸收一份射頻能量由下能級躍遷到上能級，就有一個原子

9、發(fā)射一份射頻能量從上能級躍遷到下能級。從宏觀上看，子發(fā)射一份射頻能量從上能級躍遷到下能級。從宏觀上看，沒有沒有電磁能量的凈吸收或者凈發(fā)射電磁能量的凈吸收或者凈發(fā)射，因而，因而無法從實驗上檢測到磁共振無法從實驗上檢測到磁共振現象現象。 要要想在實驗想在實驗中觀測中觀測到磁共振現象到磁共振現象，需要人為的，需要人為的在基態(tài)塞曼子在基態(tài)塞曼子能級間造成顯著的能級間造成顯著的粒子數差粒子數差，這一任務就由光抽運完成，這一任務就由光抽運完成。射。射在在樣樣品上品上的的D D1 1+ +光光的一方面是的一方面是起起光光抽運抽運作用作用, ,另一方面透過樣品另一方面透過樣品的的D D1 1+ +光光又可兼作

10、探測光又可兼作探測光, ,即一束光起了即一束光起了抽運與探測抽運與探測兩個作用兩個作用。這這種方法巧妙地將一個低頻射頻光子（種方法巧妙地將一個低頻射頻光子（1-10MHz1-10MHz）轉換成一個高頻光）轉換成一個高頻光頻光子（頻光子（10108 8MHzMHz），這樣使信號頻率提高了），這樣使信號頻率提高了7-87-8個數量級，大大提個數量級，大大提高了測量的靈敏度和精確度。高了測量的靈敏度和精確度。2.2.實驗內容實驗內容（一）創(chuàng)建實驗系統(tǒng)（一）創(chuàng)建實驗系統(tǒng)射射頻源頻源輔助源輔助源光泵磁共振裝置光泵磁共振裝置示波器示波器K（二）觀察光抽運信號（二）觀察光抽運信號 斷開射頻源，與掃場線圈和示

11、波器連接，輸出方波。用指斷開射頻源，與掃場線圈和示波器連接，輸出方波。用指南針判斷地磁場方向，使方波磁場與地磁場水平分量相反。調南針判斷地磁場方向，使方波磁場與地磁場水平分量相反。調節(jié)節(jié)水平磁場與垂直磁場為水平磁場與垂直磁場為0 0，旋轉起偏鏡，在示波器上看到部，旋轉起偏鏡，在示波器上看到部分光被吸收的信號。調節(jié)起偏透鏡方向和垂直磁場的大小方向，分光被吸收的信號。調節(jié)起偏透鏡方向和垂直磁場的大小方向，使吸收信號使吸收信號最強最強。這時垂直磁場。這時垂直磁場與地磁場的垂直分量與地磁場的垂直分量抵消，且抵消，且入射光為入射光為D D1 1+ +光，在示波器上可以看到光，在示波器上可以看到: :（三

12、）測量（三）測量8787RbRb的的g gF F值值 選擇三角波掃場，保持垂直磁場與選擇三角波掃場，保持垂直磁場與地垂直磁場相互抵消，調節(jié)掃場水平場，地垂直磁場相互抵消，調節(jié)掃場水平場，與與地磁場地磁場方向一致方向一致。調節(jié)水平場大小，。調節(jié)水平場大小，使水平磁場為定值。此時，發(fā)生光磁共使水平磁場為定值。此時，發(fā)生光磁共振，在示波器上觀察到振，在示波器上觀察到A A圖：圖：h h1=gFB(B水水平平+B地水平地水平). .再調節(jié)水平場方向與地磁場水再調節(jié)水平場方向與地磁場水平分量及掃場平分量及掃場方向相反方向相反，再次發(fā)生光磁，再次發(fā)生光磁共振，觀察到共振，觀察到B B圖：圖：h h2=gF

13、B(|B水平水平|-|B地地水平水平|) 于是有：于是有： h h1 1+ +h h2 2=2g=2gF FB BB B水平水平, ,這這樣就消除了地磁場的干擾，從而求出樣就消除了地磁場的干擾，從而求出g gF F的值。的值。 由于由于8585RbRb和和8787RbRb都會發(fā)生共振，其中都會發(fā)生共振，其中8787RbRb的共振頻率高，所以的共振頻率高，所以8787RbRb的取值應選的取值應選共振頻率較大的一組共振頻率較大的一組。AB（四）測量地磁場（四）測量地磁場 地磁場有垂直分量和水平分量，在前面的實驗中已地磁場有垂直分量和水平分量，在前面的實驗中已經確定了垂直分量。我們擬定使用這種方法測

14、量地磁場經確定了垂直分量。我們擬定使用這種方法測量地磁場的水平分量：的水平分量：1 1. .調節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量調節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量相同相同，測出波，測出波谷與波峰相對時的頻率值。谷與波峰相對時的頻率值。2.2.再次調節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量再次調節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量相反相反，這，這次要測量波谷與波谷相對時的頻率值。將兩個所測出的次要測量波谷與波谷相對時的頻率值。將兩個所測出的頻率值做差，這樣消除了水平磁場與三角波的影響，利頻率值做差，這樣消除了水平磁場與三角波的影響，利用已經測得的用已經測得的g gF F值，確定地磁場的水平分量。值，確定地磁場

15、的水平分量。3.3.最后根據最后根據B B地地= =（B B2 2地垂直地垂直+B+B2 2地水平地水平）1/21/2的表達式確定地磁場的表達式確定地磁場的大小，同時可以確定地磁場與水平方向的夾角：的大小，同時可以確定地磁場與水平方向的夾角：=arctan(B=arctan(B地垂直地垂直/B/B地水平地水平) )（五）測量共振信號線寬（五）測量共振信號線寬（六）測量抽運時間和弛豫時間（六）測量抽運時間和弛豫時間 光抽運時間指原子由光抽運時間指原子由非非偏偏極化到偏極化極化到偏極化的時間的時間（T T1 1）。弛豫時間與此相反，指原子由）。弛豫時間與此相反，指原子由偏偏極化極化到非到非偏偏極化

16、極化的時間（的時間（T T2 2）。）。 測量時使用三角波掃場，使水平磁場測量時使用三角波掃場，使水平磁場與地磁場與地磁場水平水平分量相反，調節(jié)垂直磁場的大小方向，使光抽分量相反，調節(jié)垂直磁場的大小方向，使光抽運信號最大，改變示波器掃描速度，測出運信號最大，改變示波器掃描速度，測出T T1 1,T,T2 2。由。由于弛豫時間與于弛豫時間與溫度溫度有關，改變吸收池溫度，觀察有關，改變吸收池溫度，觀察T T1 1,T,T2 2的變化。的變化。3.3.擬定的實驗方案擬定的實驗方案1.1.按照按照“實驗內容實驗內容”中對于實驗裝置系統(tǒng)的介紹，將實驗室中對于實驗裝置系統(tǒng)的介紹，將實驗室中的實物搭建成一套

17、光泵磁共振的觀察測量系統(tǒng)，以備實驗。中的實物搭建成一套光泵磁共振的觀察測量系統(tǒng)，以備實驗。2.2.利用已搭建好的光泵磁共振測量系統(tǒng)，觀察光抽運信號，利用已搭建好的光泵磁共振測量系統(tǒng)，觀察光抽運信號，觀察在示波器上能否觀察到與觀察在示波器上能否觀察到與“實驗內容實驗內容”中介紹的相同的中介紹的相同的圖像。圖像。3.3.配合使用示波器觀察波形的變化，對配合使用示波器觀察波形的變化，對8787RbRb的的g gF F值進行測量，值進行測量，這里要注意對同位素的干擾進行區(qū)分。這里要注意對同位素的干擾進行區(qū)分。4.4.使用在使用在“實驗內容實驗內容”中擬定好的實驗方法和數學表達式，中擬定好的實驗方法和數

18、學表達式，測量計算出地磁場。測量計算出地磁場。5.5.繼續(xù)使用示波器觀察圖像，對共振信號的線寬進行測量。繼續(xù)使用示波器觀察圖像，對共振信號的線寬進行測量。6.6.對光抽運過程中的抽運時間和弛豫時間進行測量，同時要對光抽運過程中的抽運時間和弛豫時間進行測量，同時要改變環(huán)境溫度，觀察弛豫時間的變化規(guī)律，從而得出結論。改變環(huán)境溫度，觀察弛豫時間的變化規(guī)律，從而得出結論。4.4.實驗預習中的一些問題實驗預習中的一些問題 1.1.本實驗中我們引入了本實驗中我們引入了掃場掃場線圈和掃場的概念，線圈和掃場的概念，對于不同的小實驗中，掃場輸出的波形是有規(guī)定對于不同的小實驗中，掃場輸出的波形是有規(guī)定的，這種規(guī)定能否改變，有何影