近代物理實(shí)驗(yàn) 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(xué)工程電子信息與光學(xué)工程學(xué)院學(xué)院 光電子技術(shù)科學(xué)光電子技術(shù)科學(xué) 于于曉曉源源 11106411110641實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)6-3 6-3 光泵磁共振光泵磁共振 1.1.實(shí)驗(yàn)基本原理實(shí)驗(yàn)基本原理 2.2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 3.3.擬定的實(shí)驗(yàn)方案擬定的實(shí)驗(yàn)方案 4.4.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的一些問題實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的一些問題 5.5.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)參考文獻(xiàn)（一）光抽運(yùn)原理（一）光抽運(yùn)原理1. 1.實(shí)驗(yàn)基本原理實(shí)驗(yàn)基本原理 當(dāng)當(dāng)有有外外磁場存在磁場存在時(shí)時(shí)，原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)生進(jìn)一步發(fā)生塞曼塞曼分裂分裂。其磁量子數(shù)其磁量子數(shù)為為m mF

2、 F=F=F，F(xiàn)-1F-1，（，（-F-F），），每每一個(gè)超一個(gè)超精細(xì)精細(xì)能級(jí)分裂能級(jí)分裂成成(2F+1)(2F+1)個(gè)個(gè)塞曼能級(jí)塞曼能級(jí)，對(duì)于塞曼分裂現(xiàn)象。，對(duì)于塞曼分裂現(xiàn)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(jí)間隔為，相鄰塞曼能級(jí)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(xì)結(jié)構(gòu)精細(xì)結(jié)構(gòu)超

3、精細(xì)結(jié)構(gòu)超精細(xì)結(jié)構(gòu)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(jìn)行吸收和輻射，最終不斷地將地進(jìn)行吸收和輻射，最終不斷地將原子原子“抽運(yùn)抽運(yùn)”到到5 52 2S S1/21/2的的m mF F=+2=+2的能的能級(jí)上，其他能級(jí)上可以吸收級(jí)上，其他能級(jí)上可以吸收D D1 1+ +光光的原子數(shù)目越來越少，造成各子能的原子數(shù)目越來越少，造成各子能級(jí)上粒子數(shù)的不均勻分布，稱為級(jí)上粒子數(shù)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(duì)。在偏極化狀態(tài)下，原子對(duì)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(qiáng)，直到平衡時(shí)吸收池

4、的光由弱變強(qiáng)，直到平衡時(shí)透過光強(qiáng)不再變化。這就是透過光強(qiáng)不再變化。這就是光抽運(yùn)光抽運(yùn)現(xiàn)象現(xiàn)象和和由由透過透過吸收池的光強(qiáng)變化測吸收池的光強(qiáng)變化測量光抽運(yùn)現(xiàn)象的基本原理量光抽運(yùn)現(xiàn)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(jí)上的粒子數(shù)遵從基態(tài)各子能級(jí)上的粒子數(shù)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(jí)的由于各子能級(jí)的能級(jí)差很小能級(jí)差很小, ,近似認(rèn)為各能級(jí)近似認(rèn)為各能級(jí)上的粒上的粒子子數(shù)相等。數(shù)相等。光光抽運(yùn)造成抽運(yùn)造成粒子數(shù)差變大粒子數(shù)差

5、變大, ,使使系統(tǒng)處在系統(tǒng)處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)與弛豫有關(guān)的幾個(gè)主要過程弛豫有關(guān)的幾個(gè)主要過程: : 1 1、銣原子與銣原子與容器碰撞容器碰撞導(dǎo)致導(dǎo)致子能級(jí)之間的躍遷子能級(jí)之間的躍遷, ,使原子恢復(fù)到熱使原子恢復(fù)到熱平衡分布平衡分布, , 失去光抽運(yùn)造成的偏極化。失去光抽運(yùn)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(dǎo)致導(dǎo)致自旋自旋- -自旋交換弛豫。當(dāng)外磁場自旋交換弛豫。當(dāng)外磁場為為0 0時(shí)時(shí)塞曼塞曼子能級(jí)子能級(jí)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(duì)撞對(duì)銣原子磁能態(tài)擾動(dòng)極小銣原子磁能態(tài)擾動(dòng)極小, ,這種碰撞對(duì)原子的偏極化這種碰撞對(duì)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(jí)之間的躍遷全部抑制不可能將子能級(jí)之間的躍遷全部抑制, ,因此不可能把粒子全部抽運(yùn)因此不可能把粒子全部抽運(yùn)到到m mF F =+2=+2的子能級(jí)上。的子能級(jí)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(jí)級(jí)轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)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(yùn)的運(yùn)的m mF F=+2=+2子能級(jí)的作用。子能級(jí)的作用。（三）磁共振原理（三）磁共振原理 塞塞曼曼能級(jí)的差能級(jí)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(jìn)行將其進(jìn)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(yùn)抽運(yùn)和和磁共振磁共振同時(shí)進(jìn)行同時(shí)進(jìn)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(jí)之間的下，基態(tài)各塞曼子能級(jí)之間的能級(jí)差能級(jí)差很小很小，各子，各子能能級(jí)級(jí)上由玻爾茲曼上由玻爾茲曼分布的粒子分布的粒子數(shù)相差數(shù)相差很小，可以認(rèn)為很小，可以認(rèn)為粒子各能級(jí)上粒子各能級(jí)上的的分布均勻分布均勻。用射頻場去誘導(dǎo)這些子能級(jí)間的磁共振躍遷時(shí)，有用射頻場去誘導(dǎo)這些子能級(jí)間的磁共振躍遷時(shí)，有一個(gè)原子吸收一份射頻能量由下能級(jí)躍遷到上能級(jí)，就有一個(gè)原一個(gè)原子吸收一份射頻能量由下能級(jí)躍遷到上能級(jí)，就有一個(gè)原子

9、發(fā)射一份射頻能量從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)。從宏觀上看，子發(fā)射一份射頻能量從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)。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(shí)驗(yàn)上檢測到磁共振無法從實(shí)驗(yàn)上檢測到磁共振現(xiàn)象現(xiàn)象。 要要想在實(shí)驗(yàn)想在實(shí)驗(yàn)中觀測中觀測到磁共振現(xiàn)象到磁共振現(xiàn)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(jí)間造成顯著的能級(jí)間造成顯著的粒子數(shù)差粒子數(shù)差，這一任務(wù)就由光抽運(yùn)完成，這一任務(wù)就由光抽運(yùn)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(yùn)抽運(yùn)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(yùn)與探測抽運(yùn)與探測兩個(gè)作用兩個(gè)作用。這這種方法巧妙地將一個(gè)低頻射頻光子（種方法巧妙地將一個(gè)低頻射頻光子（1-10MHz1-10MHz）轉(zhuǎn)換成一個(gè)高頻光）轉(zhuǎn)換成一個(gè)高頻光頻光子（頻光子（10108 8MHzMHz），這樣使信號(hào)頻率提高了），這樣使信號(hào)頻率提高了7-87-8個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（一）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)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(yùn)信號(hào)（二）觀察光抽運(yùn)信號(hào) 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(diào)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(diào)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(zhuǎn)起偏鏡，在示波器上看到部，旋轉(zhuǎn)起偏鏡，在示波器上看到部分光被吸收的信號(hào)。調(diào)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(hào)。調(diào)節(jié)起偏透鏡方向和垂直磁場的大小方向，使吸收信號(hào)使吸收信號(hào)最強(qiáng)最強(qiáng)。這時(shí)垂直磁場。這時(shí)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(diào)節(jié)掃場水平場，地垂直磁場相互抵消，調(diào)節(jié)掃場水平場，與與地磁場地磁場方向一致方向一致。調(diào)節(jié)水平場大小，。調(diào)節(jié)水平場大小，使水平磁場為定值。此時(shí)，發(fā)生光磁共使水平磁場為定值。此時(shí)，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(diào)節(jié)水平場方向與地磁場水再調(diào)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(huì)發(fā)生共振，其中都會(huì)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(yīng)選的取值應(yīng)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(shí)驗(yàn)中已地磁場有垂直分量和水平分量，在前面的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)確定了垂直分量。我們擬定使用這種方法測

14、量地磁場經(jīng)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(diào)節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量調(diào)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(duì)時(shí)的頻率值。谷與波峰相對(duì)時(shí)的頻率值。2.2.再次調(diào)節(jié)水平磁場使其與地磁場的水平分量再次調(diào)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(duì)時(shí)的頻率值。將兩個(gè)所測出的次要測量波谷與波谷相對(duì)時(shí)的頻率值。將兩個(gè)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(jīng)測得的用已經(jīng)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(jù)最后根據(jù)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(dá)式確定地磁場的表達(dá)式確定地磁場的大小，同時(shí)可以確定地磁場與水平方向的夾角：的大小，同時(shí)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(hào)線寬（五）測量共振信號(hào)線寬（六）測量抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間（六）測量抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間 光抽運(yùn)時(shí)間指原子由光抽運(yùn)時(shí)間指原子由非非偏偏極化到偏極化極化到偏極化的時(shí)間的時(shí)間（T T1 1）。弛豫時(shí)間與此相反，指原子由）。弛豫時(shí)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(shí)間（的時(shí)間（T T2 2）。）。 測量時(shí)使用三角波掃場，使水平磁場測量時(shí)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(diào)節(jié)垂直磁場的大小方向，使光抽分量相反，調(diào)節(jié)垂直磁場的大小方向，使光抽運(yùn)信號(hào)最大，改變示波器掃描速度，測出運(yùn)信號(hào)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(shí)間與于弛豫時(shí)間與溫度溫度有關(guān)，改變吸收池溫度，觀察有關(guān)，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(shí)驗(yàn)方案擬定的實(shí)驗(yàn)方案1.1.按照按照“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”中對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的介紹，將實(shí)驗(yàn)室中對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的介紹，將實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)物搭建成一套

17、光泵磁共振的觀察測量系統(tǒng)，以備實(shí)驗(yàn)。中的實(shí)物搭建成一套光泵磁共振的觀察測量系統(tǒng)，以備實(shí)驗(yàn)。2.2.利用已搭建好的光泵磁共振測量系統(tǒng)，觀察光抽運(yùn)信號(hào)，利用已搭建好的光泵磁共振測量系統(tǒng)，觀察光抽運(yùn)信號(hào)，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(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(duì)配合使用示波器觀察波形的變化，對(duì)8787RbRb的的g gF F值進(jìn)行測量，值進(jìn)行測量，這里要注意對(duì)同位素的干擾進(jìn)行區(qū)分。這里要注意對(duì)同位素的干擾進(jìn)行區(qū)分。4.4.使用在使用在“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”中擬定好的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)表達(dá)式，中擬定好的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)

18、學(xué)表達(dá)式，測量計(jì)算出地磁場。測量計(jì)算出地磁場。5.5.繼續(xù)使用示波器觀察圖像，對(duì)共振信號(hào)的線寬進(jìn)行測量。繼續(xù)使用示波器觀察圖像，對(duì)共振信號(hào)的線寬進(jìn)行測量。6.6.對(duì)光抽運(yùn)過程中的抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間進(jìn)行測量，同時(shí)要對(duì)光抽運(yùn)過程中的抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間進(jìn)行測量，同時(shí)要改變環(huán)境溫度，觀察弛豫時(shí)間的變化規(guī)律，從而得出結(jié)論。改變環(huán)境溫度，觀察弛豫時(shí)間的變化規(guī)律，從而得出結(jié)論。4.4.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的一些問題實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的一些問題 1.1.本實(shí)驗(yàn)中我們引入了本實(shí)驗(yàn)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(duì)于不同的小實(shí)驗(yàn)中，掃場輸出的波形是有規(guī)定對(duì)于不同的小實(shí)驗(yàn)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