塞曼分裂時(shí),兩相鄰能級(jí)間能量差與外磁場有

1、1深入理解光泵磁共振（梁旭0572422光信息科學(xué)與技術(shù)）扌商要（Abstract）：前面我已經(jīng)做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是沒有深入理解。本文主要討論光泵磁共振實(shí)驗(yàn)中我們采用方波和三角波對光抽運(yùn)信號(hào)和磁共振信號(hào)的影響，以及關(guān)于如何才能得到好的抽運(yùn)信號(hào)和磁共振信號(hào)作深入闡述。關(guān)鍵詞（Keywords）：光抽運(yùn)信號(hào)，感應(yīng)躍遷，共振信號(hào)引言（Introduction）:五十年代初期A.Kastler等人提出了光抽運(yùn)（OpticalPumping，又稱光泵）技術(shù)。光抽運(yùn)是運(yùn)用圓偏振光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級(jí)間的波爾茲曼熱平衡分布，造成所需的布居數(shù)差，從而在低濃度的條件下提高了共振強(qiáng)度，這時(shí)再

2、用相應(yīng)頻率的射頻場激勵(lì)原子的磁共振。由于光量子的能量比射頻量子高七八個(gè)數(shù)量級(jí)，所以探測信號(hào)的靈敏度得到很大的提高。二三十年來用光抽運(yùn)-磁共振-光探測技術(shù)對于許多原子、離子和分子進(jìn)行了大量的研究，增進(jìn)了我們對微觀粒子結(jié)構(gòu)的了解。實(shí)驗(yàn)理論(Theoryparts)：光抽運(yùn)產(chǎn)生的機(jī)理銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)及其在弱磁場中的塞曼能級(jí)如圖1所示：圖1：87Rb的超精細(xì)能級(jí)及其塞曼分裂當(dāng)用波長為7948A的共振光（即Dy+光）照射氣態(tài)87Rb時(shí)，52S態(tài)的原子吸收2了7948A的b+共振光，便產(chǎn)生從52S態(tài)各塞曼支能級(jí)到52P能級(jí)的激發(fā)躍遷；另一方面,丄2丄2躍遷到52P態(tài)的粒子在經(jīng)歷了大約10-8s以后將

3、通過自發(fā)躍遷返回到基態(tài)各支能級(jí)。當(dāng)基態(tài)原子受激發(fā)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，再由第一激發(fā)態(tài)自發(fā)躍遷回基態(tài)，基態(tài)M=+2能級(jí)上的粒子F數(shù)就會(huì)增加，而非M=+2各能級(jí)上的粒子數(shù)會(huì)相應(yīng)減少，這樣，當(dāng)光持續(xù)照射，經(jīng)若干循環(huán)F后，基態(tài)M=+2能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加。隨著粒子數(shù)逐漸被抽運(yùn)到M=+2能級(jí)上，F(xiàn)F能夠吸收DG+光的粒子數(shù)減少，對光的吸收隨著減弱，透過樣品的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)抽運(yùn)到1M=+2能級(jí)的粒子數(shù)達(dá)到飽和時(shí)，DG+光將不再被粒子所吸收，透過樣品的光強(qiáng)達(dá)到最大F1而不再變化，這就是光抽運(yùn)效果。光抽運(yùn)的效果使所有原子由各個(gè)方向的均勻取向變成只有M=+2的取向，形成偏極化。F實(shí)驗(yàn)分析(Analysis：)

4、通過示波器觀察抽運(yùn)信號(hào)產(chǎn)生的掃場信號(hào)是由純交流信號(hào)B亠(方波或三角波)和一個(gè)直流分量B疊加而成。當(dāng)調(diào)交Q節(jié)改變交流信號(hào)B振幅時(shí)，在一定范圍內(nèi)，直流分量B按一定比例隨之變化，且B略大于交QQB亠信號(hào)的峰峰值的半，以保證交流信號(hào)B亠不失真。交交樣品Rb同時(shí)受到三個(gè)磁場的作用：軸向?yàn)樗椒较虻闹绷鞔艌鯞和掃場B；軸向?yàn)樨Q直0S方向的垂直磁場B。垂直磁場B的方向必須與地磁場垂直分量的方向相反，目的是消除地磁丄丄場的影響。而一般讓B=0，并設(shè)帶直流分量的方波掃場B和地磁場水平分量B方向相反，0SE/則水平方向疊加的外磁場B=B土B+B+B，如圖2所示。從圖可知B在正-負(fù)-正變Q0交E/化，這就提供了觀察

5、光抽運(yùn)的條件。圖2:掃場與地磁場水平分量的合成在圖3中，我們來分析水平總磁場在ABC段的作用：AB段，樣品處于剛建立的外磁場中，發(fā)生塞曼分裂，則銣原子吸收DG+光。隨著原子被1抽運(yùn)到M=+2能級(jí)上，可吸收的光原子數(shù)變少，透射光增強(qiáng)。FBC段，當(dāng)抽運(yùn)到M=+2能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到飽和后，透射樣品的光強(qiáng)達(dá)到最大值而不F變化。C點(diǎn)，當(dāng)掃場過零點(diǎn)并反向時(shí)，塞曼子能級(jí)跟隨發(fā)生簡并再分裂。重新分裂后各塞曼子能級(jí)上粒子數(shù)近乎相等。對DG+光的吸收到達(dá)最大，透射光最小，對應(yīng)光抽運(yùn)峰。當(dāng)圖2中|Bp|B|時(shí)，則有圖4所示情形。這是因?yàn)椋喝至褧r(shí)，兩相鄰能級(jí)間能量+差與外磁場有如下關(guān)系A(chǔ)E=g卩B，當(dāng)外場B較大的

6、時(shí)候AE也隨之變大。處于各能級(jí)上FBNgAETOC o 1-5 h z的粒子數(shù)服從波爾茲曼(Boltzmann)分布：二產(chǎn)=2exp(-)NgkT11BNAE其中g(shù)和g分別為下能級(jí)和上能級(jí)的簡并度，我們通常取g=g貝9有石2=exp(-)，1212NkT1B因而AE增大時(shí)，各能級(jí)間粒子數(shù)差也增大。此時(shí)對應(yīng)的較高的抽運(yùn)峰，在Db+光照射下達(dá)1到偏極化的速度也越快，接收到的光信號(hào)也會(huì)越快的達(dá)到最強(qiáng)，表現(xiàn)為圖中的光電輸出曲線的N斜率越大。反之，B較小時(shí)，AE也比較小，匚汁也相應(yīng)較小，對應(yīng)較低的抽運(yùn)峰。由于以上原N1因，所以當(dāng)正反磁場的大小不同時(shí)，觀察到的光抽運(yùn)信號(hào)在磁場正反兩個(gè)方向上不完全相同或不等

7、幅。由上面的分析，我們可以知道要通過示波器觀察到光抽運(yùn)信號(hào)，在水平方向的總磁場必須形成一個(gè)正負(fù)正的周期性變化，否則就觀察不到抽運(yùn)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論(Conclusion：)通過實(shí)驗(yàn)，經(jīng)分析后可以得到以下結(jié)論：我們在上面已經(jīng)提到過要觀察到很理想的光抽運(yùn)信號(hào)圖形，必須是我們要在純交流掃場的條件下，但是如上面所說的掃場信號(hào)中本身就是由純交流信號(hào)B(方波或三角波)和一交個(gè)直流分量B疊加而成的。所以我們在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候要觀察到理想的抽運(yùn)圖形就是想辦法在Q水平方向消除直流信號(hào)B影響,B包括B(掃場中的直流)，B(地磁場水平分量)，直直QE/BO（外加水平磁場）。B直=Bq土Bo+Be/，我們要讓B直二0，此時(shí)我們

8、就能夠看到如圖5中的理想光抽運(yùn)信號(hào)圖：t加上三角波和垂直方向的射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的頻率，塞曼子能級(jí)之間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，稱為磁共振。觀察共振信號(hào)的時(shí)候，我們首先要弄明白水平場B與地磁場水平分量B0E/的方向關(guān)系。具體有如下的結(jié)論：A、假設(shè)兩者的方向相同，那么當(dāng)加上射頻信號(hào)后，當(dāng)射頻信號(hào)的頻率由大到小變化時(shí)，在第一次出現(xiàn)共振最強(qiáng)時(shí)，由于B與B同向，所以共振應(yīng)該出現(xiàn)在掃場的波峰處，如圖70E/所示：圖7：共振出現(xiàn)在掃場波峰處滿足hv二g卩B時(shí)，達(dá)到共振最大。maxFBmaxB、假設(shè)，兩者方向相反，那么當(dāng)加上射頻信號(hào)后，由射頻信號(hào)由大到小變化的過程中，第一次共振最強(qiáng)應(yīng)該出現(xiàn)在掃場的波谷處，因?yàn)榇颂幩綀鯞與地磁場水平分量B以及掃0E/場B亠的差值的絕對值和也是最大的，那么對應(yīng)的射頻信號(hào)也應(yīng)該是最大的，如圖8所示：圖8：共振出現(xiàn)在掃場波谷處滿足hv=g卩B時(shí)，達(dá)到共振最大，此時(shí)B亠反向，對應(yīng)于波谷處最大。maxFBmax父M致謝(Acknowledgments)：以上是我對光泵磁共振實(shí)驗(yàn)的一些深入理解，如有不對的地方還請老師指正。感謝各位實(shí)驗(yàn)室的老師這一學(xué)期的辛勤指導(dǎo)，特別是王熠老師在光磁共振實(shí)驗(yàn)中為我們嚴(yán)謹(jǐn)而不乏耐心的講解。謝謝你們孜孜不倦地給我們傳授知識(shí)和基本的科研精神。參考文獻(xiàn)(References)