光泵磁共振概述課件

背景簡(jiǎn)介

二十世紀(jì)五十年代初期，A·Kastler等人發(fā)展光抽運(yùn)(OpticalPumping)技術(shù)，1966年，A·Kastler由于在這方面的貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。光抽運(yùn)是用圓偏光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級(jí)間玻耳茲曼熱平衡分布，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。在相應(yīng)頻率的射頻場(chǎng)激勵(lì)下，可觀察到磁共振信號(hào)。在探測(cè)磁共振信號(hào)方面，不直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測(cè)的方法，探測(cè)原子對(duì)光量子的發(fā)射吸收。由于光量子的能量比射頻量高七八個(gè)數(shù)量級(jí)，所以探測(cè)信號(hào)的靈敏度得以提高。第1頁(yè)/共24頁(yè)光泵磁共振實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)儀器思考問題實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理注意事項(xiàng)第2頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.通過研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；

2.掌握光磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；

3.測(cè)定銣原子的g因子和測(cè)定地磁場(chǎng)。第3頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)儀器圖1儀器組成框圖圖2主體單元示意圖第4頁(yè)/共24頁(yè)

圖3DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)儀1.銣光燈2.偏振片、1/4波片、透鏡3.恒溫槽4.水平場(chǎng)線圈5.垂直場(chǎng)線圈6.光電探測(cè)器（接示波器）7.信號(hào)發(fā)生器

8.電源及輔助源31256478第5頁(yè)/共24頁(yè)

光抽運(yùn)（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡態(tài)，造成期望布居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。

如何提高探測(cè)靈敏度：采用光探測(cè)，探測(cè)原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測(cè)方法（直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大提高探測(cè)靈敏度。光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來研究氣態(tài)原子精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加深了人們對(duì)原子磁矩、g因子、能級(jí)壽命、能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)及原子間相互作用的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)原理第6頁(yè)/共24頁(yè)一、銣原子的基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)能級(jí)研究對(duì)象：銣（Rb）的氣態(tài)自由原子，價(jià)電子處于第五電子層，主量子數(shù)n=5，軌道量子數(shù)L=0,1,…,n-1，電子自旋量子數(shù)S=1/2原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成：由電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用（L-S耦合）發(fā)生能級(jí)分裂銣原子基態(tài)與最低激發(fā)態(tài)的形成：用J表示電子總角動(dòng)量量子數(shù)，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|第7頁(yè)/共24頁(yè)

對(duì)于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標(biāo)記為；對(duì)于最低激發(fā)態(tài)，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，標(biāo)記為，如圖4所示，形成兩條譜線。圖4銣原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成第8頁(yè)/共24頁(yè)二、朗德因子的引入

電子軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的合成角動(dòng)量電子總磁矩兩者關(guān)系為其中第9頁(yè)/共24頁(yè)

原子處于弱磁場(chǎng)中，由于原子總磁矩與磁場(chǎng)的相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂，形成塞曼子能級(jí)。這些能級(jí)用磁量子數(shù)來表示，能級(jí)間距相同。

和相互作用能量表示如下：

能級(jí)間距為：其中為玻爾磁子。其中F用來表示原子總角動(dòng)量量子數(shù)三、塞曼子能級(jí)的形成第10頁(yè)/共24頁(yè)

光抽運(yùn)（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡態(tài)，造成期望布居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。

如何提高探測(cè)靈敏度：采用光探測(cè)，探測(cè)原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測(cè)方法（直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大提高探測(cè)靈敏度。光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來研究氣態(tài)原子精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加深了人們對(duì)原子磁矩、g因子、能級(jí)壽命、能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)及原子間相互作用的認(rèn)識(shí)。四、光磁共振概念第11頁(yè)/共24頁(yè)五、圓偏振光對(duì)銣原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)

將角動(dòng)量為的左旋圓偏振光照射到氣態(tài)原子后，根據(jù)光躍遷選擇定則，基態(tài)中能級(jí)上的粒子數(shù)會(huì)越來越多，形成粒子數(shù)偏極化。高度的粒子數(shù)偏極化是進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)的有利條件。

圖5Rb87原子的躍遷（a）Rb87吸收光受激躍遷，MF=+2；粒子躍遷幾率為0（b）Rb87激發(fā)態(tài)無輻射躍遷，以相等幾率返回基態(tài)

第12頁(yè)/共24頁(yè)六、弛豫時(shí)間

粒子分布由非平衡狀態(tài)（粒子數(shù)偏極化）到平衡狀態(tài)（玻爾茲曼分布）所需的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)中，在樣品泡中加入少量分子磁矩較小的緩沖氣體（如氮、氖等）避免銣原子與容器壁碰撞而使粒子失去偏極化。另外將溫度保持在50到60攝氏度之間，盡量減小銣原子與容器壁的碰撞。在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的磁場(chǎng)方向上加一頻率為的射頻磁場(chǎng)，當(dāng)滿足時(shí)發(fā)生磁共振，如此，粒子的偏極化程度降低，再次發(fā)生光抽運(yùn)，最終形成光抽運(yùn)與磁共振的動(dòng)態(tài)平衡。七、塞曼子能級(jí)間磁共振第13頁(yè)/共24頁(yè)八、光探測(cè)

照射到樣品上的偏振光，起到了兩個(gè)作用。一、產(chǎn)生光抽運(yùn)效應(yīng)；二、可以通過測(cè)量透射光強(qiáng)得到磁共振信號(hào)。當(dāng)各能級(jí)上的粒子數(shù)相同時(shí)，樣品對(duì)偏振光吸收最強(qiáng)，透射光最弱；當(dāng)粒子數(shù)偏極化強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，透射光最強(qiáng)。這里通過透射光強(qiáng)的變化來得到磁共振信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。第14頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.儀器調(diào)節(jié)用磁針確定地磁場(chǎng)方向，使主體光軸與地磁場(chǎng)水平方向平行調(diào)節(jié)面板

1）確定水平線圈、豎直線圈和掃場(chǎng)線圈與其換向開關(guān)擲向的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2）調(diào)節(jié)主體單元光學(xué)元件等高，調(diào)整透鏡的位置以得到較好的平行光束

3）按預(yù)熱鍵，加溫銣樣品泡在40-600c間，銣光譜燈在80-900c間，按工作鍵，這時(shí)除射頻線圈的各線圈電源都已接通，開啟高頻振蕩器，發(fā)紫紅色光。調(diào)節(jié)1/4波片光軸與偏振光偏振方向夾角為π/4第15頁(yè)/共24頁(yè)2.觀察光抽運(yùn)信號(hào)調(diào)節(jié)垂直場(chǎng)的方向和幅度使得其能抵消地磁場(chǎng)垂直分量；加上方波掃場(chǎng),方向與地磁場(chǎng)水平方向相反，在示波器上觀察光抽運(yùn)信號(hào)，得到如下圖所示的掃場(chǎng)和光抽運(yùn)信號(hào)的對(duì)照?qǐng)D：信號(hào)波形掃場(chǎng)方波脈沖幅度t信號(hào)幅度t圖6光抽運(yùn)信號(hào)第16頁(yè)/共24頁(yè)測(cè)量因子加上方向同地磁場(chǎng)水平方向的三角波掃場(chǎng)以及頻率為的射頻磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)頻率的大小觀察磁共振信號(hào)，假設(shè)頻率為時(shí)觀察到共振信號(hào)；接著將水平場(chǎng)反向，頻率為時(shí)得到共振信號(hào)，那么便是水平磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的共振頻率，由此可以得出因子。需要注意的是因銣原子有兩種同位素，所以會(huì)出現(xiàn)兩次共振信號(hào)，頻率高的為共振信號(hào)；頻率低的為共振信號(hào)。光磁共振信號(hào)如圖７所示。3.觀察光磁共振信號(hào)第17頁(yè)/共24頁(yè)掃場(chǎng)共振信號(hào)圖7

光磁共振信號(hào)圖示共振信號(hào)掃場(chǎng)第18頁(yè)/共24頁(yè)測(cè)量地磁場(chǎng)測(cè)量方法同上，這次需要先讓三者的方向相同，而后同時(shí)改變掃場(chǎng)和水平場(chǎng)的方向，最后地磁場(chǎng)分量對(duì)應(yīng)的共振頻率為。根據(jù)地磁場(chǎng)垂直磁場(chǎng)的大小和水平分量的大小即可得到地磁場(chǎng)的大小及方向。垂直磁場(chǎng)正好抵消地磁場(chǎng)的垂直分量，從數(shù)字表頭指示的垂直場(chǎng)電流及垂直亥姆霍茲線圈參數(shù)，可以確定地磁場(chǎng)垂直分量的數(shù)值。第19頁(yè)/共24頁(yè)數(shù)據(jù)處理1.

測(cè)量gF水平場(chǎng)電流(A)同向頻率f1(KHZ)反向頻率f2(KHZ)B0(T)gF=h(f1+f2)/2μBB087Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb

B0=16πNI×10-7/53/2r(式中N為線圈匝數(shù)，I為流過的電流，r為有效半徑)第20頁(yè)/共24頁(yè)2.測(cè)量地磁場(chǎng)水平場(chǎng)電流(A)同向頻率f1(kHz)反向頻率f2(kHz)f=(f1-f2)/2B地=hf/gFμB87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb第21頁(yè)/共24頁(yè)注意事項(xiàng)

1.

實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意區(qū)分87Rb、85Rb的共振譜線，當(dāng)水平磁場(chǎng)不變時(shí)，頻率高的為87Rb的共振譜線，頻率低的為85Rb的共振譜線。當(dāng)射頻頻率不變時(shí)，水平磁場(chǎng)大的為85Rb的共振譜線，水平磁場(chǎng)小的為87Rb的共振譜線。

2.精確測(cè)量時(shí)，為避免吸收池加熱絲所產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，可短時(shí)間斷掉池溫電源。

3.為避免光線（特別是燈光的50Hz）影響信號(hào)幅度及線型，必要時(shí)主體單元應(yīng)當(dāng)罩上遮光罩。

4.

在實(shí)驗(yàn)過程中，本裝