塞曼分裂時,兩相鄰能級間能量差與外磁場有

1、1深入理解光泵磁共振（梁旭0572422光信息科學與技術）扌商要（Abstract）：前面我已經(jīng)做過這個實驗，但是沒有深入理解。本文主要討論光泵磁共振實驗中我們采用方波和三角波對光抽運信號和磁共振信號的影響，以及關于如何才能得到好的抽運信號和磁共振信號作深入闡述。關鍵詞（Keywords）：光抽運信號，感應躍遷，共振信號引言（Introduction）:五十年代初期A.Kastler等人提出了光抽運（OpticalPumping，又稱光泵）技術。光抽運是運用圓偏振光束激發(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度，這時再

2、用相應頻率的射頻場激勵原子的磁共振。由于光量子的能量比射頻量子高七八個數(shù)量級，所以探測信號的靈敏度得到很大的提高。二三十年來用光抽運-磁共振-光探測技術對于許多原子、離子和分子進行了大量的研究，增進了我們對微觀粒子結構的了解。實驗理論(Theoryparts)：光抽運產生的機理銣原子的超精細結構能級及其在弱磁場中的塞曼能級如圖1所示：圖1：87Rb的超精細能級及其塞曼分裂當用波長為7948A的共振光（即Dy+光）照射氣態(tài)87Rb時，52S態(tài)的原子吸收2了7948A的b+共振光，便產生從52S態(tài)各塞曼支能級到52P能級的激發(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。當基態(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能級上的粒子F數(shù)就會增加，而非M=+2各能級上的粒子數(shù)會相應減少，這樣，當光持續(xù)照射，經(jīng)若干循環(huán)F后，基態(tài)M=+2能級上的粒子數(shù)就會大大增加。隨著粒子數(shù)逐漸被抽運到M=+2能級上，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。當抽運到1M=+2能級的粒子數(shù)達到飽和時，DG+光將不再被粒子所吸收，透過樣品的光強達到最大F1而不再變化，這就是光抽運效果。光抽運的效果使所有原子由各個方向的均勻取向變成只有M=+2的取向，形成偏極化。F實驗分析(Analysis：)

4、通過示波器觀察抽運信號產生的掃場信號是由純交流信號B亠(方波或三角波)和一個直流分量B疊加而成。當調交Q節(jié)改變交流信號B振幅時，在一定范圍內，直流分量B按一定比例隨之變化，且B略大于交QQB亠信號的峰峰值的半，以保證交流信號B亠不失真。交交樣品Rb同時受到三個磁場的作用：軸向為水平方向的直流磁場B和掃場B；軸向為豎直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-正變Q0交E/化，這就提供了觀察

5、光抽運的條件。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抽運到M=+2能級上，可吸收的光原子數(shù)變少，透射光增強。FBC段，當抽運到M=+2能級上的粒子數(shù)達到飽和后，透射樣品的光強達到最大值而不F變化。C點，當掃場過零點并反向時，塞曼子能級跟隨發(fā)生簡并再分裂。重新分裂后各塞曼子能級上粒子數(shù)近乎相等。對DG+光的吸收到達最大，透射光最小，對應光抽運峰。當圖2中|Bp|B|時，則有圖4所示情形。這是因為：塞曼分裂時，兩相鄰能級間能量+差與外磁場有如下關系AE=g卩B，當外場B較大的

6、時候AE也隨之變大。處于各能級上FBNgAETOC o 1-5 h z的粒子數(shù)服從波爾茲曼(Boltzmann)分布：二產=2exp(-)NgkT11BNAE其中g和g分別為下能級和上能級的簡并度，我們通常取g=g貝9有石2=exp(-)，1212NkT1B因而AE增大時，各能級間粒子數(shù)差也增大。此時對應的較高的抽運峰，在Db+光照射下達1到偏極化的速度也越快，接收到的光信號也會越快的達到最強，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，AE也比較小，匚汁也相應較小，對應較低的抽運峰。由于以上原N1因，所以當正反磁場的大小不同時，觀察到的光抽運信號在磁場正反兩個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信號，在水平方向的總磁場必須形成一個正負正的周期性變化，否則就觀察不到抽運信號。實驗結論(Conclusion：)通過實驗，經(jīng)分析后可以得到以下結論：我們在上面已經(jīng)提到過要觀察到很理想的光抽運信號圖形，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中本身就是由純交流信號B(方波或三角波)和一交個直流分量B疊加而成的。所以我們在實驗的時候要觀察到理想的抽運圖形就是想辦法在Q水平方向消除直流信號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，此時我們

8、就能夠看到如圖5中的理想光抽運信號圖：t加上三角波和垂直方向的射頻信號，調節(jié)射頻信號的頻率，塞曼子能級之間會產生感應躍遷，稱為磁共振。觀察共振信號的時候，我們首先要弄明白水平場B與地磁場水平分量B0E/的方向關系。具體有如下的結論：A、假設兩者的方向相同，那么當加上射頻信號后，當射頻信號的頻率由大到小變化時，在第一次出現(xiàn)共振最強時，由于B與B同向，所以共振應該出現(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，達到共振最大。maxFBmaxB、假設，兩者方向相反，那么當加上射頻信號后，由射頻信號由大到小變化的過程中，第一次共振最強應該出現(xiàn)在掃場的波谷處，因為此處水平場B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，那么對應的射頻信號也應該是最大的，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，達到共振最大，此時B亠反向，對應于波谷處最大。maxFBmax父M致謝(Acknowledgments)：以上是我對光泵磁共振實驗的一些深入理解，如有不對的地方還請老師指正。感謝各位實驗室的老師這一學期的辛勤指導，特別是王熠老師在光磁共振實驗中為我們嚴謹而不乏耐心的講解。謝謝你們孜孜不倦地給我們傳授知識和基本的科研精神。參考文獻(References)