光泵磁共振概述課件

背景簡介

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)頻率的射頻場激勵(lì)下，可觀察到磁共振信號。在探測磁共振信號方面，不直接探測原子對射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測的方法，探測原子對光量子的發(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，所以探測信號的靈敏度得以提高。第1頁/共24頁光泵磁共振實(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/共24頁實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

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

2.掌握光磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；

3.測定銣原子的g因子和測定地磁場。第3頁/共24頁實(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/共24頁

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.水平場線圈5.垂直場線圈6.光電探測器（接示波器）7.信號發(fā)生器

8.電源及輔助源31256478第5頁/共24頁

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

如何提高探測靈敏度：采用光探測，探測原子對光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測方法（直接探測原子對射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級，因而大大提高探測靈敏度。光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測技術(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)，加深了人們對原子磁矩、g因子、能級壽命、能級精細(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。實(shí)驗(yàn)原理第6頁/共24頁一、銣原子的基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)能級研究對象：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/共24頁

對于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標(biāo)記為；對于最低激發(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/共24頁二、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/共24頁

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

和相互作用能量表示如下：

能級間距為：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、塞曼子能級的形成第10頁/共24頁

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

如何提高探測靈敏度：采用光探測，探測原子對光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測方法（直接探測原子對射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級，因而大大提高探測靈敏度。光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測技術(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)，加深了人們對原子磁矩、g因子、能級壽命、能級精細(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。四、光磁共振概念第11頁/共24頁五、圓偏振光對銣原子的激發(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)中能級上的粒子數(shù)會越來越多，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/共24頁六、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)生塞曼分裂的磁場方向上加一頻率為的射頻磁場，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、塞曼子能級間磁共振第13頁/共24頁八、光探測

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、可以通過測量透射光強(qiáng)得到磁共振信號。當(dāng)各能級上的粒子數(shù)相同時(shí)，樣品對偏振光吸收最強(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，提高了測量靈敏度。第14頁/共24頁實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.儀器調(diào)節(jié)用磁針確定地磁場方向，使主體光軸與地磁場水平方向平行調(diào)節(jié)面板

1）確定水平線圈、豎直線圈和掃場線圈與其換向開關(guān)擲向的對應(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/共24頁2.觀察光抽運(yùn)信號調(diào)節(jié)垂直場的方向和幅度使得其能抵消地磁場垂直分量；加上方波掃場,方向與地磁場水平方向相反，在示波器上觀察光抽運(yùn)信號，得到如下圖所示的掃場和光抽運(yùn)信號的對照圖：信號波形掃場方波脈沖幅度t信號幅度t圖6光抽運(yùn)信號第16頁/共24頁測量因子加上方向同地磁場水平方向的三角波掃場以及頻率為的射頻磁場，調(diào)節(jié)頻率的大小觀察磁共振信號，假設(shè)頻率為時(shí)觀察到共振信號；接著將水平場反向，頻率為時(shí)得到共振信號，那么便是水平磁場對應(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，所以會出現(xiàn)兩次共振信號，頻率高的為共振信號；頻率低的為共振信號。光磁共振信號如圖７所示。3.觀察光磁共振信號第17頁/共24頁掃場共振信號圖7

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

測量gF水平場電流(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/共24頁2.測量地磁場水平場電流(A)同向頻率f1(kHz)反向頻率f2(kHz)f=(f1-f2)/2B地=hf/gFμB87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb第21頁/共24頁注意事項(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)，水平磁場大的為85Rb的共振譜線，水平磁場小的為87Rb的共振譜線。

2.精確測量時(shí)，為避免吸收池加熱絲所產(chǎn)生的剩余磁場影響測量的準(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