文档介绍：近代物理实验(3)2014年3月16日电子信息与光学工程学院光电子技术科学于晓源11106416-3 光泵磁共振2实验6-3 光泵磁共振?????(一)(Rb)是一价碱金属,天然铷有两种同位素,85Rb和87Rb。对于铷元素来说,其基态是52S1/2,其最低激发态是52P1/2和52P3/2,从5P能级跃迁到5S能级会产生两条谱线,一条是52P1/2?52S1/2,这条谱线被称为D1线,;另一条是52P3/2?52S1/2,这条谱线叫被称为D2线,波长为780nm,这就是铷原子的光谱精细结构。现在考虑原子核的自旋,设核的角动量为PI,PI与PJ耦合的角动量为PF,PF=,F=J+1,…,|J-I|。87Rb的基态(52S1/2)的动量参数为L=0,S=1/2,I=3/2,J=1/2,那么得到F=2,1。经过同样的演算得出:87Rb的52P1/2态的F值也为2,=1,S=1/2,I=3/2,J=3/2,它将分裂成F=3,2,1,0。由于核角动量作用而产生的由F标志的分裂,叫做铷原子光谱的超精细结构。当有外磁场存在时,原子的超精细结构进一步发生塞曼分裂。其磁量子数为mF=F,F-1,…,(-F),每一个超精细能级分裂成(2F+1)个塞曼能级,对于塞曼分裂现象。μF与外场B的相互作用能为E=gFμBmFB,相邻塞曼能级间隔为ΔE==1L=052P3/2J=3/252P1/2J=1/252S1/2J=1/2F=32102121mF210-1-2-101210-1-2-101精细结构超精细结构塞曼分裂当入射光为左旋圆偏振光D1σ+时(光子的角动量为+?),吸收跃迁的选择定则为ΔL=+1,ΔF=,0,ΔmF=+1,那么52S1/2态的mF=+2的能级的粒子不能跃迁,而原子由52P1/2上的各能级向52S1/2上的各能级自发辐射的选择定则为ΔL=-1,ΔF=,0,ΔmF=1,这时由D1σ+的激发而跃迁到激发态52P1/2的粒子可由自发辐射退回到基态的mF=+2的能级上。在D1σ+光照射的过程中,不断地进行吸收和辐射,最终不断地将原子“抽运”到52S1/2的mF=+2的能级上,其他能级上可以吸收D1σ+光的原子数目越来越少,造成各子能级上粒子数的不均匀分布,称为偏极化。在偏极化状态下,原子对D1σ+光的吸收越来越少,于是透过吸收池的光由弱变强,直到平衡时透过光强不再变化。这就是光抽运现象和由透过吸收池的光强变化测量光抽运现象的基本原理。52P1/252S1/2(二)弛豫过程热平衡状态下,基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布(N = N0e?E/kT)。由于各子能级的能级差很小,近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运造成粒子数差变大,使系统处在粒子数反转分布状态。系统由非热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验与弛豫有关的几个主要过程: 1、铷原子与容器碰撞导致子能级之间的跃迁,使原子恢复到热平衡分布, 失去光抽运造成的偏极化。 2、铷原子之间的碰撞导致自旋-自旋交换弛豫。当外磁场为0时塞曼子能级简并,这种弛豫使原子回到热平衡分布,失去偏极化。 3、铷原子与缓冲气体间碰撞。由于缓冲气体分子磁矩很小,碰撞对铷原子磁能态扰动极小,这种碰撞对原子的偏极化基本无影响。铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。缓冲气体分子不可能将子能级之间的跃迁全部抑制,因此不可能把粒子全部抽运到mF =+2的子能级上。处于52P1/2 态的原子需与缓冲气体分子碰撞多次才有可能发生能级转移。缓冲气体分子还有将粒子更快地抽运的mF=+2子能级的作用。(三)磁共振原理塞曼能级的差ΔE=(磁场方向)上加一射频线偏振场:B1=2B0coswt 将其进行正交分解:BX=B0coswtBy=B0sinwtBX=B0coswtBy=-B0sinwt当gF0时,左旋圆偏振场与原子总磁矩的进动方向一致,若调节射频场的频率与拉莫尔角频率相等,则系统发生吸收或感应跃迁,即?w=ΔE=gFμBB这过程发生在塞曼子能级间,w在射频波段上。左旋右旋(四)光磁共振光磁共振是光抽运和磁共振同时进行的物理过程。正常情况下,基态各塞曼子能级之间的能级差很小,各子能级上由玻尔兹曼分布的粒子数相差很小,可以认为粒子各能级上的分布均匀。用射频场去诱导这些子能级间的磁共振跃迁时,有一个原子吸收一份射频能量由下能级跃迁到上能级,就有一个原子发射一份射频能量从上能级跃迁到下能级。从宏观上看,没有电磁能量的净吸收或者净发射,因而无法从实验上检测到磁共振现象。要想在实验中观测到