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1110641 6-3 光泵磁共振 2实验 6-3 光泵磁共振????? 3 (一)光抽运原理 (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5 2S 1/2,其最低激发态是 5 2P 1/2和5 2P 3/2, 从5P能级跃迁到 5S能级会产生两条谱线,一条是 5 2P 1/2? 5 2S 1/2,这条谱线被称为 D 1线,波长为 ;另一条是 5 2P 3/2? 5 2S 1/2,这条谱线叫被称为 D 2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 P I,P I与P J耦合的角动量为 P F,P F=,F=J+1, …,|J-I |。 87Rb的基态( 5 2S 1/2)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5 2P 1/2态的 F值也为 2,1. 但其 5 2P 3/2态的动量参数为 L=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m F=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。μ F与外场 B的相互作用能为E=g Fμ Bm FB,相邻塞曼能级间隔为ΔE=g Fμ BB. L=1 L=0 5 2P 3/2 J=3/2 5 2P 1/2 J=1/2 5 2S 1/2 J=1/2 F=3 2102121 m F210 -1 -2 -101 210 -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 D 1σ+时(光子的角动量为+?),吸收跃迁的选择定则为ΔL=+1, ΔF=,0,Δm F=+1 ,那么 5 2S 1/2态的 m F=+2 的能级的粒子不能跃迁,而原子由 5 2P 1/2上的各能级向 5 2S 1/2上的各能级自发辐射的选择定则为ΔL=-1 ,ΔF=,0,Δm F=1,这时由 D 1σ+的激发而跃迁到激发态 5 2P 1/2的粒子可由自发辐射退回到基态的m F=+2 的能级上。在D 1σ+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5 2S 1/2的m F=+2 的能级上,其他能级上可以吸收 D 1σ+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 D 1σ+ 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。 5 2P 1/2 5 2S 1/2 (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 = N 0e ? 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m F =+2 的子能级上。处于 5 2P 1/2 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 m F=+2 子能级的作用。(三)磁共振原理塞曼能级的差ΔE=g Fμ Z方向(磁场方向)上加一射频线偏振场: B 1=2B 0coswt 将其进行正交分解: B X =B 0 coswt B y =B 0 sinwt B X =B 0 coswt B y =-B 0 sinwt 当g F0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=g Fμ BB 这过程发生在塞曼子能级间, w在射频