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光泵磁共振实验.ppt

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光泵磁共振实验.ppt

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文档介绍

文档介绍:光泵磁共振实验
第1页,本讲稿共21页
光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒()在50年代提出,它利用光抽运(Optical Pumping)效应来研究原子基态和激发态的超光泵磁共振实验
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光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒()在50年代提出,它利用光抽运(Optical Pumping)效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实验通过观察光抽运信号和磁共振信号, 测量g因子,加深对原子态、光抽运、磁共振、布居数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段,光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔物理学奖。
第2页,本讲稿共21页
本实验目的是:了解光泵磁共振的实验原理,通过实验加深对铷原子(Rb)超精细结构、光抽运及磁共振的理解。测量铷(Rb)原子的gF因子及地磁场的大小。
第3页,本讲稿共21页
实验原理
第4页,本讲稿共21页
1、铷原子基态和最低激发态的能级:
铷(Z=37)是一价金属元素,天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。
在L—S耦合下,铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成,其轨道量子数L=1,自旋量子数S=1/2,电子的总角动量J=L+S和L-S,即J=3/2和1/2,形成双重态:52P1/2和52P3/2,这两个状态的能量不相等,产生精细分裂。因此,从5P到5S的跃迁产生双线,分别称为D1和D2线,, 如图所示。
第5页,本讲稿共21页
原子核也有自旋和磁矩,核自旋量子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角动量,用符号 PF表示,其量子数用F表示,则:
第6页,本讲稿共21页
在有外静磁场B的情况下,总磁矩将与外场相互作用,使原子产生附加的能量:
MF是PF的第三分量的量子数,MF=-F,-F+1,…F-1,F,共有2F+1个值。我们看到,原子在磁场中的附加能量E随MF变化,原来对MF简并的能级发生分裂,称为超精细结构,一个F能级分裂成2F+1个子能级,相邻的子能级的能量差为:
第7页,本讲稿共21页
我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋,87Rb的核自璇,因此,两种原子的超精细分裂将不同。我们以87Rb为例,介绍超精细分裂的情况:
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精细结构 超精细结构 塞曼分裂
87Rb原子能级超精细分裂
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2、光磁共振跃迁
处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则;

根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图,如图所示。

第10页,本讲稿共21页
87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
第11页,本讲稿共21页
另一方面,跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级,发出自然光,跃迁选择定则是:

结论:在没有D1σ+光照射时,5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子,而当D1σ+光持续照着时,较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上,出现了“粒子数反转”的现象。
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在“粒子数反转”后,如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场,并且调整射频频率ν,使之满足:
第13页,本讲稿共21页
这时将出现“射频受激辐射”,在射频场的扰动下,处于MF=+2子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到MF=+1的子能级,MF=+2上的原子数就会减少;同样,MF=+1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到MF=0的子能级上……如此下去,5S态的上面5个子能级很快就都有了原子,于是光吸收过程重又开始,光强测量值又降低;跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上,所以,用不了多久,5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留,所以,光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。
第14页,本讲稿共21页
通过以上的分析得到了如下的结论:
处于静磁场中的铷原子对偏振光D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制,当没有射频信号时,铷原子对D1σ+ 光的吸收很快趋于零,而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号(即公式(1)成立)时又引起强烈吸收。根据这

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