光磁共振

1、光磁共振,南京理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心,一、背景知識(shí),光磁共振是光抽運(yùn)和射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過(guò)程，是用光抽運(yùn)來(lái)研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。雙共振技術(shù)是由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者A.Kastlor于20世紀(jì)50年代提出的。 該技術(shù)既保存了磁共振高分辨的特點(diǎn)，同時(shí)又將測(cè)量靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是研究原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測(cè)量的有力工具，因此在激光物理、量子頻標(biāo)、弱磁場(chǎng)探測(cè)等方面都有重要應(yīng)

2、用價(jià)值。,二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；掌握光磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；測(cè)定銣原子的 因子和測(cè)定地磁場(chǎng)。,三、實(shí)驗(yàn)原理——概念介紹,1. 光抽運(yùn)（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡態(tài)，造成期望集居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。2. 如何提高探測(cè)靈敏度：采用光探測(cè)，探測(cè)原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測(cè)方法（直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能

3、量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大提高探測(cè)靈敏度。3. 光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)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(duì)原子磁矩、 因子、能級(jí)壽命、能級(jí)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(shí)。,—銣原子的能級(jí)分裂（精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成）,研究對(duì)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

4、運(yùn)動(dòng)相互作用（L-S耦合）發(fā)生能級(jí)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|,——精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成續(xù),對(duì)于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標(biāo)記為 ；對(duì)于最低激發(fā)態(tài)，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，標(biāo)記為 ，如右圖所示，形成兩條譜線。,——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)

5、量 電子總磁矩兩者關(guān)系為其中,——原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成,由核磁矩與電子磁矩的相互作用形成。 核的自旋量子數(shù)表示為 ，銣原子的兩種同位素的自旋量子數(shù)分別為： 核的自旋角動(dòng)量表示為 ，得原子總角動(dòng)量： 其中F用來(lái)表示原子總角動(dòng)量量子數(shù)，F(xiàn)=I+J,…,|I-J|。,——原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成續(xù),——塞曼子能級(jí)的形成,原子處于弱磁場(chǎng)中，由于原子總磁矩與磁場(chǎng)的

6、相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂，形成塞曼子能級(jí)。這些能級(jí)用磁量子數(shù)來(lái)表示， ，能級(jí)間距相同。 和 相互作用能表示如下： 能級(jí)間距為： 其中 為玻爾磁子。,—圓偏振光對(duì)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

7、，基態(tài)中 能級(jí)上的粒子數(shù)會(huì)越來(lái)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。,——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。,——塞曼能級(jí)間磁共振,在垂直于

8、產(chǎn)生塞曼分裂的磁場(chǎng)方向上加一頻率為 的射頻磁場(chǎng)，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。,——光探測(cè),照射到樣品上的偏振光，起到了兩個(gè)作用。一是產(chǎn)生光抽運(yùn)效應(yīng)；二可以通過(guò)測(cè)量透射光強(qiáng)得到磁共振信號(hào)。當(dāng)各能級(jí)上的粒子數(shù)相同時(shí)，樣品對(duì)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(guò)透射光強(qiáng)的變化來(lái)得到磁共振信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。,四、實(shí)驗(yàn)裝

9、置,五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——1.儀器調(diào)節(jié),用磁針確定地磁場(chǎng)方向，使主體光軸與地磁場(chǎng)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(chǎng)線圈與其換向開(kāi)關(guān)擲向的對(duì)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 間，銣光譜燈在 間，按工作鍵，這時(shí)除射頻線圈的各線圈電源都已接通，開(kāi)啟高頻振蕩器，發(fā)紫紅色光。調(diào)節(jié)1/4波片

10、光軸與偏振光偏振方向夾角為pi/4,——2. 觀察光抽運(yùn)信號(hào),調(diào)節(jié)垂直場(chǎng)的方向和幅度使得其能抵消地磁場(chǎng)垂直分量；加上方波掃場(chǎng),方向與地磁場(chǎng)水平方向相反，在示波器上觀察光抽運(yùn)信號(hào)，得到如下圖所示的掃場(chǎng)和光抽運(yùn)信號(hào)的對(duì)照?qǐng)D：,測(cè)量 因子1) 加上方向同地磁場(chǎng)水平方向的三角波掃場(chǎng)以及頻率為 的射頻磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)頻率的大小觀察磁共振信號(hào)，假設(shè)頻率為 時(shí)觀察到共振信號(hào)；接著將水平場(chǎng)反向，頻率為 時(shí)得到共振信號(hào)，那么

11、 便是水平磁場(chǎng)對(duì)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(huì)出現(xiàn)兩次共振信號(hào)，頻率高的為 共振信號(hào)；頻率低的為 共振信號(hào)。光磁共振信號(hào)如圖７所示。,——3. 觀察光磁共振信號(hào),——3. 光磁共振信號(hào)圖示,測(cè)量地磁場(chǎng) 測(cè)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(chǎng)和水平場(chǎng)的方向，最后地磁場(chǎng)分量對(duì)應(yīng)的共振頻率為

12、 。 根據(jù)地磁場(chǎng)垂直磁場(chǎng)的大小和水平分量的大小即可得到地磁場(chǎng)的大小及方向。,——3. 觀察光磁共振信號(hào)續(xù),附:一些物理量常數(shù),亥姆霍茲線圈軸線中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度：電子質(zhì)量 ；質(zhì)子質(zhì)量 玻爾磁子普朗克常數(shù)：,其中 為線圈匝數(shù)； 為線圈有效半徑； 為直流電壓； 為線圈繞線電阻