光磁原理

1、光泵磁原理
光泵,也称光抽运,是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。

光泵磁共振技术则是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术,这种技术最早实现了粒子数反转。

由于气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱,普通方法很难探测。

光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点,将探测灵敏度提高了七八个数量级,能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。

2、Rb的丰度
天然 Rb 有两种同位素: 85Rb (丰度为 72.15%)、87Rb (丰度为 27.85%)。

3、铷原子基态及最低激发态能级
Rb 是碱金属原子,原子序数为 47,最外层有一个价电子,位于 5s 能级上, 因此 Rb 原子的轨道角动量量子数 L=0,自旋角动量量子数 S=1/2。

经过轨道角动量与自旋角动量间的 L-S 耦合后,其总角动量量子数为 J=|L-S|,…,L+S。

因此 Rb 原子的基态:L=0,S=1/2,J=1/2,记作 52S 。

离基态最 1/2 近的激发态是5p, 其 L=1,S=1/2,J=1/2 或 3/2,所以第一激发态为双重态,记为 52P
1/2
和
52P
3/2。

上面并没有考虑核自旋,由量子数 J 标定的能级称为原子的精细结构能级。

在核自旋 I = 0 时,原子的价电子 L-S 耦合后总角动量 P
J 与原子总磁矩µ
J
的关系为:
I≠0时,原子总角动量还要考虑核的贡献。

记核自旋角动量为P
I
,核磁矩为
µI ,P
I
与P
J
耦合成P
F
,于是有P
F
=P
I
+P
J
,耦合后总量子数F=|I-J|,…, I+J。

对于87Rb,核自旋 I =3/2,基态时 J =1/2,F =1 或 2;对于85Rb,核自旋 I
=5/2,基态时 J =1/2,F =2 或 3。

由量子数 F 标定的能级称为原子的超精细结
构能级。

原子总角动量 P
F 与原子总磁矩µ
F
的关系为:
在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂(弱场时为反常塞曼效应),磁量子数 m
F
= -F,-F +1,…,F -1,F ,即分裂成 2F+1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级图：
在弱磁场条件下,通过解铷原子的定态薛定谔方程可得其能量本征值为:
E=E
0+[F(F+1)-J(J+1)-I(I+1)]+g
F
µ
F
µ
B
B
（其中µ
B 为玻尔磁矩,a 为磁偶极子相互作用常数， a
87
= 3417.34MHZ,
a
85
= 1011.9MHZ )。

基态 52S
1/2
的两个超精细能级之间的能量差为:
E
F
=[F'(F'+1)-F(F+1)]
相邻塞曼子能级之间的能量差为: E
mF =g
F
µ
B
B
4、圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
当电子在能级之间跃迁时,满足原子和光子的总能量和总动量守恒的定律。

能量守恒要求 h = E,而动量守恒还要考虑光的偏振状态。

圆偏振光具有自旋角动量,左旋圆偏振光(用σ+表示)的角动量为ℏ,其方向指向光的传播方向;右圆偏振光(用σ-表示)的角动量为-ℏ,其方向与光的传播方向相反。

故当入射光是左旋圆偏振光时,选择定则为:
L=±1, F=0,1, m
F
=+1
87Rb 的 52S
1/2态及 52P
1/2
态的磁量子数最大值都是+2,当用σ+光激发原子
时,由于只能产生m
F =+1 的跃迁,所以处于 52S
1/2
的 m
F
=+2 子能级上的粒子
不能被激发至 52P
1/2
态。

当原子经历自发辐射和无辐射跃迁从 52P
1/2回到 52S
1/2
时,粒子返回到基
态各子能级的概率相等。

这样经过若干循环之后,基态 m
F
=+2 子能级上的粒子
数就会大大增加,即大量粒子被“抽运”到 m
F
=+2 的子能级上,这就是光抽运效应。

各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼分布的不均匀分布称为“偏极化”, 光抽运的目的就是要造成偏极化,有了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验。

右旋偏振光有同样的作用,它将大量的粒子抽运到 m
F
=-2 子能级上。

同时对
85Rb 有类似结论,但右旋偏振光将粒子抽运到 m
F
=+3 子能级上。

5、弛豫过程
热平衡时, 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布:
由于在弱磁场条件下,各塞曼子能级能量差极小,可近似认为各子能级上的粒子数相等。

光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加,使系统处于非热平衡分布状态。

系统由偏离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。

Rb 系统中几个主要弛豫过程有:
1）铷原子与容器器壁的碰撞: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,使粒子的磁矩发生改变而失去偏极化。

3）铷原子与缓冲气体之间的碰撞:缓冲气体与 Rb 原子间的碰撞对 Rb 原子磁能态扰动极小,对原子的偏极化基本没有影响,铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。

4、塞曼子能级间的磁共振
在垂直于恒定磁场 B
0的方向上加一圆频率为ω
1
的线偏振射频场 B
1
,此射
频场可分解为一左旋圆偏振磁场与一右旋圆偏振磁场,当 g
F > 0 时, µ
F
右旋进动,
起作用的是右旋圆偏振磁场,当ω
1满足共振条件hω
1
=E mF=g
F
µ
B
B
时,塞曼子能级
之间将产生磁共振,即被抽运到基态 m
F =+2 子能级上的大量粒子在射频场 B
1
作
用下, 跃迁到 m
F =+1 上。

同时由于光抽运的存在,处于基态非 m
F
=+2 子能级上的
粒子又被抽运到 m
F
=+2 子能级上。

感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡。

在磁共振时,由于 m
F ≠+2 子能级上的粒子数比未共振时多,因此,对 D
1
的σ+
光的吸收增大。

5、光探测
线的σ+光一方面起到光抽运作用,另一方面透过样品后,射到样品泡的 D
1
其光强改变又包含着物理性质变化的信息,可兼作探测光。

发生磁共振时,样品对D
的σ+光吸收强度发生改变,因此探测透过样品后的光强的变化即可得到磁共1
振的信号,实现了磁共振的光探测。

由于巧妙地将对一个低频射频光子的探测转换为一个对高频光频光子的探测,使信号探测灵敏度提高了 7-8 个数量级。