光泵磁共振实验光抽运信号分析

光泵磁共振实验光抽运信号分析

光信息科学与技术

刘晋麟

摘要：分析光抽运信号核磁共振信号图样形成原理，以及图像随磁场变化而变化的特点和原理。

关键词：光抽运 光泵磁共振

光泵磁共振是利用磁共振研究物质内部结构的一种方法,普通的磁共振由于热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，偶极跃迁几率也较小，因此信息强度不足，只能用于研究样品浓度大的固体和液体，对于样品密度小的气体，需要提高信号强度才能进行研究（参考资料《近代物理实验讲义》）。光抽运就是加强信号强度的一种办法，可以通过实验得到的图像分析物质的朗德因子等，实验中，我对于不同的水平磁场和垂直磁场对信号的影响进行了实验和分析。

一、简要实验原理

以铷气态自由原子为例，铷最外层电子处于第五层，主量子数n=5。对于基态L=0以及最低激发态L=1，由于电子的自旋与轨道运动的相互作用——L-S 耦合，以及核磁矩和电子总磁矩耦合，能级分裂为精细结构。若此时加上磁场，则能级进一步发生赛曼分裂。此时进行磁共振实验，由于信号强度不高，无法得到可靠数据，需要使用光抽运的方法使粒子偏极化，打破热平衡下波尔兹曼分布。

光抽运信号是使用圆偏振光来使得粒子形

成偏极化，例如使用左旋圆偏振光，由于左旋圆

偏振光具有+h 的角动量，根据角动量守恒，跃

迁需满足⊿M F =+1。因此，对于L=0到L=1的

跃迁（如图所示），基态中M F =2的粒子将无法

跃迁至第一激发态，故该子能级上的粒子数只增

不减，从而形成偏极化分布。

在达到偏极化分布后，即可进行磁共振。在

垂直于产生赛曼分裂的磁场B 方向加上一个频

率为v 的射频磁场，当频率和B 满足：

F B h g B νμ=

时，在赛曼分裂子能级间产生感应跃迁，即磁共

振，跃迁遵守选择定则：

⊿F=0,⊿M F =±1

磁共振发生后，光抽运与磁共振将最后达到平衡状态。

二、实验仪器

实验时，水平磁场线圈、扫场线圈和地磁场水平分量提供赛曼分裂的磁场，垂直磁场用于抵消地磁场垂直分量，射频磁场提供磁共振的射频场。

三、实验图像分析

3.1.水平场和垂直场对图像的影响

不加射频场，用方波扫场，在不同的水平场和垂直场下观察到如下光抽运信号：

t

图a

水平场电流0A 垂直场电流0.080A

第一幅图是在不加水平场，垂直磁场线圈电流0.08A时得到的。此时垂直磁场抵消地磁场最彻底，但是此时的波形并不完美，因为无论是增大还是减小垂直磁场线圈电流，波形都更加趋于不对称，可以看出对应扫场波谷的抽运信号波峰较低，而对应扫场波峰的抽运信号波峰较高。

为了分析信号不完美的原因，也就是磁场强度与信号高度的关系，首先令水平磁场仍然为0，垂直磁场线圈电流增加到0.188A，得到如下信号图样。

图b

水平场电流0A 垂直场电流0.188A

随着垂直磁场线圈电流增大，不对称加剧，仍然是波谷对应信号不完整，峰值较低。此时将水平磁场电流调节为与扫场方向反向，大小为0.267A，垂直磁场电流仍然为0.188A，

t

图c

水平场电流0.267A（反向）垂直场电流0.188A

水平电流反向时，波峰对应信号峰较低，与之前得到的图像相反。根据已得到的图形，我推测：

（1）.磁场强度越大，光透过吸收池的强度越大，即光抽运越弱，吸收池吸收光量越小，故波形幅度越低。反之则高。

（2）.水平场为0时信号不完美是由于扫场信号本身不对称

从图c 可以看出，当水平场与扫场方向反向，相当于扫场波形整体相对于x 轴下移。此时扫场到达波谷时，水平磁场最大，对应的抽运信号波形越高。为了验证假设（1），我分别在水平磁场和扫场反向和同向时观察信号波形，并逐渐增大水平场线圈电流，发现当水平磁场与扫场同向时，扫场波峰对应抽运信号较高，反之则波谷对应抽运信号较高。而随着水平磁场线圈电流增大，较弱的抽运信号逐渐减小最后消失，见下图：

图d 图e

水平场电流0.397A （反向） 垂直场电流0.115A 水平场电流0.164A （同向） 垂直场电流0.115A

由此可见假设是正确的，这是因为当磁场增大，根据公式：

F B E g B μ∆=

)ex p(1212T

k E g g N N B ∆-= 较为合理的解释是：当导致赛曼分裂磁场B 增大，能级差增大，最后导致第一激发态粒子数比基态粒子数21

N N 减小，粒子数差增大，故光抽运发生时很快就能达到偏极化分布，透过的光强也达到最大。而当磁场小的时候，

21N N 增大，粒子数差减小，达到偏极化需要更长时间，而还没有达到时磁场又降为零，发生简并，所以光抽运信号峰值不高。但是当磁场严格为零时，光抽运信号并不是最小，反而应该是最大，因为此时没有发生光抽运。这说明在图d 和图e 中对应的磁场零线并不是严格为零，故抽运信号接近为零。

考虑垂直磁场作用，垂直磁场有两个，一个是地磁场水平分量，

一个是垂直磁场线圈的磁场。磁场满足矢量合成原理，如果扫场和

水平场叠加后相对于B=0对称，则图像应为理想图样：磁场波峰

和波谷对应光抽运信号等高，而加上垂直磁场后总磁场增强，但光

抽运信号仍应为理想图样。而当总水平场并不相对B=0对称，则

加上垂直磁场后，光抽运信号的不对称将加剧。

这说明在最初水平场为0，垂直场为0.08A 时，垂直磁场恰好

抵消为零。但是扫场并不是严格相对于B=0对称，所以无论如何

调节垂直磁场，都无法得到完美波形,这可能是由于在扫场交流信

号中混有一个正向的直流信号，相当于加上了一个同向水平场。而将垂直磁场线圈电流增大或者减小（减小由于有地磁场垂直分量，垂直场大小也是增大），都将加剧抽运信号不对称。尝试适当增大水平场，与扫场的直流部分反向以抵消该直流电流产生的磁场，同时设置垂直场线圈电流0.08A，得到了较理想的波形。

结论:

1、磁场强度越大，赛曼分裂能级差越大，光抽运越弱，光抽运信号图样越高。

2、实验中扫场并不严格对称于B=0轴。

3、当总水平场不严格按B=0对称，则波峰波谷对应抽运信号高度不同，垂直磁场增大会加剧这种不同。

致谢：实验室指导老师姚红英；实验合作者卢江蛟。

参考资料：

[1]复旦大学物理教学实验中心《近代物理实验补充讲义》

[2]复旦大学自编教材《近代物理》