光泵磁共振異常光抽運信號機(jī)理研究

摘 要：光泵磁共振是利用光抽運效應(yīng)來研究原子精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼能級間的磁共振，它是近代物理實驗中一個基本而重要的實驗。文章通過對實驗中出現(xiàn)的反常共振信號進(jìn)行研究并探討其機(jī)理。

關(guān)鍵詞：光抽運；磁共振；偏振態(tài)；反常信號

1 概述

光泵磁共振是利用光抽運的方法，使原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；在特定射頻量子的激發(fā)下，兩粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能級間產(chǎn)生磁共振。其共振條件為

？駐？抓m=hv0=gF？滋BB0

公式中：ΔEm為共振塞曼子能級間的能量差，h為普朗克常量，μB為波爾磁子，B0為產(chǎn)生塞曼能級分裂的直流磁場，v0為共振時射頻輻射場的頻率。由公式（1）可知，對于一定的原子，v0與B0應(yīng)一一對應(yīng)。

但我們在光泵磁共振實驗中測量87Rb和85Rb的共振頻率時，當(dāng)B0確定后，在某些特定的實驗條件下，對87Rb或85Rb可測得兩個或兩個以上的共振頻率。文章將對正常頻率以外的頻率產(chǎn)生的原因進(jìn)行探討。

2 對反常共振信號的探討

2.1 對反常信號的確定

表1 不同水平場時的共振頻率

對于水平場的每次取值和每個取向，正常共振頻率只有兩個，分別對應(yīng)87Rb和85Rb，其余為反常共振頻率?？梢酝ㄟ^計算各共振信號對應(yīng)的gF因子來區(qū)分正常共振信號和反常共振信號。87Rb的gF因子為1/2，85Rb的gF因子為1/3。由此可區(qū)分上表中的正常共振頻率與反常共振頻率。

2.2 反常共振信號出現(xiàn)原因的探討

反常共振信號出現(xiàn)的原因可能有兩個：（1）多量子躍遷效應(yīng)；（2）射頻發(fā)生器中高次諧波的疊加。

多量子躍遷的觀點指出，當(dāng)產(chǎn)生共振信號時，滿足nhv=hvo=gFuBB （n為正整數(shù)），即n個頻率為vo/n的光量子被塞曼能級上的電子吸收而發(fā)生躍遷，形成共振信號。量子躍遷的幾率隨著躍遷量子數(shù)的增加而快速減小，因此三量子及以上的躍遷幾率非常小。

雙量子躍遷需要兩個主要條件：

（1）射頻磁場強(qiáng)度要求足夠大

（2）雙量子躍遷共振頻率v2=v0/2

實驗發(fā)現(xiàn)：（1）從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在實驗條件下，當(dāng)射頻場波形為簡諧波時，能明顯測到n=1和n=2的共振信號頻率。（2）相差倍數(shù)（n）越大，相應(yīng)的信號幅度越小。（3）在實驗中還發(fā)現(xiàn)，除了以上共振信號外，還能發(fā)現(xiàn)部分共振信號，但是射頻場波形發(fā)生畸變，不是正常簡諧波信號。

由此分析，射頻場波形畸變的共振信號可能是諧波引起的。根據(jù)傅里葉級數(shù)，頻率為v的波，可以看成頻率為2v、3v、4v……正弦波的疊加，可以推斷出反常共振現(xiàn)象是由諧波產(chǎn)生的。實驗中所發(fā)現(xiàn)的n越大共振信號越小的事實，也證明了n>3的信號具有諧波的特征。因為諧波級次越高，諧波振幅越小，所以高次諧波共振信號幅度也越來越小。

需要指出的是：由于多量子躍遷共振頻率與諧波共振頻率相同（都比單量子躍遷共振頻率小整數(shù)倍），所以這兩個現(xiàn)象很容易混淆，難以從頻率關(guān)系上加以區(qū)分。特別是表中v0/2頻率點所對應(yīng)的信號，既有二次諧振波共振的作用，又有雙量子躍遷共振的作用，只能從多量子躍遷的特征，特別是多量子躍遷的強(qiáng)制制約關(guān)系來加以考慮。

3 結(jié)束語

文章探討了反常共振頻率及其原因，進(jìn)一步了解了多量子躍遷與射頻發(fā)生器高次諧波對共振信號的影響。通過實驗，對光泵磁共振的現(xiàn)象及原理有了更深一步的認(rèn)識。但本實驗也存在一定問題，如判斷反常共振信號原因時排除多量子躍遷效應(yīng)對實驗的影響需要不產(chǎn)生高次諧波的射頻發(fā)生器，但現(xiàn)實中難以實現(xiàn)。

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