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        光泵磁共振異常光抽運(yùn)信號(hào)機(jī)理研究

        2016-12-31 00:00:00曲江珊李曉蕾
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年16期

        摘 要:光泵磁共振是利用光抽運(yùn)效應(yīng)來(lái)研究原子精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼能級(jí)間的磁共振,它是近代物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)基本而重要的實(shí)驗(yàn)。文章通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的反常共振信號(hào)進(jìn)行研究并探討其機(jī)理。

        關(guān)鍵詞:光抽運(yùn);磁共振;偏振態(tài);反常信號(hào)

        1 概述

        光泵磁共振是利用光抽運(yùn)的方法,使原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)分裂的直流磁場(chǎng),v0為共振時(shí)射頻輻射場(chǎng)的頻率。由公式(1)可知,對(duì)于一定的原子,v0與B0應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。

        但我們?cè)诠獗么殴舱駥?shí)驗(yàn)中測(cè)量87Rb和85Rb的共振頻率時(shí),當(dāng)B0確定后,在某些特定的實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)87Rb或85Rb可測(cè)得兩個(gè)或兩個(gè)以上的共振頻率。文章將對(duì)正常頻率以外的頻率產(chǎn)生的原因進(jìn)行探討。

        2 對(duì)反常共振信號(hào)的探討

        2.1 對(duì)反常信號(hào)的確定

        表1 不同水平場(chǎng)時(shí)的共振頻率

        對(duì)于水平場(chǎng)的每次取值和每個(gè)取向,正常共振頻率只有兩個(gè),分別對(duì)應(yīng)87Rb和85Rb,其余為反常共振頻率??梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算各共振信號(hào)對(duì)應(yīng)的gF因子來(lái)區(qū)分正常共振信號(hào)和反常共振信號(hào)。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(hào)出現(xiàn)原因的探討

        反常共振信號(hào)出現(xiàn)的原因可能有兩個(gè):(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(diǎn)指出,當(dāng)產(chǎn)生共振信號(hào)時(shí),滿足nhv=hvo=gFuBB (n為正整數(shù)),即n個(gè)頻率為vo/n的光量子被塞曼能級(jí)上的電子吸收而發(fā)生躍遷,形成共振信號(hào)。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(gè)主要條件:

        (1)射頻磁場(chǎng)強(qiáng)度要求足夠大

        (2)雙量子躍遷共振頻率v2=v0/2

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):(1)從表2中數(shù)據(jù)可以看出,在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)射頻場(chǎng)波形為簡(jiǎn)諧波時(shí),能明顯測(cè)到n=1和n=2的共振信號(hào)頻率。(2)相差倍數(shù)(n)越大,相應(yīng)的信號(hào)幅度越小。(3)在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),除了以上共振信號(hào)外,還能發(fā)現(xiàn)部分共振信號(hào),但是射頻場(chǎng)波形發(fā)生畸變,不是正常簡(jiǎn)諧波信號(hào)。

        由此分析,射頻場(chǎng)波形畸變的共振信號(hào)可能是諧波引起的。根據(jù)傅里葉級(jí)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(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的n越大共振信號(hào)越小的事實(shí),也證明了n>3的信號(hào)具有諧波的特征。因?yàn)橹C波級(jí)次越高,諧波振幅越小,所以高次諧波共振信號(hào)幅度也越來(lái)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(gè)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào),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(lái)加以考慮。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        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(duì)共振信號(hào)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn),對(duì)光泵磁共振的現(xiàn)象及原理有了更深一步的認(rèn)識(shí)。但本實(shí)驗(yàn)也存在一定問(wèn)題,如判斷反常共振信號(hào)原因時(shí)排除多量子躍遷效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響需要不產(chǎn)生高次諧波的射頻發(fā)生器,但現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張飛雁,等.光磁共振實(shí)驗(yàn)反常共振信號(hào)的判斷與原因分析[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2010,23(2).

        [2]雷衍連,張巧明,張勇.光泵磁共振實(shí)驗(yàn)中反常共振信號(hào)的機(jī)理研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,38(7).

        [3]孫昕,等.光磁共振實(shí)驗(yàn)中雙量子躍遷及射頻場(chǎng)諧波干擾[J].物理實(shí)驗(yàn),21(3).

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