光泵磁共振異常光抽運(yùn)信號(hào)機(jī)理研究

摘 要：光泵磁共振是利用光抽運(yùn)效應(yīng)來研究原子精細(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。可以通過計(jì)算各共振信號(hào)對(duì)應(yīng)的gF因子來區(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(duì)共振信號(hào)的影響。通過實(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)。

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