弛豫对光磁共振实验的影响

赵 斌，张宇亭，王茂香

（南京理工大学，江苏南京 210094）

弛豫对光磁共振实验的影响

赵 斌，张宇亭，王茂香∗

（南京理工大学，江苏南京 210094）

研究了弛豫对光磁共振实验的影响，弛豫过程影响粒子的分布，进而影响光抽运信号以及光磁共振信号的观测，但是对g因子的测量几乎没有影响。本文的研究结果将会加深对光磁共振实验及仪器工作原理的认识。

光磁共振；弛豫过程；g因子

平衡系统由于周围环境的变化或受到外界的作用将变为非平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的平衡态的过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。在光磁共振实验中，通过圆偏振光照射，形成粒子数偏极化，但是粒子数偏极化是一个非平衡状态。铷原子通过与容器壁碰撞和原子之间等的碰撞，系统返回到热平衡状态，这个弛豫过程是使粒子数失去偏极化的主要原因，光抽运和弛豫过程共同影响着原子系统的偏极化程度［1-2］。为了提高粒子的偏极化程度，常常在样品泡中充适量的惰性气体（如氮、氖等分子磁矩很小的缓冲气体）来加强弛豫的进行，而且实验中还需要样品泡达到一定的温度，这是因为粒子之间的碰撞与系统的温度密切相关。

本实验用的是DH807A型光磁共振实验装置，在光磁共振信号源的面板上，有两盏指示灯，标注为灯温和池温。灯温指示光源的温度，实验中用铷光谱灯作为光源，要求控温温度达到90℃；池温指示灯显示铷吸收池的温度，实验要求达到55℃。为了达到工作状态，每次实验前必须预热30 min，当两个指示灯都亮了的时候，才可以进行实验。在实验过程中我们发现每次都是灯温的指示灯先亮，再等十五分钟左右池温的指示灯才亮。这就给我们一个机会来观察弛豫（受池温影响）对光抽运信号、光磁共振信号以及g因子测量的影响。

1.1 实验原理

1.1铷原子的超精细结构及其塞曼分裂

对总量子数F，磁量子数mF=F，…，-F，即分裂为2F+1个能量间隔的赛曼子能级，如图1所示。

图1　铷原子能级示意图

当原子在磁场B中时，对于原子的超精细能级上的塞曼分裂，相邻两个塞曼子能级的能量差值为:

1.2圆偏振光对铷原子的激发与光抽运过程

光抽运是指在磁场中用偏振光照射原子，偏振光只能引起原子某些特定塞曼能级之间的吸收跃迁，这种跃迁（原子吸收偏振光后）不但要满足能量守恒还要满足角动量守恒定律。对塞曼效应原子能级跃迁，选择定则ΔF=0，±1。当用铷原子D1线左旋圆偏振光照射铷原子时，角动量为ћ的光子与原子相互作用，只能产生ΔF=+1的跃迁，对于87Rb的52s1/2和52p1/2态的磁量子数mF最大值都是+2.因此基态52s1/2中mF=+2子能级的粒子跃迁为零。而粒子会从52p1/2自发跃迁到52s1/2，于是原子几乎以相等的概率回到基态的各塞曼能级上，从而使得磁量子数mF=+2粒子数增加，如图2所示。经过若干循环后，基态mF=+ 2子能级上的原子只进不出，使得粒子数大大增加，形成粒子数反转，这就是光抽运效应。粒子在各能级间的非平衡分布称为粒子偏极化。

图2　87Rb光泵过程

1.3塞曼能级间的光磁共振

在磁场B中，相邻两个赛曼子能级的能量差由式（1）给出，这时若加一频率为ν1的射频磁场，并使hν1等于相邻塞曼子能级差，有

满足式（2），则塞曼子能级之间将产生光磁共振。在实验中，由于85Rb和87Rb的g值不同（85Rb的v/B=4.7×103MHz·T-1，87Rb的v/B=7.0×103MHz·T-1），因此每次固定磁场调节射频频率时，频率高的为87Rb共振信号，频率低的为85Rb共振信号。

1.4测量g因子

“+”代表与地磁场水平方向相同，“-”代表反向。

因此通过改变水平磁场的方向，测得共振频率，我们就可以计算出g因子。

2　实验测量与数据处理

2.1观测光抽运信号

遮住主体单元，避免外面光线对实验的干扰，按下方波信号，将水平场调到最小，加适当扫场，调节示波器，在示波器上观察到光抽运信号，等到池温的指示灯亮了以后，光抽运信号幅度稳定，即弛豫达到饱和，再次调节垂直场，使光抽运信号幅度达到最大值（此时为抵消地磁场最准确的值）。保持各仪器的状态，关闭电源，待仪器温度降到常温后再打开，观察光抽运信号随时间演化的过程见图3。

打开仪器2 min后（0.5 mv/格）

图3　光抽运信号随时间的变化

由图5可以看出在整个弛豫过程中，随着池温的升高，光抽运信号的幅度缓慢地增大，等池温指示灯亮后达到饱和，幅度不再增加。实验中铷光谱灯一方面起到光抽运的作用，另一方面透过铷原子样品的光可兼作探测光，用光电探测元件来接收透射光光强的变化，即一束光可用作光抽运和光探测两个作用。当加上方波抽运光时，粒子数分布偏极化，铷原子样品吸收的光线减少，光电探测器接收的光强增大，对应图像中信号幅度的最高处。然后粒子数分布逐渐弛豫到平衡态，可跃迁的粒子数增加，吸收的光子增多，对应信号幅度的下降。信号波形的谷底反应了参与能级跃迁的粒子数，当弛豫不够大的时候，粒子数分布还没有完全回归平衡态时的玻尔兹曼分布，再次抽运形成偏极化的粒子数就少，吸收的光强也小，所以光抽运信号幅度下降得比较小。随着弛豫的增强，粒子参与跃迁的数目增多，吸收的光强增大，光抽运信号将会增大直到达到饱和。

弛豫过程是如何随时间演化的？可以间接观察光抽运信号幅度的变化来进行分析。关闭仪器，待到常温，再次实验，此次在实验仪器打开的一开始就记录这个幅度的大小，每隔一段时间记录一次，直到池温指示灯亮为止，绘制了信号幅度的变化趋势如图3.2所示。

图4　光抽运信号幅度A随时间t的变化

由上图可以发现在弛豫达到饱和之前大概经历了两个过程。第一个过程对应灯温和池温的指示灯都没亮到只有灯温指示灯亮的过程，在此过程中信号幅度增加的最快，说明抽运光强随着灯温的升高而增大，抽运光强和弛豫强度同时对抽运信号产生影响；第二个过程中，铷光灯已经稳定，只有弛豫影响抽运信号的大小，可以看出弛豫强度随时间基本线性增加。11 min以后，灯温池温的指示灯都亮起来，仪器进入稳定状态。信号幅度的大小反应了粒子数分布偏极化的大小，揭示了对粒子分布产生影响的因素。

2.2观察光磁共振信号

光磁共振中观察光抽运信号只是一个准备过程，以便加深对粒子数偏极化以及弛豫等物理过程的理解。主要内容是观察光磁共振信号［4-6］，测量铷原子的g因子。此时依旧将垂直场抵消，固定扫场，开通射频磁场。将水平场电流固定为0.400 A，发射器频率固定在1 160 kHz左右，得到共振信号后，关闭仪器电源，等仪器回归常温后，再次打开，观察光磁共振信号随时间的演化如图4所示。

图5　弛豫饱和前后共振信号强度随时间的变化

由图5可以发现共振信号幅度随着弛豫增强逐渐增大。在这个过程中，弛豫使得粒子数分布趋于平衡态，即在每个塞曼能级上粒子基本均匀分布，因此发生光磁共振时，参与塞曼能级跃迁的粒子就多，观察到的光磁共振信号就比较强。

同样地我们追踪了光磁共振信号强度随时间的演化过程。

图6　光磁共振信号强度A随时间t变化图

由图4可以看出，与图3相似，前两分钟内信号幅度变化比较快，实验中从开机到灯温指示灯亮需要2 min，说明了灯温对粒子数分布的影响，随后变化缓慢，最后趋于稳定直至弛豫饱和。实验过程中，在仪器的瞬间是没有共振信号的。比较光抽运信号和光磁共振信号随时间演化的过程，我们发现光磁共振信号幅度更容易达到最大值，大概在8 min左右，而光抽运信号则要到11 min才能达到最大。这是因为射频磁场的加入，增强了粒子在赛曼能级之间的跃迁，进而影响了粒子数的分布。

2.3g因子测量

采用扫频法来探测光磁共振信号，即:固定扫场和水平场的大小，调节射频磁场使之产生共振进行观测。实验分为两个部分:弛豫饱和前，即灯温指示灯亮而池温指示灯未亮；弛豫饱和后，即灯温和池温的指示灯都亮了。记录数据得到表1 和2。

表1　弛豫饱和前

表2　弛豫饱和后

将表1和2中的实验数据代入公式（10）、（11）中，可以算出g因子。

弛豫饱和前:

弛豫饱和后:

由上面两组数据可以计算出弛豫饱和前后的g因子，可以看出弛豫对g因子的测量似乎没有太大的影响。

光磁共振信号的产生源于外场能量等于塞曼能级之间的能量差。而前面分析光抽运信号时，我们知道弛豫只影响粒子数分布的偏极化程度，不会改变塞曼能级的大小，因此发生光磁共振所需要的射频磁场大小是不会改变的，因此对g因子的测量几乎没有影响。

3　结 论

弛豫是一个热力学过程，与系统的温度密切相关。弛豫程度影响偏极化粒子回到平衡态的数量，影响粒子能级跃迁的数目，进而使光抽运信号和光磁共振信号的幅度受到影响。但是弛豫不会改变塞曼能级的大小，光磁共振的频率不会改变，因此对g因子的测量不会产生影响。希望该研究能够加强对大学物理实验及其仪器工作原理的理解。

［1］ 曾昭明，陈宜保，袁科亮，等.光泵磁共振实验中光抽运信号波形成因的探究［J］.物理与工程，2011，21（3）:62.

［2］ 周健，俞熹，王煜.光磁共振实验中壁弛豫过程与外磁场的关系［J］.大学物理，2009，28（6）:26.

［3］ 李相银，徐永祥，王海林，等.大学物理实验［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［4］ 池水莲，林斌，谢汇章.光磁共振实验中扫场及水平场取值关系的探讨［J］.大学物理，2012，31（8）:29.

［5］ 金泽渊，王亚妮.光磁共振中光抽运的原理及对共振现象的影响［J］.2004，17（4）:53.

［6］ 彭军.光磁共振设计性实验思路和教学效果［J］.大学物理实验，2010（1）.

The Effect of Relaxation in Optical Magnetic Resonance Experiment

ZHAO Bin，ZHANG Yu-ting，WANG Mao-xiang
（Nanjing University of Science&Technology，Jiangsu Nanjing 210094）

It studied the effect of relaxation in optical magnetic resonance experiment，the relaxation process influenced the distribution of particles，which affected the optical pumping signal and the observation of optical magnetic resonance signal，but it had no effect on g factor measuring almost.The results will deepen the understanding of the optical magnetic resonance experiment and the working principle of the instrument.

optical magnetic resonance；relaxation process；g factor

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.005

1007-2934（2015）02-0018-06

2014-10-23

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