光抽运信号的理论分析.pdfVIP

V01．31 第31卷 第11期 物理实验 No．1l 2011年11月 PHYSICSEXPERIMENTATl0NNov．，2011 光抽运信号的理论分析 钱庆凯，陈宜保，张晓平 (清华大学物理系，北京100084) 摘要：在原子辐射跃迁原理的基础上，依据光磁共振实验的基本实验现象建立简化模型，给出光抽运过程中跃迁 速率方程，理论计算了光抽运信号光强随外场变化关系以及粒子跃迁弛豫时间随外场的变化关系，理论计算结果与实验 符合． 关键词：扫场信号；光抽运信号；弛豫时间 中图分类号：0562．32 文献标识码：A 文章编号：l005—4642(2011)ll—0040—03 运过程中原子分布转移的主要过程分析如下： l 引 言 对Rb原子从低能级跃迁到高能级的受激吸 光泵磁共振实验通过光抽运的过程展示了光 收过程，由跃迁速率计算公式[2-3]可知，受激吸收 和物质相互作用，反映了原子中能级结构．光抽 跃迁速率与入射光强度成正比，与施加磁场强度 运是用圆偏振光束激发气态原子，以打破原子的 大小无关． 玻尔兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差的过 已知原子激发态的平均寿命非常短，一般为 10-8 程．原子受偏极化光激发，在上下跃迁光抽运过 s[4]，而光磁共振实验中扫场信号时间尺度 程中，由于某态能级上的粒子过于集中而吸收入 大约为100ms，所以可知Rb原子的退激速率是 射光的原子减少，使透射光强产生变化[1]．本文 很快的．在Rb原子从高能级返回到低能级的过 通过光抽运跃迁过程，建立了跃迁速率方程，理论 程中，由受激辐射、自发辐射和无辐射跃迁的特 计算了光抽运信号光强随外场变化关系及粒子跃 点，可以近似地认为在退激过程中，原子返回基态 迁弛豫时间随外场的变化关系．计算结果与实验 的各塞曼分裂能级的概率均等． 结果符合． 处在基态的各塞曼分裂能级之间会相互转 换．在光泵磁共振实验中，发现当施加磁场强度 2 理论分析 越大时，产生的光抽运信号强度也越大．依据这 2．1光抽运信号产生的原因 一事实，可以断定在实验条件下，基态原子各能级 以Rb87原子为例，设入射光为右旋圆偏振问相互转换的主导过程不是受激吸收、受激辐射 光，假如在光抽运过程中，Rb泡吸收池中处在基 或者自发辐射导致的跃迁过程，因为这些过程的 态M，=+2能级上的原子数目增加，那么处在其速率在实验条件下都会随能级间距变宽而变大． 他基态上的能吸收入射圆偏振光的原子数目将减 基态各塞曼能级间相互转换的主导过程是无辐射 少，从而导致透射光强度变大，经光信号接收器后 跃迁．由于基态塞曼分裂能级间距很小，可以进 显示为在示波器上可观测的信号[1]． 一步假设无辐射跃迁速率与能级间距成反比，即 2．2原子分布转移过程 1 1