CN104698413A - 一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法。采用光致解吸附原理加速极化原子从抗退极化膜逃逸，缩短极化原子被吸附的时间。同时，降低吸附在抗退极化膜表面的原子种类和数目的不均匀性，减小抗退极化膜上的电场梯度。通过上述两种物理机理，降低极化原子核自旋弛豫的概率，延长极化原子的自旋弛豫时间。本发明可延长原子池内原子的自旋弛豫时间，尤其可提高具有核电四极矩的极化原子的自旋弛豫时间，对于提高原子磁力仪和原子自旋陀螺的性能有重要意义。

Description

一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法

技术领域

本发明涉及一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法，尤其是延长具有核电四极矩的极化气体原子自旋弛豫时间的方法，属于原子光学领域。

背景技术

核磁共振技术不仅在物理、化学、材料科学等科研研究方面有着广泛应用，在工程技术领域里也得到了重要应用，原子磁力仪和原子自旋陀螺就是其中的典型应用。在这两类原子器件中，原子池是它们的核心元件。一般地，原子池内包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体，通过光抽运碱金属间接极化惰性气体原子，惰性气体原子在磁场下作拉摩尔进动，在不同的载体转动角速度或环境磁场下，探测光提取到的惰性气体拉摩尔进动频率产生频移，进而得到载体转动角速度或环境磁场强度。原子池的性能是影响这些器件性能的主要因素。极化气体自旋弛豫时间是衡量原子池性能的重要指标。

影响惰性气体原子的自旋弛豫时间的因素很多，其中最为重要的是原子与原子池薄膜内壁的碰撞引起的弛豫机制。已有一些技术用来延长极化惰性气体原子自旋弛豫时间，并在不断地发展。其中一种是在原子池中充适量的缓冲气体，如氮气，来减小惰性气体原子与原子池内壁碰撞次数。另外一种是在原子池内壁镀抗退极化膜，如石蜡、铷氢膜、OTS等，抗退极化膜避免了原子与气室壁的直接作用，使得原子与涂层表面多次碰撞仍然保持极化，从而减小每次碰撞引起原子自旋弛豫的概率。这两种方法都可以延长极化气体自旋弛豫时间。

然而这两种方法都存在不足之处。前一种方法中惰性气体原子与缓冲气体原子碰撞将导致原子核共振谱线展宽变大，而原子核共振谱线展宽则影响原子磁力仪和原子自旋陀螺的精度。后一种方法中，由于原子池内壁抗退极化膜对于气态碱金属原子、惰性气体和其它原子均有吸附作用，有部分自由热运动状态的原子将被吸附在抗退极化膜表面，这将导致原子池内壁表面附近的原子种类和密度不均匀，增大了电场梯度。具有核电四极矩的原子，如¹³¹Xe与电场梯度的相互作用会导致原子核自旋的衰减，使得原子自旋弛豫时间变短。因此抗退极化膜对延长具有核电四极矩的极化原子的自旋弛豫时间是无效的。

美国加州大学伯克利分校、NIST、俄罗斯圣彼得堡大学等研究机构研究了原子池内壁抗退极化膜的光致解吸附现象。研究表明，通过激光辐照可以降低抗退极化膜对原子的吸附能，加速原子从抗退极化膜附近逃逸，缩短原子在抗退极化膜上被吸附的时间。

现有的充缓冲气体方案，若充缓冲气体过多，会使惰性气体原子与缓冲气体原子碰撞剧烈，进而导致原子核共振谱线展宽变大；现有的抗退极化膜方案对具有核电四极矩的原子无效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述不足，特提出一种延长极化气体自旋弛豫时间的方法和装置，可延长原子池内原子的自旋弛豫时间，更为重要的是可提高具有核电四极矩的极化气体原子的自旋弛豫时间。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光致解吸附原理的延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的装置，包括：激光器7、小角度抖动反射镜8、光束整形系统9、原子池10、反射镜11，其中，小角度抖动反射镜8位于激光器7与光束整形系统9之间，光束整形系统9位于原子池10前方；反射镜11位于原子池背面。激光器出射光束经小角度抖动反射镜反射，再经光束整形系统扩束后覆盖整个原子池，出射光经反射镜反射再次照射原子池。

所述小角度抖动反射镜在一定角度范围（如-5^o～5^o）内均匀旋转,使得激光束具有更大的辐照角度范围。

针对原子池内壁不同的抗退极化膜材料，选择相应出射波长和功率的激光器。

所述光束整形系统由棱镜、透镜等光学元件组成，主要用于对激光束进行扩束，通过调整光束整形系统的结构和光学元件组成，保证扩束后的激光束能辐照整个原子池。

所述反射镜放置在原子池背面，使得激光束再次辐照到原子池内，提高激光束的利用率，以提高延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的效果。

本发明所采用的技术方案是：延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法，通过两种物理机理延长极化原子的自旋弛豫时间；第一种物理机理是，原子池内壁抗退极化膜对于气态碱金属原子、惰性气体和其它原子均有吸附作用，有部分自由热运动状态的原子将被吸附在抗退极化膜表面，通过激光辐照降低抗退极化膜的吸附能，加速原子从抗退极化膜上逃逸，缩短原子在抗退极化膜上被吸附的时间，减少了极化原子自旋弛豫的概率，进而延长了极化原子的自旋弛豫时间。

第二种物理机理是，激光辐照使得吸附在原子池内壁抗退极化膜上的不同种类原子的数目均减少，从而降低了抗退极化膜表面原子种类和数目的不均匀性，进而减小了抗退极化膜上的电场梯度，具有核电四极矩的极化原子与抗退极化膜碰撞时核电四极矩与电场梯度的作用将变小，降低了极化原子核自旋弛豫的概率，延长了极化原子的自旋弛豫时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过缩短原子在抗退极化膜上被吸附的时间延长了原子池内极化气体自旋弛豫时间，同时通过减少抗退极化膜上的不同种类原子的数目延长了具有核电四极矩的极化气体的原子自旋弛豫时间。

附图说明

图1为延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的物理机理示意图一；

图2为延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的物理机理示意图二；

图3为延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的装置结构图；

图1-图2中虚线箭头表示计划原则的运动轨迹和方向。

具体实施方式

本发明提出了一种基于光致解吸附原理的延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法，可通过光致解吸附原理减小惰性气体原子与内壁薄膜的吸附能，使气体原子与内壁薄膜的吸附时间变短，从而延长原子自旋弛豫时间。更为重要的是，这种方法可提高具有核电四极矩的极化气体原子的自旋弛豫时间。因此该方法对于提高原子磁力仪和原子自旋陀螺的性能有重要意义。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。但不应因此限制本发明的保护范围。

为清楚阐述方案的作用原理，主要分两种情况对物理机理进行分析。第一种情况，如图1所示，当没有激光束4辐照时，自由热运动状态的极化原子Ⅰ1从被吸附在抗退极化膜3上成为被抗退极化膜吸附状态的极化原子Ⅱ2，到离开抗退极化膜3再次成为自由热运动状态的极化原子Ⅰ1的吸附时间为T1；当有激光束4辐照时，自由热运动状态的极化原子Ⅰ1从被吸附在抗退极化膜3上成为被抗退极化膜吸附状态的极化原子Ⅱ2，到离开抗退极化膜3再次成为自由热运动状态的极化原子Ⅰ1的吸附时间为T2，研究已经证明T2< T1。激光束4的辐照缩短了极化原子在抗退极化膜上被吸附的时间，降低了极化原子核自旋弛豫的概率，进而延长了极化原子的自旋弛豫时间。

第二种情况如图2所示，激光束4的辐照缩短了极化原子在抗退极化膜上被吸附的时间，使得吸附在原子池内壁抗退极化膜3的不同种类原子的数目均减少。抗退极化膜3表面原子数减少在原子尺度上降低了抗退极化膜3表面的各向异性，减小了抗退极化膜3表面的电场梯度5，使得极化原子Ⅰ1及极化原子Ⅱ2的核电四极矩与电场梯度5的作用变小，降低了极化原子核自旋弛豫的概率，延长了极化原子Ⅰ、极化原子Ⅱ的自旋弛豫时间。

下面对本发明的一个实施示例作具体说明。

如图3所示，装置包括：激光器7、小角度抖动反射镜8、光束整形系统9、原子池10、反射镜11，其中，小角度抖动反射镜8的镜面在一定范围（如-5^o～5^o）内均匀旋转,激光器7出射光束经小角度抖动反射镜8反射，再经光束整形系统9扩束后覆盖整个原子池10，出射光经反射镜11反射再次照射原子池10。针对原子池10内壁不同的抗退极化膜材料，选择具有相应出射波长和功率的激光器7。

Claims (2)

1.一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的装置，包括：激光器（7）、小角度抖动反射镜（8）、光束整形系统（9）、原子池(10)、反射镜(11)，其特征在于，小角度抖动反射镜(8)位于激光器(7)与光束整形系统(9)之间，光束整形系统位于原子池(10)前方；反射镜(11)位于原子池背面，激光器出射光束经小角度抖动反射镜反射，再经光束整形系统扩束后覆盖整个原子池，出射光经反射镜反射再次照射原子池：

所述小角度抖动反射镜在一定角度范围，-5^o～5^o内均匀旋转,使得激光束具有更大的辐照角度范围。

2.一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法，其特征在于，通过两种物理机理延长极化原子的自旋弛豫时间；第一种物理机理是，原子池内壁抗退极化膜对于气态碱金属原子、惰性气体和其它原子均有吸附作用，有部分自由热运动状态的原子将吸附在抗退极化膜表面，通过激光辐照降低抗退极化膜的吸附能，加速原子从抗退极化膜上逃逸，缩短原子在抗退极化膜上被吸附的时间，减少了极化原子自旋弛豫的概率，延长了极化原子的自旋弛豫时间；

第二种物理机理是，激光辐照使得吸附在原子池内壁抗退极化膜上的不同种类原子的数目均减少，从而降低了抗退极化膜表面原子种类和数目的不均匀性，进而减小了抗退极化膜上的电场梯度，具有核电四极矩的极化原子与抗退极化膜碰撞时核电四极矩与电场梯度的作用将变小，降低了极化原子核自旋弛豫的概率，延长了极化原子的自旋弛豫时间。