光泵磁共振
实验光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。
铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。
n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。
基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。
轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。
光泵磁共振实验
光泵磁共振实验探讨无锡高等师范学校毛宏伟摘要光泵磁共振实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼能级间的磁共振。
它是近代物理实验中一个基本而重要的实验。
本文主要从光抽运信号观察、磁共振信号观察、测量gF因子、测量扬州地区地磁场等几个方面展开探讨。
关键词光抽运, ,磁共振，g F因子，地磁场一、光泵磁共振的实验原理1．铷原子的能级光泵磁共振实验研究的对象是铷的气态自由电子。
由原子物理可知,铷是一价碱金属,其价电子处于带5壳层,主量子数n=5,对于同一主量子数n,有L=0,1,…,(n-1)个不同的轨道状态,L=0对应于基态,L=1是最低激发态。
电子还具有自旋,电子自旋量子数S=1/2。
由于电子的自旋与轨道运动的相互作用(即L-S耦合)而发生的能级分裂，称为精细结构。
轨道角动量P L 与自旋角动量PS合成总角动量PL=PL+PS。
原子能级的精细结构用电子的总角动量量子数J来标记：J=L+S,L+S-1,…,|L-S|。
对于基态,L=0,S=1/2,其标记为52S1/2;对第一激发态,L=1,S=1/2,是双重态52P1/2及52P3/2,分别对应于J=1/2和J=3/2。
5P与5S能级之间的跃迁是铷原子的第一条线,为双线,在铷光谱中强度最大。
其中52P1/2到52S1/2的跃迁称D1线,波长为7948A , 52P3/2到52S1/2的跃迁为D2线,波长为7800A。
.铷核具有自旋和磁矩。
由于核自旋角动量PI与电子的总角动量PJ 相互作用,即IJ耦合,形成PF,有PF=PI+PJ。
IJ耦合形成超精细结构能级,用量子数F标记,F=I+J,…,|I-J|。
铷有两种同位素87Rb和85Rb, 87Rb的I=3/2,基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态, 85Rb的I=5/2,基态J=1/2,具有F=3和F=2两个状态。
以上所述是没有外磁场的情况。
如果处在外磁场B 中,由于原子的总磁矩μF与磁场B 的相互作用,超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼能级。
5-2 光泵磁共振
5.2 光泵磁共振观测气体原子的磁共振信号是很困难的，因为气态物质比凝聚态物质的磁共振信号微弱得多．1950年，法国物理学家卡斯特勒（A. Kastler ）发明了光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和原子频标的发展打下了基础，卡斯特勒因而荣获了1966年的诺贝尔物理学奖．光泵磁共振（optical pumping magnetic resonance ，OPMR ），实际上是一个射频信号可以控制一个光频信号的吸收过程．本实验以铷（Rb ）原子气体为样本，观察光磁共振现象，并测量85Rb 和87Rb 两种同位素原子的朗德g F 因子．一、实验目的1．掌握光抽运−磁共振−光检测的实验原理及实验方法；2．研究铷原子能级的超精细结构；3．测定铷同位素85Rb 和87Rb 的朗德因子g F ．二、实验原理1．铷原子的基态和最低激发态铷（Rb ，Z ＝37）是一价碱金属元素，天然铷有两种稳定的同位素：85Rb （占72.15%）和87Rb （占27.85%）．它们的基态都是52S 1/2，即主量子数 n ＝5，轨道量子数 L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数 J ＝1/2（L -S 耦合）．在L -S 耦合下，铷原子的最低光激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数 L ＝1，自旋量子数S ＝1/2，电子的总角动量量子数 J = L +S 和 L -S ，即 J = 3/2 和1/2，L -S 耦合形成双重态：52P 1/2和52P 3/2．这两个状态的能量不相等，原子能级产生精细分裂，因此，从5P 态到5S 态的跃迁产生双线，分别称为D l 和D 2线，它们的波长分别是794.8 nm 和780.0 nm ，其形成过程表示在图5.2.1中．图5.2.1 Rb 原子光谱的D 双线结构．通过L -S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为 其中就是著名的朗德（Longde ）因子，m 是电子质量，e 是电子电荷．原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示．核角动量P I 和核外电子的角动量 P J 耦, (5.2.1)2J J J e g P mμ=-()()()()1111, (5.2.2)21J J J L L S S g J J +-+++=++合成一个更大的角动量，用符号P F 表示，其量子数用F 表示，则与此角动量相关的原子的总磁矩μF 为其中通过原子核角动量−电子总角动量耦合，得到原子的总角动量P F ，总角动量量子数F = I +J ，…，|I -J |．F 不同的原子状态的能量不相等，原子能级产生超精细分裂．我们来看一下具体的分裂情况．87Rb 的核自旋 I = 3/2，85Rb 的核自旋I ＝5/2，因此，两种原子的超精细分裂将不相同．我们以87Rb 为例，介绍超精细分裂的情况．对于电子态52S 1/2，角动量P J 与角动量P I 耦合成的总角动量P F 有两个量子数：F ＝I +J 和I -J ，即 F ＝2和l ．同样，对于电子态52P 1/2，耦合成的总角动量P F 也有两个量子数：F =2和l ．而对于电子态52 P 3/2，耦合后的总角动量P F 有四个量子数：F =3，2，l ，0．在有外静磁场B 的情况下，总磁矩将与外磁场相互作用，使原子产生附加的能量其中 μB = e ħ/2m = 9.274×10-24 JT -1为玻尔磁子，M F 是P F 的第三分量P z 的量子数，M F ＝-F ，-F +1，...，F -1，F ，共有2F +1个值．我们看到原子在磁场中的附加能量E 随M F 变化，原来对M F 简并的能级发生分裂，称为塞曼效应，一个F 能级分裂成2F +1个子能级，相邻子能级间的能量差为我们可以画出原子在磁场中的塞曼分裂情况，如图5.2.2所示．实验中D 2线被滤掉，所以所涉及的52 P 3/2态的分裂也就不用考虑．图5.2.2 87Rb 原子能级的超精细分裂和塞曼分裂．2．光抽运效应在热平衡状态下，各能级的粒子数分布遵从玻尔兹曼统计规律．由于超精细塞曼子能级间的能量差很小，可近似的认为由铷原子52S 1/2态分裂出的8条子能级上的原子数接近均匀分布；同样，由52P 1/2态分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布．但这不利于观测这些子能级间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子，使原子能级的粒子数分布产生重大改变．. (5.2.3)F I J P P P =+, (5.2.4)2F F F e g P mμ=-()()()()111. (5.2.5)21F J F F I I J J g g F F +-+++=+B , (5.2.6)22F F z F F F F e e E B g P B g M B M g B m m μμ=-⋅=== B . (5.2.7)F E g B μ∆=实验中，我们要对铷光源进行滤光和变换，只让左旋圆偏振（D1σ+）光通过并照射到铷原子蒸气上．处于磁场中的铷原子对左旋圆偏振光的吸收遵守如下的选择定则：ΔF＝±1,0；ΔM F ＝+l．根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图5.2.3左半部分所示．我们看到，5S能级中的8条子能级，除了M F＝+2的子能级外，都可以吸收（D1σ+）光而跃迁到5P的有关子能级；另一方面，跃迁到5P能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S能级，发出自然光，退激跃迁的选择定则是：ΔF＝±1,0；ΔM F＝±1,0．相应的跃迁见图5.2.3的右半部分．我们注意到退激跃迁中有一部分原子的状态变成了5S能级中的M F=+2的状态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P能级去的，但是那些回到其他7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级．当光连续照着，跃迁5S→5P→5S→5P的过程就会持续下去．这样，5S态中M F=+2 的子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对（D1σ+）光的吸收越来越弱，透射光强逐渐增强，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的M F=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到如此程度，以至于没有几率吸收光，透射光强测量值最大．我们把此时原子的状态称为“偏极化”状态．图5.2.3 87Rb原子对（D1σ+）光的吸收和退激跃迁．通过以上的讨论可以得出这样的结论：在没有（D1σ+）光照射时，5S 态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当（D1σ+）光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到M F=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象，这就是光抽运效应．对于85Rb，（D1σ+）光是将原子抽运到M F=+3的子能级上．顺便指出：如果入射光是（D1σ-）（即右旋圆偏振光），处于磁场中的铷原子对右旋圆偏振（D1σ-）光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔM F＝-l．跃迁过程与图5.2.3所示类似，只是原子被“抽运”到M F=-2的子能级上．如果入射光是π光（电矢量方向与磁场方向平行），处于磁场中的铷原子对π光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔM F＝0．即每一个子能级上的原子都可以向上或向下跃迁，原子不会在某一个能级上产生积聚，所以铷原子对π光有强烈吸收但无光抽运效应．3．弛豫过程光抽运使得原子在能级上的分布趋于偏极化而达到非平衡状态，原子系统将会通过弛豫过程恢复到热平衡状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内冲入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡内铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响铷原子在能级上的分布，从而保持铷原子系统有较高的偏极化程度．4．光磁共振与光检测在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频量子的频率ν，使之满足这时将出现“射频受激辐射”．即在射频场的扰动下，处于M F =+2子能级上的原子会放出一个频率为v 、方向和偏振态与入射射频量子完全一样的量子而跃迁到M F ＝+l 的子能级上，M F =+2上的原子数就会减少；同样，M F =+1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M F ＝0的子能级上，即发生了磁共振，（5.2.8）式为共振条件．如此下去，5S 态的子能级上很快就都有了原子，于是又开始光抽运过程，透射光强测量值降低．由于在偏极化状态下样品对入射光的吸收很少，透过样品泡的（D 1σ+）光已达最大；但是一旦发生磁共振跃迁，样品对（D 1σ+）光的吸收将增大，则透过样品泡的（D 1σ+）光必然减弱．即只要测量透射光强度的变化就可实现对磁共振信号的检测．由此可见，作用在样品上的（D 1σ+）光，一方面起抽运作用，另一方面可把透过样品的光作为检测光，即一束光同时起到了抽运和检测两重作用．三、实验装置本实验使用的是DH807A 型光磁共振实验仪，它由主体单元、信号源、主电源和辅助电源等部分组成．其中信号源提供频率和幅度可调的射频功率信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电流；辅助源提供水平磁场调制信号（10 Hz 方波和10 Hz 三角波，调制电流的方向可反转）以及对样品室温度的控制．主体单元是本实验的核心，如图5.1.4所示，它由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光探测器以及两组亥姆霍兹线圈组成．图5.1.4 主体单元示意图．天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52 mm 的玻璃泡内，玻璃泡的两侧对称放置一对小射频线圈，它为磁共振提供射频磁场．这个铷吸收泡和射频线圈都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”，槽内温度约在55°C 左右．吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心．垂直磁场线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量．水平磁场线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂．另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场．铷光谱灯作为抽运光源．光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两透镜的焦距为77 mm ，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上．干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出D 1光．偏振片和 1/4 波片（和准直透镜装在一起）使出射光成为左旋圆偏振光．发生磁共振时，透过铷吸收泡的光强由于铷原子的吸收而减弱，经过终端的光电探测器测量并放大，通入示波器进行观察。
实验29 光泵磁共振
实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。
虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。
一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。
2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。
二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。
Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。
由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。
考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。
87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。
核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。
I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。
对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。
光泵磁共振实验报告
学生实验报告内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得一、实验目的：1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解；2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子；3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场。
二、实验使用仪器与材料：数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。
（核磁共振仪器连线图）三、实验步骤：1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。
（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。
（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。
2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。
当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。
（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。
同时旋转１／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。
扫场是一交流调制场。
当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。
扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。
当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。
３．测量基态的值由磁共振表达式得 (4)υ可由频率计给出，因此如知便可求出。
此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。
光泵磁共振
光泵磁共振光泵磁共振光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0ptical pumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。
此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。
实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。
一、实验目的（1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
（2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。
实验重点：实验装置中磁场的作用。
实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。
这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。
1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。
由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。
铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。
已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（13-1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）g J=1+ ───────────────（13-2）2J（J+1）但铷原子的核自旋I≠0。
光泵磁共振
光泵磁共振实验报告光信息31张圳2120905023光泵磁共振实验是指把实验样品（原子，分子等）置于光频和射频电磁场的共同作用下，使之发生光频共振跃迁的一种实验技术。
在探测磁共振时，不直接探测样品对射频量子的发射和吸收，而是采用光探测的方法，级探测样品对光量子的吸收和发射。
由于光量子的能量比射频量子的能量高7~8个量级，所以这种方法即保持了磁共振的高分辨率又提高了探测信号的灵敏度。
近几十年来，用光抽运-磁共振-光探测技术对许多原子，分子能级的精细结构及其它各种参数进行了精密的测量，对研究微观粒子结构起了很大的推动作用。
另外在量子频标、精确测定磁场等方面也有很大的实际应用价值。
本实验研究的对象是碱金属铷的气态自由原子。
实验的物理内容很丰富，通过实验可加深对原子超精细结构，光跃迁及磁共振的理解，也将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。
一．实验目的1．观察光抽运，磁共振信号，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
2．掌握光泵磁共振的原理及实验方法。
3．利用光泵磁共振测量Rb 87，Rb 85超精细结构F g 因子及地磁场水平分量"地B二．实验原理1.铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级铷（Z =37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %和85Rb ，占72．15%。
它们的基态都是52S 1/2。
在L —S 耦合下，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。
因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。
通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩J图B4-1 Rb 原子精细结构的形成为2J J J e e g P m μ=- （B4-1）式中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J（B4-2）是著名的朗德因子，m e 是电子质量，e 是电子电量。
光泵磁共振
光泵磁共振光磁共振技术是２０世纪５０年代法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Ｋａｓｔｌｅｒ）提出的。
他于１９９６年获诺贝尔物理学奖。
该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。
气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。
因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。
近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。
利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。
[实验目的]１．掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
２．测定铷同位素和的因子，测定地磁场。
[实验原理]光磁共振是根据角动量守恒原理，用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。
由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级。
它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。
1．铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：和。
根据ＬＳ耦合产生精细结构，它们的基态是5，最低激发态是5和5的双重态。
对，5—5跃迁为Ｄ1线（λ1＝7948）；52Ｐ3／2—52Ｓ1／2为Ｄ2线（λ2＝7800）。
铷原子具有核自旋，相应的核自旋角动量为，核磁矩为。
在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即和电子总角动量耦合成总角动量，F为总量子数：F＝I＋Ｊ，…，｜I－Ｊ｜。
对，I＝3／2，因此的基态有两个值：F＝2和F＝1。
对，I＝5／2，因此的基态有F＝3和F＝2。
由量子数F标定的能级称为超精细结构能级。
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验报告摘要：本实验通过光泵磁共振技术，研究了自旋磁共振现象。
通过调整磁场和光频，成功实现了自旋磁共振的观测。
实验结果与理论预测相符，验证了光泵磁共振的可行性和准确性。
引言：光泵磁共振是一种通过光学激发来改变系统自旋状态的技术。
在磁场作用下，光泵磁共振可以实现对自旋的操控，具有广泛的应用前景。
本实验旨在通过光泵磁共振实验，研究自旋磁共振现象，验证该技术的可行性和准确性。
实验原理：自旋磁共振是指在外加磁场的作用下，通过光学激发使自旋从基态跃迁到激发态，并通过测量共振信号来研究自旋的行为。
实验中使用的样品是自旋1/2的粒子，如电子或核自旋。
在外加磁场的作用下，样品中的自旋会分裂成两个能级，分别为上能级和下能级。
当光的频率与能级间距相等时，自旋会发生共振现象，从而产生共振信号。
实验步骤：1. 准备实验所需的设备和材料，包括磁场装置、光源、样品等。
2. 调整磁场强度和方向，使其达到所需的数值。
3. 调整光源频率，使其与样品的能级间距相匹配。
4. 打开光源，照射样品，并测量共振信号。
5. 通过调节磁场和光源频率，观察共振信号的变化。
6. 记录实验数据，并进行数据分析。
实验结果与讨论：在实验中，我们成功观测到了自旋磁共振现象，并测得了共振信号的强度。
通过调节磁场和光源频率，我们观察到了共振信号的变化规律。
实验结果与理论预测相符，验证了光泵磁共振的可行性和准确性。
结论：通过光泵磁共振实验，我们成功研究了自旋磁共振现象，并验证了光泵磁共振技术的可行性。
该技术可以用于对自旋的操控和研究，具有重要的科学研究和应用价值。
未来可以进一步探究光泵磁共振的机理，优化实验条件，拓展应用领域。
光泵磁共振
光泵磁共振光磁共振，亦称光泵（Optical Pumping ）。
这个实验方法是由法国物理学家卡斯特勒（A ·Kastler ）在1950年首创的。
它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。
然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，使光的抽运速率变化。
通过对抽运速率变化的探测来研究原子Zeeman 能级的结构（超精细结构）。
光磁共振实验巧妙地利用了光探测的高灵敏度和磁共振的高分辨率，在实验构思上堪称典范。
光磁共振实际上是一种双共振现象，因为抽运也是在共振下进行的。
六十年代以后在磁共振领域里双共振的实验方法得到了充分的开发，而这些双共振技术在原理上与光磁共振则是相似的。
由于光磁共振在基础物理研究、量子频标技术和弱磁场测定等方面都有着重要的应用价值，因此卡斯特勒获得了1966年的诺贝尔奖。
本实验所涉及的物理内容很丰富，它可使同学学习到光学、电磁学和无线电电子学等方面的综合性实验知识，并能定性或半定量地了解到原子内部的很多信息，是一个典型的波谱学教学实验。
一 实验目的1． 了解光泵磁共振的实验原理，并通过实验加深对原子超精细结构、光抽运及磁共振的理解。
2． 学习用光泵磁共振的实验方法测定金属铷同位素85Rb 和87Rb 的F g 因子，地磁场垂直和水平分量等。
二 实验原理光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。
本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
所研究的对象是铷（Rb ）的汽态自由原子。
1．铷原子基态和最低激发态的能级铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层，主量子数5=n 。
由于电子轨道角动量与自旋角动量的相互作用（即LS 耦合），使原子能级具有精细结构，用电子总角动量量子数J 来表示。
||,1 ,S L S L S L J −−++=L L 。
对于基态，2/1,0==S L ，只有2/1=J 一个态，标记为52S 1/2。
光泵磁共振
光泵磁共振
光泵磁共振（Optically Pumped Magnetometer，简称OPM）是一种使用激光光源来激发原子或分子的能级跃迁，并利用磁共振效应来测量磁场的仪器。
它是一种高灵敏度的磁强仪，常用于科学研究、地磁测量、医学影像等领域。
光泵磁共振的工作原理基于原子或分子的自旋-转动耦合。
其基本步骤如下：
1.光泵过程：通过激光器产生的光束，对原子或分子进行照
射，使其处于激发态。
这个激发态通常是由基态向高能级
的跃迁产生的。
2.寿命延长：在激发态下，原子或分子的自旋翘曲频率会因
为矢量加和效应而降低，导致寿命延长。
3.磁共振过程：将一个外加磁场施加于激发态的原子或分子，
使其自旋重新排列。
当外加磁场的频率等于原子或分子自
旋的共振频率时，会发生能级跃迁，从而改变原子或分子
的自旋状态。
4.信号检测：通过检测原子或分子能级跃迁时释放的辐射或
吸收光强的变化，可以确定磁共振信号的特征，并进一步
测量外加磁场的强度。
相比传统的磁强计，光泵磁共振具有高灵敏度、宽动态范围、无感应场、无磁场饱和等优点。
它可以在非磁性材料中实现高灵敏度的磁场测量，对于磁场的探测和测量提供了一种有效的
方法。
光泵磁共振
光泵磁共振光泵磁共振物理1501 1509030115 崔汪明摘要：通过本实验利用光泵磁共振的基本原理可以观测铷原子的磁共振信号，并测定85Rb和87Rb 的塞曼子能级的朗德因子gF，并与理论值相比较；采用光泵磁共振技术测定地磁场水平分量，然后求出地磁场的大小，与理论值比较后分析误差产生原因。
一、前言观测气体中原子超精细结构塞曼子能级之间跃迁的磁共振信号是很困难的，1950年法国物理学家卡斯特勒（A. Kastler）提出了光抽运方法，并荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
光抽运是用圆偏振光激发气态原子，造成不同能级原子数偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。
将光抽运与射频电磁场相结合产生磁共振的方法称为光泵磁共振方法，通过探测透过样品的抽运光强来获得光泵磁共振信号，从而使信号功率提高了7～8个数量级。
因此，光泵磁共振能在弱磁场（0.1～1mT）下精确检测气体原子能级的超精细结构。
目前此方法一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，原子、分子间各种相互作用的研究。
另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有实际应用价值。
二、实验原理1. 铷原子基态和最低激发态的能级天然铷的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %；85Rb ，占72.15%；基态轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2（LS 耦合），它们的基态都是52S 1/2。
在LS 耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L =1，自旋量子数S =1/2，电子的总角动量J =L +S 和L -S ，即J =3/2和1/2，因而最低激发态形成双重态：52P 1/2和52P 3/2。
从52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长为794.76nm ；从52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长为780.0nm ，这两条谱线在铷灯的光谱中光强特别大。
光泵磁共振
4、5P—5S能级间的跃迁产生出铷原子主线 系的两条光谱线
它们的波长分别 是：794.8nm和 780.0nm 实验中只研究 780.0nm
5、电子的总磁矩J与总角动量PJ的关系
通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ ，与此相联系
e 的核外J电子的总磁矩J 为： U J＝g J PJ 2m
问题的提出
磁共振信号的特点是：分辨率高（共振频 率很窄、很精细）灵敏度低（信号弱） 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常 弱，仅用磁共振的方法难于观察。 怎样才能既保持了磁共振分辨率高的优点， 同时又能提高气体的探测灵敏度?
光泵磁共振的基本思想
ห้องสมุดไป่ตู้
利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman能级上粒 子分布的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的 Boltzmann分布。（光抽运过程） 然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动， 打破这种偏极化状态，使Zeeman能级上粒子重新 分布。 （磁共振过程） 利用光探测器对抽运速率变化（光抽运信号）进 行观察和测量，来探测研究原子Zeeman能级的超 精细结构。 （光探测过程） 实验过程是光抽运与磁共振交替进行的过程
上跃迁 M F＝ 1 下跃迁 M F＝0,1
由于σ+光子的角动量为+h，故只能产生ΔMF＝+1的 跃迁。 由 52P1/2到 52S1/2 发射光子的跃迁中ΔMF＝0，±1的 各种跃迁都是可能的。
87Rb原子受D
+左旋圆偏振光照射 σ 1
时光抽运的结果
在没有D1σ+光照射时，5S态上的8个子能级
光泵磁共振实验
实验名称：光泵磁共振 实验目的1、观察光抽运、磁共振信号,加深对原子超精细结构、光跃迁、磁共振的理解；2、掌握光泵磁的原理及实验方法；3、利用光泵磁共振测量Rb 87、Rb 85超精细结构F g 因子及地磁场水平分量地B。
实验原理光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。
本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
所研究的对象是铷（Rb）的气态自由原子。
1、铷原子基态及最低激发态能级铷（Z=37）是一价碱金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种，Rb 85占72。
15%，Rb 87占27。
85%。
其原子基态都是2/125S ，即价电子的主量子数n=5,轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2。
由于是LS耦合，J=L+S，…,L-S，所以铷的基态J=1/2。
铷原子的最低光激发态是2/125P 及2/325P 双重态，他们是由LS耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。
2/125P 态J=1/2；2/325P 态J=3/2。
在5P与5S能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别大。
2/125P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为1D 线，波长是7948A ；2/325P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A 。
原子总磁矩F 与外磁场B 相互作用能量为B M g B h M m e g B P m e g B E B F F F F F FF 222 （2）式中124102741.94T J m ehB 。
称为玻尔磁子。
相邻塞曼子能级之间（1 F M ）的能量差为Bg E B F M F （3）由此式可以看出塞曼子能级间距与B 成正比。
2、光泵的物理过程热平衡状态下，粒子服从玻尔兹曼分布)exp(12KT EN N12E E E ，当C T 50 时，2/125P 与2/125S 相比较，KT E ，所以21N N ，即铷原子基本处在基态2/125S 上。
光泵磁共振
光泵磁共振一般来说，要了解样品的物质结构可采用光谱分析法，用光谱仪定性及定量测定物质的原子、分子结构。
但要搞清原子、分子内部更加精细的结构和变化，光谱仪的分辨力就不够了。
为了得到更高的分辨力，可采用波谱学方法，用微波或射频磁共振研究原子的精细、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能级。
对于浓度较大的样品，电子自旋共振和核磁共振，可以得到较强的共振信号；但是，对于浓度较低的气态样品，波谱学方法又无能为力了。
为了解决上述问题，1950年代法国科学家卡斯特莱（Kastler ）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。
这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。
这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。
1966年卡斯特莱因发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。
实验目的1． 掌握光抽运——磁共振——光探测的实验原理，学习近代物理的测量方法。
2． 测定铷原子的g 因子。
3． 学习用光泵磁共振技术测量弱磁场。
实验原理电子在原子中所处的位置，决定了原子状态，一般用能量来表示。
原子的能量只能取一系列分立值，称之为能级。
一个能级在一定条件下会发生分裂。
我们把能级在LS 耦合下的分裂，分别叫做能级的精细结构和超精细结构。
在外加磁场作用下，超精细结构能级再次分裂，叫塞曼子能级，本实验所研究的铷原子在弱磁场中塞曼能级间的跃迁，一般很弱，不易观测，需要采用光抽运——磁共振——光探测方法，以提高信号强度。
1. 铷原子的最低激发态和朗德因子 铷原子是一价碱金属，其电子组态是：轨道K L M N O 能级1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 电子数 2262 6 1026 1由上表可见，铷原子基态是52S 1/2能级，最低激发态为5p 能级。
光泵磁共振-物理试验
实验 4.5 光泵磁共振20世纪50年代初期，法国科学家卡斯特莱（A.Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。
这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。
这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。
1966年, A.Kastler由于发现和发展了研究原子中核磁共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔物理奖。
一、实验目的1.加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解；2.掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法；3.测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、仪器与用具光泵磁共振实验装置、射频信号发生器、示波器、频率计等三、实验原理1．铷（Rb）原子基态及最低激发态的能级铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2。
由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂，形成原子的精细结构(如图1)。
电子总角动量的量子数J=L+S，L+S-1，…，|L-S|。
对于铷原子的基态，L=0，S=1/2，故J=1/2；其最低激发态，L=1，S=1/2，故J=1/2和2/3。
在5P与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特变大。
52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D1线，波长是7947A；52P3/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A。
互作用造成能级的附加分裂，称为超精细结构(如图2)。
铷元素在自然界主要有两种同位素Rb 87和Rb 85。
两种同位素Rb 87和Rb 85核的自旋量子数I 是不同的。
核自旋角动量P I 与电子总角动量P J 耦合成P F （P F =P I +P J ），耦合后的总量子数F=I+J ，…，︱I -J ︱, Rb 87的I = 3/2，Rb 85的I = 5/2，故Rb 87基态的F=1和2； Rb 85的基态的F=2和3。
光泵磁共振
实验内容
1. 仪器调节
用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场
水平方向平行 调节面板 1）确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关掷向的对应关系； 2）调节主体单元光学元件等高，调整透 镜的位置以得到较好的平行光束 3）按预热键，加温铷样品泡在40-600c间，铷光谱灯在80-900c间，按工 作键，这时除射频线圈的各线圈电源都已接通，开启高频振荡器，发紫 红色光。 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4
光泵磁共振实验
实验目的 实验原理 数据处理 实验仪器 实验内容 注意事项
思考问题
实验目的
1. 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子 超精细结构的认识；
2. 掌握光磁磁场。
实验仪器
图1 仪器组成框图
图2 主体单元示意图
1 7
8
2
5
4
6
3
图3 DH807型光磁共振实验仪 1.铷光灯 2.偏振片、1/4波片、透镜 3.恒温槽 4.水平场线圈 5. 垂直场线圈 6.光电探测器（接示波器） 7.信号发生器 8. 电源及辅助源
85Rb
gF=h(f1+f2)/2μBB0
87Rb 85Rb
B0=16π NI×10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有 效半径)
2. 测量地磁场
同向频率f1(kHz) 反向频率f2(kHz)
87Rb 85Rb 87Rb 85Rb
水平场电 流(A)
f=(f1-f2)/2
87Rb 85Rb
如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是 采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收）， 因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵 敏度。 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、g因子、 能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
3光泵磁共振实验
光泵磁共振实验物理学中研究物质内部结构，最初是利用光谱学的方法，推动了原子和分子物理学的进展。
如果要研究原子、分子等微观粒子内部更精细的结构和变化，光谱学的方法受到仪器分辨率和谱线线宽的限制。
在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频共振研究原子的精细、超精细结构以及因磁场存在而分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学方法有更高的分辨率。
但是，热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，加以磁偶极跃迁几率也较小，因此核磁共振波谱方法也有如何提高信息强度的问题。
对于固态和液态物质的波谱学，如核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)，由于样品浓度大，再配合高灵敏度的电子探测技术，能够得到足够强的共振信号。
但对气态的自由原子，样品的浓度降低了几个数量级，就得另外想新办法来提高共振信号强度。
A ．Kastler 等人在20世纪50年代提出了光抽运(optical pumping ，又称光泵)技术，并在1966年荣获诺贝尔奖。
光抽运是用圆偏振光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了共振强度。
这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测磁共振方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。
使用光抽运——磁共振——光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量研究，增进了我们对微观粒子结构的了解，推动了结构理论方面的研究。
此外，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用。
本实验的物理内容很丰富，实验过程中不仅掌握其方法，也会见到比较复杂的现象。
若能根据基本原理给出正确的分析，将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。
1 实验目的加深对原子超精细结构的理解，测定铷原子（Rb ）超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
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实验报告课程名称：近代物理实验I实验项目名称：光泵磁共振专业：学号：姓名：联系方式：实验地点：实验日期：上交日期：指导教师：1.前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。
这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte 1902～1984)提出了光抽运方法。
光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。
光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。
用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。
卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
目前此方法，一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子、分子间各种相互作用进行实验研究，另一方面在量子频标，精确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，发展出两种精密仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。
本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。
实验目的：1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。
2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。
3．测定铷(Rb )原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。
2.实验原理2.1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂核自旋I=0时，原子的价电子LS 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ 的关系：J e J J P m e g2-=μ )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 其中式中J g 为铷原子精细结构朗德因子。
当I ≠0时，Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2。
设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ ，I P 与J P 耦合成F P ，有J I F P P P +=。
耦合后的总量子数F=I+J ，²²² ，∣I-J ∣。
Rb87的基态F 有两个值F=2及F=1；Rb 85的基态F 有两个值F=3及F=2。
由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级，这是由于核磁矩与电子自旋，轨道磁矩的相互作用，使能级发生分裂而形成的。
原子总角动量F P 与总磁矩F μ 之间关系：F e F F P m e g2-=μ )1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF 其中式中F g 为铷原子超精细结构的朗德因子。
在磁场'0B 中原子的超精细能级产生塞曼分裂(弱磁场时为反常塞曼效应)，磁量子数F m =F ，(F-1)，……，(-F)，即分裂成2F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级，如图4- 1所示。
原子各能级能量可由薛定谔方程确定的能量本征值给出。
在弱磁场中铷原子的能量算符是：'ˆˆˆ0H H H += 式中0ˆH 为只考虑了LS 耦合作用的哈密顿量，'ˆH 为微扰项，它包括I 与J 耦合作用能及弱磁场'0B 对总磁矩F μ的作用能。
当取'0B 的方向为坐标轴的Z 方向时，由量子理论导出式(4-5)各能级的能量本征值为：00')]1()1()1([2'B m g I I J J F F ah E E B F F μ++-+-++= 玻尔磁子12410)80(2740949.94--⋅⨯==T J m eh e B πμ，h 为普朗克常数，a 为磁偶极相互作用常数，在'H 中忽略了四极矩及更高极矩的作用能。
图（4-1 ）铷原子能级示意图当外场'0B =0时，则塞曼子能级简并为超精细结构能级，其基态2125S (J=1/2,L=0)的两个(即'F 和F )超精细结构能级之间的能量差为：)]1()1'('[2+-+=∆F F F F ah E F Rb 87的2125S 态的87a =3417.342MHZ, 'F =2, F =1，则F E ∆=287a ²h =6834.684MHZ ·h 。
Rb 85的2125S 态的85a =1011.911MHZ, 'F =3, F =2, 则F E ∆=3035.733MHZ ·h 。
当外磁场'0B ≠0（即弱磁场中）时，相邻的塞曼子能级之间(F m ∆=±1)的能量差可由式(4-6)得：0'B g E B F m F μ=∆光抽运：在热平衡状态下，各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布，其分布规律为T E e N N T Eκ∆-≈=κ∆-112 由于超精细塞曼子能级间的能量差E ∆很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的，这样很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象。
为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子，造成能级原子数分布偏离热平衡下的玻耳兹曼分布，即使原子能级的粒子数分布产生重大改变，使粒子数在某一能级偏极化。
光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的的作用，当一定频率为ν的入射光是圆偏振光(如+σ)时，起作用的电场部分，根据光跃迁的选择定则，当入射光为左旋圆偏振1D +σ时，选择定则为:L ∆=±1;F ∆=±1,0;F m ∆= ±图（4-2）(a)b R 87基态粒子吸收1D +σ的受激跃迁，F m =+2的粒子跃迁概率为零 (b)b R 87激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级 当入射光为1D +σ(+σ的角动量为+h)时，只能产生F m ∆=+1的跃迁，故1D +σ光只能把基态中除F m =+2以外各子能级上的原子激发到2125P 的相应子能级上，如图4- 2(a)所示。
当原子经历无辐射跃迁过程从2125P 回到2125S 时，则粒子返回基态各子能级的概率相等。
如图4- 2(b)所示,这样经过若干循环之后，基态F m =+2能级上粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态的F m =+2的子能级上，这就是光抽运效应。
同理，用1D -σ光照射，将大量粒子“抽运”到基态的F m =-2的子能级上。
1D +σ和1D -σ对光抽运有反作用，因此当入射光为线偏振光(例如π光，由等量+σ和-σ的混合)时，铷原子对光有强烈的吸收，但无光抽运效应。
当入射光为椭园偏振光(不等量+σ和-σ的混合)时，光抽运效应较园偏振光小；同理，对于铷Rb 85若用1D +σ光照射，粒子将会“抽运”到F m =+3的子能级上。
把系统由非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。
在实验过程中，实验装置上采用了下列办法：1．在铷Rb 吸收泡内充有1333Pa 的缓冲氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，可以减弱与容器壁以及与其他的Rb 原子的碰撞机率，有利于加快粒子的抽运过程。
2．对铷样品泡选择最佳的温度控制在40-60℃之间。
因为温度太高，气态铷原子密度增大，会增加与容器壁以及与其他的Rb 原子的碰撞机率，但如果温度太低，铷蒸气原子数会不足，引起信号幅度变小，因为Rb 的溶点为38.89C 0。
3.在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻尔兹曼分布造成的塞曼子能级之间的粒子差数大几个数量级。
但为了观察抽运信号，我们要把弛豫过程表现出来，就是使外磁场过零时，塞曼子能级简并，这样使原子系统的偏极化减弱。
原子具有总角动量F P 及总磁矩F μ ，在外磁场0'B 的作用下，F μ 将发生量子取向，能级发生塞曼分裂，另一方面也可看成各种取向的F μ 将绕0'B 作不同锥角θ的拉摩进动，如图（4-3）所示，拉摩进动的频率为h B g B F L /'0μν=，如果在垂直于恒定磁场'0B的方向加一个频率为1ν的射频场1B ，此射频场可分解为一个左旋圆偏振磁场与一个右旋圆偏振磁场，当1ν满足共振条件：1ν=h B g B F L /'0μν=塞曼子能级之间将产生磁共振。
磁共振时，被抽运到2+=F m (对于Rb 87)子能级上的大量粒子，由于射频场1B 的作用而发生感应跃迁，选择定则为F m ∆= ±1，即由2+=F m 跃迁到F m =+1(当然也有F m =+1 ，F m =0)，同时由于抽运光的存在，处于基态非2+=F m 子能级上的粒子又将被抽运到F m =+2子能级上。
感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡。
在产生磁共振时，F m ≠+2各子能级上的粒子数大于不共振时，因此对+σ1D 光的吸收增大。
图4-4显示磁共振过程塞曼子能级粒子的变化。
图4-4 磁共振过程塞曼能级粒子数的变化(a)未发生磁共振时，F m =+2能级上的粒子数多(b) 发生磁共振时，F m =+2能级上的粒子数减少+σ1D 光吸收增加塞曼子能级间的磁共振信号是很弱的，但光磁共振观测中巧妙地采用了光检测技术。
射到样品上的光1D +σ一方面起光抽运作用，另一方面透过样品的光兼作探测光。
探测样品的透射光在发生磁共振时的光强的变化，这相当于将一个频率低的射频光子（其能量为νh ，ν约0.1MHz 至10MHz ）的变化转变为一个频率高的光频光子（ν≈810MHz ，即对1D +σ光吸收）的变化，这使信号功率提高了7～8个数量级，从而使检测灵敏度大为提高。
3、实验器材本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，如图4- 5所示。
主体单元：是该实验装置的核心，如图4-6所示，其主要由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。
图4-7是主体单元示意图。
铷样品泡：天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约为52mm 的玻璃泡内。
该铷泡两側对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。
这个铷样品泡铷样品泡和射频磁场都置于园柱形恒温槽内，称为“吸收池”。
槽内温度约在55℃左右(当池温在40～45℃之间，Rb 85信号有最大值；当池温在50～55℃之间，Rb87信号有最大值)。
吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。
小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。
大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。
另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。
铷光谱灯作为抽运光源。
光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两透镜焦距为77mm ，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上。