光泵磁共振

光泵磁共振实验
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容
数据处理 思考问题
注意事项
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. 掌握光磁共振的实验技术； 3. 测定铷原子的 g因子和测定地磁场。
Hale Waihona Puke Baidu
实验仪器
图1 仪器组成框图
图2 主体单元示意图
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8
3
图3 DH807型光磁共振实验仪
分裂，形成塞曼子能级。这些能级用磁量子数来表示，
能
级间距相同。 M F ? F , F ? 1,..., ? F
和uvF
相互Bv 作用能量表示如下：
E
?
? uvF
v ?B
? gF MF ? BB
能级间距为：
?E ? gF?BB
其中 ?为B玻尔磁子。其中F用来表示原子总角动量量子数
F ? I ? J ,......,I ? J
? 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4
2. 观察光抽运信号
? 调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分量； ? 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上观察光抽运信
号，得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图：
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。
五、圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
将角动量为 ? h的左旋圆偏振光照射到气态 R原b8子7 后，根据光跃
迁选择定则，基态中 偏极化。
二、朗德因子的引入
电子轨道角动量 和PvL自旋角动量 的P合vS 成角动量
电子总磁矩 uJ
两者关系为
uJ
?
gJ
e 2m PJ
其中
gJ
? 1?
J (J
? 1)? L(L ? 1) ? 2J (J ? 1)
S(S ? 1)
v vv PJ ? PL ? PS
三、塞曼子能级的形成
原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步
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。
原子精细结构的形成：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
铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数， J=L+S,L+S-1,…,|L-S|
图4 铷原子精细结构的形成
对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为52S1/2 ；对于最低激发 态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 52 P3/ 2 ,5，2 P如1/ 2 图4所示，形 成两条谱线。
四、光磁共振概念
光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态， 造成期望布居数差，它基于光和原子间的相互作用。
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。
一、铷原子的基态及最低激发态能级
研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，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
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
实验原理
光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态， 造成期望布居数差，它基于光和原子间的相互作用。
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。
普通物理(近代物理)实验
光泵磁共振实验
背景简介
二十世纪五十年代初期，A·Kastler等人发展光抽运(Optical Pumping) 技术，1966年， A·Kastler 由于在这方面的贡献而荣获诺贝尔奖。光 抽运是用圆偏光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间 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。在相应频率的射频场激励下，可观察到磁共振信号。 在探测磁共振信号方面，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吸收。由于光量子 的能量比射频量高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。
M能F 级? 上? 2的粒子数会越来越多，形成粒子数
高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。
图5 Rb87原子的跃迁
（a） Rb87吸收光受激跃迁，MF=+2；粒子跃迁几率为0 （b） Rb87激发态无辐射跃迁，以相等几率返回基态
六、弛豫时间
粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平衡状态（玻尔兹 曼分布）所需的时间。本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较 小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失 去偏极化。另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小铷原 子与容器壁的碰撞。
七、塞曼子能级间磁共振
在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为 ?的射频磁场，
当满足
h? ? g ? BB
时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次发生光抽 运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。
八、光探测
照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一、产 生光抽运效应；二、可以通过测量透射光强得到磁共振信 号。当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强， 透射光最弱；当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。 这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量 灵敏度。