光泵磁共振

合集下载

实验光泵磁共振实验综述

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+=。

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。

光泵磁共振教案

光泵磁共振教案一、课题光泵磁共振二、教学目标1. 知识目标让学生理解光泵磁共振的基本原理，包括原子的能级结构、光抽运过程以及磁共振现象等概念。

使学生熟悉光泵磁共振实验中所使用的仪器设备，如光泵磁共振实验仪的各个部件及其功能。

2. 能力目标培养学生观察实验现象、分析实验数据的能力，通过对光泵磁共振实验中信号的观察和测量，让学生学会如何从实验结果中得出结论。

提高学生的科学思维能力，引导学生思考光泵磁共振在现代科学技术中的应用及其发展前景。

3. 情感目标激发学生对物理实验的兴趣，让学生感受到物理实验的奇妙之处，从而提高学生学习物理的积极性。

培养学生严谨的科学态度，在实验过程中强调数据的准确性和操作的规范性。

三、教学重点&难点1. 教学重点光泵磁共振的原理。

这是整个课程的核心内容，学生只有理解了原理，才能更好地理解实验过程和实验结果。

实验仪器的操作。

光泵磁共振实验仪的操作较为复杂，需要学生掌握正确的操作步骤，才能顺利进行实验并得到准确的数据。

2. 教学难点对光泵磁共振原理中一些抽象概念的理解，如原子的超精细结构、塞曼分裂等概念，对于学生来说可能比较难以理解。

实验数据的分析和处理。

由于实验过程中可能会受到多种因素的影响，如磁场的稳定性、光强的变化等，如何从复杂的数据中提取有用的信息并进行分析是一个难点。

四、教学方法1. 讲授法对于光泵磁共振的原理等较为抽象的知识，采用讲授法进行系统的讲解。

例如，在讲解原子的能级结构时，通过绘制能级图的方式，详细地向学生介绍不同能级之间的关系以及在光泵磁共振过程中的变化。

2. 演示法在讲解实验仪器的操作时，采用演示法。

将光泵磁共振实验仪搬到教室，一边操作仪器，一边向学生讲解每个部件的功能以及操作的步骤。

例如，在演示如何调节磁场强度时，向学生展示调节旋钮的位置以及如何根据实验要求进行调节。

3. 讨论法在讲解完原理和实验操作后，组织学生进行讨论。

例如，提出“如何提高光泵磁共振实验的精度”这样的问题，让学生分组讨论，然后每个小组派代表发言，分享他们的想法。

光泵磁共振冯饶慧

光泵磁共振中山大学理工学院近代物理实验室一、背景知识光泵磁共振是把光抽运、磁共振和光探测技术有机地结合起来以研究气态原子精细结构和超精细结构的一种实验技术。

该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。

二、实验目的掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对超精细结构、光跃迁及磁共振的理解；测定铷同位素85Rb和87Rb的g因子，地磁场垂直和水平分量等，培养分析物理现象和处理实验数据的能力。

三、实验原理1. 主要概念¾光抽运¾磁共振¾光探测铷原子的能级分裂（精细结构的形成）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|朗德因子的引入v原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。

核的自旋量子数表示为，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：核的自旋角动量表示为，得原子总角动量：其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。

I I P vJI F P P P v v v +=2/5%),15.72(2/3%),85.27(8587==I Rb I Rb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。

和相互作用能表示如下：能级间距为：其中为玻尔磁子。

F F F M F −−=,...,1,F u vB v BM g Bu E B F F F μ=⋅−=v v B g E B F μ=ΔB μ圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应2Fig.3光抽运过程弛豫时间弛豫时间即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。

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。

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

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。

光泵磁共振原理及实验研究.

毕业论文（2013届）题目光泵磁共振原理及实验研究学院物理电气信息学院专业物理学（师范）年级09级物教（2）班学生学号12009243971学生姓名黎军指导教师金玲芳2013年4月6日光泵磁共振原理及实验研究摘要光泵磁共振实验是指把实验样品置于光频和射频电磁场的共同作用下，使之发生共振。

在探测磁共振时，不直接探测样品对射频量子的发射或吸收，而是探测样品对光量子的发射或吸收，即采用光探测的方法。

由于光量子的能量比射频量子的能量高7-8个数量级，所以这种方法既保存了磁共振的高分辨率又提高了探测信号的灵敏度。

本实验我们利用DH807A 型光泵磁共振的实验装置研究了铷原子的光泵磁共振现象。

通过示波器我们观察了光抽运信号和光泵磁共振信号，根据实验所得的数值，算出了87Rb 的F g ，85Rb 的F g ，并与理论值做了比较，其误差在实验误差范围内，实验中我们还根据所测得数据算得了地磁场的大小,并且使用DH807A 型光磁共振实验装置来观察光抽运信号的过程，从而测定铷原子两个同位素Rb Rb 8785和的超精细结构塞曼子能级的朗德g 因子。

并且说明光泵磁共振的应用以及相关物理研究的展望、本人在实验中的心得。

由于此次实验在我们学校是第一次进行，没有相关的老师指导，只能我自己查阅资料，在实验中遇到了很多困难，但是实验中我总结了很多相关实验的注意事项，并且积极的和老师交流，以便为以后的实验提供点经验，从实验中我得到了很多知识。

【关键词】：光抽运磁共振偏振精细结构朗德g 因子地磁AbstractOptical pump magnetic resonance experiment refers to put the samples in the optical frequency and radio frequency electromagnetic fields, under the joint action of the occurrence of resonance. In the detection of magnetic resonance (NMR), not directly for emission or absorption of quantum detection samples, but light emission or absorption of quantum detection samples, namely adopt the method of light detection. By the energy of light quantum energy than rf high 7-8 orders of magnitude, so this method not only preserves the magnetic resonance imaging of high resolution and improve the sensitivity of the detection signal. This experiment we use DH807A type optical pump magnetic resonance experiment research of the optical pump magnetic resonance phenomenon in rubidium atoms. By oscilloscope we observed the optical pumping signal and optical pump magnetic resonance signal, according to the experimental value, calculate the, the, and has made the comparison with the theoretical value, the error in the experimental range, experiment we also according to the measured data to calculate the size of the earth's magnetic field, and USES DH807A type light to observe the optical pumping magnetic resonance experiment device signal process, thereby measuring two isotopes of rubidium atomic hyperfine structure Hollandeg factor of the zeeman sub levels. And to illustrate the application of optical pump magnetic resonance (NMR) and related physics research outlook, I in the experiment. Because the experiment was the first time in our school, there is no such guidance teacher, only my own access to information, met with many difficulties in the experiment, but the experiment I summarized lots of related experimental matters needing attention, and actively communicate with the teacher, in order to provide some experience for later experiment, I got a lot of knowledge from the experiment.【Key Words】：Optical pumping Magnetic resonance polarization The fine structure Hollande g factor Earth's magnetic field目录第一章绪论 (6)第二章光泵磁共振原理 (7)2.1 Rb原子基态及最低激发态的能级 (7)2.1.1 铷（Rb）原子的精细结构与超精细结构能级耦合 (7)2.1.2 Rb原子的精细结构及朗德因子 (8)2.1.3 Rb原子的超精细结构及在外磁场作用下塞曼分裂 (8)2.2光抽运效应用 (10)2.2.1 光轴运的产生由来 (10)2.2.2圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应 (11)第三章光泵磁共振的应用 (12)3.1物理研究方面 (12)3.1.1 光抽运会增大粒子布居数之差，以产生粒子数偏极化 (12)3.1.2塞曼子能级之间的磁共振 (13)3.1.3 光探测 (14)3.1.4 塞曼子能级间的磁共振 (14)3.2生活探测及应用 (15)3.2.1 利用光泵磁共振原理观测光抽运信号 (15)一、观察装置介绍 (15)二、DH807A型光泵磁共振的实验装置内部结构及原理 (16)三、DH807A型光泵磁共振实验准备 (17)四、用DH807A型光泵磁共振的实验装置观察光抽运信号 (17)3.2.2利用光泵磁共振原理观测光磁共振谱线 (20)一、测量g因子 (20)二、测量地磁场 (22)第四章光泵磁共振操作注意事项 (24)4.1实验前的准备及注意事项 (24)4.2 实验中的注意事项 (25)4.3 实验后数据处理和注意事项 (26)第五章光泵磁共振的未来与展望 (26)5.1 光泵磁共振的未来 (26)5.2光泵磁共振的展望 (27)第六章自我认识及心得 (28)参考文献 (30)附录 (31)致谢 (32)第一章绪论历史上最早的光泵实验可以溯源于1925年，E.Fermi等人曾观察到对水银蒸汽施加一定时变磁场时，改变磁场的频率，可以观察到共振荧光偏振的变更。

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，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。

光泵磁共振实验报告

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构造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，一方面可用于根底研究，例如原子、分子能级的精细和超精细构造及其它各种参数的精细测量，对原子、分子间各种相互作用进展实验研究，另一方面在量子频标，准确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，开展出两种精细仪器，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．加深对超精细构造原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。

2．掌握以光抽运为根底的光检测磁共振方法。

3．测定铷(Rb )原子超精细构造塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。

2、实验原理天然铷含量较大的有两种同位素：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。

铷原子的基态为125S ，最低激发态为2125P 及2325P 双重态，所以从5P 到5S 的跃迁就能观察到精细构造。

同时，我们又知道原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细构造。

设核量子数为I ，那么耦合后的总量子数为F=I+J,…,|I-J|。

又Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2，所以Rb 87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。

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

最低激发态：L＝1，S＝1／2， J＝3／2，1／2
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。

数学毕业论文光泵磁共振实验研究

光泵磁共振实验研究光泵磁共振实验研究摘要：光泵磁共振实验是指把实验样品置于光频和射频电磁场的共同作用下，使之发生共振。

在探测磁共振时，不直接探测样品对射频量子的发射或吸收，而是探测样品对光量子的发射或吸收，即采用光探测的方法。

由于光量子的能量比射频量子的能量高7-8个数量级，所以这种方法既保存了磁共振的高分辨率又提高了探测信号的灵敏度。

本文运用光泵磁共振实验装置进行实验，先测定了朗得因子g的值及实验时地磁场的大小；然后将光泵磁共振仪改装成微弱磁场的测量仪器，并测定了其测量的范围；最后，测得了共振信号的线宽。

关键词：共振；同位素；塞曼分裂；光抽运；激发The Research of Optical Pumping Magnetic Resonance Experiment Abstract: The optical pumping magnetic resonance experiment is putting the experimental samples under the action by the optical frequency and radio-frequency electromagnetic field together and making them resonate. We detect the radiation or absorption about the optical quanta of the samples not about the radio-frequency quanta, when detecting the magnetic resonance. This is just the way of detection with light. This method not only keeps the high-definition but also improves the degree of sensitivity when detecting the signal, for the energy of the optical quanta is higher 7-8 orders of magnitude than that of radio-frequency quanta. In the paper, with optical pumping magnetic resonance instrument, firstly, the value of the landẻ g-favtor and themagnitude of the earth magnetic is measured; secondly, the optical pumping magnetic resonance instrument is changed into the weak magnetic signal measurement device, the range of its measurement is tested; finally, the line breadth of the resonance signal is measured.Keywords: Resonance; Isotopic; Zeemansplitting; Opticalpumping; Excited.......................光泵磁共振实验研究摘要：光泵磁共振实验是指把实验样品置于光频和射频电磁场的共同作用下，使之发生共振。

光泵磁共振实验报告

波的一个周期上刚好出现一个共振信号，先出现的是 85Rb 的，此时记录下电流为 I2 ，然后
再慢慢调小电流直至在三角波的一个周期刚好出现两个共振信号，此时记录下电流为 I1。接
着重复述操作步骤，也分别记录下 87Rb 的两个电流。分析：由实验过程可知 B共振可以通过下面的计算得到：
1.当扫场为正，水平场为正时，总磁场、地磁场、水平场关系如图 4 所示：
实验研究的对象是 Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于 5s 能级上，因此其电子轨道角动量量子数 L=0, 电子自旋轨道角动量量子数 s=1/2. 其总角动量量子数
J L S, L S 1, L s 。所以 Rb 原子的基态只有 J 1/ 2 ，标记为 52 S1/ 2 。5P 与基态 5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁产生的谱线为 D1 线，波长是 794.8nm；52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁产生的谱线为 D2 线，波长是
现象：之前调光抽运信号时，我们已将扫场幅度调到一个最佳状态，所以观察磁共振信号时扫场幅度保持不变，只要调节水平场的电流大小。对于扫场与水平场正或负的不同组合下，测量电流与观察共振信号时的步骤大致相同。首先将水平电流调到一个比较大的值使共振信号消失，即在示波器上表现为一条亮线，然后慢慢的调小水平方向的电流，直至在三角
(5)
在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻尔兹曼分布，而超精细结构的塞曼子分裂能级相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法，使粒子数聚集分布在某一能级从而实现偏极化。
87 Rb 的 52 S1/ 2 态及 52 P1/ 2 态的磁量子数 mF 最大值都是+2，当入射光是 D1的光时，由于只能产生Δ mF =+1 的跃迁，基态 mF ＝+2 子能级的粒子不能跃迁，如图 1 示：

光泵磁共振-物理试验

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。

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。