钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验报告结论
一、实验概述光泵磁共振实验是一种重要的物理实验，通过观察原子在特定磁场和光场作用下的能级跃迁，研究原子能级结构、磁共振现象以及光抽运效应等。
本次实验采用DH807型光泵磁共振实验装置，通过观察铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，加深对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，并测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、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原理和实验方法，提高实验技能。
三、实验原理光泵磁共振实验基于以下原理：1. 光抽运效应：当原子处于激发态时，吸收特定频率的光子，原子会跃迁到更高能级。
通过调节光场强度，可以使原子处于高能级状态的粒子数增加。
2. 磁共振：当原子处于特定磁场中，能级发生塞曼分裂。
通过调节磁场强度，可以使原子能级发生跃迁，产生磁共振现象。
3. 光泵磁共振：光泵磁共振实验中，利用光抽运效应和磁共振原理，观察原子能级跃迁和磁共振信号。
四、实验结果与分析1. 光抽运信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的光抽运信号。
通过调节光场强度和频率，可以观察到不同能级跃迁的光抽运信号。
这表明光抽运效应在实验中得到了充分体现。
2. 磁共振信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的磁共振信号。
通过调节磁场强度，可以观察到不同能级跃迁的磁共振信号。
这表明磁共振现象在实验中得到了充分体现。
3. 塞曼子能级朗德因子测定根据实验数据，我们计算了铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
实验结果显示，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合。
五、实验结论1. 通过本次实验，我们成功地观察到了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，验证了光泵磁共振实验的原理。
2. 实验结果表明，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合，表明实验具有较高的准确性。
3. 通过本次实验，我们加深了对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，提高了实验技能。
光泵磁共振预习报告
实验课程名称近代物理实验 实验项目名称光泵磁共振 内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨一、实验目的:1、掌握核磁共振的原理与基本结构；2、学会核磁共振谱图的操作方法与谱图分析；3、了解核磁共振在实验中的具体应用。
二、实验原理简述： 核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。
根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H 、11B 、13C 、17O 、19F 、31P由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。
将原子核置于外加 磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。
进动具有能量也具有一定的频率。
原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。
当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。
这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。
光泵磁共振实验报告
相邻塞曼子能级之间（ ）的能极差为
2、圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应
电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光刻引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光时，量子力学给出的跃迁定则为 ， ， （角动量守恒）。 的 态及 态的磁量子数 最大值都是+2，当入射光是D1的 光时由于只能产生 的跃迁，基态 的子能级的粒子不能跃迁。当原子经历无辐射跃迁过程从 回到 时粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态 的子能级上，这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼分布的不均匀分布称为“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验。
Rb原子的基态， 和 ，因此 基态只有 ，标记为 ；其最低激发态是 和 。在第一激发能级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，谱线是双线。 到 的跃迁产生的谱线是D1线，波长是794nm； 到 的跃迁产生的谱线是D2线，波长是780nm。
在核自旋 时，原子的价电子L-S耦合后总角动量 与原子的总磁矩 的关系为
原理
1、铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级
实验研究的对象是Rb的气态自由原子。Rb是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子，价电子处于第5壳层，主量子为 。主量子数为n的电子，其轨道量子数 。基态的 ，最低激发态的 。电子还具有自旋，电子自旋量子数 。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。轨道角动量 与自旋角动量 的合成总角动量 。原子能级的精细结构用总角动量量子数J来标记，
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
光泵磁共振实验报告姓名：学号：专业：光电子一、实验背景光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是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。
双共振技术是由诺贝尔物理学奖获得者A.Kastlor于20世纪50年代提出的。
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。
三、实验原理1铷原子的能级分裂1.1精细结构的形成铷（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|对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为 ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 ，如右图所示，形成两条谱线。
1.2原子超精细结构的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|。
由核角动量作用（P I 与P J 耦合），而产生的由F 标志的分裂叫做铷原子光谱的超精细结构。
1.3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：相邻能级间距为： 其中 为玻尔磁子。
右图为塞曼能级形成示意图2/122/325,5P P 2/125S 5P5S21/25S 21/25P 23/25P 1D 2D 794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成2/5%),15.72(2/3%),85.27(8587==I RbI Rb I JI F P P P +=I PFig.2 铷原子超精细结构的形成23/25P 21/25P 21/25S 2F =1F =1F =2F =……)(,...,1,F F F m F --=F u Bm g Bu E B F F F μ=⋅-=BBg EB F μ=∆B μFig.3 铷原子塞曼子能级的形成23/25P 21/25P 21/25S 1F =2F =……2F =1F =FM +2+10-1-2-10+1+2+10-1-2-10+12光抽运效应光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。
光泵磁共振
光泵磁共振[实验目的]1. 了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量气态铷(Rb )原子的g 因子。
2. 用光泵磁共振实验技术测量地磁场。
[实验内容]主要内容：1. 观测光抽运信号。
2. 观测光磁共振信号并测量87Rb 和85Rb 的基态的g 因子。
3. 测量地磁场。
拓展内容：观察光泵磁共振中的多量子跃迁现象。
[引导问题]1.1D σ+光和1D σ-光均能做铷原子的抽运光，两者的抽运机制和结果有何不同？1D σ+光考虑的是21/25P 态的耦合分裂，根据选择定则，存在5S 态中2F M =的状态在没有射频信号下不能再吸收光子，因而存在“粒子数反转”现象，加上射频信号后可以观察到周期性的光磁共振现象；1D σ-光则考虑的是23/25P 的耦合分裂，根据原子物理，耦合的角动量有四个量子数：87853,2,1,0()4,3,2,1()F R b F R b ==或者，由选择定则，在5S 态的8个子能级中不会出现“粒子数反转”现象，所以加上射频信号也不会出现周期性的光磁共振信号，出现的只是恒定的光抽运信号。
2.实验中如何区分同位素8785,Rb Rb 的共振谱线？为什么？实验中根据测得的朗德因子来确定两种不同的原子。
因为按照原子物理的知识，这两种同位素的5S 态2F =的朗德因子是不同的，可以作为判别两种原子的依据。
3.实验中为什么要消除地磁场(严格来说是以地磁场为主的磁场环境)？怎样消除？因为原子在磁场中会发生能级分裂，地磁场如果不消除，就会干扰水平场及扫场对原子能级分裂的作用，因而无法判断铷原子能级的分裂是由哪个磁场造成的，也就无法知道具体的相邻子能级的能量差。
消除方法是：垂直线圈加上适当的电流，产生与地磁场垂直分量等大反向的磁场以抵消地磁场垂直分量。
4.测定地磁场实验中，为什么确定1ν时使共振信号对着三角波的波峰，而确定3ν时使共振信号对着三角波的波谷？因为确定1ν时，水平场、扫场、地磁场水平分量三者方向相同，确定3ν时，水平场、扫场与地磁场水平分量方向相反，这样，确定1ν时的三角波波峰实际上与确定3ν时的三角波波谷所产生的物理意义是一样的，只不过S B 前相差一个正负号而已，这是由方向的改变引起的。
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。
通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。
同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。
由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。
In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
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。
光泵磁共振实验报告
上述利用光泵产生粒子数偏极化的过程称为光抽运过程。当粒子数偏极化饱 和，光抽运停止，光子不再被吸收，透过样品的光强增强。因此光源在这里不 仅起到使粒子数偏极化的作用，还起到传递信息的作用。
4、 塞曼子能级之间的磁共振
在垂直于产生塞曼能级分裂的磁场 B 的方面加一个频率为ν的射频磁场当νB 之 间满足hν = ������������������������������…(2)塞曼子能级之间产生感应跃迁，成为磁共振。跃迁遵守 选择定则：ΔF = 0；Δ������������ = 0， ± 1；于是铷原子将从������������ = 2跃迁到各子能级 上，铷原子的原子分部的偏极化减弱，光抽运又开始，光的强度有减弱直到重 新达到极化饱和。光抽运的时间相对于射频场的周期非常短。当射频场经过一 个周期又回到hν = ������������������������������条件时，共振又开始。粒子偏极化又被打乱。于是形 成循环。
a
b
图·5 分别与扫场波的波谷及波峰对应的共振峰
图 5 为水平电流为 0.250A,水平场，扫场，地磁场均同向时，射频场频率分别为 852KHZ,以及 720KHZ 对应的共振波形图。a 共振峰对应着输入信号的波谷，即
hν������ = ������������������������(������水 + ������谷+������//) … (4),
一、 引言
光泵磁共振实验
物理系 郭莹
磁共振波谱技术是利用物质的共振跃迁来研究原子微观结构的有效方法。当测量所 涉及的能级间距小于 kT 时,热平衡条件下，能级间的粒子布居数差别很小；若样品 又是气态原子，波谱技术也面临如何提高共振信号强度的难题。 A.Kastler 等人提 出用圆偏振光激发气态原子以实现原子在所研究能级间的布居数差（偏极化），并 以泵浦光的强度变化来探测射频场激发的原子磁共振，巧妙地用频率在 1014Hz 量级 的光信号的变化来探测共振频率在 106Hz 量级的跃迁过程，大大提高了探测灵敏 度。 目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。因为它使弱信号的检测方便易 行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。
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。
铷原子光泵磁共振实验报告
四
4.1
数据分析
光抽运信号
扫场电压为 1.92V， 从 0 开始增大水平电流， 当 电流为 0.20 时开始出现光抽运信号。调节垂直场电 流，当电流为 0.062A 时，抽运信号最大，此时垂直 场与地磁场垂直分量抵消。 观察到的光抽运信号波形及扫场波形如图 3 实 线所示。 各过程分析： （1）将方波加到水平扫场线圈上，此时水平方向总
2.3
弛豫过程
热平衡时， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布：
N N 0 exp(
E ) kT
（7）
由于在弱磁场条件下，各塞曼子能级能量差极小，可近似认为各子能级上的粒子数相等。光抽运使能 级之间的粒子数之差大大增加，使系统处于非热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分 布状态的过程称为弛豫过程。Rb系统中几个主要弛豫过程有： 1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布，失去光抽运造成的偏 极化。 2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，使粒子的磁矩发生改变而失去偏极化。
J 1 / 2，F 2或3 。由量子数 F 标定的能级称为原子的超精细结构能级。原子总角动量 PF 与原子总磁
矩 F 的关系为：
e PF 2me F ( F 1) J ( J 1) I ( I 1) gF gJ 2 F ( F 1)
F -g F
（2）Βιβλιοθήκη 在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂（弱场时为反常塞曼效应），磁量子数
二
2.1
实验原理
铷原子基态及最低激发态能级
Rb 是碱金属原子，原子序数为 47，最外层有一个价电子，位于 5s 能级上，因此 Rb 原子的轨道角动 量量子数 L=0，自旋角动量量子数 S=1/2。经过轨道角动量与自旋角动量间的 L-S 耦合后，其总角动量量 子数为 J | L S |, , L S 。因此 Rb 原子的基态： L 0, S 1 / 2，J 1 / 2 ，记作 5 2 S1 / 2 。离基态最
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1/2；其最低激发态，L = 1， S = 1/2，故 J = 1/2 和 3/2，这就是双重态的由来。
87
85
铷原子核自旋不为零，两个同位素的核自旋量子数 I 也不相同。 Rb 的 I = 3/2， Rb
的 I = 5/2。核自旋角动量与电子总动量耦合，得到原子的总角动量。由于 I J 耦合，原子的
87
85
总角动量的量子数 F = I＋J，I＋J－1，…， I J 。故 Rb 基态的 F =ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 和 2； Rb 的
成绩 评定 教师 签名
嘉应学院物理学院近代物理实验
实验报告
实验项目：光泵磁共振 实验地点： 班 级： 姓 名： 座 号：
实验时间： 年 月 日
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力根通保据过护生管高产线中工敷资艺设料高技试中术卷资，配料不置试仅技卷可术要以是求解指，决机对吊组电顶在气层进设配行备置继进不电行规保空范护载高与中带资负料荷试下卷高问总中题体资，配料而置试且时卷可，调保需控障要试各在验类最；管大对路限设习度备题内进到来行位确调。保整在机使管组其路高在敷中正设资常过料工程试况中卷下，安与要全过加，度强并工看且作护尽下关可都于能可管地以路缩正高小常中故工资障作料高；试中对卷资于连料继接试电管卷保口破护处坏进理范行高围整中，核资或对料者定试对值卷某，弯些审扁异核度常与固高校定中对盒资图位料纸置试，.卷保编工护写况层复进防杂行腐设自跨备动接与处地装理线置，弯高尤曲中其半资要径料避标试免高卷错等调误，试高要方中求案资技，料术编试交写5、卷底重电保。要气护管设设装线备备置敷4高、调动设中电试作技资气高，术料课中并3中试、件资且包卷管中料拒含试路调试绝线验敷试卷动槽方设技作、案技术，管以术来架及避等系免多统不项启必方动要式方高，案中为；资解对料决整试高套卷中启突语动然文过停电程机气中。课高因件中此中资，管料电壁试力薄卷高、电中接气资口设料不备试严进卷等行保问调护题试装，工置合作调理并试利且技用进术管行，线过要敷关求设运电技行力术高保。中护线资装缆料置敷试做设卷到原技准则术确：指灵在导活分。。线对对盒于于处调差，试动当过保不程护同中装电高置压中高回资中路料资交试料叉卷试时技卷，术调应问试采题技用，术金作是属为指隔调发板试电进人机行员一隔，变开需压处要器理在组；事在同前发一掌生线握内槽图部内 纸故，资障强料时电、，回设需路备要须制进同造行时厂外切家部断出电习具源题高高电中中源资资，料料线试试缆卷卷敷试切设验除完报从毕告而，与采要相用进关高行技中检术资查资料和料试检，卷测并主处且要理了保。解护现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
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。
光泵磁共振实验报告 复旦大学
光泵磁共振实验——朗德因子的测量摘要：本实验主要研究铷原子的光抽运和磁共振现象，通过观察方波、三角波下的光抽运信号及共振信号，分析光泵磁共振的原理及信号出现条件。
分别计算了Rb85和Rb87基态下的朗德因子g F。
并在此基础上，测量了地磁场的水平分量。
关键词：光抽运；磁共振；塞曼子能级；朗德因子1. 引言气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。
本实验应用光抽运、光探测的方法，利用光抽运（Optical Pumping）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。
目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。
因为它使弱信号的检测方便易行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。
2. 实验2.1实验原理由于电子的自旋和轨道的相互作用（即L-S耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
同时原子核也存在自旋，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，也就产生了超精细结构。
本实验研究的对象为碱金属Rb的气态自由原子。
天然铷含量较大的有两种同位素：85Rb 占72.15%，87Rb占27.85%，基态都为52S1/2，而最低激发态为52P1/2及52P3/2双重态，从5P到5S的跃迁就能观察到精细结构。
现设核量子数为I，则耦合后的总量子数为F=I+J , I+J-1 , … , |I-J|。
又87Rb的I=3/2，85Rb的I=5/2，所以87Rb的基态F有两个值F=2及F=1；85Rb的基态F有两个值F=3及F=2。
原子总角动量与总磁矩的关系为：其中：，在外磁场B中超精细结构进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级。
磁量子数M F=F，F-1，……，-F，即分裂成2F+1个间距相等的塞曼子能级。
相邻子能级能量差为原子受激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。
光抽运的目的就是造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验了。
光泵磁共振实验报告
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：
光磁共振实验 实验报告
光泵磁共振蒲阳文161120097一、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）（1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）g J=1+ ───────────────（2）2J（J+1）但铷原子的核自旋I≠0。
所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。
87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。
85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。
把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。
原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–g F eP F/（2m e）F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）g F=g J───────────────（3）2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数m F标定。
光泵磁共振实验报告
6-2 光泵磁共振实验报告by 物理学院 00904149 刘纩实验时间：2012-3-15实验仪器：TDS2002示波器，光磁共振实验装置，DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631功率函数信号发生器。
实验目的：1.了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2.了解光抽运现象的原理和应用3.学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振实验原理：铷是一价碱金属，其原子基态是5S1/2，即轨道角动量量子数L=0，自旋S=1/2，轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。
其最低激发态是5P1/2 和5P3/2 双重态，是由LS耦合产生的，J分别为1/2与3/2。
在5P和5S之间的跃迁为铷原子的第一条线，是双线，前者到5S1/2为D1，后者到5S1/2为D2。
再考虑到电子总角动量（量子数为J）与原子核自旋（量子数为I）的耦合作用之后，原子总角动85的基态有F=3及F=2，量的量子数F=I+J，I+J-1，…，I−J。
故而Rb87的基态有F=2及F=1。
由F量子数表征的能级称之为超精细结构Rb能级。
原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系为：P FμF=-g F e2mg F=g J F F+1+J J+1−I(I+1)2F(F+1)其中 g J =1+J J+1 −L L+1 +S(S+1)2J(J+1)在磁场B 0中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数m F =F,F-1,…,-F. 即分裂成2F+1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。
相邻塞曼子能级之间（∆m F =±1）的能量差为：∆E m F =g F μB B 0在实验中，我们用频率为ν的光来对原子进行激发时，满足h ν=∆E 时即发生光吸收，且原子跃迁满足选择定则:∆L=±1; ∆F=±1,0; ∆m F = +1 （入射光为σ+）0 （入射光为π）−1 （入射光为σ−）所以，当入射光为左旋圆偏振时，原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁，当使用D 1σ+时，则基态处于m F =+2的粒子跃迁概率为零，而由激发态退激发回基态的粒子返回基态各子能级的概率是相等的，这样经过若干次循环之后，基态m F =+2的子能级上的粒子数就会大大增加，相当于大量粒子被抽运上去，此即为光抽运效应。
用光泵磁共振法测Rb的gF和地磁场
用光泵磁共振法测Rb 的g F 和地磁场摘要：本实验利用光泵磁共振的方法实现了对Rb 原子能级结构的探测。
观测了光抽运信号，并且利用光泵磁共振信号计算出了87Rb 和85Rb 的g F 因子，并测量了地磁场。
关键词：Rb 原子 光泵 磁共振 g F 地磁场引言：共振是自然界中普遍存在的一种客观现象，在各种物理学分支中广泛存在。
磁共振就是在磁场的作用下发生共振，与磁共振相关的研究曾先后多次获得诺贝尔奖。
朗得因子是与电子自旋伴随的磁矩基本单位有关的一项比例常数。
地球是一个天然磁体，历史上地磁场早在公元一千年就被我国沈括发现并描述，地磁场地强度大约是0.5-0.6高斯,也就是5-6⨯105-T 左右。
实验原理：磁共振是发生在既有角动量又有磁矩的系统，在磁场作用下形成的塞曼能级间的共振感应跃迁。
在目前所得到磁感应强度的条件下，磁共振所涉及的共振频率通常处于射频和微波频段。
光泵也称光抽运，是借助光辐射获得原子基态超精细结构能级或者塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的试验方法。
1、 Rb 原子基态及最低激发态能级Rb 是碱金属原子，其基态为2125S 。
离5s 能级最近的激发态是5p 。
在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ的关系为：e e g 2m J JJ P μ=-，(1)(1)(1)g 12(1)J J J L L S S J J +-+++=++ （1）但当I ≠0时，设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 和J P 耦合成F P ，原子角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系为：e eg 2m F F F P μ=-，(1)(1)(1)g =g 2(1)F JF F J J I I F F +++-++ （2）在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，当磁场较弱时为反常塞曼分裂，磁量子数m ,1,,F F F F =-- ，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。
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扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。
通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。
同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。
由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。
In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。
气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。
本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。
本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb（丰度为72.15%）、87 Rb（丰度为27.85%）。
二、实验原理1．铷原子基态和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52S1/2。
图1 Rb原子精细结构的形成在L—S耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，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D1和D2线，如图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PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩J μ为2J J J e e g P m μ=-式中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J是朗德因子，me 是电子质量，e 是电子电量。
原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。
核角动量I P 和核外电子的角动量JP 耦合成一个更大的角动量，用符号 F P表示，其量子数用F 表示，则I J F P P P+=与此角动量相关的原子总磁矩为2F FFe e g P m μ=-)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JFF g 是对应于F μ与F P关系的朗德因子。
在有外静磁场B 的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量22F F F F F F F B e ee eE B g P B g M B g M Bm m μμ=-⋅=⋅==其中2B e e m μ=124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子，F M 是F P在外场方向上分量的量子数，共有2F ＋1个值。
可以看到，原子在磁场中的附加能量E 随FM 变化，原来对FM 简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F 能级分裂成2F ＋1个子能级，相邻的子能级的能量差为B g E B F μ=∆再来看一下具体的分裂情况。
87Rb 的核自旋2/3=I ，85Rb 的核自旋2/5=I ，因此，两种原子的超精细分裂将不同。
这里以87Rb 为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb 的分裂。
错误！未指定书签。
原子在磁场中的超精细分裂情况如图2所示。
由于实验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。
2．光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1σ+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。
需要指出的是（1）从常温对应的能量kBT 来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔兹曼分布Tk E totalB e N N 11-=由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。
（2）如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1σ+光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。
图287Rb 原子能级超精细分裂处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则1±=∆L 1,0F ∆=±； 1+=∆F M根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图3所示。
图3可以看到，跃迁选择定则是0,1±=∆F ； 0,1±=∆F M跃迁见图3的右半部分。
当光连续照着，跃迁5S →5P →5S →5P →…这样的过程就会持续下去。
这样，5S 态中2+=F M 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，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S 态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，这时光强测量值不再发生变化。
通过以上的分析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MF=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象（偏极化）。
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，并且调整射频频率ν，使之满足B g h B F μν=这时将出现“射频受激辐射”，光吸收过程重又开始，光强测量值又降低。
跃迁到5P 态的原子在退激过程中可以跃迁到5S 态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S 态的8个子能级上全有了原子。
由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。
其中BDC 是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，//e B 是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变。
BS 是周期性的“扫场”磁场，也是水平方向的。
地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场所抵消。
当光磁共振发生时，满足量子条件1//()F B DC S e h g B B B νμ=++通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共振信号。
调节射频的频率，又可以看到共振信号，并调到如图4所示的状态，记下射频的频率ν2，则有如下的量子条件成立2//()F B DC S e h g B B B νμ-=-++由公式得DC B F B h g μνν2)(21+=直流磁场BDC 可以通过读出两个并联线圈的电流之和I 来计算（亥姆霍兹线圈公式）72/310516-⨯=r NI B DC π式中N 和ｒ是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的Ｉ值是流过两个线圈的电流之和。
图4以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在87Rb 和85Rb ，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。
对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF 因子。
要注意，gF 因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F 的值有关。
不难看出，这里测量的是87Rb 的5S 态中F=2的gF 因子，而对于85Rb 来讲，测量的是F=3的gF 因子。
两种原子的gF 因子之比为23)13(32)251(25)211(21)13(3)12(22)231(23)211(21)12(2)()(8587=+⨯⨯+-++++⨯⨯+-+++=Rb g Rb g F F上式为判断共振信号是哪一种原子引起的提供了依据。
3．利用光磁共振测量地磁场的水平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量//e B 的值，这为光磁共振提供了另一个应用。
方法如下：在测量出gF 因子之后，同时将BDC 和BS 倒向，调节射频信号频率至ν3，出现如图5所示的信号，则有如下量子条件成立3//()F B DC S e h g B B B νμ-=--+由公式得//e B =BF g h μνν2)(31-图5 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像三、实验内容1.实验装置本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图6。
图7其中主体单元示意图见图7。
其中射频信号发生器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源；辅助源提供水平磁场调制信号（10Hz 方波和20Hz 三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品室的温度进行控制等；主体单元的各组成部分装在一光具座上，包括Rb 光源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平主电源 射频信号发生器辅助源 主体单元 示波器图6 光磁共振实验装置方框图及垂直磁场线圈等。