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
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：光泵磁共振【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。
【实验原理】一. 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 ，85Rb 。
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，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，因而最低激发态形成双重态：52P 1/2和52P 3/2。
二. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应原子吸收光产生塞曼能级间的跃迁满足能量守恒关 E h ∆=ν （B7-1）式中ν是光的频率，E ∆是初、终态的能量差。
此外，原子在能级间的跃迁还要满足选择定则1±=∆L ；1 0F ∆=±，；⎪⎩⎪⎨⎧-+=∆-+）（入射光为）（入射光为）（入射光为σπσ10 1F M其中+σ光为电场矢量绕磁场方向左旋的圆偏振光，-σ光为电场矢量绕磁场方向右旋的圆图B7-1 87Rb 原子对D 1σ+光的吸收和退激跃迁偏振光，π为电场矢量与磁场方向平行的线偏振光。
实验中，对铷光源进行滤光和变换，只让D 1+σ光通过并照射到产生塞曼分裂的铷原子蒸气上，铷原子将对D 1+σ光产生吸收而发生能级间的跃迁。
以87Rb 为例说明一下磁场环境中原子对D 1+σ光的吸收跃迁，如图B7-1所示。
退激跃迁中有一部分原子的状态成为5S 能级中的M F =+2态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P 去的，那些回到其它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 →…这样的过程就会持续下去，5S 态中M F =+2子能级上的原子数就会越积越多，其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D 1+σ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M F =+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，此时透过87Rb 蒸汽的光强达到最大。
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，
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-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。
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验数据处理与分析实验记录数据如下表：频率 （kHz ）同向电流I 同（A ）反向电流I 反（A ）87Rb85Rb测量g F测量地磁场H87Rb 85Rb 87Rb85Rb700 0.232 0.337 0.2055 0.3125 0.358 0.4655 800 0.2595 0.3835 0.2355 0.3585 0.3885 0.5095 900 0.28950.42650.26550.4030.41750.5541 计算测量g F因子我们采取的是扫场法，因此，共振频率不变，0H 有同向反向之分。
由公式B B H +H +H g H -H -H g FFhv hv μμ== 同扫地反扫地（）（）两式相加得：B2g =(H +H )F hvμ同反其中73/216H 10()5N I T r π-=⨯N=250 r=0.2399m 346.62610 J S h -=⨯241B 9.273110J T μ--=⨯∙ 可得44.682810()H I T -=⨯，则6g =0.305210(+I )F vI -⨯同反将实验数据表格中的数据代入即可得下表：频率 （kHz ）g F87Rb85Rb700 0.4883 0.3289 800 0.4933 0.3291 9000.4949 0.3311 g F平均值0.49220.3297查阅资料，87Rb 的g F 值为1/2，而85Rb 的gF 值为1/3,对比我们的测量结果，结果十分接近，可见此次测量精确度很高。
2、 测量地磁场 测量地磁场时，有公式B H +H +H g Fhv μ= 同扫地（），B H +H -H g Fhv μ= 反扫地（）两式相减，得H -H H =2 同反地，即-4I -I H =4.682810T 2⨯ 同反地（）（）代入实验表格中的数据，即可得出下表：频率（kHz ）H地（T ）87Rb85Rb700 2.9502e-005 3.0087e-005 800 3.0204e-005 2.9502e-005 9002.9970e-005 2.9853e-005 H地（T)平均值2.9892e-0052.9814e-005。
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
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
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
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。
光泵磁共振实验报告
N1 e k BT Nt o t a l
2
E1
（B4-8）
2
由 5 S1/2 分裂出的 8 条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样， 由 5 P1/2 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D1 σ 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。 处于磁场环境中的铷原子对D1 σ +光的吸收遵守如下的选择定则
射频信号 发生器
辅助源
主电源
主体单元
示波器
图 B4-9
光磁共振实验装置方框图
5
图B4-10
主体单元示意图
其中主体单元示意图见图 B4-10。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、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样 品室是一个封装了Rb原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比Rb蒸气浓度高几个数量级的“缓冲 气体” N2 或Ne等无分子磁矩的气体。 【实验内容】 一．观测光抽运信号 二．观测光磁共振信号 三．测量地磁场 【注意事项】 1．在观察光抽运信号时，调节扫场幅度，将抽运信号调节到等高，调好后，固定扫场幅度。 2．在实验过程中应注意区分 Rb、 Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为 Rb共 振谱线，频率低的为 85 Rb的共振谱线。 3．为避免杂散光影响信号的幅度及波形，主体单元应当罩上遮光罩。 4．在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其它铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。 【数据记录及处理】 1、 观察光抽运信号 按照实验要求进行仪器的调节，通过指南针可以判断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水 平分量同向， 弹出时水平场与地磁场水平分量反向； 扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平分量反向， 弹出时扫场与地磁场水平分量同向。进而调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高，观察到的图形如 图 4-11 所示。
【免费下载】光泵磁共振实验报告
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。
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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
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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。
光泵磁共振实验报告
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：年月日一、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二、实验仪器和用具：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。
三、实验原理：本实验的研究对象为铷原子。
天然铷原子有两种同位素：85Rb（72.15%）和87Rb（27.85%）。
选用天然铷作样品，可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号。
铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示。
铷是一价碱金属原子，其基态为5 2S 1/2；最低激发态为5 2P 1/2和5 2P 3/2双重态，是电子的轨道角动量与自旋角动量耦合而产生的精细结构。
由于是LS 耦合，电子总角动量的量子数J = L+S ，L ＋S －1，…，S L -。
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3/2，这就是双重态的由来。
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。
87 Rb 的I = 3/2，85 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，原子的总角动量的量子数F = I ＋J ，I ＋J －1，…，J I -。
故87 Rb 基态的F = 1和2；85 Rb 的基态的F = 2和3。
这些由F 量子数标定的能级称为超精细结构。
在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂。
标定这些分裂能级的磁量子数m F = F ，F －1，…，－F ，因而一个超精细能级分裂为2F ＋1个塞曼子能级。
设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF ，μF 与外磁场B 0 相互作用的能量为 E = － μF ·B 0 = g F m F μB B 0 (-1) 这正是超精细塞曼子能级的能量。
光泵磁共振
教师：中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：应物09-5 姓名： 刘洋 学号：09131504 同组：王书禾实验7-3 光泵磁共振一、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。
二、实验原理1．铷原子基态和最低激发态的能级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。
原子的价电子在L-S 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为：J JJ P me g 2-=μ (7-3-1))1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J (7-3-2)J g 是朗德因子，J 是电子总角动量量子数，L 是电子的轨道量子数，S 是电子自旋量子数。
整个原子的总角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系可写为2F FF e g P mμ=- (7-3-3)错误！未指定书签。
错误！未指定书签。
F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子，可按类似于求J g 因子的方法算出。
考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，F μ实际上为J μ在F P 方向上的投影，从而得(1)(1)(1)2(1)F JF F J J I I g g F F +++-+=+ (7-3-4)如果处在外磁场B 中，由于总磁矩F P 与磁场B 的相互作用,各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。
用磁量子数F M 来表示,如图7-3-2中右边部分。
F μ与B 的相互作用能量为：(222F FF FF F F B e e h E B g P B g M B g M B mmμμ=-===）π（7-3-5） 式中B μ为玻耳磁子。
各相邻塞曼子能级的能量差为：B g E B Fμ=∆ (7-3-6)2．圆偏振光对Rb 的激发与光抽运效应一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁。
如图7-3-3所示。
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。
铷原子的光泵磁共振实验报告
铷原子的光泵磁共振实验报告摘要：本实验利用光泵磁共振技术实现了对Rb 原子能级结构的探测。
用光探测的方法在示波器上观察并记录核磁共振时光抽运信号，从而计算出了87b R 和85b R 的朗德g 因子，并对地磁场进行了测量。
关键词：光泵磁共振 Rb 原子 光探测 一，引言光泵，也成光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。
光泵次共振技术是由法国物理学家卡斯特勒在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塞曼能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的波尔兹曼分布。
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的能级结构。
光泵磁共振技术巧妙地利用了光探测的高灵敏度和磁共振的高分辨率，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。
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。
二，实验原理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215S 。
离5s 能级最近的激发态是5p ，此激发态是双重态：2125P 和2325P 。
电子由5p 跃迁到5s 所产生的光辐射是Rb 原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb 灯光谱中特别高，其中2125P 到2125S 跃迁产生的谱线称为D1线，波长是794.8nm ，而2325P 到2125S 跃迁产生的谱线称为D1线，波长为780.nm 。
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eeg 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，原子总角动量还要考虑核的贡献。
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 ，于是有F I J P P P =+，耦合后总量子数,,F I J I J =+- 。
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。
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光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过设置和调节水平磁场，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g 因子。
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。
再者，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。
在实验过程中掌握了光泵磁共振的基本原理。
关键词：抽运，光泵磁共振一、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。
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PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩J μ为2J JJ eeg P m μ=- 式中图B4-1 Rb 原子精细结构的形成)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J是著名的朗德因子，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 FF F F F F B e ee e E B g P B g M B g M B m m μμ=-⋅=⋅==其中2B e em 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F M 变化，原来对F M 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。
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原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2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。
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B4-3所示。
图B4-287Rb 原子能级超精细分裂可以看到，跃迁选择定则是0,1±=∆F ； 0,1±=∆F M跃迁见图B4-3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B4-7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（B4-11）、（B4-12）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 NIB 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。
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，在（B4-11）式的基础上，同时将BDC 和BS 倒向，调节射频信号频率至ν3，出现如图B4-8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（B4-11）式加（B4-16）式得//e B =BF g h μνν2)(31-图B4-8 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B4-9。
射频信号发生器辅助源主体单元示波器主电源图B4-9 光磁共振实验装置方框图其中主体单元示意图见图B4-10。
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、样品室和水平及垂直磁场线圈等。
样品室是一个封装了Rb原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比Rb蒸气浓度高几个数量级的“缓冲气体” N2或Ne等无分子磁矩的气体。
2.实验内容一．观测光抽运信号二．观测光磁共振信号三．测量地磁场四、数据分析1.观察光抽运信号按照实验要求进行仪器的调节，通过指南针可以判断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水平分量同向，弹出时水平场与地磁场水平分量反向；扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平分量反向，弹出时扫场与地磁场水平分量同向。
进而调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。
从图中可以看出，当方波信号方向改变时，光抽运现象开始，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近似相等，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最弱。
随着原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，透过样品泡的光逐渐增强，光抽运信号逐渐增强；当“抽运”到MF=+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。
当“扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是MF=+2的原子各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向、铷原子各子能级重新分裂以后，对D1σ+光的吸收又达到了最大。
“扫场”方向不断改变就出现了如图所示的光抽运信号。
2.观测光磁共振信号测量gF数据记录表：水平场电流(A) 同向频率ν1(kHz) 反向频率ν2(kHz) 87Rb 85Rb 87Rb 85Rb 0.24 1205.3 801.88 382.95 257.47 0.20 1073.0 712.60 255.73 173.95 0.181010.9671.12188.56127.64利用公式可求出直流磁场BDC ，进而可求出gF 因子。