光泵磁共振实验报告

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 J

J e

e

g 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J

P 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 F

F

e e g P m μ=-

)1(2)

1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J

F

F 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 e

e e E B g P B g M B g M B m 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

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

T

k E total

B e N N 1

1

-=

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B4-2

87

Rb 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-=-++