光泵磁共振试验
光泵磁共振
e µ J = −g J PJ 2m
gJ = 1+ J ( J + 1) − L( L + 1) + S ( S + 1) 2 J ( J + 1)
称为 Longde 因子
2．J-I耦合情况下原子总磁矩 耦合情况下原子总磁矩
e µF = −g F PF 2m
光泵磁共振 实验
背景： 背景：
对于固态样品， 核磁共振、 对于固态样品，用 核磁共振、电子自旋共振方法可以研究 原子的精细结构、 原子的精细结构、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能 因为固态样品的浓度大，共振较强。 级。因为固态样品的浓度大，共振较强。 但是，对于气态样品，因为样品浓度较低， 但是，对于气态样品，因为样品浓度较低，很难得到理想 强度的共振信号，所以， 强度的共振信号，所以，要想透过上述方法研究原子的精细结 超精细结构及塞曼分裂非常困难。 构、超精细结构及塞曼分裂非常困难。 上世纪50 50年代法国科学家 卡斯特莱（Kastler） 上世纪50年代法国科学家 卡斯特莱（Kastler）提出采用 光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子， ），即用圆偏振光来激发原子 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，造成原子在各能级上的偏激化分布， 能级间的热平衡，造成原子在各能级上的偏激化分布，这时再 以相应频率的射频场激励原子使其产生磁共振， 以相应频率的射频场激励原子使其产生磁共振，并采用光探测 使探测信号灵敏度有很大提高。 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， 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。 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 卡斯特莱（Kastler） 1966年，卡斯特莱（Kastler）因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）而获诺贝尔奖。 共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。
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。
实验 光泵磁共振实验
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+=。
铷原子的光泵磁共振实验
铷原子的光泵磁共振实验【摘要】通过光抽运技术和磁共振技术相结合，研究了铷原子的光泵磁共振现象。
实验中，通过示波器显示波形，采用扫场法测量磁共振信号，测量了Rb 的朗德因子g F 以及地磁场的强度和磁倾角。
【关键词】超精细结构 塞曼子能级 光抽运 磁共振 朗德因子一、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热平衡分布的实验方法。
气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。
实验中使用的光泵磁共振技术，一方面光抽运改变了磁能级上粒子数的分布，另一方面采用光探测的方法克服了磁共振信号弱的缺点，所以光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约七八个量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。
二、 实验原理2.1铷原子基态和最低激发态的能级铷Rb 是碱金属原子，其最外层有一个价电子，位于5S 能级上。
天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 和85Rb 。
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，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 ，考虑原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。
耦合后的总量子数为F 。
角动量相关的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=- （1） )1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF （2）其中，F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。
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 F =F ，F-1，…，-F ，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。
如图1所示。
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。
光泵磁共振教案 实验原理
光泵磁共振实验 实验原理、数据记录及数据处理【引言】气体原子中的磁共振信号十分微弱，观测十分困难。
1950年，法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Kastler ）提出了光抽运的方法（即Optical Pumping ，故又译作光泵），可使原子能级的粒子数分布产生重大改变（偏极化），并可利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大的提高了信号强度和检测灵敏度。
卡斯特勒因此而荣获1966年诺贝尔物理学奖。
【实验目的】1、加深对原子超精细结构的理解；2、掌握以光抽运为基础的光检测共振方法。
【实验仪器】光磁共振实验仪、示波器、频率计、射频信号发生器。
【实验原理】 ●铷原子基态和激发态能级（1）L S 耦合，,1,||J L S L S L S =++-- 。
铷原子基态0L =，12S =，故12J =；其最低激发态1L =，12S =，故12J =和32；为精细结构。
（2）IJ 耦合，,1,||F I J I J I J =++-- 。
铷原子核自旋不为零，两个同位素核自旋量子数I 也不相同。
87Rb 的3/2I =，85Rb 的5/2I =，故87Rb 的基态的1F =和2，85Rb 的基态的2F =和3。
由F 定标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。
定标这些磁量子数,1,F m F F F =-- ，因而一个超精细结构能级分裂为21F +。
设原子总角动量对应的原子总磁矩为F μ，F μ与外磁场0B 的相互作用能为： 00F F F B E B g m B μμ=-⋅=（其中：2419.2741102B ee J Tm μ--==⨯⋅ ，(1)(1)(1)2(1)F J F F J J I I g g F F +++-+=⋅+（其中： (1)(1)(1)12(1)J J J S S L L g J J +++-+=++）相邻塞曼子能级能量差为： 0F B E g B μ∆= ●光抽运效应由于超精细塞曼子能级间的能量差E ∆很小，这些能级上的粒子数近似相等，不利于观察这些子能级间的共振现象，为此卡斯特勒提出光抽运的方法，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。
光泵磁共振实验
光泵磁共振一.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，…，IL—SI。
铷的基态，轨道量子数1=0，自旋量子数S=1/2,只有J=1/2一个态52s l/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数1=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P l/2态J=1/2。
已知核自旋1=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量耳与原子总磁矩匕的关系为：咛-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 W0。
所以核自旋角动量P I与电子总角动量耳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、1=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P F之间的关系(见本实验附录)为：口F=-g F e P F/22m e)F(F+1)+J(J+1)—I(I+1)g F=g J(13-3)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。
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
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 - 复旦大学
光泵磁共振实验陈骋0830*******摘要： 本实验介绍产生光抽运信号和磁共振信号的原理，测量分析了垂直磁感应强度对于信号幅度的影响原因。
关键字： 光抽运信号 磁共振信号 竖直方向磁场引言：光泵磁共振实验包括了原子物理中很多的内容，其中用光抽运-磁共振-光探测技术，对于原子、离子和 的研究有着非常重要的意义，使我们更加深刻了对于微观粒子结构的认识光泵磁共振实验装置示意图实验原理光抽运信号的产生当磁场扫过零（水平零场总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能及随之发生改变，简并随即再次分裂。
在这个时候，铷原子分布由于碰撞等导致自选方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后个塞曼子能级上的离子数又接近相等，对光的吸收又达到最大，就能观察到光抽运信号。
磁共振信号的产生磁共振波破坏了粒子分布的偏极化，引起新的光抽运信号。
也就是说如果磁场与射频信号满足F B hv g B μ=，那么铷原子分布又会失去偏极化，产生磁共振信号，而光抽运信号的跃迁速率比磁共振跃迁速率大，所以两者之间会达到一个动态平衡。
实验内容垂直磁感应强度对光抽运信号幅度的影响为了得到光磁共振信号，实验中先调节垂直场电流，使得垂直场合地磁场的垂直分量相互抵消，接着调整水平场，把扫场信号换成三角波。
水平场、扫场以及地磁场水平分量相互叠加作用，使得铷原子产生塞曼分裂。
在实验中垂直磁感应强度变化时，示波器的光抽运信号振幅是不一样的。
在先设定水平磁感应强度不变的情况下，消除地磁场垂直磁场的影响。
由此测得垂直磁场电流为0.070A ，由公式012()/(2)F B B v v h g μ=+，得到对应电流为0.070A ，计算所得磁感应强度0.21Gs 。
取水平磁感应强度电流为0.018A 、0.025A 和0.032A 。
在三种情况下，光抽运信号幅度和磁感应强度关系。
如果我们作一个归一化图像，做归一化的原因是由于地磁场有一个垂直于光线传播方向又垂直于分解地磁场竖直方向的分量，这个分量可能是因为仪器的放置造成的，也可能是竖直地磁场的影响并没有完全消除，因为我们并不能确定仪器的抵消地磁场竖直分量所用的垂直场和地磁场是完全在一条轴上，另外也有可能是测量造成的误差，但是可以确定的是这个分量是一个cos的角度，也就是说归一化以后可以消除这样的一个误差。
光泵磁共振
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。 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4
光泵磁共振实验
实验目的 实验原理 数据处理 实验仪器 实验内容 注意事项
思考问题
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. 掌握光磁磁场。
实验仪器
图1 仪器组成框图
图2 主体单元示意图
1 7
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2
5
4
6
3
图3 DH807型光磁共振实验仪 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
85Rb
gF=h(f1+f2)/2μBB0
87Rb 85Rb
B0=16π NI×10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有 效半径)
2. 测量地磁场
同向频率f1(kHz) 反向频率f2(kHz)
87Rb 85Rb 87Rb 85Rb
水平场电 流(A)
f=(f1-f2)/2
87Rb 85Rb
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。
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
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。
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。
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光泵磁共振一. 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。
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。
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───────────────（13-3）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。
m F=F，F—1，…，（—F），即分裂成2F+1个塞曼子能级。
在磁场中铷原子基态和最低激发态的能级如图13-1所示。
原子总磁矩μF与磁场B0相互作用能为（诸圣麟，1979）：e eE=—μF B0= g F──P F B0= g F──m F B0h （13-4）2m e2m ee e分别令：μB=──h（玻尔磁子）和γ=—g F──（旋磁比），则有：2m e2m eE=—γm F hB0=g F m FμB B0由此可知外磁场为B0时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：△E=g FμB B0（13-5）可见在此磁场中△E与B0成正比，当B0=0时，各塞曼子能级简并为原来的超精细能级。
对在弱磁场B0的情况下，这个系统存在三种可能的跃迁过程，即在超精细能级之间的α型跃迁，其跃迁频率ω0与B0成正比，在射频范围有ω0=|γ|B0；在两个不同次能级之间的β型跃迁，跃迁频率在微波范围；发生在基态与激发态之间的δ型跃迁，其跃迁频率落在近红外范围。
光泵磁共振是利用α、δ两种辐射跃迁。
2、光抽运效应由于光的电场部分的作用，一定频率的光可以激发原子间的跃迁。
已知铷原子52P1/2→52S1/2跃迁时产生D1线，波长为794.8nm，52P3/2→52S1/2的跃迁产生D2线，波长为780nm。
当用入射光为左旋圆偏振的D1光（即D1σ+光）照射87Rb时，52S1/2态的原子会跃迁到52P1/2态的有关塞曼子能级上。
这个过程满足跃迁的选择定则：△L=±1；△F=0，±1；△m F=0；±1（对于左旋圆偏振光吸收的选择定则是△m F=—1），即基态上量子数为m F的原子，将吸收偏振光能量，跃迁到量子数为m F=+1的激发态能级上去，原子被激发至高能级后，又会通过自发辐射发射一定波长的电磁波，从而以几乎相等的几率落回到基态，这样在基态52S1/2中，m F=+2子能级上的原子不能吸收偏振光跃迁到激发态，即其跃迁几率是零。
由于落在基态m F=+2上的粒子不能向上跃迁，而落在基态其他子能级上的粒子继续吸收σ+光子向上跃迁，这样经过多次循环，基态m F=+2子能级上的粒子数会大大增加，可形象地认为有大量粒子被“抽运”到基态的m F=+2的子能级上，形成了所谓的“光抽运”效应。
光抽运的目的就是要使各子能级上的粒子数产生不均匀分布，即“偏极化”。
有了偏极化，就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。
它是指在基态中其它超精细能级上的原子数逐渐减少，继续下去就会妨碍激发过程的进行，使对光的吸收慢慢停止，最终是光的吸收达到饱和，这时透过样品的光变得最强。
3、弛豫过程基态子能级上的粒子数在热平衡状态时遵从玻尔兹曼分布，此时各子能级上粒子数可近似地认为是相等的，子能级间的能量差也很小，考虑抽运的作用，各子能级上的粒子数会出现差异，从而使系统处于非热平衡分布状态转变为热平衡分布的过程。
失去偏极化的主要原因是由于铷原子与器壁碰撞，可采用在样品泡中充进缓冲气体的方法减少这种碰撞，以保持原子的高度偏极化。
但缓冲气体分子不可能将子能级之间的跃迁全部抑制，不能将粒子全部抽运到m F=+2的子能级上。
通常是光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数比玻尔兹曼分布造成的粒子差数要大几个数量级。
D1σ+光对85Rb的光抽运效应是将85Rb原子抽运到基态的m F=+3的子能级上。
4、磁共振与光检测在弱磁场中B0中，铷原子相邻塞曼子能级的能量差已由（13-5）给出。
为了破坏光的吸收达到饱和，保证激发过程能继续进行，在垂直于恒定磁场B0的方向加一角频率为ω的射频场B1，若该射频场的频率对应α跃迁，有：hω=△E= g FμB B0即：ω= g FμB B0/h （13-6）塞曼子能级之间将产生磁共振。
被抽运到m F=+2子能级上的大量粒子在射频场B1作用下产生感应跃迁，由m F=+2跃迁到m F=+1，进而跃迁到m F=0，…等基态中其它超精细能级上，这时δ吸收跃迁又可以继续进行了，透过样品的光通量又变小了。
同时，基态中处于非m F=+2子能级的原子又将被抽运到m F=+2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡，此时基态非m F=+2子能级上的粒子数大于没有共振时的粒子数，从而对D1光的吸收增大。
光检测技术就是利用磁共振时伴随有D1光强的变化，通过测D1光强的变化来实现共振信号的观测。
由于巧妙地将一个低频射频光子（1~410MHz）转换成了一个高频光频光子（108 MHz），这就使信号功率提高了7~8个数量级。
测量磁场B0时，可调节射频场的频率，观察透过样品后的强度，当透过的光最弱时，射频场的频率正对应α跃迁频率，即可求出B0。
3.实验内容：1准备：在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整（见本说明书安装和调整部分）。
再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。
检查各联线是否正确。
将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。
然后接通电源线，按下电源开关。
约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。
2观测光抽运信号扫场方式选择“方波”，适当调大扫场幅度。
再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。
预置垂直场电流来抵消地磁场垂直分量。
然后旋转偏振片的角度，调节扫场幅度及垂直场大小和方向（综合调节），使光抽运信号（如图7所示）幅度最大。
再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。
3观测光磁共振谱线测量g因子扫场方式选择“三角波”，并使水平磁场方向（按动“水平”按钮可改变它）与地磁场水平分量和扫场方向相同。
调节射频信号发生器频率，调节扫场幅度适当减小，可观察到共振信号，对应图8.a波形，可读出频率V1及对应的水平场电流I。
，再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。
仍用上述方法（如图8.b 所示），可得到V 2。
这样，水平磁场所对应的频率为V=（V 1+V 2）/2，即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。
水平磁场B 的数值可从水平场电流及水平亥姆霍兹线圈的参数来确定（亥姆霍兹线圈轴线中心处磁场的公式见附录）。
由公式：（1）B g hv F 0μ= （2）Bhvg F 0μ=可计算出g 因子。
式中：μ0—玻尔磁子；μ0=μB =9.27×10-24J/Th —普朗克常数；h =6.63×10-34J ·Sv —共振频率（信号源的）4测量地磁场同测g 因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得v 1。
再按动扫场及水平场方向开关，使扫场和水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到v 2。
这样地磁场水平分量所对应的频率为v=（V 1--V 2）/2（即排除了扫场和水平磁场的影响）。
从（1）式中得到地磁场水平分量为：Fg hvB 0μ=水平因为垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从数字表头指示的垂直场电流及垂直亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值。
地磁场水平分量和地磁场垂直分量的矢量和可求得地磁场。
（参考数据处理见下页）光磁共振参考实验数据处理测量g F同向频率f 1(KHZ)反向频率f 2(KHZ)B 0(T)g F =h(f 1+f 2)/2μB B 0水平场电流(A)87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb 85Rb0.2469986695883911135.9*10-70.4990.3340.2857573437295923.4*10-70.5010.3360.18784522382250813.1*10-70.5120.339 B 0=16πNI×10-7/53/2r (式中N 为线圈匝数，I 为流过的电流，r 为有效半径)测量地磁场同向频率f 1(KHZ)反向频率f 2(KHZ)f=(f 1-f 2)/2B 地=hf/g F μB水平场电流(A)87Rb 85Rb 87Rb 85Rb87Rb 85Rb 87Rb85Rb0.24699866970647014699.52.09*10-5 2.13*10-50.2848563549366149.598.52.13*10-52.09*10-50.1878352248732314899.52.06*10-52.09*10-5厂家给出的线圈参数及线圈中心处的磁场强度B 的计算公式（I 为线圈电流强度）：水平场扫场垂直场线圈每边匝数N250250100线圈有效半径r0.2433m0.2420m0.1530m(特斯拉)772/372/30109.113510246.02433.025*********---⨯=⨯∙∙=⨯∙∙=ππI r N B (特斯拉)772/372/31104.923102.02433.025051610516---⨯=⨯∙∙=⨯∙∙=ππI r N B(特斯拉）772/372/32101.8131018.02433.025051610516---⨯=⨯∙∙=⨯∙∙=ππI r N B 的朗德因子Rb 87504.03512.0501.0499.0=++=F g85德朗因子Rb 336.03339.0336.0334.0=++=F g 地磁场的平行分量()TB 55//1010.261009.209.213.206.213.209.2--⨯=⨯+++++=地磁场的垂直分量：（略，数值为0.2056高斯,1高斯等于104特斯拉）。