25-光磁共振

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实验二十四 光 磁 共 振

光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等

人于本世纪五十年代初提出。光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。光磁共

振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。

【实验目的】

1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。

2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。 3．运用光磁共振方法测量地磁场。

【实验原理】

1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂

原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为

B m g B E B F F F μμ=⨯-=→

→

(1)

式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为

)

1(2)

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

F

)

1(2)

1()1()1(1++++-++

=J J S S L L J J g J

（S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为

B g E B F μ=∆ (2)

铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85

Rb 占72．15％， 87

Rb 占27.85％，原子

能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/32

5P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是

794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87

Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。

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2．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应 在一定频率的1D （7948ο

A ）光照射之下可以引起

87

Rb 原子从基态2/125S 至最低激发态

的跃迂。在磁场中如果用+

σ1D 左圆偏振光照射处在磁场中的87

Rb 原子时，则只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。，根据动量守恒定律，选择定则为1,0±=∆F 和=∆F m +1 L

J F m F

2

1 0

--1

--2 --1 0 1

2

1

0 --1

--2

--1

0 1

这时基态原子向上跃迁时基态中2+=F m 能级上的原子不会被激发,见图2.然后处于激发态的87

Rb 粒子将通过自发辐射退回到基态所有塞曼子能级（包括2+=F m 能级）。因此，当继

续用+

σ1D 光照射原子时，经过若干次“激发一辐射一激发…，的循环之后，基态中F m ＝＋2能级上的原于数目会显著地多于基态中其它塞曼子能级上的原于数目，即大量的原于会被抽运到基态F m ＝＋2的子能级之上。这就是光抽运效应。类似地，也可用1D 光的右偏振光即σ1D 光照射“R b 原子，最后原子都会集居在F ＝2、F m ＝-2的子能级上。粒子在各能级间的非平衡分布称为粒子偏极化。因此，光抽运最后结果，在基态中2+=m 能级上的原于数目

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会显著多于其它子能级上的原子数目，这就是光抽运效应造成粒于偏极化。有了这种偏极化，才可以在特定的子能级间实现磁共振。 as

2/125P

F m ＝＋2 2/125S

图 2

3．塞曼子能级之间的磁共振和光探测

如果在垂直外磁场B 的平面内，加上一个频率为

υ的射频磁场，则当满足条件 B g E h B F μν=∆= （3）

时。（E ∆为相邻两个塞曼子能级间的能量差），在基态的F m ＝＋2与F m ＝＋1两相邻能级之间将发生磁共振（当然，磁共振也可以在基态的其它相邻塞曼于能级问发生，，但不显著）。磁共振会使处在2=F m 上的大量粒子跃迁F m ＝＋1．但同时由于光抽运的存在，处于基态其它（除F m ＝＋2以外）塞曼能级上的粒子又会被抽运到F m ＝＋2的子能级上。这种过程往复进行，达到一个新的动态平衡。于是，磁共振时，基态中F m ＝＋2子能级上的粒于数总是少于不共振时的粒子数，因此，磁共振时样品泡对σ1D 光的吸收显著增强。从而，我们可以通过测量透射光强的变化来获得磁共振信号，实现了磁共振的光探测。巧妙地把一个磁共振时的低频射频光子（约1至10MHz ）转换成为一个高频光频光子（f ≈108

MH ，）。这样信号功率 增强了7～8个数量级，使对磁共振探测的灵敏度提高很多很多。

【实验装置】

DH807A 型光磁共振实验仪由主体单元，电源，辅助源，射频信号发生器以及示波器组

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1主体单元 ：

图4是它的示意图：

1铷灯

图4

① 表示铷灯，射出的光经透镜继而过②偏振片和1/4波片，接着穿过③金属铷样品泡，再穿过透镜直达④光电接收器，从而产生信号输入示波器显示信号波形。样品泡的周围有⑤水平亥姆兹线圈与⑥垂直亥姆兹线圈，当通电流后分别产生水平磁场//B 与垂直磁场

B ，方向及大小由电流所决定。同时，在水平亥姆兹线圈⑤中还迭绕一水平线圈，用以产生周期变化的扫场磁场S B 用于寻找信号。在做共振信号时，还需在线圈⑦中输入一射

频信号，产生射频磁场。 2辅助源及电源：

电源的作用是提供三组直流电源，一路为水平亥姆兹线圈提供电流，产生水平磁场

B //：二路为垂直亥姆兹线圈提供电流，产生垂直磁场B ┻，选择合适的方向，用于抵消地

磁场的垂直分量，三路提供铷灯，温控以及扫场工作电压，使辅助源产生三角波，方波扫场信号，产生扫场磁场B S 。辅助源还设有“池温”，“扫场”，“水平”，“垂直”及“三角波，

方波”的转换开

关，以控制池温的开或关，扫场磁场B S ，水平磁

场B //，垂直磁场B ┻的方向，然它们的大小分别由电源上的相应开关控制。DH807A 型光磁共振实验仪的总体有安装由图5所示。

图5