光泵磁共振实验报告

铷原子的光泵磁共振实验

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【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，最终测量得87

Rb 的朗德F g 因子为0.4981，85Rb 的朗德F g 因子为0.3348，以及地磁场的大小为0.4245GS.

关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德F g 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或塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上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，它是1955年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler ）发明的。在光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振；另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，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。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的磁矩、能级结构和g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也是极为有利的实验手段。

本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德g 因子和地磁场强度。 二、 原理:

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

s L S L S L J --++= ,1,。所以Rb 原子的基态只有2/1=J ，标记为2/125S 。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。2

/12P 5到

2

/12S 5的跃

迁产生的谱线为D1线，波长是794.8nm ；2

/12P 5到

2

/12S 5的跃迁产生的谱线为D2线，波

长是780.0nm 。

在核自旋I=0时，原子的价电子经L -S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为

2J

J

J

e e

g P m μ

=- (1)

(1)L(l 1)S (1)

12(1)

J J J S g J J +-+++=+

+

(2)

当I 不为零时，核磁矩与电子自旋及轨道磁矩相互作用，使能级进一步分裂，产生了超

精细结构。则耦合后的总量子数为J I J I F -+=,, ，87

Rb 的2/3=I ，它的基

态2/1=J ，具有1=F 和2=F 两个状态。85

Rb 的2/5=I ，它的基态2/1=J ，具有

3F =和2F = 两个状态。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 ：

F =-g 2F

F e

e

P m μ (3)

11121F J

F(F )J(J )I(I )

g g F(F )

+++-+=+

(4)

在外加磁场作用下，超精细能级进一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子数

F F F M F --=,,1, ，即分裂成2F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子

能级间的能量差为：

0 F B E g B μ=

(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。

Rb 87

的2/12S 5态及2/12P 5态的磁量子数F m 最大值都是+2，当入射光是光的+

σ1D 时，

由于只能产生ΔF m =+1 的跃迁，基态F m ＝+2 子能级的粒子不能跃迁，如图 1示：

由图知该圆偏振光能把除F m ＝+2以外的各子能级上的原子激发到2/12P 5的相应子能

级上，而向下辐射跃迁的概率相等，这样经过若干循环后F m ＝+2子能级上的粒子数就越来越多，这就是光抽运。

这时其它能级上的粒子数已大大减小，若加一个使电子从F m ＝+2向F m =+1跃迁的频

射场，就产生了感应跃迁。这样，由于产生磁共振，对

光的+

σ1D 的吸收增大，故可以通过对光的+

σ1

D 的吸收强度的变化判断是否产生了磁共振，而光的能量远大于射频场的能量，这样就提高了实验的精度，可以使信号功率提高7-8个数量级。

另外，从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫弛豫过程,在实验中为了保持原子分布的偏极化，我们要抑制弛豫过程。

图 1 （a ） 87Rb 基态粒子吸收D1s+光子跃迁到激发态的过程；

（b ）87

R b 激发态粒子通过自发辐射返回基态各子能级。

三、实验：

1.实验装置如图 2示：

图 2 光泵磁共振装置

2．实验装置作用：

光源采用高频无极放电Rb灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D2线的存在不利于D1线的光抽运，故用透过率大于60％，带宽小于15nm的干涉滤光片就能很好地滤去D2线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40μm左右的云母1／4波片可产生左旋圆偏振光σ+。透镜L1可将光源发出的光变为平行光，其焦距常采用f＝5～8cm的凸透镜。透镜L2将透过样品泡的平行光会聚到光电接受器上。

3.实验方法：

a.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。

b.扫场方式先选择“方波”，适当调大扫场幅度。设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反,预置垂直场电流为0.０７Ａ,方向与地磁场垂直方向相反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3）幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。这样，我们就可以使出射的为圆偏振光，使垂直方向的磁场刚好抵消地磁场。