光泵磁共振实验
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B
BDC
光磁共振信号 （谷）
B
BDC
2020/9/29
• 实验仪器：DH807型光泵磁共振仪（由 主体单元、信号源、主电源和辅助电源 等部分）、示波器
• 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。
2020/9/29
主体单元图 如下：
铷光谱灯
干涉滤光镜 偏振片
水平磁场线圈 射频线圈
• 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 所示。
2020/9/29
87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
2020/9/29
•
另一方面，跃迁到高能级的原子通过自
发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级，发出
自然光，跃迁选择定则是：
•
F1,0
MF 1,0
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。
87Rb的核自旋，87Rb的核自璇，因此，
两种原子的超精细分裂将不同。我们以
87Rb为例，介绍超精细分裂的情况:
2020/9/29
87Rb原子能级超精细分裂
•
2020/9/29
精细结构 超精细结构 塞曼分裂
• 2、光磁共振跃迁
•
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；
• L1 F1,0 MF 1 ；
在L—S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，电子的总角动量J=L+S和L-S， 即J=3/2和1/2，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，它们的波长分别是 794.8nm和780.0nm, 如图所示。
2020/9/29
• 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：
hgFBB
2020/9/29
这时将出现“射频受激辐射”，在射频场 的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会放出一 个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样 的量子而跃迁到MF=+1的子能级，MF=+2上的 原子数就会减少；同样，MF=+1子能级上的原子 也会通过“射频受激辐射”跃迁到MF=0的子能 级上……如此下去，5S态的上面5个子能级很快 就都有了原子，于是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”。
光泵磁共振实验
河北师范大学
物理科学与信息工程学院中心实验室 赵滨华
2020/9/29
•
光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵
磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒（
A.Kastlar）在50年代提出，它利用光抽运（
Optical Pumping）效应来研究原子基态和激发
态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实
2020/9/29
• 通过以上的分析得到了如下的结论：
•
处于静磁场中的铷原子对偏振光D1σ+的
吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当
没有射频信号时，铷原子对D1σ+ 光的吸收很 快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能
Leabharlann Baidu
级的能量差的射频信号（即公式（1）成立）
时又引起强烈吸收。根据这一事实，如果能 让公式（1）周期性成立，则可以观察到铷原 子对D1σ+ 光的周期性吸收的现象。实验中是 固定频率ν而采用周期性的磁场B来实现这一 要求的，称为“扫场法”。
ＭＦ是ＰＦ的第三分量的量子数，ＭＦ＝－Ｆ， －Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。 我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随ＭＦ变 化，原来对ＭＦ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:
2020/9/29
EgFBB
•
我们来看一下具体的分裂情况。
2020/9/29
•
原子核也有自旋和磁矩，核自旋量
子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角 动量PJ耦合成一个更大的角动量，用符号 PF表示，其量子数用F表示，则:
PI PJ PF
2020/9/29
• 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:
E F • B g F 2 e m P F • B g F 2 e m M F B g F M F B B
2020/9/29
• 3、光磁共振的观察
• 在加入了周期性的“扫描场”以后 ，总磁场为：
•
Btotal=BDC+BS+Be//
• 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，
Be//是地球磁场的水平分量，这两部分在
实验中不变；BS 是周期性的扫描场，也
是水平方向的。地球磁场的垂直分量被
透镜
1/4波片
恒温槽 垂直磁场线圈
光电探测器
透镜
至示波器 光电池
2020/9/29
一对线圈的磁场所抵消。
2020/9/29
• 1）用方波观察“光抽运” • 将直流磁场BDC调到零，加上方波扫场信
号，其波形见下图，它是关于零点对称 的。 光抽运信号
扫场信号
2020/9/29
• 2、三角波观察光磁共振 • 实验公式：
h1 gFB( BDC BS Be//) (1)
h2 gFB(BDC BS Be//)
验通过观察光抽运信号和磁共振信号， 测量g
因子，加深对原子态、光抽运、磁共振、布居
数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物
理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原
子结构研究的重要手段，光抽运技术在激光、
电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应
用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔物理学
奖。
2020/9/29
(2)
（1）（2）gF
h(1 2) 2BBDC
其中:
BDC
16NI107 3
(T)
5 2r
h3 gFB(BDC BS Be//)
（3）（1）（3）Be
//
h(1 3） 2BgF
Be
B2 e//
Be2
其中：Be 2136NI107 (T)
5 2r
2020/9/29
光磁共振的信号图像：
光磁共振信号 （峰）
• 本实验目的是：了解光泵磁共振的实验 原理，通过实验加深对铷原子(Rb)超精 细结构、光抽运及磁共振的理解。测量 铷（Rb）原子的gF因子及地磁场的大小 。
2020/9/29
实验原理
2020/9/29
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，天然铷有两 种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近 2比1。
BDC
光磁共振信号 （谷）
B
BDC
2020/9/29
• 实验仪器：DH807型光泵磁共振仪（由 主体单元、信号源、主电源和辅助电源 等部分）、示波器
• 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。
2020/9/29
主体单元图 如下：
铷光谱灯
干涉滤光镜 偏振片
水平磁场线圈 射频线圈
• 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 所示。
2020/9/29
87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
2020/9/29
•
另一方面，跃迁到高能级的原子通过自
发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级，发出
自然光，跃迁选择定则是：
•
F1,0
MF 1,0
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。
87Rb的核自旋，87Rb的核自璇，因此，
两种原子的超精细分裂将不同。我们以
87Rb为例，介绍超精细分裂的情况:
2020/9/29
87Rb原子能级超精细分裂
•
2020/9/29
精细结构 超精细结构 塞曼分裂
• 2、光磁共振跃迁
•
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；
• L1 F1,0 MF 1 ；
在L—S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，电子的总角动量J=L+S和L-S， 即J=3/2和1/2，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，它们的波长分别是 794.8nm和780.0nm, 如图所示。
2020/9/29
• 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：
hgFBB
2020/9/29
这时将出现“射频受激辐射”，在射频场 的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会放出一 个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样 的量子而跃迁到MF=+1的子能级，MF=+2上的 原子数就会减少；同样，MF=+1子能级上的原子 也会通过“射频受激辐射”跃迁到MF=0的子能 级上……如此下去，5S态的上面5个子能级很快 就都有了原子，于是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”。
光泵磁共振实验
河北师范大学
物理科学与信息工程学院中心实验室 赵滨华
2020/9/29
•
光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵
磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒（
A.Kastlar）在50年代提出，它利用光抽运（
Optical Pumping）效应来研究原子基态和激发
态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实
2020/9/29
• 通过以上的分析得到了如下的结论：
•
处于静磁场中的铷原子对偏振光D1σ+的
吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当
没有射频信号时，铷原子对D1σ+ 光的吸收很 快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能
Leabharlann Baidu
级的能量差的射频信号（即公式（1）成立）
时又引起强烈吸收。根据这一事实，如果能 让公式（1）周期性成立，则可以观察到铷原 子对D1σ+ 光的周期性吸收的现象。实验中是 固定频率ν而采用周期性的磁场B来实现这一 要求的，称为“扫场法”。
ＭＦ是ＰＦ的第三分量的量子数，ＭＦ＝－Ｆ， －Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。 我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随ＭＦ变 化，原来对ＭＦ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:
2020/9/29
EgFBB
•
我们来看一下具体的分裂情况。
2020/9/29
•
原子核也有自旋和磁矩，核自旋量
子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角 动量PJ耦合成一个更大的角动量，用符号 PF表示，其量子数用F表示，则:
PI PJ PF
2020/9/29
• 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:
E F • B g F 2 e m P F • B g F 2 e m M F B g F M F B B
2020/9/29
• 3、光磁共振的观察
• 在加入了周期性的“扫描场”以后 ，总磁场为：
•
Btotal=BDC+BS+Be//
• 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，
Be//是地球磁场的水平分量，这两部分在
实验中不变；BS 是周期性的扫描场，也
是水平方向的。地球磁场的垂直分量被
透镜
1/4波片
恒温槽 垂直磁场线圈
光电探测器
透镜
至示波器 光电池
2020/9/29
一对线圈的磁场所抵消。
2020/9/29
• 1）用方波观察“光抽运” • 将直流磁场BDC调到零，加上方波扫场信
号，其波形见下图，它是关于零点对称 的。 光抽运信号
扫场信号
2020/9/29
• 2、三角波观察光磁共振 • 实验公式：
h1 gFB( BDC BS Be//) (1)
h2 gFB(BDC BS Be//)
验通过观察光抽运信号和磁共振信号， 测量g
因子，加深对原子态、光抽运、磁共振、布居
数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物
理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原
子结构研究的重要手段，光抽运技术在激光、
电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应
用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔物理学
奖。
2020/9/29
(2)
（1）（2）gF
h(1 2) 2BBDC
其中:
BDC
16NI107 3
(T)
5 2r
h3 gFB(BDC BS Be//)
（3）（1）（3）Be
//
h(1 3） 2BgF
Be
B2 e//
Be2
其中：Be 2136NI107 (T)
5 2r
2020/9/29
光磁共振的信号图像：
光磁共振信号 （峰）
• 本实验目的是：了解光泵磁共振的实验 原理，通过实验加深对铷原子(Rb)超精 细结构、光抽运及磁共振的理解。测量 铷（Rb）原子的gF因子及地磁场的大小 。
2020/9/29
实验原理
2020/9/29
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，天然铷有两 种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近 2比1。