北师大铷原子的光泵磁共振重点讲义

1、铷原子的光泵磁共振 摘要： 本次实验通过光抽运技术和射频或微波共振技术相结合，意在研究铷原子的光泵磁共振现象。实验中，采用扫场法测量磁共振信号，并通过示波器显示波形，测量Rb的朗德因子以及地磁场的量值和磁倾角。 关键词： 光磁共振 光抽运 塞曼能级分裂 超精细结构 1 引言 气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测。而在光泵磁共振技术，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，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各

2、种相互作用进行研究。近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。2 实验原理2.1 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，和85Rb。它们的基态都是52S1/2。 在LS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，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm

3、。通过LS耦合形成了电子的总角动量PJ，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 （1） （2）是对应于与关系的朗德因子。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 （3）是在外场方向上分量的量子数，共有2F1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随变化，原来对简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F能级分裂成2F1个子能级，相邻的子能级的能量差为 （4）再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，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

4、的分裂。 图1 原子能级超精细分裂 Error! No bookmark name given.Error! No bookmark name given.2.2 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁。气态原子受左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则 ±1，。在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为,只能产生的跃迁。因此基态中子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。由于的激发而跃迁到激发态的粒子可以通过自发辐射退激回到基态。由到的向下跃迁（发射光子）中，的各跃迁都是有可的。当原子经历无辐射跃迁过程从回到 时，则原子返回基态各子能级的概率

5、相等，这样经过若干循环之后，基态子能级上的原子数就会大大增加，即大量原子被“抽运”到基态的的子能级上。这就是光抽运效应。各子能级上原子数的这种不均匀分布叫做“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。经过多次上下跃迁，基态中的子能级上的原子数只增不减，这样就增大了原子布居数的差别。这种非平衡分布称为原子数偏极化。光抽运的目的就是要造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。2.3 驰豫过程 系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。

6、在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的碰撞（偏极化）。铷原子与磁性很弱的原子碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。因此在铷样品泡中冲入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，这样可减少铷原子与容器以及与其它铷原子的碰撞机会，从而保持铷原子分布的高度偏极化。此外，处于的原子须与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还有利于粒子更快的被抽运到子能

7、级的过程。2.4 塞曼子能级之间的磁共振因光抽运而使原子分布偏极化达到饱和以后，铷蒸气不再吸收光，从而使透过铷样品泡的光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场的方向加一频率为的射频磁场，当和之间满足磁共振条件时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。 （5） 跃迁遵守选择定则F=0, 原子将从的子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由的能级跃迁,以后又跃迁到等各子能级上。这样，磁共振破坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的光而进行新的抽运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过程的进行，粒子又从各能级被抽运到的子能级上。随着粒子数得偏极化，透射再次变强。光抽运与感应磁共振跃迁达到一

8、个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速度大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。也有类似的情况，只是光将抽运到基态的子能级上，在磁共振时又跳回到等能级上。 射频（场）频率和外磁场（产生塞曼分裂的）两者可以固定一个，改变另一个以满足磁共振条件。改变频率称为扫频法（磁场固定），改变磁场称为扫场法（频率固定）。本实验装置是采用扫场法。2.5 光探测 入射到铷样品泡上的光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程和磁共振过程的信息，用光照射铷样品，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运磁共振光探测。3 实验内容3.1 实验装置实验所用仪器：由主体单元(铷

9、光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。实验装置如图1 图2 主体单元示意图3.2 实验过程3.2.1. 实验准备将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。3.2.2. 观察光抽运现象扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。预置垂直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。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，使光抽运信号幅度最大。调节水平场电流

10、，使得方波信号的1/2振幅恰好抵消地磁场的水平分量，即实现塞曼重分裂。 3.2.3. 观测光磁共振现象,并计算朗德因子本实验中采用扫场法测量磁共振信号，也就是保持射频场的频率不变，通过改变稳恒磁场的大小得到共振信号。调节水平场的电流，得到磁共振图像。再根据 计算得。3.2.4. 地磁场的量值和磁倾角4 数据处理与实验结果分析4.1 观察光抽运现象正确调节各参数，得到光抽运信号如下：图3光抽运信号光抽运信号波形扫场波形 水平场电流0.008A 垂直场电流 0.065A图像解释：铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。 因此这一瞬间有

11、总粒子数7/8的粒子在吸收光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上，能吸收+的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号 。4.2 观测光磁共振现象，计算朗德因子 设定射频场频率 ；根据，在00.8范围内寻找共振对应的稳恒磁场大小。得到实验图像如图4图4

12、图4（b）表示此时的磁场为，满足刚出现共振现象对应的最小磁场大小，（a）表示此时的磁场为共振现象消失的最大磁场。 表1表示在以下四种情况下，在三角波扫场的峰和谷处得到的共振峰的水平场电流值表1I(A)I(A)扫场方向水平场方向波峰/A波谷/A波峰/A波谷/A1反反0.1530.2150.2510.3132反正0.1780.2420.2770.3393正正0.0720.1330.1680.2304正反0.2620.3230.3580.420备注：地磁场方向为正以在“扫场方向为正，水平场方向为正”时，发生磁共振的总磁场情况为例图5由表1可知此时 I较小和I较大根据，可得对应的磁场较小值H'

13、和较大值H'' 。由图5可得同理可得在其他情况下，磁共振对应的磁场情况。所以，就有根据，即可计算得的朗德因子。理论值计算如下：基态：L=0，J=S=1/2，I=5/2，F=3、2当F=2时，当F=3时，同理可以计算出的朗德因子和理论值结果如下表：表2理论值相对误差0.501260.72%0.335730.25% 由上表可以看出，本次实验测值误差较小，与理论值相符。4.3 地磁场的量值和磁倾角由满足磁共振条件下对应的磁场情况可得由表1带入数据，得（）（）（）地磁场（°）1.92573.82004.277961.9836763.241.92573.82004.277961.9836763.244.4 实验参数水平场扫场垂直场匝数N250250100有效半径r0.2393 0.2360 0.1530电阻R24.1423.7124.68温度系数0.0980.100.0965 结论以及建议结论：本次实验通过光抽运技术和射频或微波共振技术相结合研究铷原子的光泵磁共振现象。实验中，调节水平场的电流和垂直场的电流，在示波器上观察光