光磁共振-高精度磁通门

1、南京理工大学物理实验中心一、背景知识光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振 过程，是用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁 共振现象的双共振技术。双共振技术是由诺贝尔物理学奖 获得者A.Kastlo于20世纪50年代提出的。该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量 灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的 精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁 场探测等方面都有重要应用价值。:、实验目的I.通过研究锄原子基态的光磁共振，加深 对原子超精细结构的认识；2 .掌握光磁共振的实验技术；3 .测定枷原子的g因子和测定地磁场。三、实验原理一概念介绍"1

2、.光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子 间的相互作用。2 .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。3 .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。如原子的能级分裂（精细结构的形成）研究对象：锄（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层,主量子数n=5

3、,轨道量子数L=0,1,n-1, 电子自旋量子数S=1/2原子精细结构的形成羲由电子的自旋与轨道运动相互 作用（L-S耦合）发生能级分裂锄原子基态与最低激发态的形成:用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,JL-S精细结构的形成续对于基态，L=0, S=1 /2,得J=1/2,标记为 ；对于最低激发态，L=1,5P52S=1/2,得J=3/2,1/2,标记为，如右图所尔以，兆减两条谱线。5 s5 闺794.76nm2780. OnmFig. 1锄原子精细结构的形成朗德因子的引入电子轨道角动量2和自旋角动量区的合成角动量Pj=Pl + Ps电子总磁矩uJ两者关系为eUJ =gj 丁

4、Pj 2m其中+ L(L + 1) + S(S + 1)gj =1 +原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。核的自旋量子数表示为乙 珈原子的两种同位素的自 旋量子数分别为:R 卢(27.85%)=3/2R 卢(72.15%),/=5/2核的自旋角动量表示为2,得原子总角动量： 2=3+8其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,.J-J原子超精细结构的形成续6 7,/= 3/21基态<7=1/21 = 2,1J=3/2,F = 3,2J,0火厂,/ = 5/2,/ = l/2,尸= 2,1J =3/2,.基态5俎2gFPF2m5片/2F=2_ F(F + 1) +J(

5、J+1)-Z(Z + 1) 8f 81 2F(F + 1)5凡2F=1F=2F=1Fig. 2锄原子超精细结构的形成一塞曼子能级的形成原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相 互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能 级用磁量子数来表示，Mf=F,F,能级间距 相同。祝F和月相互作用能表示如下：E = uF -Br=gpM F 涓能级间距为：AE = gaM 其中“为玻尔磁子。w52 %时尸+2 +1 0 尸二 2-1-2将角动量为+方的左F=1 r- -io +i多，形成粒子数偏极化。高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利 条件。52%Fig. 3锄原子塞曼子能级的形成+2+10-

6、1-2-10+1旋圆偏振光照射到气态 原子尺严后，根据光跃迁 选择定则，基态中“尸=+2 能级上的粒子数会越来越弛豫时间粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平 衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。本实验中，在 样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、 敏等）避免锄原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。 另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小锄 原子与容器壁的碰撞。塞曼能级间磁共振在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为的射频磁场，当满足时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次 发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。光探测照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一是产生

7、光抽运效应；二可以通过测量透射光强得到磁共振信号。 当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强，透 射光最弱：当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。这 里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量灵 敏度。四、实验装置Fig. 5主体单元示意图五、实验内容L仪器调节调节面板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，加温锄样品泡在40-60，C间，锄光谱灯在80-90。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

8、为pi/42.观察光抽运信号调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分 量； 加上方波扫场，方向与地磁场水平方向相反，在示波器 上观察光抽运信号，得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图:脉 冲 幅 度信号幅度扫场方波tFig.6光抽运信号3.观察光磁共振信号测量g因子1）加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为L） 的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号,假设 频率为必时观察到共振信号；接着将水平场反向，频 率为时得到共振信号，那么（幼+七）/2便是水平磁场 对应的共振频率，由此可以得出g因子。需要注意的 是因锄原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号， 频率高的为峥信号；频率低的为兴振信号。光磁共振信号如图7所示。Fig.7 g因子测量原理3.观察光磁共振信号续测量地磁场测量方法同上，这次需要先让三者的方向相同,而后同时改变扫场和水平场的方向，最后地磁场分量 对应的共振频率为电-"2。根据地磁场垂直磁场的大小和水平分量的大小即可得到地磁场的大小及方向。附:一些物理量常数亥姆霍兹线圈轴线中心处磁感应强度:16% NU5