光磁共振论文

1、光磁共振解为梅摘要：本文分析了各种情况下的抽运信号，并利用扫场法及最小二乘法测定g因子,最后通过调节垂直磁场线圈电流的大小，来改变垂直方向磁场对光磁共振信号的影响，从而测定地球磁场的垂直分量。关键词：磁共振信号；扫场；光抽运Optical Magnetic ResonanceXieweimeiAbstract: this paper introduces and analyses the optical pumping in different observation conditions. And use the sweeping magnetic field and method of d

2、ata fitting to measure the Lande g-factor in optical magnetic resonance. Then through the adjustment of the vertical field coil electric current size,we can change the vertical direction magnetic resonance signal influence,thus determine the terrestrial magnetic field the vertical component size.Key

3、 words: magnetic resonance;sweeping magnetic;optical pumping1、 基本原理塞曼能级的形成核自旋磁矩与电子自旋及轨道运动而产生的磁矩间的相互作用，造成原子精细能级的进一步分裂，产生超精细结构。当原子处于弱磁场B中时，由于原子总磁矩和B的相互作用使原子的超精细能级进一步分裂形成塞曼支能级，超精细结构中的每个能级F将分裂为个能级，其间距基本是相等的，能级差,其中为波尔磁子。铷原子体系一般处于热平衡状态，原子在任意两个能级H1、H2间的分布由波尔兹曼因子决定。在铷原子光泵实验中，铷样品泡的温度约为50，铷原子的两精细能级之间的能级差所以原子主

4、要分布在基态的能级上，而分布在第一激发态的能级上的相对很少。而对超精细能级及塞曼支能级，由于，所以原子在超精细能级及塞曼支能级间的分布几率是相等的。两态之间跃迁的几率与两态之间的能级差有关，,、分别为N态和K态的能量，时才发生共振跃迁，对应共振吸收；对应共振辐射。光抽运 起初，按照波尔兹曼分布，基态各塞曼子能级上铷原子数目基本相同。偏振光开始照射时，能级以外的其他能级上的许多原子被激发，因而对偏振光有强烈的吸收作用，透射光就很低。随着原子被抽运到+2能级上，其他能级上的粒子不断减少，对光抽运信号的吸收就会变弱，透射光的强度逐渐变大。当抽运和弛豫达到动态平衡时，透射光就达到并保持最大值。透射光强

5、的这种变化是由抽运作用是否发生及程度如何决定的，因而这就是“抽运信号”。当加入偏振光之后，要通过示波器观察光抽运信号，必须要加入周期性变化的磁场（即扫场），使偏极化波尔兹曼能级简并再次形成偏极化的循环过程可以进行。磁共振固体在恒定磁场和高频交变磁场的共同作用下，在某一频率附近对高频电磁场产生的共振吸收现象。在恒定的磁场下，固体发生磁化，固体中的元磁矩均要绕外磁场进动。由于存在阻尼，这种进动就会很快的衰减掉。若在垂直于恒定磁场的方向上加上一高频电磁场，当频率与进动频率一致时，就会从交变电磁场中吸收能量以维持进动，固体对入射的高频磁场能量在上述的频率处产生一个共振吸收峰。在本实验中，在原子因为光抽

6、运而偏极化之后，加上合适的射频场（与使得原子发生塞曼分裂的磁场相垂直）就会激发塞曼子能级间的磁共振,大量的原子从+2能级上跃迁到塞曼的其他子能级上。这就是说一旦发生磁共振+2能级以外的各能级上就会又有许多原子，在偏振光的照射下，他们必然受激发而被抽运。随着它们被激发就会出现对入射光的吸收。可见这次抽运光的吸收取决于磁共振是否发生及发生的程度，这就是“共振信号”。扫场的斜率与抽运信号的关系铷泡对光的吸收强度仅在磁场过零点附近很灵敏的相应的磁场变化，故当磁场过零处的斜率很大时磁场迅速变向，系统在短时间内处于非平衡状态，伴随着对左旋偏振光的强烈吸收，出现较尖锐较强的吸收峰；而当磁场斜率过零很缓，相当

7、于磁场正以很缓的速度在零点附近变化，此时出现的吸收峰强度较小，出现吸收退化为平缓的下降。2、 实验内容（1） 抽运信号的观测通过调节垂直方向上的亥姆霍兹线圈的电流的大小及方向，使得垂直方向的磁场值为零，即线圈产生的磁场与地磁场的垂直分量相抵消。调节水平方向上的亥姆霍兹线圈的电流的大小及方向，扫场直流部分B刚好抵消地磁场的水平分量，即水平方向上的磁场是关于横坐标对称，抽运信号如图（a）改变水平方向上的亥母霍兹线圈的电流使得水平方向的总磁场及对应的抽运信号如图（b）。以上图中方波并不是标准的，这是线圈的电感效应的影响。并且当电流过大时方波会出现瑕疵如图（c）。对于上述（b）的情况，抽运信号的最高点

8、是齐平的，当抽运和弛豫达到动态平衡时，透射光就达到并保持最大值，对于一定的实验环境下是常值，扫场的大小对此并没有影响，而吸收峰是不齐平的，因为扫场对吸收峰有影响，扫场大则偏振光被吸收的强烈。 当垂直方向上磁场不为零时，确定扫场和水平电场的大小和方向，改变垂直线圈电流的大小，只能改变抽运信号的幅度，调节过程中有一个最大的信号幅度，正好垂直方向上的总磁场为零。（2） 扫场法测定g因子 由于水平直流磁场大小的调节是连续的，所以采用扫场法测量朗德g因子非常方便。同时，如果分别在不同的射频场频率下进行测量可获得等精度的多组数据，这样可以用最小二乘法进行直线拟合。实验中会有两组数据，分别是铷的两个同位素的

9、共振吸收信号。因为它们的g因子不同，所以在同一射频场下，出现共振吸收信号时水平直流磁场电流大的对应Rb,而水平直流磁场电流小的对应为Rb。（保持垂直总磁场为零）实验数据如下表射频频率（KHz）5006007008009001000共振时电流值（A）0.1950.2250.2520.290.3150.3470.2710.3170.3650.410.4550.507由，可以得到。对上面得到的数据利用最小二乘法处理得到和。和分别对应Rb和Rb，把J/T,JS,得到=0.4988,=0.3255。从数据中可以看到实验值与理论值很接近。误差分别为0.24%，2.35%。并且上面直线拟合的相关度都是0.9

10、99以上。（3） 地磁场垂直分量的测定 产生磁共振的条件为,其中，指的是射频频率，B指的是铷泡所处的空间的总磁场强度。即,是水平方向的总磁场，是总磁场与水平方向的夹角。则使水平场方向，扫场方向和地磁场水平方向分量方向一致，为了获得共振信号，我们用的方法是:保持水平场不变，对于一定的射频频率调节垂直线圈的电流。达到共振之后，改变垂直线圈磁场的方向，再一次调节垂直线圈的电流使达到共振，分别记录下以上的两个磁感应强度值、。则有。射频频率KHz500550600650700垂直线圈磁场方向与地磁场垂直方向反向同向反向同向反向同向反向同向反向同向垂直磁场电流mA231138296205354262404

11、313455362计算得利用这种方法测定地磁场时，要满足一定的条件。下面我们做详细分析：产生塞曼能级间的磁共振是在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加上一个频率为的射频磁场，当满足时发生磁共振。实验中的总磁场显然不是与射频磁场的方向垂直的，则只有总磁场在射频磁场垂直方向的分量有作用。所以要使的上述的方法正确，则必须满足两次测量时总磁场的大小及方向是相同的（因为水平场是相同的，否则只要要求总磁场在射频场垂直方向的分量相同即可）。3、 总结 该实验很容易受外磁场的干扰，所以做实验的时候应该尽量避免通讯等相关工具的干扰。另外在做磁共振实验的时候，因为实验条件与抽运实验相差不大，这样抽运信号容易影响共振信号的观察，要注意磁场的调节。本实验牵涉到的磁场比较多，所以弄清各磁场之