光泵磁共振试验电子科学与技术A14陈曦073整理00077课件

光泵磁共振实验电子科学与技术A14：陈曦

073003000772009-12-301陈曦近代物理实验口头报告光泵磁共振实验电子科学与技术A14：陈曦

073003000实验目的了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态铷（Rb）原子的g因子。2009-12-302陈曦近代物理实验口头报告实验目的了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂原子能级的超精细结构是由原子的核磁矩与电子磁矩互作用产生的，当原子处于弱磁场B中时，原子的总磁矩与磁场相互作用使能级进一步分裂形成等间距的塞曼子能级。各能级能量差为到的跃迁产生波长为7948Å的D1线，到的跃迁产生7800Å的D2线。实验原理2009-12-303陈曦近代物理实验口头报告铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂原子能级铷原子的两种同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如图2009-12-304陈曦近代物理实验口头报告铷原子的两种同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如图2009在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏振光照射气态铷原子时，根据光跃迁选择定则光抽运效应及偏极化的保持

87Rb的52S1/2态塞曼子能级上经过多次激发和自发辐射后，大量原子被抽运到基态F=2mF=+2的子能级上，形成原子在各能级间的非平衡分布称为偏极化。2009-12-305陈曦近代物理实验口头报告在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏类似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能级上，对85Rb，则抽运到mF=+3的子能级上。有了偏极化就可以得到较强的磁共振信号。2009-12-306陈曦近代物理实验口头报告类似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居对于87Rb，因光抽运，大量原子都聚积到基态F=2，mF=+2能级上，偏极化达到饱和。这时在垂直于B的平面内施加一个频率为ν的射频场B1，当满足磁共振条件塞曼子能级间的磁共振和光探测时,在塞曼子能级间产生感应跃迁，称为磁共振。磁共振消除了原子分布的偏极化，由于光连续照射，存在光抽运，原子又被抽运到mF=+2子能级上，因而跃迁与抽运达到一个新平衡。2009-12-307陈曦近代物理实验口头报告对于87Rb，因光抽运，大量原子都聚积到基态F=2，光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁共振跃的过程就可以连续地进行下去。通过测量光强的变化，即可得到磁共振信号。仪器的巧妙之处就是将一个低频射频光子（1～10MHZ）转换成高频光频光子（108MHZ），从而使信号功率提高了7～8个数量级。2009-12-308陈曦近代物理实验口头报告光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁实验装置2009-12-309陈曦近代物理实验口头报告实验装置2009-12-309陈曦近代物理实验口头报告TektronixTDS1002双踪数字示波器爱使AS3343频率计数器新建XJ1630信号发生器DH807型光磁共振实验装置2009-12-3010陈曦近代物理实验口头报告TektronixTDS1002双踪数字示波器20实验过程1.磁场测量亥姆霍兹线圈中电流I(A)电阻R(Ω)半径r(m)匝数N2009-12-3011陈曦近代物理实验口头报告实验过程1.磁场测量2009-12-3011陈曦近代物理实2.光抽运信号的观察扫场选择为方波，选择扫场方向与地磁场水平分量方向相反。2009-12-3012陈曦近代物理实验口头报告2.光抽运信号的观察2009-12-3012陈曦近代物理实3.磁共振信号的观察利用三角波扫场，本实验用扫场法即固定v改变B，来观察和测量磁共振信号，通过改变三角波方向，找出并区分对应于87Rb和85Rb的共振信号。注意区分共振信号与光抽运信号，这里注意B由三部分组成，即水平线圈产生的磁场B0、扫场线圈产生的磁场B扫和地磁场水平方向的磁场B//组成。每当磁场B值与射频频率ν满足共振条件时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的抽运。2009-12-3013陈曦近代物理实验口头报告3.磁共振信号的观察利用三角波扫场，本实验用扫场法即2009-12-3014陈曦近代物理实验口头报告2009-12-3014陈曦近代物理实验口头报告4.测量gF因子用三角波扫场。固定磁场，调节ν，测出共振时所对应的频率ν1，改变水平磁场方向，重复上述步骤，测出ν2则注意：同一B下，存在两个v产生共振信号，频率高的对应于87Rb，低的对应于85Rb。2009-12-3015陈曦近代物理实验口头报告4.测量gF因子用三角波扫场。固定磁场，调节ν，测出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相对误差1.7%87Rb平均gF=0.509相对误差1.8%2009-12-3016陈曦近代物理实验口头报告gF85Rb平均gF=0.3395.测量共振线宽固定磁场，改变射频频率v，使共振信号平移Δx。如果对应的频率改变量为Δν，半宽高为d，则线宽为：2009-12-3017陈曦近代物理实验口头报告5.测量共振线宽固定磁场，改变射频频率v，使共振信号平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3018陈曦近代物理实验口头报告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.测量地磁场的水平分量先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同，调节射频场频率，待共振后，读得ν1，再同时使扫场、水平场反向，待共振后读得ν2，则地磁场大小地磁场方向tanα=B垂直/B//2009-12-3019陈曦近代物理实验口头报告6.测量地磁场的水平分量先使扫场、水平场与地磁场=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3020陈曦近代物理实验口头报告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中国的大部分地区，地磁偏角在-10°～+2°之间。——Wikipedia各地的磁偏角：

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上海4°26'

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——百度百科Latitude31.33°NLongitude121.48°EDeclination=5°34'Wchangingby0°4'W/year

——NOAASatellitesandInformation,NationalGeophysicalDataCenter(NGDC).2009-12-3021陈曦近代物理实验口头报告在中国的大部分地区，地磁偏角在-10°～+2°之间。2009-12-3022陈曦近代物理实验口头报告2009-12-3022陈曦近代物理实验口头报告可能的原因计算错误

反复计算同学的数据参考地磁场水平分量小了10倍

地磁场强度大约10-5T地磁场垂直分量大了10倍N=100r=0.1530m

I=0.068A2009-12-3023陈曦近代物理实验口头报告可能的原因计算错误

反复计算同学实验数据可能数据B//

/10-5T2.4792.479B垂直/10-5T1.9980.1998B地/10-5T3.1842.487tanα0.8060.0806α/°38.874.612009-12-3024陈曦近代物理实验口头报告B///10-5T2.4792.479B垂直/10-5我的结论地磁场的垂直分量数量级不正确，使结果扩大了十倍BNr中可能有一个量不正确2009-12-3025陈曦近代物理实验口头报告我的结论地磁场的垂直分量数量级不正确，使结果扩大参考资料1.戴道宣戴乐山.近代物理实验.高等教育出版社，20062.吴思诚等.近代物理实验.北京大学出版社，19953.吴泳华等.大学物理实验.中国科学技术出版社，19924.杨福家.原子物理学.高等教育出版社，20042009-12-3026陈曦近代物理实验口头报告参考资料1.戴道宣戴乐山.近代物理实验.高等教育出版社，2谢谢！2009-12-3027陈曦近代物理实验口头报告谢谢！2009-12-3027陈曦近代物理实验口头报告光泵磁共振实验电子科学与技术A14：陈曦

073003000772009-12-3028陈曦近代物理实验口头报告光泵磁共振实验电子科学与技术A14：陈曦

073003000实验目的了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态铷（Rb）原子的g因子。2009-12-3029陈曦近代物理实验口头报告实验目的了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂原子能级的超精细结构是由原子的核磁矩与电子磁矩互作用产生的，当原子处于弱磁场B中时，原子的总磁矩与磁场相互作用使能级进一步分裂形成等间距的塞曼子能级。各能级能量差为到的跃迁产生波长为7948Å的D1线，到的跃迁产生7800Å的D2线。实验原理2009-12-3030陈曦近代物理实验口头报告铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂原子能级铷原子的两种同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如图2009-12-3031陈曦近代物理实验口头报告铷原子的两种同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如图2009在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏振光照射气态铷原子时，根据光跃迁选择定则光抽运效应及偏极化的保持

87Rb的52S1/2态塞曼子能级上经过多次激发和自发辐射后，大量原子被抽运到基态F=2mF=+2的子能级上，形成原子在各能级间的非平衡分布称为偏极化。2009-12-3032陈曦近代物理实验口头报告在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏类似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能级上，对85Rb，则抽运到mF=+3的子能级上。有了偏极化就可以得到较强的磁共振信号。2009-12-3033陈曦近代物理实验口头报告类似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居对于87Rb，因光抽运，大量原子都聚积到基态F=2，mF=+2能级上，偏极化达到饱和。这时在垂直于B的平面内施加一个频率为ν的射频场B1，当满足磁共振条件塞曼子能级间的磁共振和光探测时,在塞曼子能级间产生感应跃迁，称为磁共振。磁共振消除了原子分布的偏极化，由于光连续照射，存在光抽运，原子又被抽运到mF=+2子能级上，因而跃迁与抽运达到一个新平衡。2009-12-3034陈曦近代物理实验口头报告对于87Rb，因光抽运，大量原子都聚积到基态F=2，光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁共振跃的过程就可以连续地进行下去。通过测量光强的变化，即可得到磁共振信号。仪器的巧妙之处就是将一个低频射频光子（1～10MHZ）转换成高频光频光子（108MHZ），从而使信号功率提高了7～8个数量级。2009-12-3035陈曦近代物理实验口头报告光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁实验装置2009-12-3036陈曦近代物理实验口头报告实验装置2009-12-309陈曦近代物理实验口头报告TektronixTDS1002双踪数字示波器爱使AS3343频率计数器新建XJ1630信号发生器DH807型光磁共振实验装置2009-12-3037陈曦近代物理实验口头报告TektronixTDS1002双踪数字示波器20实验过程1.磁场测量亥姆霍兹线圈中电流I(A)电阻R(Ω)半径r(m)匝数N2009-12-3038陈曦近代物理实验口头报告实验过程1.磁场测量2009-12-3011陈曦近代物理实2.光抽运信号的观察扫场选择为方波，选择扫场方向与地磁场水平分量方向相反。2009-12-3039陈曦近代物理实验口头报告2.光抽运信号的观察2009-12-3012陈曦近代物理实3.磁共振信号的观察利用三角波扫场，本实验用扫场法即固定v改变B，来观察和测量磁共振信号，通过改变三角波方向，找出并区分对应于87Rb和85Rb的共振信号。注意区分共振信号与光抽运信号，这里注意B由三部分组成，即水平线圈产生的磁场B0、扫场线圈产生的磁场B扫和地磁场水平方向的磁场B//组成。每当磁场B值与射频频率ν满足共振条件时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的抽运。2009-12-3040陈曦近代物理实验口头报告3.磁共振信号的观察利用三角波扫场，本实验用扫场法即2009-12-3041陈曦近代物理实验口头报告2009-12-3014陈曦近代物理实验口头报告4.测量gF因子用三角波扫场。固定磁场，调节ν，测出共振时所对应的频率ν1，改变水平磁场方向，重复上述步骤，测出ν2则注意：同一B下，存在两个v产生共振信号，频率高的对应于87Rb，低的对应于85Rb。2009-12-3042陈曦近代物理实验口头报告4.测量gF因子用三角波扫场。固定磁场，调节ν，测出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相对误差1.7%87Rb平均gF=0.509相对误差1.8%2009-12-3043陈曦近代物理实验口头报告gF85Rb平均gF=0.3395.测量共振线宽固定磁场，改变射频频率v，使共振信号平移Δx。如果对应的频率改变量为Δν，半宽高为d，则线宽为：2009-12-3044陈曦近代物理实验口头报告5.测量共振线宽固定磁场，改变射频频率v，使共振信号平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3045陈曦近代物理实验口头报告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.测量地磁场的水平分量先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同，调节射频场频率，待共振后，读得ν1，再同时使扫场、水平场反向，待共振后读得ν2，则地磁场大小地磁场方向tanα=B垂直/B//2009-12-3046陈曦近代物理实验口头报告6.测量地磁场的水平分量先使扫场、水平场与地磁场=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3047陈曦近代物理实验口头报告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中国的大部分地区，地磁偏角在-10°～+2°之间。——Wikipedia各地的磁偏角：

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——百度百科Latitude31.33°NLongitude121.48°EDeclination=5°34'Wchangingby0°4'W/year

——NOAASatellitesandInformation,Natio