光泵磁共振概述

光泵磁共振实验普通物理(近代物理)实验背景简介二十世纪五十年代初期，A·Kastler等人发展光抽运(OpticalPumping)技术，1966年，A·Kastler

由于在这方面的贡献而荣获诺贝尔奖。光抽运是用圆偏光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了共振强度。在相应频率的射频场激励下，可观察到磁共振信号。在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子的能量比射频量高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。光泵磁共振实验实验目的实验仪器思考问题实验原理实验内容数据处理注意事项实验目的

1.通过研究铷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.测定铷原子的g因子和测定地磁场。实验仪器图1仪器组成框图图2主体单元示意图图3DH807型光磁共振实验仪1.铷光灯2.偏振片、1/4波片、透镜3.恒温槽4.水平场线圈5.垂直场线圈6.光电探测器（接示波器）7.信号发生器

8.电源及辅助源31256478

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，造成期望布居数差，它基于光和原子间的相互作用。

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。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。实验原理一、铷原子的基态及最低激发态能级研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，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：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂铷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,…,|L-S|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，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为，如图4所示，形成两条谱线。图4铷原子精细结构的形成二、朗德因子的引入电子轨道角动量和自旋角动量的合成角动量电子总磁矩两者关系为其中

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，能级间距相同。

和相互作用能量表示如下：

能级间距为：

其中为玻尔磁子。其中F用来表示原子总角动量量子数三、塞曼子能级的形成

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，造成期望布居数差，它基于光和原子间的相互作用。

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。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。四、光磁共振概念五、圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应

将角动量为的左旋圆偏振光照射到气态原子后，根据光跃迁选择定则，基态中能级上的粒子数会越来越多，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。

图5Rb87原子的跃迁（a）Rb87吸收光受激跃迁，MF=+2；粒子跃迁几率为0（b）Rb87激发态无辐射跃迁，以相等几率返回基态

六、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、氖等）避免铷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，尽量减小铷原子与容器壁的碰撞。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。七、塞曼子能级间磁共振八、光探测

照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一、产生光抽运效应；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。实验内容1.仪器调节用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场水平方向平行调节面板

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，加温铷样品泡在40-600c间，铷光谱灯在80-900c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为π/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：信号波形扫场方波脉冲幅度t信号幅度t图6光抽运信号测量因子加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号，假设频率为时观察到共振信号；接着将水平场反向，频率为时得到共振信号，那么便是水平磁场对应的共振频率，由此可以得出因子。需要注意的是因铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号，频率高的为共振信号；频率低的为共振信号。光磁共振信号如图７所示。3.观察光磁共振信号扫场共振信号图7

光磁共振信号图示共振信号扫场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。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。垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从数字表头指示的垂直场电流及垂直亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值。数据处理1.

测量gF水平场电流(A)同向频率f1(KHZ)反向频率f2(KHZ)B0(T)gF=h(f1+f2)/2μBB087Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb

B0=16πNI×10-7/53/2r(式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有效半径)2.测量地磁场水平场电流(A)同向频率f1(kHz)反向频率f2(kHz)f=(f1-f2)/2B地=hf/gFμB87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb注意事项

1.

实验过程中应注意区分87Rb、85Rb的共振谱线，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb的共振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为85Rb的共振谱线，水平磁场小的为87Rb的共振谱线。

2.精确测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源。

3.为避免光线（特别是灯光的50Hz）影响信号幅度及线型，必要时主体单元应