实验光磁共振

实验光磁共振第1页，课件共23页，创作于2023年2月一、实验提纲

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.Kastlor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。第2页，课件共23页，创作于2023年2月

以下所列的实验提纲对理解本实验至关重要：

1、扫场“过0”和“不过0”是什么含义？观察光抽运信号时，为什么要求扫场“过0”？

2、实验中可以看到，当扫场“不过0”

时，光抽运信号会消失，这是什么原因？

3、“光抽运”和“磁共振”这两个物理过程在本实验中有什么关联？

4、光泵磁共振实验仪比核磁共振实验仪的灵敏度要高出7-8个数量级，请说明它为什么有那么高的灵敏度？

5、扫场在本实验中起什么作用？

6、如何判断垂直磁场的方向和大小？

第3页，课件共23页，创作于2023年2月二、实验目的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；掌握光磁共振的实验技术；测定铷原子的因子和测定地磁场。第4页，课件共23页，创作于2023年2月三、实验原理——概念介绍1.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、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。第5页，课件共23页，创作于2023年2月—铷原子的能级分裂（精细结构的形成）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|第6页，课件共23页，创作于2023年2月——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，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为，如右图所示，形成两条谱线。第7页，课件共23页，创作于2023年2月——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第8页，课件共23页，创作于2023年2月——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，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：核的自旋角动量表示为，得原子总角动量：其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。第9页，课件共23页，创作于2023年2月——原子超精细结构的形成续第10页，课件共23页，创作于2023年2月——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，，能级间距相同。和相互作用能表示如下：能级间距为：其中为玻尔磁子。第11页，课件共23页，创作于2023年2月—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。第12页，课件共23页，创作于2023年2月——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。第13页，课件共23页，创作于2023年2月——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。第14页，课件共23页，创作于2023年2月——光探测

照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一是产生光抽运效应；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。第15页，课件共23页，创作于2023年2月四、实验装置第16页，课件共23页，创作于2023年2月五、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，加温铷样品泡在间，铷光谱灯在间，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pi/4第17页，课件共23页，创作于2023年2月——2.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tFig.6光抽运信号第18页，课件共23页，创作于2023年2月测量因子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.观察光磁共振信号第19页，课件共23页，创作于2023年2月扫场共振信号共振信号Fig.7因子测量原理——3.光磁共振信号图示第20页，课件共23页，创作于2023年2月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。——3.观察光磁共振信号续第21页，课件共23页，创作于2023年2月附:一些物理量常数亥姆霍兹线圈轴线中心处磁感应强度：电子质量；质子质量玻尔磁子普朗克常数：其中为线圈匝数；为线圈有效半径；为直流电压；为线圈绕线电阻第22页，课件共23页，创作于2023年2月思考题见实验提纲。