光泵磁共振实验

光泵磁共振实验第1页，课件共21页，创作于2023年2月

光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出，它利用光抽运（OpticalPumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实验通过观察光抽运信号和磁共振信号，测量g因子，加深对原子态、光抽运、磁共振、布居数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔物理学奖。第2页，课件共21页，创作于2023年2月本实验目的是：了解光泵磁共振的实验原理，通过实验加深对铷原子(Rb)超精细结构、光抽运及磁共振的理解。测量铷（Rb）原子的gF因子及地磁场的大小。第3页，课件共21页，创作于2023年2月实验原理第4页，课件共21页，创作于2023年2月1、铷原子基态和最低激发态的能级:铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素:85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。在L—S耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm,如图所示。第5页，课件共21页，创作于2023年2月

原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角动量，用符号PF表示，其量子数用F表示，则:第6页，课件共21页，创作于2023年2月

在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量:ＭＦ是ＰＦ的第三分量的量子数，ＭＦ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随ＭＦ变化，原来对ＭＦ简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个Ｆ能级分裂成２Ｆ＋１个子能级，相邻的子能级的能量差为:

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我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，87Rb的核自璇，因此，两种原子的超精细分裂将不同。我们以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况:第8页，课件共21页，创作于2023年2月

精细结构超精细结构塞曼分裂

87Rb原子能级超精细分裂第9页，课件共21页，创作于2023年2月2、光磁共振跃迁处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则；

根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图所示。

；

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87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁第11页，课件共21页，创作于2023年2月

另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级，发出自然光，跃迁选择定则是：

；

结论：在没有D1σ+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1σ+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象。第12页，课件共21页，创作于2023年2月

在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率ν，使之满足：

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这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到MF=+1的子能级，MF=+2上的原子数就会减少；同样，MF=+1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到MF=0的子能级上……如此下去，5S态的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。第14页，课件共21页，创作于2023年2月

通过以上的分析得到了如下的结论：处于静磁场中的铷原子对偏振光D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时，铷原子对D1σ+

光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（1）成立）时又引起强烈吸收。根据这一事实，如果能让公式（1）周期性成立，则可以观察到铷原子对D1σ+

光的周期性吸收的现象。实验中是固定频率ν而采用周期性的磁场B来实现这一要求的，称为“扫场法”。第15页，课件共21页，创作于2023年2月3、光磁共振的观察在加入了周期性的“扫描场”以后，总磁场为：

Btotal=BDC+BS+Be//其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，Be//是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变；BS

是周期性的扫描场，也是水平方向的。地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场所抵消。第16页，课件共21页，创作于2023年2月1）用方波观察“光抽运”将直流磁场BDC调到零，加上方波扫场信号，其波形见下图，它是关于零点对称的。扫场信号光抽运信号第17页，课件共21页，创作于2023年2月2、三角波观察光磁共振实验公式：第18页，课件共21页，创作于2023年2月光磁共振的信号图像：光磁共振信号（峰）光磁共振信号（谷）BDC

BDC

B

B

第19页，课件共21页，创作于2023年2月实验仪器：DH807型光泵磁共振仪（由主体单元、信号源、主电源和辅助电源等部分）、示波器本实验系统由主体单