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1、扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班 姓名：钟浩鹏 学号：130801131 指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。In this experiment, we adjust the horizontal magneti
2、c field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level compone
3、nt to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geo
4、magnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子
5、能级的超精细结构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb（丰度为72.15%）、87 Rb（丰度为27.85%）。二、实验原理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，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占7215%。它们的基态都是52S1/2。图1 Rb原子精细结构的形成在LS耦合下，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，如图1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。通过LS耦合形成了电子的总角动量P
6、J，与此相联系的核外电子的总磁矩为 式中 是朗德因子，me是电子质量，e是电子电量。原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量，用符号 表示，其量子数用F表示，则与此角动量相关的原子总磁矩为是对应于与关系的朗德因子。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 其中称为玻尔磁子，是在外场方向上分量的量子数，共有2F1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随变化，原来对简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F能级分裂成2F1个子能级，相邻的子能级的能量差为再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，因
7、此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。 图2 原子能级超精细分裂 Error! No bookmark name given.原子在磁场中的超精细分裂情况如图2所示。由于实验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。2光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是（1）从常温对应的能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔兹曼分布由52S1/2分裂出的8条子
8、能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。（2）如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1+光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。处于磁场环境中的铷原子对D1+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3所示。图3可以看到，跃迁选择定则是； 跃迁见图3的右半部分。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P这样的过程就会持续下去。这样，5S态中子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1+光的吸收越来越弱，最后，
9、差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，这时光强测量值不再发生变化。通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有D1+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1+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（偏极化）。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，使之满足这时将出现“射频受激辐射”，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
10、，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”。 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，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“扫场”磁场，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。当光磁共振发生时，满足量子条件通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共振信号。调节射频的频率，又可以看到共振信号，并调到如图4所示的状态，记下射频的频率2，则有如下的量子条件成立由公式得 直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和I来计算
11、（亥姆霍兹线圈公式） 式中N和是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的值是流过两个线圈的电流之和。图4以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在87Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF因子。要注意，gF因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F的值有关。不难看出，这里测量的是87Rb的5S态中F=2的gF因子，而对于85Rb来讲，测量的是F=3的gF因子。两种原子的gF因子之比为 上式为判断共振信号是哪一种原子引起的
12、提供了依据。3利用光磁共振测量地磁场的水平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量的值，这为光磁共振提供了另一个应用。方法如下：在测量出gF因子之后，同时将BDC和BS倒向，调节射频信号频率至3，出现如图5所示的信号，则有如下量子条件成立由公式得= 图5 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像三、实验内容1.实验装置本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图6。主电源射频信号发生器辅助源主体单元示波器图6 光磁共振实验装置方框图图7其中主体单元示意图见图7。其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频（功率）信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励
13、磁电源；辅助源提供水平磁场调制信号（10Hz方波和20Hz三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品室的温度进行控制等；主体单元的各组成部分装在一光具座上，包括Rb光源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样品室是一个封装了Rb原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比Rb蒸气浓度高几个数量级的“缓冲气体” N2或Ne等无分子磁矩的气体。2.实验内容一观测光抽运信号二观测光磁共振信号三测量地磁场四、数据分析1.观察光抽运信号按照实验要求进行仪器的调节，通过指南针可以判断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水平分量同向，弹出时水平场与地磁场水平分量反向；扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平
14、分量反向，弹出时扫场与地磁场水平分量同向。进而调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。 光抽运信号 磁共振信号从图中可以看出，当方波信号方向改变时，光抽运现象开始，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近似相等，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最弱。随着原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，透过样品泡的光逐渐增强，光抽运信号逐渐增强；当“抽运”到MF=+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当“扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是MF=+2的原子各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向、铷原子各子能级重新分裂以后，对D1+光的吸收又达到了最大。“扫场”方向不断改变就出现了如图所示的光抽运信号。2.观测光磁共振信号测量gF数据记录表：水平场电流(A)同向频率1(mHz)反向频率2(mHz)Rb85Rb87Rb85Rb870.8982.4183.6411.4102.1250.8982.1723.2481.6762.520利用公式可求出直流磁场Bdc，进而可求出gF因子。经计算可得测量gF数据处理表：水平场电流(A)同向频率1(mHz)反向频率2(mHz)B
