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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划磁共振报告说，考虑mt可能近代物理实题目学院数理与信息工程学院班级学号姓名同组实验者指导教师验光磁共振实验报告【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所
2、以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。【正文】一、基本知识1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb和87Rb选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所
3、示在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂标定这些分裂能级的磁量子数mF=F，F1，?，F，因而一个超精细能级分裂为2F1个塞曼子能级设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为F，F与外磁场B0相互作用的能量为EFB0gFmFFB0这正是超精细塞曼子能级的能量式中玻尔磁子B927411024JT1，朗德因子gF=gJF(F+1)+J(J+1)I?2F图1其中gJ=1+J(J+1)L(L+1)+S?2J上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值由式可知，相邻塞曼子能级之间的能量差EgFBB0式中E与B0成正比关系，在弱磁场B00，则塞曼子能级简并为超精细结构能级2、光抽运
4、效应在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(2)表示由于超精细塞曼子能级间的能量差E很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子使原子能级的粒子数分布产生重大改变由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为?；右旋圆偏振的光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为?；线偏振的光可看作两个旋转方向相反的圆偏振
5、光的叠加，其角动量为零现在以铷灯作光源由图1可见，铷原子由52P1?252S1?2的跃迁产生D1线，波长为m；由52P3?252S1?2的跃迁产生D2线，波长为m这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为L1，F0，1，mF1图2所以，当入射光为D1光，作用87Rb时，由于87Rb的52S1?2态和52P1?2态的磁量子数mF的最大值均为2，而光角动量为?只能引起mF1的跃迁，故D1光只能把基态中除mF2以外各子能级上的原子激发到52P1?2的
6、相应子能级上，如图2(a)所示图2(b)表示跃迁到52P1/2上的原子经过大约108s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态52S1?2各个子能级上这样，经过多次循环之后，基态mF2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF2子能级上这就是光抽运效应同理，如果用D1光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF2子能级上但是，光照射是不可能发生光抽运效应的对于铷85Rb，若用D1光照射，粒子将会“抽运”到mF3子能级上3、弛豫过程光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运
7、的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上由实验得知样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为102s数量级在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级4、磁共振与光检测式给出了铷原子在弱磁场B0作用下相
8、邻塞曼子能级的能量差要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品当射频场的频率满足共振条件hEgFBB0时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象若作用在样品上的是D1光，对于87Rb来说是由mF2跃迁到mF1子能级接着也相继有mF1的原子跃迁到mF0，?与此同时，光抽运又把基态中非mF2的原子抽运引mF2子能级上因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡发生磁共振时，处于基态mF2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数也就是说，发生磁共振时能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1光的吸收。作用在样品上的D1光，一方面起抽运作
9、用另一方面可用透过样品的光作为检测光，即一束光起了抽运和检测两重作用。对磁共振信号进行光检测可大大提高检测的灵敏度本来塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，特别是密度很低的气体样品的信号就更加微弱，直接观察射频共振信号是很困难的光检测充分利用磁共振时伴随着D1光强的变化，可巧妙地将一个频率较低的射频量子(110MHz)转换成一个频率很高的光频量子的变化，使观察信号的功率提高了78个数量级这样，气体样品的微弱磁共振信号的观测，便可用很简便的光检测方法来实现。二、实验仪器由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。三、实验设计步骤
10、1仪器的调节在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。主体装置的光学元件应调成等高共轴。调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，
11、在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为/4以获得圆偏振光。2光抽运信号的观察扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。预置垂直场电流为左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。光抽运信号波形扫场波形图1铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。因此这一瞬间有总粒子数7/8
12、的粒子在吸收D1光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上，能吸收的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对D1光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图1+核磁共振实验仪器FD-CNMR-I型核磁共振实验仪，包括永久磁铁、射频边限振荡器、探头、样品、频率计、示波器实验原理FD-CNMR-I型核磁共振实验仪采用永磁铁
13、，B0是定值，所以对不同的样品，通过扫频法调节射频场的频率使之达到共振频率?0，满足共振条件，核即从低能态跃迁至高能态，同时吸收射频场的能量，使得线圈的Q值降低产生共振信号。由于示波器只能观察交变信号，所以必须使核磁共振信号交替出现，FD-CNMR-I型核磁共振实验仪采用扫场法满足这一要求。在稳恒磁场B0上叠加一个低频调制磁场Bmsin(?t)，这个调制磁场实际是由一对亥姆霍兹线圈产生，此时样品所在区域的实际磁场为B0?Bmsin(?t)。周期性变化，拉摩尔进动频率?也相应地发生周期性变化，即?(B0?Bmsin(?t)这时只要射频场的角频率调在?变化范围之内，同时调制磁场扫过共振区域，即B0
14、?Bm?B0?B0?Bm，则共振条件在调制场的一个周期内被满足两次，所以在示波器上观察到如图所示的共振吸收信号。此时若调节射频场的频率，则吸收曲线上的吸收峰将左右移动。当这些吸收峰间距相等时，如图所示，则说明在这个频率下的共振磁场为B0。如果扫场速度很快，也就是通过共振点的时间比弛豫时间小得多，这时共振吸收信号的形状会发生很大的变化。在通过共振点后，会出现衰减振荡，这个衰减的振荡称为“尾波”，尾波越大，说明磁场越均匀。实验步骤熟悉各仪器的性能并用相关线连接实验中，FD-CNMR-I型核磁共振仪主要应用五部分：磁铁、磁场扫描电源、边限振荡器、频率计和示波器。仪器连线首先将探头旋进边限振荡器后面板指定位置，并将测量样品插入探头内；将磁场扫描电源上“扫描输出”的两个输出端接磁铁面板中的一组接线柱，并将磁场扫描电源机箱后面板上的接头与边限振荡器后面板上的接头用相关线连接；将边限振荡器的“共振信号输出”用Q9线接示波器“CH1通道”或者“CH2通道”，“频率输出”用Q9线接频率计的A通道;移动边限振荡器将探头连同样品放入磁场中，并调节边限振荡器机箱底部四个调节螺丝，使探头放置的位置保证使内部线圈产生的射频磁场方向与稳恒磁场方向垂直；打开磁场扫描电源、边线振荡器、频率计和示波器的电源，准备后面的仪器调试。核磁共振信号的调节FD-CNMR-I型核磁共振仪配备了六种
