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1、6-2 光泵磁共振实验报告by 物理学院 00904149 刘纩实验时间：2012-3-15实验仪器：TDS2002 示波器，光磁共振实验装置，DH807 型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631 功率函数信号发生器。实验目的：1. 了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2. 了解光抽运现象的原理和应用3. 学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振实验原理：铷是一价碱金属，其原子基态是 5 ，即轨道角动量量子数1/2L=0，自旋 S=1/2，轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。其最低激发态是 5 和 5 双重态，是由 LS 耦合产生的，1/2 3/
2、2 J 分别为 1/2 与 3/2。在 5P 和 5S 之间的跃迁为铷原子的第一条线，是双线，前者到 5 为 ，后者到 5 为 。再考虑到电子总角1/21 1/22动量（量子数为 J）与原子核自旋（量子数为 I）的耦合作用之后，原子总角动量的量子数 F=I+J，I+J-1， 。故而 的基态| 85有 F=3 及 F=2， 的基态有 F=2 及 F=1。由 F 量子数表征的能级称87之为超精细结构能级。原子总角动量 与总磁矩 之间的关系为： =-2= (+1)+(+1)-(+1)2(+1)其中 =1+(+1)-(+1)+(+1)2(+1)在磁场 中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数0=F
3、,F-1,-F. 即分裂成 2F+1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间（ = 1）的能量差为：=0在实验中，我们用频率为 的光来对原子进行激发时，满足h= E 时即发生光吸收，且原子跃迁满足选择定则:L= 1; F= 1,0; = +1 （入射光 为 +）0 （入射光 为 ）1 （入射光 为 ） 所以，当入射光为左旋圆偏振时，原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁，当使用 时，则基态处于 =+2 的粒子跃迁概率为零，1+ 而由激发态退激发回基态的粒子返回基态各子能级的概率是相等的，这样经过若干次循环之后，基态 =+2 的子能级上的粒子数就会大大增加，相当于大量粒子被抽运上去，此
4、即为光抽运效应。在垂直于 的方向上加一圆频率为 的射频场 ，当满足共振0 1 1条件 h /2 = = 时，塞曼子能级之间发生磁共振。即由1 0于射频场而发生感应跃迁，主要表现为 =+2 上的原子跃迁到=+1，此过程与之前所述的光抽运效应达成动态平衡，此时由于处于 =+2 之外能级上的粒子增多，遂导致对 光的吸收增大。 1+实验步骤及对即时数据的初步处理：1. 不加水平场只加方波扫场，观测光抽运信号，测得弛豫时间为 9ms。2. 和 的 g 因子测量。8785原理公式为： = ，可改写成：= B，而 B=/ ，第一项为所加水平场，第二项为水平扫场，平行 +第三项为地磁场的水平分量。方法一：使射
5、频场频率从 800kHz 到 1200kHz 之间变化，每次变化 50kHz。每取定一个频率值时，改变水平场的大小直至观测到共振信号（每个频率值下有两次共振峰出现，先出现的为 ，后出现的为 ） ，即光吸收加强的信号。记录此87 85时产生水平场的线圈中的电流值。由上述改写成的公式，通过线性拟合分别计算出 值，并和理论计算结87和 85的 果相比较。由线圈电流计算磁场的公式：B=(16 )(NI/r)* G/53/2 103水平线圈 N=250，r=0.2366m即时记录数据如下：/kHz I( /A87) B/G I( )/A85 B/G800 0.141 0.670 0.262 1.2485
6、0 0.155 0.736 0.284 1.35900 0.171 0.812 0.307 1.46950 0.187 0.888 0.330 1.571000 0.201 0.955 0.353 1.68 方法二：取定射频场频率 =1000kHz ，可测得一组数据，包括两种同位素发生共振时的水平场电流，可计算得相应的所加水平磁场。之后利用公式 I( =0.204A，I( =0.355A，= （87) 85)） ，将水平场反向，则公式变成 = （平行 +） 。二者相加则得到：2 = （ ） 。平行 平行正 +平行反即时数据如下：未反向 I( /A87) B/G I( /A85) B/G0.20
7、4 0.969 0.355 1.69反向后 I( /A87) B/G I( /A85) B/G0.406 1.93 0.557 2.653. 地磁场水平分量的测量。方法与上面的方法二类似，只不过在磁场改变方向时将水平场与扫场均变向，则公式成为：= （ ） ，与原公式 平行 +相减，由于水平扫场大小不发生改变，故有： =2 。初始数平行 据如下：未反向 I( /A87) B/G I( /A85) B/G1050 0.216 1.03 0.376 1.791100 0.231 1.10 0.397 1.881150 0.246 1.17 0.420 2.001200 0.261 1.24 0.44
8、2 2.100.335 1.59 0.486 2.31反向后 I( /A87) B/G I( /A85) B/G0.405 1.92 0.555 2.64实验结果：1.光抽运过程的弛豫时间为 9ms。2.对 的测量计算方法一：由表格中数据拟合得到 对于 的线性关系为：平行对于 ，=697.6 （G）+333.4（kHz）87 平行对于 ，=465.0 （G）+221.5（kHz）85 平行且 /h=1.3996MHz/G=1399.6kHz/G 则：对于 ，计算得 =0.498，理论值为 1/2；87 对于 ，计算得 =0.332，理论值为 1/3。85 方法二：由所推导公式得：对于 ， =0
9、.493； 对于 ， =0.330。87 853.对地磁场水平分量的测量计算：对于 =0.333G；对于 =0.328G87， 平行 85， 平行故 =0.330G，故 =0.165G。平行 思考：1. 如果不用一个垂直磁场来抵消地磁场的垂直分量的话，由于垂直方向存在磁场，故圆偏振光进入与原子作用的区域之后由于感应到垂直方向的磁场成为椭圆偏振光，可分解为一个左旋圆偏振与一个右旋圆偏振。其中右旋光的作用是把原子抽运到 =-2 的能级上，影响原子的偏极化，使光吸收信号一直较强，进而影响实验信号的观测。2. 由于与磁共振过程相伴随的有对光吸收强度的变化，故光抽运探测磁共振将一个直接测量下的低频射频光子（1 10MHz）转换为一个光频光子（ MHz） ，使得信号功率提高了 78 个数量级。108
