钏原子各激发态能级跃迁图如图23量为Hop=-D E,式中D = eF是电偶极矩；豆是电场强度矢量利用微扰哈密顿量可以计算能级之间的跃迁概率，并由跃迁概率得到光跃迁的选择定则当入射光是左旋圆偏 振的D］光，即"严时，选择定则为:AL = ±1, AF = 0,±1, AinF = +1^Rb的52S1/2态及52P1/2态的磁量子数n】F最人值都是+2,当入射光是6”+时，由于只能 产生△ niF =^的跃迁，基态mF=+2子能级的粒子不能跃迁，如图2所示当原子经历无 辐射跃迁过程从52P1/2回到52S1/2时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若 干循环之后，基态mF=+2的子能级上的粒子数就会人大增加，即大量粒子被“抽运”到 基态mF=+2的子能级上，这就是光抽运效应各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹 曼分布的不均匀分布称为“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以 在子能级之间进行磁共振实验右旋偏振光o■一光有同样的作用，它将人量的粒子抽运到基态子能级1】1严T上/与 + —b-对光抽运有相反的作用当入射光为等量b与旷混合的线偏振光时，钿原子对光有强 烈吸收，但无光抽运效应；当入射光为不等量的与b—混合的椭圆偏振光时，光抽运效 应较圆偏振光小；当入射光为TT光时，钏原子对光有强烈吸收，但无光抽运效应。
对》Rb有类似结论，不同之处是6严及光分别将S5Rb抽运到基态1】】F=±3上3、地豫过程在热平衡状态下，基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布：N = N°exp（—善）（8）由于在弱磁场中各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等光抽运使能级之 间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态系统由偏离热平衡分布状态趋 向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程本实验涉及的几个主要弛豫过程有：1、 物原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布2、 颔原子之间的碰撞：导致自旋•自旋交换地豫，失去偏极化3、 钏原子与缓冲气体之间的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小(如氮气)，碰撞对钏原子磁能 态扰动极小，对原子的偏极化基本没有影响钿原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因在样品中充进适量缓冲气体可人人减少这种碰 撞，使原子保持高度偏极化另外，温度升高时，帥原子密度升高，与器壁及原子之间的碰 撞都增加，使原子偏极化减小，温度过低时，原子数太少，信号幅度很小，故存在一个最佳 温度，约为40-60°C4、 塞曼子能级间的磁共振在垂直于恒定磁场的方向上加一圆频率为©的线偏振射频场B],此射频场可分解为一 左旋圆偏振磁场与一右旋圆偏振磁场，当gF〉0时，円右旋进动，起作用的是右旋圆偏振磁场， 此偏振磁场可写为：Bi= Bi (excoscoit+eySincoit) (9)当31满足共振条件(10)时，塞曼子能级之间将产生磁共振，即被抽运到基态HW2子能级上的人量粒子在射频场Bl 作用下，l+lm^-2跃迁到同时由于光抽运的存在，处于基态非子能级上的粒 子又被抽运到m戶子能级上。
感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡在磁共振时， 由于nH+2子能级上的粒子数比未共振时多，因此，对Q】的(/光的吸收增人，原理见图3+1匕图3 磁共振塞曼子能级粒子束的变化未发生共扳 b 发生共振5、光探测射到样品上的光一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光兼作探测光测 量透过样品的光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将 一个低频射频光子(1 — lOMHz)转换为一个光频光子(1°‘ MHz)，使信号功率提高了7 — 8个数量级三、实验内容1、实验装置实验装置如图4所示光源用高频无极放电钏灯，稳定性好、噪声小、光强人用透过 率人于60%,带宽小于15nm的干涉滤光片，滤去D?光(D?光不利于的光抽运)偏 振片及1/4波片用于产生光透镜-(f=5-8cm)将光源发出的光变为平行光透镜L? 将透过泡的平行光会聚到光电接收器上产生水平磁场的亥姆霍兹线圈的轴线与地磁场的水平分量方向一致，产生垂直磁场的亥姆霍兹线圈用来抵消地磁场的垂直分量扫场信号有方波、三角波、锯齿波，与示波器扫描 同步射频线圈放在样品泡两侧使垂直于$0,信号发生器作为射频信号源产生水平恒 定磁场的亥姆霍兹线圈、产生水平打场的亥姆霍兹线圈以及产生垂直磁场的亥姆霍兹线圈的 供电电路分别装有反向开关，用来改变这三个线圈产生的磁场的方向。
样品泡是一个充有适量天然物I、直径约5cm的玻璃泡，泡内充有约ICToit的缓冲气体（如 氮、氮等）样品泡放在恒温室中，温度由30—70°C可调，恒温时温度波动小于±1°C 光探测器由光电接收元件（光电池）及放人电路组成光磁丿t振实验装置方框图十涉滤）匕镜 J脚光谱灯 !備振片水平或场线圈 射拔线圈恒沿惜IE直堀场线圈透镜；比电池光电探测器主体单兀不总图图4光泵磁共振实验装置图2、实验步骤（1） 、预热：加热样品泡及脚灯将垂直场、水平场、扫场幅度调至最小，按下池温开关 然后按下电源开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯亮，装置进入工作状态2） 、观察抽运信号扫场方式选择方波，水平场保持最小，调人扫场幅度设置扫场方向 与地磁场水平分量方向相反调节扫场幅度及垂直场人小和方向，使示波器上观察到的光抽 运信号幅度最大且左右均匀记下光抽运信号形状3） 观察光泵磁共振信号打开信号发生器及频率计，射频频率设为650KHZ左右打场 方式选择三角波，垂直场人小和方向保持不变，在0-0.8A范閑内慢慢调节水平场人小观察 共振信号出现情况然后对于水平场和扫场信号与地磁场水平方向的4种不同组合情况下, 测量四个共振信号所对应的水平场电流值，并记录有关数据。
四. 实验记录及数据分析1、确定光抽运信号调节扫场、水平场及垂直场的人小 和方向，可以找到如图5所示的波型, 上方表示扫场方波，下方图形是发生光_nn 扫场方波B信号波形A 图5光抽运信号图抽运时的信号波型此时水平方向上的磁场衣水平是由地磁场水平分量直dK平与鸟扫的叠加而成，受此磁场影响，钏原子的超精细结构能级发生塞曼分裂当原子未收到久左旋偏振光照射的时候， 根据式（8）可知处在基态各塞曼能级的原子数大致相同，也就是说在此时有总离子束的7/8 可吸收D1/+光，对光的吸收能力，反映在信号上就是A点光信号最弱的位置；粒子持续受 到照射，随着粒子逐渐被抽运到= +2子能级上，能够吸收光的粒子数逐渐减少，因而透 过样品的光强逐渐增加，最终达到B点光强最高的稳定点之后扫场方向翻转，塞曼子能 级随之发生简并及再分裂，能级简并时，Rb原子因碰撞导致自旋方向混乱而失去偏极化 重新分裂后，各塞曼子能级的粒子数有近似相等，对必光的吸收又达到最大值，也就是如 图5下部分图形所示的光抽运信号2、观察光抽运信号调节扫场.水平场及垂直场的人小和方向，找到各种搭配对于抽运信号的影响，找到信 号最强的情况，表1所示为扫描场强度为半满，抽运信号最明显时的搭配情况及水平及垂直 场电流的大小。
表1抽运信号最明显时的搭配情况及水平及垂宜场电流的大小扫场方向/ —水平场方向/+—垂直场方向/ —水平电流大小/A垂直电流大小/A+++0.0650.070—++XX+—+XX++—0.0670.002——+0.1390.068—+—XX+——XX———0.1400.002最终发现，当加入的垂直场与地磁场垂直方向人小相等方向相反相互抵消时抽运信号最 明显，且随着扫场大小的增加，水平场需要随之增加才能最终出现明显的抽运信号3、观察光泵磁共振信号射频信号频率31=650 OOKHz,保持垂直场人小方向不变，改变扫场方向和水平场方向，记录对应水平场电流值，其中波峰、波谷代表在对应磁共振信号波峰波谷处水平场电流值,具体如表2所示表2不同情况。