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1、光泵磁共振实验物理与电子科学学院仲明礼光泵磁共振引言n n这个实验方法是由法国物理学家Kastler在1950年首创的。n n1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（Alfred Kastler，19021984），以表彰他发现和发展了研究原子中光磁共振的光学方法光抽运的方法。 问题的提出n n磁共振信号的特点是：分辨率高（共振频率很窄、很精细）灵敏度低（信号弱）n n气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，仅用磁共振的方法难于观察。n n怎样才能既保持了磁共振分辨率高的优点，同时又能提高气体的探测灵敏度?光泵磁共振的基本思想n n利用光的抽运效应造成原子基态利用光的
2、抽运效应造成原子基态ZeemanZeeman能级上粒能级上粒子分布的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的子分布的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的BoltzmannBoltzmann分布。（光抽运过程）分布。（光抽运过程）n n然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，打破这种偏极化状态，使打破这种偏极化状态，使ZeemanZeeman能级上粒子重新能级上粒子重新分布。分布。 （磁共振过程）（磁共振过程）n n利用光探测器对抽运速率变化（光抽运信号）进利用光探测器对抽运速率变化（光抽运信号）进行观察和测量，来探测研究原子行观察和测量，来探测研究原子Zeema
3、nZeeman能级的超能级的超精细结构。精细结构。 （光探测过程）（光探测过程）n n实验过程是光抽运与磁共振交替进行的过程实验过程是光抽运与磁共振交替进行的过程n n一实验目的实验目的： n n1、了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象。n n2、测量铷（Rb）原子的g因子及地磁场的大小。二、实验原理（一）、铷原子基态和最低激发态的能级的分裂情况1 1、铷（、铷（Z Z=37=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素：的同位素： 8585RbRb和和8787RbRb，二者的比例接近，二者的比例接近2 2比比1 1。2 2、铷原子基态：两种同位素的基态都
4、是、铷原子基态：两种同位素的基态都是5 52 2S S1/2 1/2 ， 即即n n= =5 5（主量子数），主量子数），L L= =0 0（轨道量子数），轨道量子数），S S= =1/21/2（自旋量子数），自旋量子数）， J J= =1/21/2（总角动量量子数）总角动量量子数）（LS耦合 ） 3、铷原子最低激发态： 52P1/2， 52P3/2， L=1铷原子的最低激发态（铷原子的最低激发态（ L L= =1 1， S S= =1/21/2）在在L LS S耦耦合下，发生能级分裂，产生出精细结构。合下，发生能级分裂，产生出精细结构。 轨道角动量：轨道角动量： 自旋角动量：自旋角动量： 总
5、的角动量：总的角动量： 总角动量量子数：总角动量量子数：最低激发态：最低激发态：L1，S12， J32，124、5P5S能级间的跃迁产生出铷原子主线系的两条光谱线它们的波长分别是：794.8nm和780.0nm实验中只研究780.0nm5、电子的总磁矩J与总角动量PJ的关系通过通过L LS S耦合形成了电子的总角动量耦合形成了电子的总角动量P PJ J ，与此相联系，与此相联系的核外的核外 J J电子的总磁矩电子的总磁矩 J J 为：为：其中其中就是著名的就是著名的LongdeLongde因子，因子，mm是电子质量，是电子质量，e e是电子电是电子电量。量。 6、核磁矩与电子的总磁矩相互作用造
6、成能级的附加分裂，产生出超精细结构（JI耦合）n n核角动量核角动量P PI I 和核外电子的角动量和核外电子的角动量P PJ J 耦合成一个更大耦合成一个更大的角动量，用符号的角动量，用符号 P PF F 表示：表示：对于对于5 52 2S S1/2 1/2 ： 87 87RbRb：I I3 32 2， J J1 12 2， F F2 2，1 1对于对于5 52 2P P1/2 1/2 ： 8787RbRb：I I3 32 2， J J1 12 2， F F2 2，1 1核磁矩与电子的总磁矩相互作用的超精细结构核磁矩与电子的总磁矩相互作用的超精细结构7、原子的总磁矩F与总角动量PF的关系通过
7、通过J JI I 耦合形成了原子的总角动量耦合形成了原子的总角动量P PF F ，与此相联系，与此相联系的原子的总磁矩的原子的总磁矩 F F为：为：其中其中是对应于是对应于 F F与与 P PF F 关系的关系的 LongdeLongde因子，因子，mm是电子质量，是电子质量，e e是电子电量。是电子电量。 8、总磁矩与外场相互作用产生附加的能量n n在有外静磁场在有外静磁场B B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，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使原子产生附加的能量n n其中其中 B B称为玻尔磁子称为玻尔磁子 n n，共有，共有个值个值 n n相邻的子能级的能量差为：相
8、邻的子能级的能量差为：9 9、在有外磁场、在有外磁场B B的情况下，总磁矩将与外场相互作的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量，产生出塞曼能级用，使原子产生附加的能量，产生出塞曼能级（二）、光抽运过程（粒子数的偏极化过程）nn8787RbRb原子受原子受D D1 1 + +左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则：选择定则： 由于由于 + +光子的角动量为光子的角动量为+h+h，故只能产生，故只能产生MMF F+1+1的的跃迁。跃迁。n n由由 5 52 2P P1/21/2到到 5 52 2S S1/2 1/2 发射光子的跃迁中发射光子的跃迁中MM
9、F F0 0，11的的各种跃迁都是可能的。各种跃迁都是可能的。87Rb原子受D1+左旋圆偏振光照射时光抽运的结果n n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“偏极化”的现象，也叫“粒子数反转”(三)、弛豫过程n n系统由非平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程弛豫过程n n实验中应减缓这个过程。 方法是：再铷样品泡中充入一定量磁性很弱的氮气或氖气。因为这类气体对铷原子状态的扰动很小，不影响原子分布的偏极化。（四）、核磁共振过程1、磁共振的条件和选择定则n n如果在垂直于静磁场B方向
10、上加一射频振荡的磁场。n n磁共振的频率条件： （1）n n磁共振跃迁的选择定则： 。2、磁共振跃迁的过程n n在射频场的扰动下，处于在射频场的扰动下，处于MMF F=+2=+2子能级上的原子子能级上的原子会放出一个频率为会放出一个频率为 、方向和偏振态与入射量子完、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子，而跃迁到全一样的量子，而跃迁到MMF F=+1=+1的子能级，的子能级，MMF F=+2=+2上的原子数就会减少。上的原子数就会减少。n n同样，同样，MMF F=+1=+1子能级上的原子也会通过子能级上的原子也会通过“ “射频受射频受激辐射激辐射” ”跃迁到跃迁到MMF F=0=0的子能级上
11、的子能级上如此下去，如此下去，5S5S态的上面态的上面5 5个子能级很快就都有了原子，于是光个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始。吸收过程重又开始。n n跃迁到跃迁到5P5P态的原子在退激过程中可以跃迁到态的原子在退激过程中可以跃迁到5S5S态态的最下面的的最下面的3 3个子能级上，所以，用不了多久，个子能级上，所以，用不了多久，5S5S态的态的8 8个子能级上全有了原子。个子能级上全有了原子。 3、磁共振跃迁的结果n n在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会发生磁共振跃迁。n n这种磁共振跃迁破坏了光抽运过程形成的片极化，随之5S态的8个子能级上全有了原子（各能级上的粒
12、子数重新分布）。n n使得光抽运过程得以继续进行。三、实验装置实物图四、光抽运与磁共振的过程在光探测器上的显示n n当光抽运过程进行时，照射到铷样品泡中当光抽运过程进行时，照射到铷样品泡中D D1 1 + +光，光，由于被样品泡中铷原子吸收掉一部分，所以此时，由于被样品泡中铷原子吸收掉一部分，所以此时，光电接收器输出的电信号减小。光电接收器输出的电信号减小。n n当铷原子全部被当铷原子全部被“ “抽运抽运” ”到到MMF F=+2=+2的子能级上时，的子能级上时，样品泡中铷原子不再吸收光，此时，光电接收器样品泡中铷原子不再吸收光，此时，光电接收器输出的电信号最强。输出的电信号最强。n n当满足
13、磁共振条件时，处于当满足磁共振条件时，处于MMF F=+2=+2子能级上的原子能级上的原子会发生磁共振跃迁。各能级上的粒子数重新分子会发生磁共振跃迁。各能级上的粒子数重新分布，光抽运过程得以重新进行，光电接收器输出布，光抽运过程得以重新进行，光电接收器输出的电信号马上增强。的电信号马上增强。n n实验过程就是光抽运与磁共振同时进行的过程，实验过程就是光抽运与磁共振同时进行的过程，一旦磁共振马上进行光抽运一旦磁共振马上进行光抽运五、用扫场法和调频法实现磁共振n n磁共振的频率条件：磁共振的频率条件：n n扫场信号扫场信号B B ：周期性扫场信号一般有两种：方波：周期性扫场信号一般有两种：方波信号
14、和三角波信号。信号和三角波信号。n n总的磁场总的磁场B=BB=B0 0+ + B B ：实际是：实际是 B Btotaltotal=B=BDCDC+B+BS S+B+BeeBtBtB0B00BBtBt六、光泵磁共振的应用n n光磁共振方法的主要应用是为研究原子物理的提供了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，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。n n利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，n n也可以制成高稳定度的原子频标。七、实验内容n n（一）光抽运信号的观察n n方波信号用于观察方波信号用于观察“
15、“光抽运光抽运” ”过程，在加入了周过程，在加入了周期性的期性的“ “扫描场扫描场” ”以后，总磁场为：以后，总磁场为： B Btotaltotal=B=BDCDC+B+BS S+B+Bee实验要求实验要求B BDCDC+B+Be e0 0 （二）、测量gF因子n n n n （2 2）n n （3 3） B00BtB00Btn n由（）、（由（）、（3 3）式得：）式得：n nB BDCDC可根据亥姆霍兹线圈磁感应强度计算公式算可根据亥姆霍兹线圈磁感应强度计算公式算出出（三）地磁场的测量n n1 1、先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，、先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得：测得： （4 4）n n2 2、使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，、使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到：又得到： （5 5）n n由（由（4 4），（），（5 5）两式得：）两式得：n n （6 6） n n3 3、垂直磁场由下式计算：、垂直磁场由下式计算：n n其中其中I I为亥姆霍兹线圈内的电流，在光抽运信号最强为亥姆霍兹线圈内的电流，在光抽运信号最强最均匀时测出最均匀时测出
