光泵磁共振实验

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光泵磁共振实验,河北师范大学,物理科学与信息工程学院中心实验室赵滨华,光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒（,A.,Kastlar,）在,50,年代提出，它利用光抽运（,Optical Pumping,）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实验通过观察光抽运信号和磁共振信号，测量,g,因子，加深对原子态、光抽运、磁共振、布居数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。卡斯特勒也因此荣获,1966,年诺贝尔物理学奖。,本实验目的是,：了解光泵磁共振的实验原理，通过实验加深对铷原子,(,Rb,),超精细结构、光抽运及磁共振的理解。测量铷（,Rb,）原子的,g,F,因子及地磁场的大小。,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，天然铷有两种稳定的同位素,:,85,Rb,和,87,Rb,二者的比例接近,2,比,1,。,在,L,S,耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数,L,=,1,，自旋量子数,S,=,1/2,，电子的总角动量,J,=,L,+,S,和,L,-,S,，即,J,=,3/2,和,1/2,，形成双重态：,52,P,1/2,和,52,P,3/2,，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从,5,P,到,5,S,的跃迁产生双线，分别称为,D1,和,D2,线，它们的波长分别是,794.8nm,和,780.0nm,如图所示。,原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用,I,表示。核角动量,P,I,和核外电子的角动量,P,J,耦合成一个更大的角动量，用符号,P,F,表示，其量子数用,F,表示，则,:,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,:,是,的第三分量的量子数，,，,，,，,，共有,个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量,随,变化，原来对,简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个,能级分裂成,个子能级，相邻的子能级的能量差为,:,我们来看一下具体的分裂情况。,87,Rb,的核自旋，,87,Rb,的核自璇，因此，两种原子的超精细分裂将不同。我们以,87,Rb,为例，介绍超精细分裂的情况,:,精细结构 超精细结构 塞曼分裂,87,Rb,原子能级超精细分裂,2,、光磁共振跃迁,处于磁场环境中的铷原子对,D,1,+,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，如图所示。,；,87,Rb,原子对,D,1,+,光的吸收和退激跃迁,另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回,5S,低能级，发出自然光，跃迁选择定则是：,；,结论,：在没有,D,1,+,光照射时，,5S,态上的,8,个子能级几乎均匀分布着原子，而当,D,1,+,光持续照着时，较低的,7,个子能级上的原子逐步被“抽运”到,M,F,=+2,的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象。,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”，在射频场的扰动下，处于,MF=+2,子能级上的原子会放出一个频率为,、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到,MF=+1,的子能级,，,MF=+2,上的原子数就会减少；同样，,MF=+1,子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到,MF=0,的子能级上,如此下去，,5S,态的上面,5,个子能级很快就都有了原子，于是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，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”。,通过以上的分析得到了如下的结论：,处于静磁场中的铷原子对偏振光,D,1,+,的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时，铷原子对,D,1,+,光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（,1,）成立）时又引起强烈吸收。根据这一事实，如果能让公式（,1,）周期性成立，则可以观察到铷原子对,D,1,+,光的周期性吸收的现象。实验中是固定频率,而采用周期性的磁场,B,来实现这一要求的，称为“扫场法”。,3,、光磁共振的观察,在加入了周期性的“扫描场”以后，总磁场为：,B,total,=B,DC,+B,S,+B,e/,其中,B,DC,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，,B,e/,是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变,；,B,S,是周期性的扫描场，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。,1,）用方波观察“光抽运”,将直流磁场,B,DC,调到零，加上方波扫场信号，其波形见下图，它是关于零点对称的。,扫场信号,光抽运信号,2,、三角波观察光磁共振,实验公式：,光磁共振的信号图像：,光磁共振信号（峰）,光磁共振信号（谷）,B,DC,B,DC,B,B,实验仪器,：,DH807,型光泵磁共振仪（由主体单元、信号源、主电源和辅助电源等部分）、示波器,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。,水平磁场线圈,射频线圈,垂直磁场线圈,恒温槽,铷光谱灯,干涉滤光镜,偏振片,1/4,波片,透镜,透镜,光电探测器,光电池,至示波器,主体单元图 如下：,