近代物理实验

题目       光磁共振    

            

学院  数理与信息工程学院 

班级     物理071班       

             学号     07180132         

             姓名      骆宇哲          

指导教师  斯剑宵          

浙江师范大学实验报告

实验名称     光磁共振    班    级   物理071    姓名   骆宇哲   学号  07180132

同 组 人                 实验日期   10/04/15     室温            气温          

                                                                                

                           光磁共振

摘  要：光磁共振(光泵磁共振)利用光抽运（Optical  PumPing）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。研究的对象是碱金属原子铷（Rb），天然铷中含量大的同位素有两种：⁸⁵Rb占72．15％，⁸⁷Rb占27．85％。

气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验应用光抽运、光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有很大的实际应用价值。

关键词：光磁共振  光抽运  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。

实验方案：

一、实验目的

1．  加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。

2．  测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子g。

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、实验内容

1．仪器的调节

①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。

②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。

③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，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。

④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π/4以获得圆偏振光。

写出调节步骤和观察到的现象。

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0.07A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。

图1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）

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的粒子在吸收光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到M_F=+2子能级上，能吸收σ⁺的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到M_F=+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（指水平方向的总磁场为零）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

3.磁共振信号的观察

扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.7A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器，频率可以观察到共振信号如图2，对应波形，可读出频率及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。同样可以得到。这样水平磁场所对应的频率为,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。

用三角波扫场法观察磁共振信号时，当磁场值与射频频率满足共振条件式时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得Rb⁸⁷或Rb⁸⁵的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值（例如三角波中的某一场值），改变频率同样可以获得Rb⁸⁷或Rb⁸⁵的磁共振。实验中要求在选择适当频率（600KHz）及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。

4．测量g_F因子

   为了研究原子的超精细结构，测准g_F因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式中N为线圈匝数，r为线圈有效半径（米），

                                

I为直流电流（安）。B为磁感强度（特斯拉），式hv= g_Fu_BB？中，普朗克常数h=6.626×10^-34焦耳秒，玻尔磁子u_B=9.274×10^-24焦耳/特斯拉。利用两式可以测出g_F因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消)，可视为B=B_水平+ B_地+ B_扫，而B_地、B_扫的直流部分和可能还有的其它杂散磁场，所有这些都难以测定。这样给直接测量g_F因子带来困难，但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量g_F因子实验的步骤自己拟定。

有实验测量的结果计算出Rb⁸⁷或Rb⁸⁵的g_F因子值。计算理论值并与测量值进行比较。

四、实验数据记录与处理

1、公式2hν=gμ_B(B1+B2)

2、公式h（ν1+ν2）=2gμ_BB

五、实验结论

本次实验中一开始时我对实验原理还存在不少不理解的地方。在斯老师的讲解和引导下我加深对原子超精细结构、光抽运、光跃迁及光磁共振的过程的理解。最终测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子g。

第二篇：实验报告_光磁共振(样例)

                       实验（ ）                光磁共振               

一、【实验目的】

1. 加深原子超精细结构的理解，了解光泵磁共振的基本原理；

2．了解光抽运的物理过程，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法；

3．掌握消除地磁场影响，测定气态铷原子g因子的方法。

二、【实验仪器】

光磁共振实验系统(型号 DH807A,编号:             )

二踪示波器(型号 YB4365,编号:            )

函数任意波信号发生器(型号 YB33200,编号:          )  

     三、【实验原理】

1、能级分裂

铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: ⁸⁵Rb和⁸⁷Rb,二者的比例接近2比1。它们的基态都是5²S_1/2， 即电子的主量子数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2（L—S 耦合）。

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：5²P_1/2和5²P_3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S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。

    原子的价电子在LS耦合中，总角动量P_J与总磁矩μ_J的关系为

   

其中,称为郎德因子，m是电子质量，e是电子电量。核具有自旋和磁矩，核磁矩与上述电子的总磁矩相互作用会造成能级的进一步分裂，称为超精细结构。

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

   与此角动量相关的原子总磁矩为

 其中 

              

在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，由于总磁矩与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级会进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级，使原子产生附加的能量：

         

其中称为玻尔磁子，Ｍ_Ｆ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随Ｍ_Ｆ变化，原来对Ｍ_Ｆ简并的能级发生分裂，

在磁场中，铷原子的超精细结构会产生塞曼分裂。一个Ｆ能级分裂成２Ｆ＋１个子能级，相邻的子能级的能量差为：

 2、光的抽运

气态原子⁸⁷Rb受具有角动量的左旋圆偏振光照射时，处于磁场环境中的铷原子对光的吸收遵从跃迁选择定则

      ；  

在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为只能产生的跃迁。因此，基态中子能级上的粒子就不能向上跃迁，

在由到的向下跃迁中（发射光子），，各子能级上的跃迁都是允许的。经过多次上下跃迁，基态中子能级上的粒子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后粒子都分布在基态的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子数增多，称为光抽运。光抽运的目的是要造成基态能级中粒子数的偏极化，实现了粒子数的偏极化后就可以在子能级间进行磁共振跃迁实验了。

3、磁共振和光检测

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ν，使之满足

                              

这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到的子能级，上的原子数就会减少；同样，子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M_F=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”。

    粒子产生共振跃迁必然造成偏激化状态被破坏，从而会增大对光的吸收，透过样品泡的光必然减弱，只要检测透射光的强弱变化即保检测到共振信号，光一方面起到光抽运作用，同时又起到检测共振信号的作用。光信号检测的方法巧妙地把一个频率很低的射频率量子转换为一个频率很高的光频量子的变化，使信号的功率提高了7-8个数量级，大大提高了信号的强度。

四、【实验内容或步骤】

1．仪器调整
(1)揿进预热键，加热样品吸收泡约50℃并控温，同时也加热铷灯约90℃并控温,约 需30分钟温度稳定，按下工作键，此时铷灯应发出攻瑰紫色光。
(2)将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到 达光电池的光通量最大。
(3)调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。

2. 观测光抽运信号
(1)先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。
(2)不开射频振荡器，扫场选择" 方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场与地磁场的 水平分量相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。同时旋转1/4波片，可获得最佳光抽运信号。

3. 测量基态的g_F
    由磁共振表达式得 g_F=hν/μ_BH
ν可由频率计给出。因此，如知H便可求出g_F，此处H是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以 测知的水平场外，还包括地磁水平分量和扫场直流分量。实验采用将水平场换向的方法来消除地磁水平分量和扫场直流分量。
    先使水平场和扫场与地磁场水平方向相同：扫场为三角波，水平场电压调到一定值。调节射频信号频率， 发生磁共振时将观察到图5(a)波形，此时频率为ν₁（对应于总场为H₁）．再改变水平场方向，仍用上述 方法得到频率ν₂(对应于总场为H₂），这样就排除了地磁场水平分量和扫场直流分量的影响。 而水平场对应的频率为ν=(ν₁+ν₂)/2。水平磁场的数值可由水平电压和水平亥姆霍兹线圈的参数来确定。

五、数据分析：

    磁场方向:

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相反

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相同

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相同

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相反

   共振频率:

             扫场、水平场方向均与地磁场水平方向分量相同

                         

              扫场方向均地磁场水平方向分量相同,水平场方向相反

                            

                                  

            

G因子

水平场线圈匝数:N=250

水平场线圈有效半径:r=0.239m

通过水平场线圈的电流:I=0.245A

水平场磁感应强度:

  

       

  

       

理论值:      

:             

       误差:

六、结论与分析

     结论:

     误差原因:

                       温州大学实验原始数据记录纸                                  

磁场方向:

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相反

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相同

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相同

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相反

光抽运信号:

 

共振频率:

       扫场、水平场方向分量均与地磁场水平方向分量相同

                 

                 

                                                                                  

实验指导教师：                              日期：        年    月    日