光泵磁共振实验报告 复旦大学

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1、光泵磁共振实验——朗德因子的测量摘要：本实验主要研究铷原子的光抽运和磁共振现象，通过观察方波、三角波下的光抽运信号及共振信号，分析光泵磁共振的原理及信号出现条件。分别计算了Rb85和Rb87基态下的朗德因子gF。并在此基础上，测量了地磁场的水平分量。关键词：光抽运；磁共振；塞曼子能级；朗德因子 1.引言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，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，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

2、几个数量级。目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。因为它使弱信号的检测方便易行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。2.实验2.1实验原理由于电子的自旋和轨道的相互作用（即L-S耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。同时原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细结构。本实验研究的对象为碱金属Rb的气态自由原子。天然铷含量较大的有两种同位素：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%，基态都为52S1/2，而最低激发态为52P1/2及52P3/2双重态，从5P到5S的跃迁

3、就能观察到精细结构。现设核量子数为I，则耦合后的总量子数为F=I+J,I+J-1,…,

4、I-J

5、。又87Rb的I=3/2，85Rb的I=5/2，所以87Rb的基态F有两个值F=2及F=1；85Rb的基态F有两个值F=3及F=2。原子总角动量与总磁矩的关系为：其中：，在外磁场B中超精细结构进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级。磁量子数MF=F，F-1，„„，-F，即分裂成2F+1个间距相等的塞曼子能级。相邻子能级能量差为原子受激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。光抽运的目的就是造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级

6、之间进行磁共振实验了。此实验用能使原子从52P1/2态跃迁到52P3/2态的左旋圆偏振光D1σ+作用在样品上，则能产生ΔMF= ±1的跃迁，，把除MF=+2以外各子能级上的原子激发到52P1/2的相应子能级上，而向下辐射跃迁时则是概率相等的，因此基态MF=+2能级上的粒子数会只增不减，大量的粒子被抽运到基态MF=+2的子能级上。需要注意的是，驰豫过程（从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程）会导致铷原子失去光极化，不利于实验进行。我们使用充入氮氖气体、控制温度等方法规避之。因光抽运而使87Rb原子分布偏极化达到饱和以后，在垂直于产生塞曼分裂的

7、磁场B的方向加一频率为ν的射频磁场，当ν和B之间满足磁共振条件：时，塞曼子能级之间将产生磁共振，即被抽运到基态MF=+2子能级上的大量粒子在射频场B作用下，跃迁到MF= ±1上。同时由于光抽运的存在，处于基态非MF=+2子能级上的粒子又被抽运到MF=+2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MF=+2子能级上的粒子数比未共振时多，因此对D1σ+光的吸收增大。藉此我们可以判断是否发生了磁共振。而由于光探测过程中射频光子的信息（106Hz）转换成了频率高的光频光子的信息（1014Hz），这就使信号功率提高了8个数量级。 2.

8、2实验仪器北京大华的DH807A型光磁共振实验装置、信号发生器、射频信号发生器和XJ4400数字示波器2.3实验步骤1.粗调光路，旋转偏振片，选择最小水平场和垂直场、合适的扫场方向和大小，在示波器上得到随扫场变化的信号，优化光路，特别是偏振片方向，使信号幅度最大。2.分别以方波、三角波为扫场，观察并记录不同条件下信号形状、幅度的变化，并给出解释；3.加射频场，调出共振信号，测量gF因子并和理论值比较；4.测量地磁场的水平分量；3.结果与讨论3.1实验结果实验条件：扫场抬起，电压峰峰值约760mV；垂直场按下，电流0.62A确保抵消地磁场垂直分量。射

9、频幅度1/4圈。数据皆取自三角波峰对应共振。实验中，线圈匝数N=250，代线圈半径r=0.2411m。B0取三位有效数字。水平场电流/A信号来源ν1/kHzν2/kHzν1+ν2/kHzB0/Gs0.25087Rb126535916241.170.350159168522761.630.4501917100729242.100.25085Rb84224210841.170.350106045915191.630.450127667819542.10*ν1、ν2表示共振频率，ν1代表按下同向，ν2代表抬起反向*本实验中，垂直场为0.057A的数据是第

10、一次实验的结果；0.062A的数据为第二次和第三次结果。第二、三次实验均为独自完成，实验伙伴采用的是李宏明组数据，因而会有