光泵磁共振实验 - 复旦大学

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1、光泵磁共振实验陈骋08300720378摘要：本实验介绍产生光抽运信号和磁共振信号的原理，测量分析了垂直磁感应强度对于信号幅度的影响原因。关键字：光抽运信号磁共振信号竖直方向磁场引言：光泵磁共振实验包括了原子物理中很多的内容，其中用光抽运-磁共振-光探测技术，对于原子、离子和的研究有着非常重要的意义，使我们更加深刻了对于微观粒子结构的认识光泵磁共振实验装置示意图实验原理光抽运信号的产生当磁场扫过零（水平零场总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能及随之发生改变，简并随即再次分裂。在这个时候，铷原子分布由于碰撞等导致自选方向混杂而失去了偏极

2、化，所以重新分裂后个塞曼子能级上的离子数又接近相等，对光的吸收又达到最大，就能观察到光抽运信号。磁共振信号的产生磁共振波破坏了粒子分布的偏极化，引起新的光抽运信号。也就是说如果磁场与射频信号满足，那么铷原子分布又会失去偏极化，产生磁共振信号，而光抽运信号的跃迁速率比磁共振跃迁速率大，所以两者之间会达到一个动态平衡。实验内容垂直磁感应强度对光抽运信号幅度的影响为了得到光磁共振信号，实验中先调节垂直场电流，使得垂直场合地磁场的垂直分量相互抵消，接着调整水平场，把扫场信号换成三角波。水平场、扫场以及地磁场水平分量相互叠加作用，使得铷原子产

3、生塞曼分裂。在实验中垂直磁感应强度变化时，示波器的光抽运信号振幅是不一样的。在先设定水平磁感应强度不变的情况下，消除地磁场垂直磁场的影响。由此测得垂直磁场电流为0.070A，由公式，得到对应电流为0.070A，计算所得磁感应强度0.21Gs。取水平磁感应强度电流为0.018A、0.025A和0.032A。在三种情况下，光抽运信号幅度和磁感应强度关系。垂直磁场电流/mA光抽运信号幅度/mV0.019Gs0.016Gs0.013Gs-60998574-5011110086-40122114104-30136128125-20146146

4、148-1016016216801681741801015816216820146144148301341281264012211410450112988860988472如果我们作一个归一化图像，做归一化的原因是由于地磁场有一个垂直于光线传播方向又垂直于分解地磁场竖直方向的分量，这个分量可能是因为仪器的放置造成的，也可能是竖直地磁场的影响并没有完全消除，因为我们并不能确定仪器的抵消地磁场竖直分量所用的垂直场和地磁场是完全在一条轴上，另外也有可能是测量造成的误差，但是可以确定的是这个分量是一个cos的角度，也就是说归一化以后可以消除

5、这样的一个误差。有图看出，垂直磁感应增加，抽运信号振幅减小。随着水平磁场的磁感应强度越强，则抽运信号的振幅变化就越小。这个现象可以这样做出解释，光源通过四分之一波片后，由线偏振光成为圆偏振光。电场强度E所在平面方向——始终在水平方向——是始终不变的。在这里有一个概念是态迭加原理，这个原理说明任意一个偏振态的光子，能够被表示成两个互相垂直的偏振态的迭加。在本实验中，入射的圆偏振光可以被表示成一个垂直于磁场的方向和一个平行于磁场的方向。其中垂直于磁场方向的部分进行光抽运，而平行的部分则被原子不断吸收，使整个系统增大布居数之差，产生偏极化

6、。由于垂直于磁场方向的圆偏振光分量，和平行分量呈九十度，光子场强指向和原来磁场磁感应强度呈九十度，又因为彼此之间有一个共同的夹角，所以垂直分量和光子电场原来强度的指向的夹角，应该和平行分量与总磁场感应强度的夹角相等。抽运信号强度取决于入射光的强度，而有效部分是水平分量实现光抽运的部分，所以可以推出公式光强I正比于，所以抽运信号振幅随垂直感应强度增加减小，且若水平磁场强度越小，那么抽运信号的幅度随垂直磁感应强度变化越大。由于电流为0.007A，垂直方向磁感应强度为零，我们可以得到不同水平磁场下抽运信号振幅随垂直感应强度的对应关系。竖直

7、场线圈电流/mA竖直场磁感应强度/Gs/rad抽运信号振幅/mV抽运信号相对振幅700011801800.030.2267990.9494381680.933333900.060.4324080.824391480.8222221000.090.6055450.6761260.71100.120.7454190.5399361040.5777781200.150.8567060.428934880.4888891300.160.9453110.342799720.4从中我们得到抽运信号振幅和抽运信号相对振幅的对比下图为磁感应强度为0

8、.13gs时的两者对应关系由图可以看出，在θ小于0.5的时候，两者之间误差并不是很大，吻合地相当好，可见解释是成立的。而在θ大于0.5的时候由于相对振幅归一化后造成数字上的偏差导致了两条线的偏离。特别感谢曹前、张天宁同学以及实验室各位