近代物理实验论文--光泵磁共振实验及地磁场的测量

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1、扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。Inthisexperiment,weadjustthehorizo

2、ntalmagneticfield,theverticalmagneticfieldandsweepingfieldobservedthepumpingsignalandopticalpumpmagneticresonancephenomenon.Bymeasuringthelevelofthecurrentvalueofthemagneticfieldandcalculatetherubidiumlandfactorg.Atthesametimethroughthegeomagneticfieldlevelcomponenttothetotalmag

3、neticfieldandsweepingfield,therelationshipbetweensizetocalculatethehorizontalcomponentofthegeomagneticfield.PutthedevicedeterminesthestrongestresonancesignalwhenPLDalongthehorizontaldirection,thustomeasurethesizeoftheverticalcomponentofgeomagneticfield,soastohavethesizeanddirect

4、ionofthemagneticfield.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有

5、两种同位素：85Rb（丰度为72.15%）、87Rb（丰度为27.85%）。二、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，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85%和85Rb，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。图1Rb原子精细结构的形成在L—S耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，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，如图1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外电子

6、的总磁矩为式中是朗德因子，me是电子质量，e是电子电量。　　原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量，用符号表示，其量子数用F表示，则与此角动量相关的原子总磁矩为是对应于与关系的朗德因子。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其中称为玻尔磁子，是在外场方向上分量的量子数，共有2F＋1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随变化，原来对简并的能级发生分裂，称为超精细结构，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　再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，

7、85Rb的核自旋，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。图2原子能级超精细分裂Error!Nobookmarknamegiven.原子在磁场中的超精细分裂情况如图2所示。由于实验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。2．光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1σ+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是（1）从常温对应的能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都

8、是很小的，根据玻尔兹曼分布由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由5