铷原子的光泵磁共振

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1、铷原子的光泵磁共振王舒涵201311141005日期：2015年9月24日指导教师：熊俊【摘要】本实验结合光抽运和磁共振两种技术，将难以精确测量的射频信号转换为具有更高频率的光频信号，需掌握光抽运、磁共振、光检测的思想和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振，同时测定铷同位素87Rb和85Rb的因子以及地磁场的大小。实验中改变扫场、水平磁场和垂直磁场的大小，通过示波器观察了光抽运信号以及光泵磁共振信号，论证了光抽运和光泵磁共振理论，测得了铷同位素87Rb和85Rb的因子以及地磁场的大小。【关键词】铷原子、光抽运、光泵磁共振、光探测、磁场一、引言：光磁共振技术

2、既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于射频或微波波段。此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以对于那些磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)很难探测。本实验是在实验室中借助仪器简单地模拟、

3、还原及验证光泵磁共振技术，利用该技术测得铷同位素87Rb和85Rb的因子以及地磁场大小，意义在于在实验中更好地理解和验证光泵磁共振的理论原理，同时体会“利用光探测获得磁共振信号”这种转换思维方式的好处。二、实验原理：1、Rb原子基态及最低激发态的能级Rb是碱金属原子，最外层有一个价电子，基态时位于5s能级上，其轨道角动量量子数L=0,自旋角动量量子数为S=1/2，考虑L-S耦合后，其总角动量J=1/2，记作52S1/2，其最近激发态为52P1/2和52P3/2。电子由5p跃迁到5s所产生的光辐射是Rb原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb灯光谱中特别高，其中52P

4、1/2到52S1/2跃迁产生的谱线称为D1线，波长794.8nm，52P3/2到52S1/2跃迁产生的谱线称为D2线，波长780.0nm。在核自旋量子数I=0时，原子的价电子经L-S耦合后总角动量与原子总磁矩关系为但当I≠0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。由量子数F标定原子的超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μF之间的关系为在弱磁场中原子的超精细结构产生反常塞曼分裂，磁量子数mF=F，F-1……，-F，会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级，如图1所示(a)87RbI=3/2(b)85RbI=5/2图1铷原子能级分裂弱磁场条件下，通过解Rb原子的定态薛定

5、谔方程，可得其能量本征值为其中为波尔磁子，为磁偶极相互作用常数，所以基态52S1/2的相邻塞曼子能级之间的能量差为EmF=gFBB02、圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应跃迁时，原子和光子的总能量和总动量守恒。能量守恒要求能级差为hv。选择定则：L=+1or-1；F=0or+1or-1；mF=+1用Rb光谱D1线激发Rb原子时，对于87Rb,只有mF=+2上的粒子不能被激发至52P1/2态(因为没有mF=+3子能级)。粒子经过自发辐射和无辐射跃迁返回基态各能级的几率大致相等，若干循环之后，mF=+2子能级上的粒子数大大增加，即光抽运效应。各子能级上粒子数的这种不均匀

6、分布叫做“偏极化”，过程如图2所示。右旋偏振光光抽运具有相反的作用，即将粒子抽运到mF=-2子能级上。对于85Rb则是将粒子抽运至mF=+3子能级上。图2（a）87Rb基态粒子吸收D1光子跃迁到激发态的过程（b）87Rb激发态粒子通过自发辐射返回基态各子能级3、弛豫过程热平衡时，粒子满足Boltzman分布，而光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统处于非热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。Rb系统中几个主要弛豫过程有：（1）Rb原子与容器器壁的碰撞（主要原因）（2）Rb原子之间的碰撞（3）Rb原子与缓冲气体之间的碰撞4、

7、塞曼能级之间的磁共振在垂直于恒定磁场的方向加一圆频率为的线偏振射频场，当>0时，起作用的是右旋圆偏振磁场。当满足共振条件：塞曼子能级间将产生磁共振，大量粒子由mF=+2子能级跃迁到mF=+1子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡。由于mF≠+2的各子能级上粒子数比未共振时多，因此对于D1的光的吸收会增大，因此测量其透过样品后的光强度变化就可以得到相关的磁共振信号，实现对磁共振的光探测。并可使对信号功率探测的探测灵敏度提高7~8个量级。三、实验内容1、实验装置：光源采用高频无极放电Rb灯，透过率大于60％，带宽小于15nm的干涉滤光片就能很好