铷原子的光泵磁共振 实验报告

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1、铷原子的光泵磁共振田卫芳201411142023（北京师范大学物理系2014级）指导教师：何琛娟实验时间：2016.11.24摘要本实验主要研究了铷原子的光泵磁共振现象，首先通过改变垂直场，消除地磁场垂直分量的影响；改变水平场，观察光抽运信号，同时计算地磁场的大小；8785利用扫场法观察磁共振信号，计算Rb和Rb的gF因子的大小，与理论值比较。关键词铷原子、超精细结构、塞曼能级分裂、光抽运、磁共振、1.引言在磁场中，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

2、振信号很微弱的样品(比如气体样品)很难探测。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不直接测量射频量子，克服了磁共振信号弱的缺点，大大提高了探测灵敏度。本实验研究铷原子（Rb）的光泵磁共振现象，并测量Rb的朗德因子。天然8587铷有两种同位素:丰度为72．15％的Rb，丰度为27．85％的Rb。2.实验原理2.1Rb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，

3、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222量J=1/2，记作5S1/2，其最近激发态为5P1/2和5P3/2。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222中特别高，其中5P1/2到5S1/2跃迁产生的谱线称为D1线，波长794.8nm，5P3/22到5S1/2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P与原子总J磁矩关系为JegPJJJ2meJJ(1)L(L1)S(S1)g1J2(J1)J

4、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egPFFF2meF(F1)(J1)JI(I1)ggFJ2(F1)F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2-1所示图2-1铷原子能级图弱磁场条件下，通过解Rb原子的定态薛定谔方程，可得其能量本征值为abEE[F(F1)J(J1)I(I1)]gmB00FFB22其中为玻尔磁子，a为磁偶极相互作用常数，基态5S1/2的相邻塞曼子能级之B间的能量

5、差为∆???=?????02.2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=±1；∆F=0,±1；∆??=+187用Rb光谱D1线激发Rb原子时，对于Rb,只有mF=+2上的粒子不能被激发至25P1/2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分布叫做“偏极化”，过程如图2-2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。85对于Rb则是将粒子抽运至

6、mF=+3子能级上。87图2-2（a）Rb基态粒子吸收D1光子跃迁到激发态的过程87（b）Rb激发态粒子通过自发辐射返回基态各子能级2.3弛豫过程热平衡时，基态各子能级粒子数满足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）铷原子与容器壁的碰撞：导致子能级的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。（2）铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。（3）铷原子与缓冲气体之间的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小（如氮气），碰撞对铷原子磁能态扰动极小，对原子

7、的偏极化基本没有影响2.4塞曼子能级之间的磁共振在垂直于恒定磁场B的方向加一圆频率为?1的线偏振射频场B，当g>001F时，起作用的是右旋圆偏振磁场。当?1满足共振条件：h?1=∆???=?????0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D1的光的吸收会增大。2.5光探测射到样品上的?