光泵磁共振實驗報告

1、銣原子的光泵磁共振實驗 學號 姓名： 實驗日期： 指導老師：【摘要】 在本實驗中我們運用光泵磁共振技術，研究了銣原子的光抽運信號和磁共振信號，最終測量得的朗德因子為0.4981，的朗德因子為0.3348，以及地磁場的大小為0.4245GS. 關鍵詞：光抽運、磁共振、超精細結構、塞曼子能級、朗德 因子一、引言：光泵，也稱光抽運，是借助于光輻射獲得原子基態(tài)超精細結構能級或塞曼子能級間粒子數(shù)的非熱平衡分布的實驗方法。光泵磁共振技術實際上是將光抽運技術和射頻或微波磁共振技術相結合的一種實驗技術，它是1955年法國科學家卡斯特勒（A.Kastler）發(fā)明的。在光泵磁共振技術中，一方面光抽運改變了磁能級上

2、的粒子數(shù)分布，使更多的粒子參與磁共振；另一方面采取光探測的方法而不直接測量射頻量子，從而克服了磁共振信號弱的缺點，把探測靈敏度提高了七八個數(shù)量級。如今，光泵磁共振已廣泛應用于基礎物理研究，比如原子的磁矩、能級結構和g因子測量。此外，在原子頻標、激光及弱磁場測量等方面，這一方法也是極為有利的實驗手段。本實驗研究銣原子的光泵磁共振現(xiàn)象，并測量銣原子的朗德g因子和地磁場強度。 二、 原理:實驗研究的對象是Rb原子，其最外層有一個價電子，位于5s能級上，因此其電子軌道角動量量子數(shù)L=0,電子自旋軌道角動量量子數(shù)s=1/2.其總角動量量子數(shù)。所以Rb原子的基態(tài)只有，標記為。5P與基態(tài)5S之間產(chǎn)生的躍遷是

3、銣原子主線系的第一條譜線，譜線為雙線。到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D1線，波長是794.8nm；到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D2線，波長是780.0nm。在核自旋I=0時，原子的價電子經(jīng)L-S耦合后總角動量和原子的總磁矩的關系為 當I不為零時，核磁矩與電子自旋及軌道磁矩相互作用，使能級進一步分裂，產(chǎn)生了超精細結構。則耦合后的總量子數(shù)為，的，它的基態(tài)，具有和兩個狀態(tài)。的，它的基態(tài)，具有和 兩個狀態(tài)。整個原子的總角動量與總磁矩之間的關系可寫為 ： 在外加磁場作用下，超精細能級進一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子數(shù)，即分裂成2F+1個能量間距基本相等的塞曼子能級。相鄰塞曼子能級間的能量差為： 在熱平衡條件下，各能級的

4、粒子數(shù)遵守玻爾茲曼分布，而超精細結構的塞曼子分裂能級相差很小，導致各子能級上的粒子數(shù)基本上可認為是相等的，因此我們采用光抽運的方法，使粒子數(shù)聚集分布在某一能級從而實現(xiàn)偏極化。的態(tài)及態(tài)的磁量子數(shù)最大值都是+2，當入射光是時，由于只能產(chǎn)生 =+1 的躍遷，基態(tài)+2 子能級的粒子不能躍遷，如圖 1示：圖 Error! Main Document Only. （a） 87Rb基態(tài)粒子吸收D1s+光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程；（b）87Rb激發(fā)態(tài)粒子通過自發(fā)輻射返回基態(tài)各子能級。由圖知該圓偏振光能把除+2以外的各子能級上的原子激發(fā)到的相應子能級上，而向下輻射躍遷的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)后+2子能級上的粒子

5、數(shù)就越來越多，這就是光抽運。這時其它能級上的粒子數(shù)已大大減小，若加一個使電子從+2向 =+1躍遷的頻射場，就產(chǎn)生了感應躍遷。這樣，由于產(chǎn)生磁共振，對的吸收增大，故可以通過對的吸收強度的變化判斷是否產(chǎn)生了磁共振，而光的能量遠大于射頻場的能量，這樣就提高了實驗的精度，可以使信號功率提高7-8個數(shù)量級。另外，從非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過程叫弛豫過程,在實驗中為了保持原子分布的偏極化，我們要抑制弛豫過程。三、 實驗：1.實驗裝置如圖 2示：圖 2 光泵磁共振裝置2實驗裝置作用：光源采用高頻無極放電Rb燈，其優(yōu)點是穩(wěn)定性好，噪音小，光強大。由于D2線的存在不利于D1線的光抽運，故用透過率大

6、于60，帶寬小于15nm的干涉濾光片就能很好地濾去D2線。用高碘硫酸奎寧偏振片和40m左右的云母14波片可產(chǎn)生左旋圓偏振光。透鏡L1可將光源發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄?，其焦距常采用f58cm的凸透鏡。透鏡L2將透過樣品泡的平行光會聚到光電接受器上。3.實驗方法：a.將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關。然后接通電源線，按下電源開關。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點亮，實驗裝置進入工作狀態(tài)。b.掃場方式先選擇“方波”，適當調(diào)大掃場幅度。設置掃場方向與地磁場水平分量方向相反,預置垂直場電流為0.,方向與地磁場垂直方向相反然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向（綜合

7、調(diào)節(jié)），使光抽運信號（如圖3）幅度最大。再仔細調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運信號幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場剛好抵消地磁場。圖 Error! Main Document Only. （上）光抽運信號 （下）掃場波形c.保持垂直場的大小和偏振片的位置不變,掃場方式改為“三角波”，打開頻率計，設置射頻頻率為650KHz，在01A的電流范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水平方向的電流，然后觀察共振信號，特別注意在三角波谷和波峰處的共振信號，然后對水平場和掃場信號與地磁場水平方向的不同組合情況下測量四個共振信號所對應的水平場電流值，根據(jù)這些數(shù)值就可以算出銣原子的和地磁場。(測量數(shù)據(jù)如表 1所示)表

8、1 實驗測量數(shù)據(jù)垂直方向電流0.064ARb85Rb87射頻（kHz)掃場水平場較小值（A)較大值（A)較小值（A)較大值（A)650.00 0.146 0.230 0.048 0.133 650.00 0.361 0.445 0.263 0.350 650.00 0.277 0.361 0.179 0.264 4.注意事項a.通常樣品泡的溫度應穩(wěn)定在4060，而銣燈的溫度應控制在90左右，所以要先預熱半小時才可以開始實驗。b.實驗中要用黑布蓋住主體單元，以免其它雜亂信號的干擾。c.掃場的時候要注意過零，否則既觀察不到光抽運信號，也無法調(diào)出圓偏振光，也無法完全抵消垂直方向的地磁場。四、實驗結果

9、分析與討論本實驗用到的參數(shù)：（如表2示）表 2 實驗中的參數(shù)項目名稱水平場掃場垂直場線圈每邊匝數(shù)（N）250250100有效半徑r(m)0.23930.23600.1530實驗具體過程：首先應借助指南針將光具座與地磁場水平分量平行擱置，這樣我們算出來的地磁場才是準確的。接下來將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關。然后接通電源線，按下電源開關。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點亮，實驗裝置進入工作狀態(tài)。掃場方式先選擇“方波”，適當調(diào)大掃場幅度。設置掃場方向與地磁場水平分量方向相反, 這樣才可以使得加在銣原子上面的磁場B出現(xiàn)零點，隨著加入方波信號周期性的變化，這樣就可以反

10、復出現(xiàn)光抽運現(xiàn)象，再通過光電池將光信號轉(zhuǎn)化為電信號將信號輸送至示波器，我們就可以觀測到光抽運信號。（就如圖3所示）預置垂直場電流為0.07,方向與地磁場垂直方向相反。然后我們通過一邊旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，一邊調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向，使光抽運信號幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場剛好抵消地磁場。再仔細調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運信號幅度達到最大。保持垂直場的大小和偏振片的位置不變,掃場方式改為“三角波”，打開頻率計，設置射頻頻率為650KHz，在01A的電流范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水平方向的電流，然后觀察共振信號，特別注意在三角波谷和波峰處的共振信號，然后對水平場和掃場信號與地磁場水

11、平方向的不同組合情況下測量得四個共振信號所對應的水平場電流值。現(xiàn)象：之前調(diào)光抽運信號時，我們已將掃場幅度調(diào)到一個最佳狀態(tài)，所以觀察磁共振信號時掃場幅度保持不變，只要調(diào)節(jié)水平場的電流大小。對于掃場與水平場正或負的不同組合下，測量電流與觀察共振信號時的步驟大致相同。首先將水平電流調(diào)到一個比較大的值使共振信號消失，即在示波器上表現(xiàn)為一條亮線，然后慢慢的調(diào)小水平方向的電流，直至在三角波的一個周期上剛好出現(xiàn)一個共振信號，先出現(xiàn)的是的，此時記錄下電流為I2 ，然后再慢慢調(diào)小電流直至在三角波的一個周期剛好出現(xiàn)兩個共振信號，此時記錄下電流為I1。接著重復述操作步驟，也分別記錄下的兩個電流。分析：由實驗過程可知

12、可以通過下面的計算得到：1.當掃場為正，水平場為正時，總磁場、地磁場、水平場關系如圖 4所示：圖 4 掃場為正，水平場為正的磁場關系圖2.當掃場為正，水平場為負時，總磁場、地磁場、水平場關系如5所示：圖 5 掃場為正，水平場為負的磁場關系圖從上面的關系可以看出 將H換為B，則 計算銣原子的因子：（將兩表格的數(shù)據(jù)代入下面的式子）： =0.9323GS= ： 理論上的的為1/2，的gF因子為1/3，將實驗值和理論值作對比得到實驗誤差為：通過計算可以得到實驗值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)能夠很好吻合，這就為測量朗德g因子提供了一種辦法。實驗中通過垂直方向的線圈消除了地磁場垂直分量帶來的影響。實驗中應注意

13、在主體裝置附近要避開其他鐵磁性物質(zhì)、強電磁場及大功率電源線等，避免其對實驗結果造成誤差。計算地磁場大?。海▽杀砀竦臄?shù)據(jù)代入下面式子） 分析：地磁場對光抽運信號有很大影響，特別是地磁場垂直分量，因此安裝了一對垂直方向的亥姆霍茲線圈以抵消其影響。實驗中通過觀測光抽運信號的大小來判斷是否抵消了地磁場垂直分量，當光抽運信號最大時，消除了垂直分量的影響。實驗中通過測量光抽運信號峰峰值來判斷信號何時最大。但由于示波器掃頻小于光抽運信號變化頻率，故而得到的信號不能穩(wěn)定地在屏幕上顯示，這對光抽運信號的觀測會造成一定影響，對地磁場垂直分量的測量會帶來一定誤差。 B總= =0.4245GS綜上：1. 實驗得到的87Rb的gF=0.4981與理論值的誤差為0.38%2. 實驗得到的的gF=0.3348，與理論值的誤差為0.44%。3. 測得地磁場的水平分量為：0.1972GS,垂直分量：0.3759GS。五、結論：通過本實驗我了解了四種不同的磁共振現(xiàn)象，重點掌握了