光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.薅肂羂蒅蒁肁肄羋袀肁芆薄螆肀荿莆螞聿肈薂薈蚅膁蒞蒄蚅芃薀螃螄羃莃蠆螃肅蕿薅螂膇莁薁螁莀膄衿螀聿蒀螅蝿膂節(jié)蟻蝿芄蒈薇螈羃芁蒃袇肆蒆螂袆膈艿蚈裊莀蒄蚄襖肀莇薀袃膂薃蒆袃芅莆螄袂羄薁蝕袁肇莄薆羀腿蕿蒂罿芁莂螁羈羈膅螇羇膃蒀蚃羇芆芃蕿羆羅葿蒅羅肈節(jié)螃羄膀蕆蠆肅節(jié)芀薅肂羂蒅蒁肁肄羋袀肁芆薄螆肀荿莆螞聿肈薂薈蚅膁蒞蒄蚅芃薀螃螄羃莃蠆螃肅蕿薅螂膇莁薁螁莀膄衿螀聿蒀螅蝿膂節(jié)蟻蝿芄蒈薇螈羃芁蒃袇肆蒆螂袆膈艿蚈裊莀蒄蚄襖肀莇薀袃膂薃蒆袃芅莆螄袂羄薁蝕袁肇莄薆羀腿蕿蒂罿芁莂螁羈羈膅螇羇膃蒀蚃羇芆芃蕿羆羅葿蒅羅肈節(jié)螃羄膀蕆蠆肅節(jié)芀薅肂羂蒅蒁肁肄羋袀肁芆薄螆肀荿莆螞聿肈薂薈蚅膁蒞蒄蚅芃薀螃螄羃莃蠆螃肅蕿薅螂膇莁薁螁莀

2、膄衿螀聿蒀螅蝿膂節(jié)蟻蝿芄蒈薇螈羃芁蒃袇肆蒆螂袆膈艿蚈裊莀蒄蚄襖肀莇薀袃膂薃蒆袃芅莆螄袂羄薁蝕袁肇莄薆羀腿蕿蒂罿芁莂螁羈羈膅螇羇膃蒀蚃羇芆芃蕿羆羅葿蒅羅肈節(jié)螃羄膀蕆蠆肅節(jié)芀薅肂羂蒅蒁肁肄羋袀肁芆薄螆肀荿莆螞聿肈薂薈蚅膁蒞蒄蚅芃薀螃螄羃莃蠆螃肅蕿薅螂膇莁薁螁莀膄衿螀聿蒀螅蝿膂節(jié)蟻蝿芄蒈薇螈羃芁蒃袇肆蒆螂袆膈艿蚈裊莀蒄蚄襖肀莇薀袃膂薃蒆袃芅莆螄袂羄薁蝕袁肇莄薆羀腿蕿蒂罿芁莂螁羈羈膅螇羇膃蒀蚃羇芆芃蕿羆羅 6-2 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告 by 物理學(xué)院 00904149 劉纊實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012-3-15實(shí)驗(yàn)儀器：TDS2002示波器，光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置，DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置電源及輔助源，YB1631

3、功率函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解原子的能級(jí)、精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、塞曼能級(jí)分裂2. 了解光抽運(yùn)現(xiàn)象的原理和應(yīng)用3. 學(xué)會(huì)利用光抽運(yùn)現(xiàn)象來(lái)研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)的磁共振實(shí)驗(yàn)原理：銣?zhǔn)且粌r(jià)堿金屬，其原子基態(tài)是5S1/2，即軌道角動(dòng)量量子數(shù)L=0，自旋S=1/2，軌道角動(dòng)量與自旋耦合后的電子總角動(dòng)量為J=1/2。其最低激發(fā)態(tài)是5P1/2 和5P3/2 雙重態(tài)，是由LS耦合產(chǎn)生的，J分別為1/2與3/2。在5P和5S之間的躍遷為銣原子的第一條線(xiàn)，是雙線(xiàn)，前者到5S1/2為D1，后者到5S1/2為D2。再考慮到電子總角動(dòng)量（量子數(shù)為J）與原子核自旋（量子數(shù)為I）的耦合作用之后，原子總角動(dòng)量

4、的量子數(shù)F=I+J，I+J-1，I-J。故而85Rb的基態(tài)有F=3及F=2，87Rb的基態(tài)有F=2及F=1。由F量子數(shù)表征的能級(jí)稱(chēng)之為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)。原子總角動(dòng)量PF與總磁矩F之間的關(guān)系為： F=-gFe2mPF gF=gJFF+1+JJ+1-I(I+1)2F(F+1)其中 gJ=1+JJ+1-LL+1+S(S+1)2J(J+1) 在磁場(chǎng)B0中原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂，磁量子數(shù)mF=F,F-1,-F. 即分裂成2F+1個(gè)能量間隔基本相等的塞曼子能級(jí)。相鄰塞曼子能級(jí)之間（mF=±1）的能量差為： EmF=gFBB0在實(shí)驗(yàn)中，我們用頻率為的光來(lái)對(duì)原子進(jìn)行激發(fā)時(shí)，滿(mǎn)足h=E 時(shí)即發(fā)

5、生光吸收，且原子躍遷滿(mǎn)足選擇定則:L=±1; F=±1,0; mF=+1 （入射光為+）0 （入射光為）-1 （入射光為-）所以，當(dāng)入射光為左旋圓偏振時(shí)，原子只能發(fā)生磁量子數(shù)改變?yōu)?1的躍遷，當(dāng)使用D1+時(shí)，則基態(tài)處于mF=+2的粒子躍遷概率為零，而由激發(fā)態(tài)退激發(fā)回基態(tài)的粒子返回基態(tài)各子能級(jí)的概率是相等的，這樣經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)之后，基態(tài)mF=+2的子能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加，相當(dāng)于大量粒子被抽運(yùn)上去，此即為光抽運(yùn)效應(yīng)。在垂直于B0的方向上加一圓頻率為1的射頻場(chǎng)B1，當(dāng)滿(mǎn)足共振條件h1/2=EmF=gFBB0時(shí)，塞曼子能級(jí)之間發(fā)生磁共振。即由于射頻場(chǎng)而發(fā)生感應(yīng)躍遷，主要表現(xiàn)為

6、mF=+2上的原子躍遷到mF=+1，此過(guò)程與之前所述的光抽運(yùn)效應(yīng)達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)由于處于mF=+2之外能級(jí)上的粒子增多，遂導(dǎo)致對(duì)D1+光的吸收增大。實(shí)驗(yàn)步驟及對(duì)即時(shí)數(shù)據(jù)的初步處理：1. 不加水平場(chǎng)只加方波掃場(chǎng)，觀(guān)測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)，測(cè)得弛豫時(shí)間為9ms。2. 87Rb和85Rb的g因子測(cè)量。原理公式為：gF=/BB/h，可改寫(xiě)成：=BgFhB，而B(niǎo)=B平行+BS+Be，第一項(xiàng)為所加水平場(chǎng)，第二項(xiàng)為水平掃場(chǎng)，第三項(xiàng)為地磁場(chǎng)的水平分量。方法一：使射頻場(chǎng)頻率從800kHz到1200kHz之間變化，每次變化50kHz。每取定一個(gè)頻率值時(shí)，改變水平場(chǎng)的大小直至觀(guān)測(cè)到共振信號(hào)（每個(gè)頻率值下有兩次共振峰出現(xiàn)，先

7、出現(xiàn)的為87Rb，后出現(xiàn)的為85Rb），即光吸收加強(qiáng)的信號(hào)。記錄此時(shí)產(chǎn)生水平場(chǎng)的線(xiàn)圈中的電流值。由上述改寫(xiě)成的公式，通過(guò)線(xiàn)性擬合分別計(jì)算出87Rb和85Rb的gF值，并和理論計(jì)算結(jié)果相比較。由線(xiàn)圈電流計(jì)算磁場(chǎng)的公式：B=(16/53/2)(NI/r)*10-3G水平線(xiàn)圈N=250，r=0.2366m即時(shí)記錄數(shù)據(jù)如下：/kHzI(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G8000.1410.6700.2621.248500.1550.7360.2841.359000.1710.8120.3071.469500.1870.8880.3301.5710000.2010.9550.3531.6810

8、500.2161.030.3761.7911000.2311.100.3971.8811500.2461.170.4202.0012000.2611.240.4422.10 方法二：取定射頻場(chǎng)頻率=1000kHz，可測(cè)得一組數(shù)據(jù)，包括兩種同位素發(fā)生共振時(shí)的水平場(chǎng)電流，可計(jì)算得相應(yīng)的所加水平磁場(chǎng)。之后利用公式I(87Rb)=0.204A，I(85Rb)=0.355A，=BgFh（B平行+BS+Be），將水平場(chǎng)反向，則公式變成=BgFh（B平行-BS-Be）。二者相加則得到：2=BgFh（B平行正+B平行反）。即時(shí)數(shù)據(jù)如下：未反向I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.2040.969

9、0.3551.69反向后I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.4061.930.5572.653. 地磁場(chǎng)水平分量的測(cè)量。方法與上面的方法二類(lèi)似，只不過(guò)在磁場(chǎng)改變方向時(shí)將水平場(chǎng)與掃場(chǎng)均變向，則公式成為：=BgFh（B平行+BS-Be），與原公式相減，由于水平掃場(chǎng)大小不發(fā)生改變，故有：B平行=2Be。初始數(shù)據(jù)如下：未反向I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.3351.590.4862.31反向后I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.4051.920.5552.64實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1.光抽運(yùn)過(guò)程的弛豫時(shí)間為9ms。2.對(duì)gF的測(cè)量計(jì)算方法一：由表格中數(shù)據(jù)擬合得到

10、對(duì)于B平行的線(xiàn)性關(guān)系為：對(duì)于87Rb，=697.6B平行（G）+333.4（kHz）對(duì)于85Rb，=465.0B平行（G）+221.5（kHz）且B/h=1.3996MHz/G=1399.6kHz/G 則：對(duì)于87Rb，計(jì)算得gF=0.498，理論值為1/2；對(duì)于85Rb，計(jì)算得gF=0.332，理論值為1/3。方法二：由所推導(dǎo)公式得：對(duì)于87Rb，gF=0.493； 對(duì)于85Rb，gF=0.330。3.對(duì)地磁場(chǎng)水平分量的測(cè)量計(jì)算：對(duì)于87Rb，B平行=0.333G；對(duì)于85Rb，B平行=0.328G故B平行=0.330G，故Be=0.165G。思考：1. 如果不用一個(gè)垂直磁場(chǎng)來(lái)抵消地磁場(chǎng)的垂

11、直分量的話(huà)，由于垂直方向存在磁場(chǎng)，故圓偏振光進(jìn)入與原子作用的區(qū)域之后由于感應(yīng)到垂直方向的磁場(chǎng)成為橢圓偏振光，可分解為一個(gè)左旋圓偏振與一個(gè)右旋圓偏振。其中右旋光的作用是把原子抽運(yùn)到mF=-2的能級(jí)上，影響原子的偏極化，使光吸收信號(hào)一直較強(qiáng)，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)信號(hào)的觀(guān)測(cè)。由于與磁共振過(guò)程相伴隨的有對(duì)光吸收強(qiáng)度的變化，故光抽運(yùn)探測(cè)磁共振將一個(gè)直接測(cè)量下的低頻射頻光子（110MHz）轉(zhuǎn)換為一個(gè)光頻光子（108MHz），使得信號(hào)功率提高了78個(gè)數(shù)量級(jí)。 薅薁膁芄莈羀膀莆蚃袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆芇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈螄袂莇蒁蝕袁葿螇罿袀腿蕿裊衿芁螅螁袈莄薈蚇羈蒆莁羆羇膆薆袂羆羋荿袇羅蒀薄螃羄膀蕆蠆羃節(jié)蚃羈羂蒞蒅襖羂蕆蟻螀肁膆蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂羈肈膁螇袇肇芃薀螃肆蒞螆蠆肆蒈蕿羇肅膇莁袃膄芀薇蝿膃莂莀蚅膂肂薅薁膁芄莈羀膀莆蚃袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆芇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈螄袂莇蒁蝕袁葿螇罿袀腿蕿裊衿芁螅螁袈莄薈蚇羈蒆莁羆羇膆薆袂羆羋荿袇羅蒀薄螃羄膀蕆蠆羃節(jié)蚃羈羂蒞蒅襖羂蕆蟻螀肁膆蒄蚆肀艿蠆薂聿莁蒂羈肈膁螇袇肇芃薀螃肆蒞螆蠆肆蒈蕿羇肅膇莁袃膄芀薇蝿膃莂莀蚅膂肂薅薁膁芄莈羀膀莆蚃袆膀葿蒆螂腿膈螞蚈膈芀蒅羆芇莃蝕袂芆蒅蒃螈芅膅蚈螄袂莇蒁蝕袁葿螇罿袀腿蕿裊衿芁螅螁袈莄薈蚇羈蒆莁羆羇