光泵磁共振.docx

实验报告课程名称：近代物理实验I 实验项目名称：光泵磁共振 专业： 学号： 姓名： 联系方式： 实验地点： 实验日期： 上交日期： 指导教师： 1.前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte 19021984)提出了光抽运方法。光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。目前此方法，一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子、分子间各种相互作用进行实验研究，另一方面在量子频标，精确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，发展出两种精密仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。实验目的：1加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。2掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。3测定铷()原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子和地磁场强度。2.实验原理2.1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂核自旋I=0时，原子的价电子LS耦合后总角动量与原子总磁矩的关系：其中式中为铷原子精细结构朗德因子。 当I0时，的I=3/2，的I=5/2。设核自旋角动量为，核磁矩为，与耦合成，有。耦合后的总量子数F=I+J， ，I-J。的基态F有两个值F=2及F=1；的基态F有两个值F=3及F=2。由F量子数表征的能级称为超精细结构能级，这是由于核磁矩与电子自旋，轨道磁矩的相互作用，使能级发生分裂而形成的。原子总角动量与总磁矩之间关系：其中式中为铷原子超精细结构的朗德因子。在磁场中原子的超精细能级产生塞曼分裂(弱磁场时为反常塞曼效应)，磁量子数=F，(F-1)，(-F)，即分裂成2F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级，如图4- 1所示。原子各能级能量可由薛定谔方程确定的能量本征值给出。在弱磁场中铷原子的能量算符是：式中为只考虑了耦合作用的哈密顿量，为微扰项，它包括I与J耦合作用能及弱磁场对总磁矩的作用能。当取的方向为坐标轴的Z方向时，由量子理论导出式(4-5)各能级的能量本征值为：玻尔磁子，为普朗克常数，为磁偶极相互作用常数，在中忽略了四极矩及更高极矩的作用能。图（4-1 ）铷原子能级示意图当外场=0时，则塞曼子能级简并为超精细结构能级，其基态(J=1/2,L=0)的两个(即和)超精细结构能级之间的能量差为：的态的=3417.342MHZ, =2, =1，则=2=6834.684MHZ。的态的=1011.911MHZ, =3, =2, 则=3035.733MHZ。 当外磁场0（即弱磁场中）时，相邻的塞曼子能级之间(=1)的能量差可由式(4-6)得：光抽运：在热平衡状态下，各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布，其分布规律为 由于超精细塞曼子能级间的能量差很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的，这样很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象。为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子，造成能级原子数分布偏离热平衡下的玻耳兹曼分布，即使原子能级的粒子数分布产生重大改变，使粒子数在某一能级偏极化。 光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的的作用，当一定频率为的入射光是圆偏振光(如)时，起作用的电场部分，根据光跃迁的选择定则，当入射光为左旋圆偏振时，选择定则为:=1;=1,0;= 图（4-2）(a)基态粒子吸收的受激跃迁，=+2的粒子跃迁概率为零(b)激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级当入射光为(的角动量为+h)时，只能产生=+1的跃迁，故光只能把基态中除=+2以外各子能级上的原子激发到的相应子能级上，如图4- 2(a)所示。当原子经历无辐射跃迁过程从回到时，则粒子返回基态各子能级的概率相等。如图4- 2(b)所示,这样经过若干循环之后，基态=+2能级上粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态的=+2的子能级上，这就是光抽运效应。同理，用光照射，将大量粒子“抽运”到基态的=-2的子能级上。和对光抽运有反作用，因此当入射光为线偏振光(例如光，由等量和的混合)时，铷原子对光有强烈的吸收，但无光抽运效应。当入射光为椭园偏振光(不等量和的混合)时，光抽运效应较园偏振光小；同理，对于铷若用光照射，粒子将会“抽运”到=+3的子能级上。把系统由非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。在实验过程中，实验装置上采用了下列办法：1在铷Rb吸收泡内充有1333Pa的缓冲氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，可以减弱与容器壁以及与其他的原子的碰撞机率，有利于加快粒子的抽运过程。2对铷样品泡选择最佳的温度控制在40-60之间。因为温度太高，气态铷原子密度增大，会增加与容器壁以及与其他的原子的碰撞机率，但如果温度太低，铷蒸气原子数会不足，引起信号幅度变小，因为的溶点为38.89。图4-3 磁矩的拉摩进动3.在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻尔兹曼分布造成的塞曼子能级之间的粒子差数大几个数量级。但为了观察抽运信号，我们要把弛豫过程表现出来，就是使外磁场过零时，塞曼子能级简并，这样使原子系统的偏极化减弱。原子具有总角动量及总磁矩，在外磁场的作用下，将发生量子取向，能级发生塞曼分裂，另一方面也可看成各种取向的将绕作不同锥角的拉摩进动，如图（4-3）所示，拉摩进动的频率为，如果在垂直于恒定磁场的方向加一个频率为的射频场，此射频场可分解为一个左旋圆偏振磁场与一个右旋圆偏振磁场，当满足共振条件：=塞曼子能级之间将产生磁共振。磁共振时，被抽运到(对于)子能级上的大量粒子，由于射频场的作用而发生感应跃迁，选择定则为= 1，即由跃迁到=+1(当然也有=+1 ，=0)，同时由于抽运光的存在，处于基态非子能级上的粒子又将被抽运到=+2子能级上。感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡。在产生磁共振时，+2各子能级上的粒子数大于不共振时，因此对光的吸收增大。图4-4显示磁共振过程塞曼子能级粒子的变化。图4-4 磁共振过程塞曼能级粒子数的变化(a)未发生磁共振时，=+2能级上的粒子数多(b) 发生磁共振时，=+2能级上的粒子数减少光吸收增加塞曼子能级间的磁共振信号是很弱的，但光磁共振观测中巧妙地采用了光检测技术。射到样品上的光一方面起光抽运作用，另一方面透过样品的光兼作探测光。探测样品的透射光在发生磁共振时的光强的变化，这相当于将一个频率低的射频光子（其能量为，约0.1MHz至10MHz）的变化转变为一个频率高的光频光子（MHz，即对光吸收）的变化，这使信号功率提高了78个数量级，从而使检测灵敏度大为提高。3、实验器材本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，如图4- 5所示。主体单元：是该实验装置的核心，如图4-6所示，其主要由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。图4-7是主体单元示意图。铷样品泡：天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约为52mm的玻璃泡内。该铷泡两側对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。这个铷样品泡铷样品泡和射频磁场都置于园柱形恒温槽内，称为“吸收池”。槽内温度约在55左右(当池温在4045之间，信号有最大值；当池温在5055之间，信号有最大值)。吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。铷光谱灯作为抽运光源。光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两透镜焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上。干涉滤光镜(装在铷光谱灯的口上)从铷光谱中选出光。偏振片和1/4波片(和准直透镜装在一起)使光成为左旋园偏振光。此左旋园偏振光对基态超精细塞曼能级有不同的跃迁几率，可以在这些能级间造成较大的粒子数偏差。当加上某一频率的射频磁场时，将产生“光磁双共振”。在共振区的光强由于铷原子的吸收而减弱。通过调场法，可以从终端的光电探测器上得到这个信号，经放大可以从示波器上显示出来。图4-5 光磁共振实验装置方框图(1)滑轨 (2)铷光谱灯 (3)准直透镜(偏振片、1/4波片) (4)吸收池(5)垂直线圈 (6)水平线圈 (7)聚光镜 (8)光电探测器 (9)地脚 (10)滑块图4-6 主体单元铷光谱灯：是一种高频气体放电灯，它由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。铷灯泡放置在高频振荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在90左右。高频振荡器频率约为65MHZ。光电探测器：用来接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号，接收部分采用硅光电池，其放大器倍数大于100。在精确测量时，为避免吸收池加热丝产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源。电源：电源为主体单元提供三组直流电源，第路是01A可调稳流电源，为水平磁场提供电流，第路是00.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。第路是24V/2A稳压电源，为控温电路，扫场提供工作电压。电源有两个数字表头，分别指示水平场，垂直场的电流大小。有电源开关及水平磁场调节与垂直磁场调节的电位器旋钮。其前、后面版见说明书。图4- 7 主体单元示意图辅助源：辅助源为主题单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。并设“外接扫描”插座，可接SBR-1型示波器的扫描输出，将其锯齿扫描经电阻分压及电流放大，作为扫场信号，辅助源与主体单元由24线电缆连接。辅助源上设有水平场、垂直场和扫场的方向控制开关。铷光谱灯和吸收池的控温指示，有方波、三角波选择开关，扫场幅度调节器。如果要用示波器的锯齿扫描场调制，则可用Q9电缆将示波器的“扫描输出”联接至辅助源后面版的“外接扫描”。并把扫描开关置于“外”位置。“内、外”转换开关在后面版上。其前、后面版见说明书。射频信号发生器：本实验装置中的射频信号发生器使用频率范围为10KHz3MHz频段，频率可调，输出功率在50W负载上不小于0.5W，并且输出幅度可调节。示波器：采用的示波器是一种双通道示波器，用来观看扫描磁场及光电探测器接收的透射光强的变化。4、注意事项1在实验过程中应注意区分、的共振谱线，当水平磁场不变时，频率高的为共振谱线，频率低的为的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为的共振谱线，水平磁场小的为的共振谱线。2在精确测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源。3为避免光线(特别是灯光的50H2)影响信号幅度及线型，必要时主体单元应当罩上遮光罩。4在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其它带有铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。5“外接扫描”是以SB-l型示波器“扫描输出”电压为参考的。5、实验数据、实验数据处理、计算结果和估算不确定度等。：磁场电流(A)磁场强度（T）谷点频率（kHZ）0.0177.945E-06432.73 0.0612.851E-05562.48 0.1115.188E-05724.40 0.1647.664E-05909.09 0.2129.908E-051066.20 0.2591.210E-041224.40 0.3041.421E-041378.30 0.3541.654E-041519.00 0.3921.832E-041641.20 0.4322.019E-041787.70 0.4782.234E-041940.90 0.5242.449E-042095.90 ：磁场电流A磁场强度（T）谷点频率(kHZ)0.300 1.402E-04904.62 0.243 1.136E-04777.52 0.202 9.440E-05682.67 0.375 1.753E-041062.50 0.449 2.098E-041229.30 0.507 2.369E-041354.10 0.576 2.692E-041507.70 0.627 2.930E-041624.80 0.693 3.239E-041771.50 2.测量地磁场V1(KHZ)690.43871.781053.51237.114371600V2(KHZ)352.69532.2715.13902.151098.91267.9V1-V2337.74339.58338.37334.95338.1332.1平行磁场强度B(T)2.40520E-052.41830E-052.40969E-052.38533E-052.40776E-052.36504E-05而在垂直方向上，垂直场线圈电流为I=0.06A，由此可计算地磁场的垂直分量：故总地磁场磁场大小估计值为：地磁场方向同水平面的夹角为：，6、分析实验结果、不确定度的来源、谈谈心得和改进方法。1.由于波形较宽，杂波的干扰。用肉眼判断是否是共振时的波形，有一定的误差。2.当磁场较小时，和共振频率较为接近，会互为干扰。使判断是否共振造成较大误差。3.在实验开始时的调节会有误差，通过机械的方法很难将器件较精确的与水平场平行放置4.测量地磁场垂直分量大小时误差较大，要控制很多变量使抽运信号最明显，误差会较大7、选择题1、光泵磁共振实验中，射频线圈产生的射频场与弱磁场的方向（ C ）A、 平行B、 成30角C、 垂直D、 成任意角度2、在光泵磁共振实验中，测定85Rb和87Rb基态的值时，只需测得共振时的CA、 共振频率B、 合外磁场C、 合外磁场和共振频率 D、 射频线圈产生的射频场和共振频率3、光泵磁共振实验中，样品放置于恒温室中，其温度范围为（ A ）A、 4060B、 7090 C、 大于100D、 低于1004、原子失去偏极化的主要原因是（ A ）A、 铷原子温度过高B、 铷原子间的碰撞 C、 铷原子与器壁碰撞 D、 缓冲气体影响5、F量子数表征的能级为（ D ）A、 精细结构能级 B、 塞曼能级C、 激发态能级D、 超精细能级6、若L=0，S=1/2，考虑LS耦合J为（ C ）A、 1B、 3/2C、 1/2D、 07、对87Rb的光抽运效应是将87Rb原子抽运到基态的某一可能能级上，该能级的磁量子数mF为（ B ）A、 +1B、 +2 C、 +3 D、 +48、光磁共振的条件为 BA、B、 C、 D、 9、光泵磁共振实验中所用的入射光为（A ）A、 左旋圆偏振光D1光 B、 右旋圆偏振光D2光 C、 光 D、 椭圆偏振光8、多选题1、考虑铷原子核自旋角动量PI与电子总动量PJ耦合后的总量子数为F，的基态I=3/2，J=1/2，则F值为 BCA、 0 B、 1 C、 2 D、 3 E、 4 2、原子失去偏极化的原因（ BCD）A、 外加磁场的影响 B、 铷原子之间的碰撞 C、 样品温度过高 D、 铷原子与器壁碰撞 E、 地磁场影响3、以下说法正确的是（ AC ）A、 当合外磁场不变时，频率高的为87Rb的共振谱线B、 当合外磁场不变时，频率高的为85Rb的共振谱线C、 当射频频率不变时，合外磁场大的为85Rb的共振谱线D、 当射频频率不变时，合外磁场大的为87Rb的共振谱线E、 87Rb和85Rb的共振谱线一致。9、思考题(1)何谓光磁共振?它研究的对象是什么?通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布.而这时若加一个射频场使其发生磁共振,则会减弱这种偏极化,与光抽运达到动态平衡,增加对圆偏振光的吸收,即发生光磁共振.(2)何谓光抽运?光抽运的目的是什么?通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布,这个过程就是光抽运,目的就是是粒子数在某一能级上出现偏极化.(3) 怎样实现塞曼子能级间的磁共振?在垂直于恒定磁场的方向加一个频率为的射频场，此射频场可分解为一个左旋圆偏振磁场与一个右旋圆偏振磁场，当满足共振条件： 时就能发生塞曼子能级之间的磁共振(4) 描述光磁共振的实验装置,指出各个部件所起的作用是什么?铷样品泡：天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约为52mm的玻璃泡内。 铷光谱灯：是一种高频气体放电灯，它由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。 光电探测器：用来接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号，接收部分采用硅光 电池，其放大器倍数大于100。 电源：电源为主体单元提供三组直流电源，第路是01A可调稳流电源，为水平磁 场提供电流，第路是00.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。第路是24V/2A稳压电源，为控温电路，扫场提供工作电压。 辅助源：辅助源为主题单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。 射频信号发生器：本实验装置中的射频信号发生器使用频率范围为10KHz3MHz频段， 频率可调，输出功率在50W负载上不小于0.5W，并且输出幅度可调节。 示波器：采用的示波器是一种双通道示波器，用来观看扫描磁场及光电探测器接收的 透射光强的变化。(5)使用周期性的“扫描场”有什么好处?能更简单的找出共振信号，且不影响实验结果(6) 铷原子塞曼子能级间的磁共振信号是什么方法检测的？通过光检测，因为是发生了光磁共振，检测磁共振信号跟检测光信号都是可