光泵磁共振实验报告.doc

近代物理实验题目 光泵磁共振（设计性） 班级 09物理 学号 09072053 姓名 张泽民 指导教师 邱桂明 汕 头 大 学 实 验 报 告实验名称 光泵磁共振（设计性） 班 级 09物理 姓名 张泽民 学号 09072053同 组 人 无 实验日期 12/4/13 室温 气温 光泵磁共振（设计性）【实验目的】1观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。2观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。3学会利用光磁共振的方法测量地磁场。【实验原理】一铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占7215%。它们的基态都是52S1/2。图B4-1 Rb原子精细结构的形成在LS耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。通过LS耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外电子的总磁矩为 （B4-1）式中 （B4-2）是著名的朗德因子，me是电子质量，e是电子电量。原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量，用符号 表示，其量子数用F表示，则 （B4-3） 与此角动量相关的原子总磁矩为 （B4-4） 式中 （B4-5）是对应于与关系的朗德因子。在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量 （B4-6）其中称为玻尔磁子，是在外场方向上分量的量子数，共有2F1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随变化，原来对简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F能级分裂成2F1个子能级，相邻的子能级的能量差为 （B4-7）再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。 图B4-2 原子能级超精细分裂 Error! No bookmark name given.Error! No bookmark name given. 原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2所示。由于实验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。二光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是（1）从常温对应的能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔兹曼分布 （B4-8）由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。（2）如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1+光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。处于磁场环境中的铷原子对D1+光的吸收遵守如下的选择定则 ； 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图B4-3所示。图B4-3 87Rb原子对D1+光的吸收和退激跃迁可以看到，跃迁选择定则是 ； 跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P这样的过程就会持续下去。这样，5S态中子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1+光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，这时光强测量值不再发生变化。通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有D1+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象（偏极化）。在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率，使之满足 （B4-9）这时将出现“射频受激辐射”，光吸收过程重又开始，光强测量值又降低。跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。在加入了周期性的“扫场”磁场以后，总磁场为Btotal=BDC+BS+ （B4-10）其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变。BS 是周期性的“扫场”磁场，也是水平方向的。地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场所抵消。当光磁共振发生时，满足量子条件 （B4-11）通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共振信号。调节直流电流线圈所产生的磁场，又可以看到共振信号，并调到如图B4-7所示的状态，记下此时的，则有如下的量子条件成立 （B4-12）由（B4-11）、（B4-12）式得 （B4-13）直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和I来计算（亥姆霍兹线圈公式） （T） （B4-14）式中N和是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的值是流过两个线圈的电流之和。图B4-7 光磁共振信号图像以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在87Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF因子。要注意，gF因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F的值有关。不难看出，这里测量的是87Rb的5S态中F=2的gF因子，而对于85Rb来讲，测量的是F=3的gF因子。两种原子的gF因子之比为 （B4-15）上式为判断共振信号是哪一种原子引起的提供了依据。三利用光磁共振测量地磁场的水平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量的值，这为光磁共振提供了另一个应用。方法如下：在测量出gF因子之后，在（B4-11）式的基础上，同时将BDC和BS倒向，调节BDC，出现如图B4-8所示的信号，则有如下量子条件成立 （B4-16）由（B4-11）式加（B4-16）式得= （B4-17）图B4-8 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像【实验装置】本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图B4-9。主电源射频信号发生器辅助源主体单元示波器图B4-9 光磁共振实验装置方框图图B4-10 主体单元示意图其中主体单元示意图见图B4-10。其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频（功率）信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电源；辅助源提供水平磁场调制信号（10Hz方波和20Hz三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品室的温度进行控制等；主体单元的各组成部分装在一光具座上，包括Rb光源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样品室是一个封装了Rb原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比Rb蒸气浓度高几个数量级的“缓冲气体” N2或Ne等无分子磁矩的气体。【实验内容】一观测光抽运信号二观测光磁共振信号三测量地磁场【注意事项】1在观察光抽运信号时，调节扫场幅度，将抽运信号调节到等高，调好后，固定扫场幅度。2在实验过程中应注意区分87Rb、85Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb共振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线。3为避免杂散光影响信号的幅度及波形，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铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。【数据记录及处理】1、 观察光抽运信号按照实验要求进行仪器的调节，通过指南针可以判断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水平分量同向，弹出时水平场与地磁场水平分量反向；扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平分量反向，弹出时扫场与地磁场水平分量同向。进而调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。当方波信号方向改变时，光抽运现象开始，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近似相等，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最弱。随着原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，透过样品泡的光逐渐增强，光抽运信号逐渐增强；当“抽运”到MF=+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当“扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是MF=+2的原子各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向、铷原子各子能级重新分裂以后，对D1+光的吸收又达到了最大。“扫场”方向不断改变就出现了如图所示的光抽运信号。2、 观测光磁共振信号1.测量gF因子。仪器线圈参数见仪器所给使用说明书。保持射频频率v=602KHZ不变，改变的大小和方向。（A）（A)朗德因子误差（%）0.2750.0950.3300.3660.1850.4960.8由B4-13式，易得：误差分析：外界磁场的影响；频率读数误差；水平场电流读数误差；仪器并未充分预热；测量时电流并不准确，存在一定的细微差别；外界光源通过遮光布空隙透进，影响测量。3、 测量地磁场同测gF因子方法类似，保持射频频率V=602KHZ不变，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，