光泵磁共振实验.doc

光 泵 磁 共 振光泵磁共振利用光抽运效应来研究电子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。教学过程：1、 学生进入实验室，提醒要注意的事项，（光具座上元件不要动）。2、 预习问题：理解光抽运过程，驰豫过程，磁共振过程，光场的作用，分析样品所受哪些磁场作用，共振的条件是什么？3、 预习60分钟，回答问题。4、 根据回答问题情况，进行讲解，原理-步骤 -操作5、 理解并掌握测量g因子，地磁场的方法。6、 观察现象，记录数据，数据处理。7、 实验结束。实验原理（一）铷原子基态，最低激发态的能级及塞曼分裂在磁场中原子的超精细能级产生塞曼分裂（弱场时为反常塞曼效应），磁量外磁场为时相邻塞曼子能级之间（）的能量差为 （二）圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应光跃迁的选择定则，当入射光是左旋圆偏振的光，即时有， ， 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，这样经过若干循环之后，基态子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态的的子能级上。这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。光有同样的作用，它将大量的粒子抽运到的子能级上。 (三)驰豫过程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驰豫过程。本实验驰豫的微观过程很复杂，这里只提及与驰豫有关的几个主要过程：1.铷原子与容器壁的碰撞，这种碰撞导致子能级之间的跃迁，使原子恢复热平衡分布。失去光抽运所造成的偏极化。 2.铷原子之间的碰撞，这种碰撞导致自旋自旋交换驰豫。当外磁场为零时塞曼子能级简并，这种驰豫使原子回到热平衡分布，失去偏极化。3.铷原子与缓冲气体之间的碰撞，由于选作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很小，这种碰撞对原子的偏极化基本没有影响。（四）塞曼子能级之间的磁共振感应磁跃迁的选择定则是。本实验条件下磁跃迁概率比光跃迁概率小几个数量级。 a) b)图3 磁共振过程塞曼子能级粒子数的变化a） 未发生磁共振时，能级上的粒子数多b） 发生磁共振时，能级上的粒子数减小，对光的吸收增加（五）光探测射到样品上的光一方面起光抽运的作用，另一方面透过样品的光兼作探测光，使一束光起了抽运与探测两个作用。本实验实现了磁共振的光探测。由于巧妙地将一个低频射频光子（110MHZ）,转换成了一个高频光频光子（108MHZ），这就使信号功率提高了78个数量级。实验装置实验内容1、观察光抽运信号。2、测量两种同位素的g因子。3、测量地磁场。实验步鄹（一）仪器调整1. 实验的主体光路已经调共轴，各连线已经接好，将“垂直场”、“水平场”，“扫描场”旋钮调至最小，按下池温开关，电源开关。当铷温度达到额定温度时，池温。灯温指示灯点亮，这时实验装置进入工作状态。（二）观察光抽运信号扫场选择为方波，选择扫场方向与地磁场水平分量方向相反并调节扫场幅度使扫场磁场过零并反向，此时塞曼能级由分裂到简并又再分裂。分析观察记录如下情况的光抽运信号，并分析讨论。 水平、垂直磁场为零时，扫场与地磁场同向或反向时的光抽运信号。 扫场与地磁场同向时，分别改变垂直和水平磁场大小和方向时的光抽运信号。 扫场与地磁场反向时，重复。（三）测量抽运时间和弛豫时间 抽运时间就是原子非偏极化到偏极化的时间，而弛豫时间则相反，因此可用光抽运信号的建立时间和恢复时间、近似反映出来如图10。 用三角波扫场并使与地磁场水平分量方向相反，调节垂直磁场大小和方向，使光抽运信号最大，改变示波器扫描速度，测出、改变吸收池，观察、的变化并分析讨论。（四）观察磁共振信号：在上一步操作的条件下，调整扫场幅度，使扫场幅度固定在光抽运信号刚刚达到最大时的位置，将扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.2A左右。并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同（用指南针来判断）。垂直场电流仍为0.07A左右，调节射频信号发生器频率，观察共振信号在相应三角波斜坡上的位置变化，并注意区分和的共振峰的差别。磁共振信号如下图所示 在保证有足够大的共振信号的条件下尽量减小扫场的大小，使扫场的幅值处在刚刚使共振信号最大的数值上。（五）测量因子在观察磁共振信号后，测出射频场的频率及共振磁场强度B，根据测量结果及磁共振条件即可计算因子。注意在实验过程中引起原子塞曼分裂的磁场是由水平磁场，扫场及地磁场的水平分量而合成的，即和的直流部分还可能有其它杂散场，这些难以测定，因此为了排除这两者对测量的影响，可采用换向法，即先使与及同向，测出其共振频率，此时共振条件为：然后使与及的方向相反，测其共振频率，相应的共振条件为：两式相加得： 以上是扫频法，还可用调场法。用三角波扫场。固定，调节水平磁场，测出对应于三角波低端或顶端的共振信号所对应的水平磁场B01，改变水平磁场方向，重复上述步骤，测出B02则,是水平线圈中心处的磁场强度，它的值可通过测量水平线圈的电压V，并根据线圈参数未确定，其计算的公式如下：式中N线圈每边匝数 r线圈的有效半径，m;I流过线圈的电流，A； B磁场强度，GS。附：亥姆霍兹线圈的参数 水平线圈 扫场线圈 垂直线圈线圈匝数 250 250 100有效半径 0.2399m 0.2420m 0.1530m注：1.两个水平磁场线圈是并联的，数字表显示的电流是流过两线圈电流之和。 2.两个垂直磁场线圈是串联的，数字表显示的电流是流过单个线圈的电流，（六）测量地磁场分别测量地磁场的水平分量和垂直分量，然后求出经它们合成总的地磁场。测量地磁场垂直分量的方法是调节垂直线圈的电压使光抽运信号达最大，此时地磁场的垂直分量与垂直线圈所产生的磁场相互抵消，地磁场垂直分量的值就等于垂直线圈所产生的磁场的值。测量地磁场水平分量的方法同测量的方法类似，即使用方向法分别用扫频法，测出与及同向及反向时的磁共振频率则有总的地磁场为：另也可用扫场法，但改变B0方向时要同时改变三角波方向，则总地磁场为: 数据处理光磁共振参考实验数据处理测量gF水平场电流(A)同向频率f1(KHZ)反向频率f2(KHZ)B0(T)gF=h(f1+f2)/2BB087Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb0.2469986695883911135.9*10-70.4990.3340.2857573437295923.4*10-70.5010.3360.18784522382250813.1*10-70.5120.339 B0=16NI10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有效半径)测量地磁场水平场电流(A)同向频率f1(KHZ)反向频率f2(KHZ)f=(f1-f2)/2B地=hf/gFB87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb0.24699866970647014699.52.09*10-52.13*10-50.2848563549366149.598.52.13*10-52.09*10-50.1878352248732314899.52.06*10-52.09*10-5厂家给出的线圈参数及线圈中心处的磁场强度B的计算公式（I为线圈电流强度）：水平场扫场垂直场线圈每边匝数N250250100线圈有效半径r0.2433m0.2420m0.1530m(特斯拉)(特斯拉)(特斯拉）的朗德因子地磁场的垂直分量：（略，数值为0.2056高斯,1高斯等于104特斯拉）。合成地磁场：（略，数值为0.293高斯）。光磁共振参考实验数据处理测量gF频率(Hz)同向电流 (A)2B01(T)(104)反同向电流 (A)2B02(T) (104)87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb87Rb87Rb85Rb5580.050+0.0850.131+0.1721.2472.7980.266+0.3020.351+0.3865.2466.8066580.075+0.1200.171+0.2141.8703.5560.295+0.3330.396+0.4285.7807.6107580.108+0.1480.219+0.2582.3644.4080.327+0.3640.441+0.4756.3828.460B0=16NI10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有效半径)558658758平均值87Rb0.49120.57140.49540.51985Rb0.33220.33680.33680.335测量地磁场频率(Hz)同向电流 (A)2B01(T)(104)反同向电流 (A)2B02(T) (104)87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb87Rb87Rb85Rb5580.050+0.0850.131+0.1721.2472.7980.191+0.2160.273+0.2973.7625.2666580.075+0.1200.171+0.2141.8703.5560.221+0.2450.316+0.3404.3066.0627580.108+0.1480.219+0.2582.3644.4080.215+0.2730.360+0.3854.8426.884558658758平均值87Rb1.25771041.75131041.23901041.32910485Rb1.2341041.2531041.238104合成磁场：B为0.388Gs结论：光磁共振实验总结：通过本实验了解光抽运效应，加深了对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。知道了可以应用光泵的光检测的方法，可以大大提高磁共振分辨