[物理]激光技术实验

1、.激光技术实验实验报告学院：通信工程学院 姓名：高书勤 学号：1202020004实验指导教师：刘巨林2012-12-13 激光大气通讯1 实验目的和内容：1. 了解电光调制器的基本结构；2. 熟悉激光大气通讯的基本原理；3. 掌握音频信号的激光大气通讯的调试技术；4.探讨影响激光大气通讯效果的主要因素；二 实验仪器1. HE-NE激光器 2.电光调制器及DGY-3型调制电源3. 收音机或音频信号发生器 4.偏振片（2个）、1/4波片5. 光电接收放大器及直流电压源（9V） 6.音箱或收录机（代替音箱）7.示波器三实验原理1.电光调制器的结构本调制器是选用优质的DKDP晶体、利用pockpl效

2、应对光进行信号调制的器件。其主要特性为：材料：DKDP单晶结构：四块串联、环形电极调制方式：纵调半波电压：DC900-1000V（使用电压不得超过1300V）工作频率：0-100MHz等效电容：12pf图1.为电光调制器的结构示意图1. 电极引出线 2.DKDP晶体 3.环形电极 4.偏振片2.电光调制器的调整为了保证信号传输的质量和较高的信噪比，进行激光大气通讯之前，首先对光路和器件的状态进行调整。电光调制器的实验系统安排大致如图2.所示。调整步骤大体如下：He-Ne激光器 起偏器 1/4波片电光调制器 检偏器 光电接收放大器示波器 DGY-型调制电源 直流电压源 （1）仔细调整电光调制器，

3、使激光光束与其晶体的光轴平行并通过晶体中心；然后放入检偏器并旋转可使透过光的强度发生明显的变化。 （2）将电光调制器的电极引出线与调整电源的电光输出端口连接起来，在示波器上便可观察到调制光的波形。旋转调制器（小心触电！）可使波形变为倍频信号，则晶体晶轴方位调整完毕。 He-Ne激光器所发出的激光经过起偏器之后，所得到的激光为偏振光，再经过1/4波片之后，会变成圆偏振光。3. 激光大气通讯实验系统的组成如图所描述的系统，传输音频（300-3400Hz）信号或收录机播放的节目。实验时，将收录机的节目信号或音频信号接至调制电源的电光输入端口，这样，若将本系统配套的光电接收放大器上接收到的光信号接入音

4、箱或收录机（收录机代替音箱，信号接入到Line out端口，按下play键），适当旋转或调制各元器件，便可听到清晰的广播声音。He-Ne激光器 起偏器 1/4波片 电光调制器检偏器 光电接收放大器 音箱或收录机（代替音箱）DGY-型调制电源 收音机或音频信号发生器 直流电压源四实验注意事项 1. 实验中，使用的调制器为“电光调制器”，注意不要将它连接到调制电源的声光、磁光端口。 2.光电接收放大器要正常工作，必须配备9V的直流电压源。若给光电接收放大器提供了9V的直流电压源，它还不能正常工作，应检查它后面的开关是否处于“开”的位置。5 实验结果与分析1.实验结果 （1）调制电光调制器时，旋转调

5、制器，示波器显示调制信号波形发生变化，振幅也随之改变，只在某一个特定位置上调制信号振幅达到最大，产生倍频信号。调节检偏器，信号有强弱变化，振幅、频率也发生变化，当到达某一个合适的位置时，信号振幅最大，强度最大，听起来最清晰 （2）在进行传输音频（300-3400Hz）信号或收录机播放的节目的实验时，通过将收录机的节目信号或音频信号接至调制电源的电光输入端口，之后将光电接收放大器上接收到的光信号接入音箱或收录机，就可以听到广播的声音，但是并不算清晰，会有杂音，通过适当的转动起偏器或者检偏器，就可以听到清晰的广播声音。（3） 转动起偏器或者检偏器，均会对接收信号产生影响，喇叭声音大小随之改变；增加

6、或减小检测器供电电压，喇叭声音随之增大或减小；当在光电接收放大器前任意位置隔断激光链路时，均无法接到信号，喇叭声音消失。2. 实验分析 根据实验结果，经分析得出影响激光大气通讯的因素有： 1.光噪声因素：该因素主要影响激光大气通信系统的接收灵敏度。背景光本身的随机。背景光本身由于光源的不稳定性、反射散射过程的不稳定性及传播过程中的不稳定性，将存在宽谱的随机起伏，相当于光噪声，这种噪声被接收机检测后将产生相应的噪声电流，使系统信噪比恶化。因此，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。 2.光端机因素：主要受发射机的发射光强和接收机的灵敏度影响，另外，在实际的大气

7、激光通讯中，由于发射机与接收机之间局里较远，因此，发射机的光出射角（影响光束的汇聚性）与接收机的接收孔径也是影响通信效果的主要因素。 3.障碍物因素：当激光束的传播路径上存在障碍物时，激光大气通讯就会受到干扰。6 实验体会：通过本实验，基本了解了激光大气通信系统的结构、实验原理，通过通过自己的动手和观测，并且在老师的指导讲解下，完成了激光大气通信的实验，认知了影响激光大气通信质量的各种因素，并且对于如何排除这些干扰因素有了一定认识，同时，在实验中遇到的问题也通过查阅相关资料得到了解答，为以后进一步的了解激光大气通讯实验奠定了基础，通过此次的激光大气通讯实验，我收获颇丰。 光纤传输一、 实验目的

8、和要求1.了解光纤传输的基本原理和光纤传输系统的基本结构；2.熟悉半导电光器件的基本性能及主要特性的测试方法；3.练习音频信号光纤传输系统的调试技术。二、 实验仪器1. YOF-A型音频信号光纤传输实验仪（发送器、接收器和光纤盘)2. 音频信号发生器或收音机3. 光功率计4. 示波器三、 实验原理（1） 系统的组成 塑料光纤很柔软而且可以弯曲，加工也很方便，所以在光信息处理、光学计量、短距离传输等方面已获得较好的应用。在本实验中，采用的传输光纤是进口低损耗塑料光纤，它的纤维直径是1mm，芯径为990m，薄层厚度为5m。图1示出了一音频信号光纤传输系统结构原理图，其中电光转换和模拟通道之间为传输

9、光纤；电光转换之前的部分为光信号发送部分，主要由调制电路、驱动电路和发光二极管LED组成；模拟通道之后的部分为光信号接收部分，主要由硅光电池、前置电路和功放电路组成。该传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频谱范围，对于语言信号，其频谱范围在300-3400Hz的范围内。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要取决于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。图1.光纤传输系统的结构原理图（2） LED的驱动和调制电路 音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如下图。以BG1为主组成电路是LED的驱动电路。调节可变电阻W2可使LED的偏置电流在0-60

10、mA的范围内变化。被传输的音频信号经IC1运放由电容C4耦合到BG1的基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出随音频信号变化的光强信号，并把这一信号经光纤传送至接收端。根据运放电路理论，图中音频放大电路的闭环增益为：G（j）=1+Z2/Z1 （1）其中分别是放大器的反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要选的足够小，选的足够大，则在要求的带宽中，的阻抗很大，它所在的支路可视为开路，而的阻抗很小，可以视为短路，在此情况下，放大器的闭环增益,的阻抗很小，其大小决定着高频端的截止频率，而的数值决定着低频端的截止频率，故该电路中的是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。（3） 光信号接收器

11、如下图为光信号接收器的电路原理图，其中SPD是硅光电二极管，它的峰值响应波长与发送端LED光源的中心波长很接近，其峰值波长响应度为0.25-0.5A/W。SPD的任务是把经光纤传输过来的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经过IC2构成I-V转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间的关系为 （2）以IC3（LA4112）为主构成一个音频功放电路。该电路的电阻元件（包括反馈电阻）均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器W3，可改变功放电路的电压增益，电路中电容CNf的大小决定着功放电路的下限截止频率。4 实验内容1. LED-传输光纤组件电光特性的测定 本实验系统中LED

12、输出的光功率与传输光纤是直接耦合的，LED的正负极通过光纤绕线盘上的电流插口与发送器的调制驱动电路连接。实验时，用两端均为两芯插头的导线将光线绕线盘上的电流插口与发送部分的“LED”插孔连接起来；把光电探测器的窗口插入传输光纤的远端，其输出与光功率计的输入端连接（光功率计应在无光是调零）；开启发送器后面板上的电源开关，便可对LED-传输光纤组件的电光特性进行测试，测试电路如图4所示。测试时，调节发送器前面板上的“偏流调节”旋钮，使LED的驱动电流，<35mA的任一适当值，并观察光功率计的示值；使发送器前面板上的毫安表的示值（即LED的驱动电流）在0-35mA范围内变化，从零开始每隔2.5

13、mA记录一组（,）；列表并最终可在（ ,）坐标系中绘出包括传输光纤与LED的连接损耗及传输光纤的传输损耗在内的LED-传输光纤组件的电光特性曲线。(2)音频信号的光纤传输实验（1）调整系统各部件至正常工作 光电探测器的输出接到硅光电二极管SPD的输入插孔内，设置LED的偏置电流为 =30mA左右，使用正弦波（由音频信号发生器提供）对光信号进行调制，并用示波器观察发送端LED驱动电路中Re上的电压波形，适当调节调制信号的幅度，使Re上的电压波形无消波失真；开启接收器后面板上的电源开关，用示波器观察接收端功放电路上的输出波形，若所观察到的波形与发送的调制信号波形一致，则说明整个传输系统工作正常；改

14、变调制信号的幅度和频率，通过示波器观察各监测点波形（是否失真）及总体传输效果。（2）语音信号的光纤传输 用收音机代替音频信号发生器，将“喇叭接通开关”打开，即可进行语音信号的光纤传输实验，聆听整个音频信号光纤传输系统的音响效果。同时，根据实际情况可适当调节发送部分的LED偏置电流ID、调节放大器电路反馈电阻W1及接收功放电路的电阻W3等系统参数，考察光纤传输的听觉效果，并用示波器监测系统的输入信号和各级输出信号的波形变化。5 实验注意事项： 1.连接好线路后，接通电源开关，如果发送器数字电流表有显示、发光二极管LED亮、光纤盘尾纤有红光输出，则说明系统的电源部分工作正常。 2.实验过程中，应避

15、免LED的引脚与实验系统和测量仪器的地线相碰，否则可能会造成LED的永久性损坏。 3.实验过程中，进行光纤与硅光电池的耦合连接时，应注意光纤端面的保护，并按光纤的自然弯曲状态进行操作，不得加力弯折。 六.实验结果与分析1.LED-传输光纤组件电光特性的测定 LED的驱动电流（mA） 光功率计的指示值（uW）02.557.51012.51517.520012.925.337.849.060.173.686.499.722.52527.53032.535111.1125.5137.2149.7161.6175.0LED-传输光纤组件电光特性曲线由图可知，基本与成线性关系，随驱动电流增大，光强度增大

16、，光功率也就增大，可以用电信号来反映光信号，显示LED-传输光纤的电光特性。2.音频信号的光纤传输实验（1） 电路连接好后，设置LED的偏置电流为 =30mA左右，使用正弦波（由音频信号发生器提供）对光信号进行调制，并用示波器观察发送端LED驱动电路中Re上的电压波形，有可能会发现有消波失真，该失真随输入电压幅度的增大而增大；因此适当调节“调制幅度”消去消波失真；发现，当设置为1.1V时，则可以正常看到Re的电压波形是无消波失真，所以可以设置为1.1V，用示波器观察接收端功放电路上的输出波形，此时所观察到的波形与发送的信号的波形一致，即此时整个传输系统正常工作。 Re上的无消波失真波形 Re上

17、失真波形（2） 改变调制信号的幅度和频率，此时仍然用示波器观察接收端功放电路上的输出波形，判断其在何种情况下会有失真。 RL上的无失真波形在调制信号的频率=443.58HZ，此时1. =1.1V，无失真，波形 2 =2.0V，无失真，波形3 =2.1V，失真，波形 4 =2.2V，失真，波形在调制信号的频率=496.26HZ，此时1 =1.1V，无失真，波形 2 =2.0V，无失真，波形3 =2.1V，有失真，波形 4 =2.2V，明显失真，波形在调制信号的频率=496.26HZ，此时1 =1.8V，无失真，波形 2 =1.9V，无失真，波形3 =2.0V，无失真，波形 4 =2.1V，有失真

18、，波形5 =2.2，有明显失真，波形（3） 语音信号的光纤传输调节LED偏置电流，电流变小，小至某一值时会产生截止失真，同时，喇叭声音随偏置电流的减小而减弱。实验过程中如果出现截止或饱和削波失真，说明调制信号幅度过大，要适当减小调制信号幅度，保证不失真。 考虑到放大器的非线性效应，需对调制幅度及偏置电流进行严格控制，否则会影响光传输系统的有效性及可靠性；7 实验心得通过老师的认真讲解和自己的提前预习，动手实践，在实验平台上成功实现了音频信号的光纤传输，同时也了解到了光电转换过程，以及光纤传输的基本原理。通过对实验分析，了解到了影响光纤传输的各种因素，对光纤传输的特性及传输效果有了一定了解，对光

19、纤传输系统中LED驱动调制电路和接收电路的工作点选取有了深刻的认识。 声光衍射一、 实验目的1. 了解了解声光作用的基本理论；2. 观测喇曼奈斯衍射和布喇格衍射现象。2 实验装置及仪器1. 声光器件是TSGMN-1B型调制器，适应波长为0.6328红光，衍射效率>85%,驱动电功率为1.5瓦。2. 驱动电源是XG22A型超高频功率信号发生器,频率可调范围为10MHz150MHZ，输出功率为2瓦；使用时应注意： A不能空载B. 换档时将输出调到零C. 注意仪器散热3.He-Ne激光器4.长焦距透镜5.测长仪机架6.激光功率计3 实验原理 超声波是一种纵向的机械应力波，它在声光介质中传播时会

20、引起介质密度的疏密变化，由于弹光效应，将引起介质折射率的变化，密的部分折射率大，疏的部分折射率小。因此可以把超声波作用下的介质视为等效的相位光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长，当光波通过该介质时，就被衍射。 假设声波在介质中以行波形式传播，则介质中形成的声光栅也将以声速向前推进，其折射率的瞬时空间变化可用下式表示：式中为声波角频率，为声波波数。按照超声波频率的高低和声光相互作用长度的不同，有两种形式的衍射：喇曼奈斯衍射和布喇格衍射。为了区分这两种衍射，引入一个参量：其中L为声光作用长度，为光波波长。当 1时，对应喇曼奈斯衍射， 1时，对应布喇格。实践证明，0.3时就可以观察到喇曼奈斯衍射，时就能

21、观察到布喇格衍射，在区间，情况比较复杂，通常的声光器件不工作在此区间。1. 喇曼奈斯衍射 当超声频率较低，声光作用长度较短，光线平行于声波波面入射（即垂直于声场传播方向入射）时，产生喇曼奈斯衍射。如图1所示，由于在这种情况中，超声光栅与普通的光学条纹光栅（平面光栅）类似，因此，频率为的平行光通过超声光栅时，将产生多级衍射光，而且各级衍射光极值对称分布在零极值的两侧，其强度依次递减。利用衍射积分法对喇曼奈斯衍射进行理论分析可得，在宽度为L的声光介质中，产生喇曼奈斯衍射的条件为 各级衍射光的衍射角满足 相应于第m级衍射的极值光强为 ,式中为入射光强，表示光波通过声光介质时，由于折射率变化引起的附加

22、相移。整数m可正可负，由于,所以零级极值两侧的同级衍射极值光强相等，这种衍射光强的对称分布是喇曼奈斯衍射的主要特征之一。因为，所以在各种情况下，衍射极值光强之和等于。理论分析还指出，各级衍射光的频率分别为。因此，通过调制信号改变超声波场，就可调制衍射光的光强和频率.2.布喇格衍射 当声波频率较高，声光作用长度L较长，满足，并且光线与声波波面有一定角度斜入射时，会产生布喇格衍射，如图2所示。在这种情况下，必须要考虑介质厚度的影响，其超声光栅应视为体光栅。这时的衍射光是不对称的，只有零级和+1级（或-1级）衍射光（视入射光方向而定）。如果合适地选择参数，并且超声波足够强，可以使入射光能量几乎全部转

23、移到零级或+1级（或-1级）的衍射极值方向上，因此，激光能量可以获得充分利用。所以利用布喇格衍射制造的声光器件效率较高。在理论上可以利用麦克斯韦方程分析衍射光分布情况。分析说明，产生布喇格衍射的条件：式中的是布喇格入射角。布喇格衍射的零级和1级衍射光间的夹角，其衍射光强的表示式为控制超声功率以控制折射率变化量，使得时，有，即入射光的全部能量都转变为1级衍射光能.3. 声光器件结构通常的声光器件都包括有四部分：驱动电源、换能器、声光介质和吸声介质。驱动电源是超高频率功率信号产生器，输出频率、功率皆可调。当将其输出电信号加到换能器上，便因压电晶体（如石英、LiNb等）或压电半导体（CdS,ZnO等

24、）的反压电效应产生机械振动，该振动将在声光介质中产生超声波场。声光介质是声光作用的场所，通常为玻璃、熔石英、钼酸铝、氧化锑等材料。在声光介质的另一侧为吸声材料，一般选用铅橡胶或玻璃棉等，以吸收穿过介质的超声波，避免产生反射。4 实验步骤1点燃He-Ne激光器，预燃20分钟，使其工作基本稳定。2调整系统各元件，使其共轴。3将信号源加到声光器件上，改变频率并微调系统各元件，直至出现喇曼奈斯衍射进行观测。4改变声光器件的角度，进行布喇格衍射现象的观测。五实验内容1. 根据实验仪器，确定测量衍射角的方法2. 观测喇曼奈斯衍射现象（调谐范围为3060MHz）A固定入射光强，测量衍射光极值偏转角与信号频率

25、的关系曲线。B固定入射光强，测量衍射光强与信号频率的关系曲线。C将观测数据及的理论计算结果列成简明表格。3. 观测布喇格衍射现象（调谐范围为100150MHz）A固定入射光强，测量零级与1级衍射光夹角与信号频率的关系曲线。B保持信号频率不变，测量零级、1级衍射光光强、与超声功率 的关系曲线。6 实验结果与分析1. 测量衍射角的方法各级衍射条纹位置L=103.5cm2. 2.调节He-Ne激光器、光阑、声光器件及聚焦透镜，使激光光束打到测长仪面板上，在测长仪上读出中间最亮点与第二点距离，再用卷尺测出声光器件与测长仪之间的距离，利用反正切即可得到衍射角。3. 观测喇曼奈斯衍射现象（调谐范围为306

26、0MHz）He-Ne激光器所发出的激光经过二次反射之后，进入声光器件（TSGMN-1B）调制器，声光介质同样也相当于一般镜面，此时会发生反射现象。只有当超声频率较低，声光作用长度较短，光线平行于声波波面入射（即垂直于声场传播方向入射）时，产生喇曼奈斯衍射现象，所以使光线可以首先进行调节调制器的位置，目的是使光线可以平行于声波波面入射（即垂直于声场传播方向入射），此时只要求光线的左右面重合在一起，但是光线的上下位置为共面即可，并不要求上下也重合。可以通过在调节器的前面，放置一个带有小孔的纸张，移动纸张，使光线可以通过小孔入射到声光介质，此时，可以在纸张上看到反射光线，通过调节调制器的位置，使反射

27、光线同样也经过小孔，即可以实现使光线可以平行于声波波面入射（即垂直于声场传播方向入射）的目的。在完成准备工作以后，调节驱动电源（高频功率信号发生器），加上输出信号，调节其输出调节按钮，在固定频率为30MHZ的情况下，改变其输出信号的大小，通过逐步增加输出电流，发现大约加至为80，开始出现喇曼奈斯衍射现象。 喇曼奈斯衍射现象3.观测布喇格衍射 当声波频率较高，声光作用长度L较长，满足，并且光线与声波波面有一定角度斜入射时，会产生布喇格衍射。在实验中，通过选择6频段，再通过频率调节进行频率微调，使其频率为f=180MHZ,通过调节调制器的位置，使光线和声波平面有一定的夹角进行入射，首先会出现三条衍

28、射光斑，即零级衍射，负一级衍射和正一级衍射，通过反复调节调制器的位置，使其一级衍射为出现在零级衍射的同一边。 布喇格衍射现象4. 在固定入射光强，观测喇曼奈斯衍射现象（调谐范围为3060MHz），测量衍射光极值偏转角与信号频率的关系曲线：固定入射光强，声光器件与测长仪之间的距离为L=103.5cm。固定入射光强，测量衍射光第一级衍射光点偏移d，从而计算极值偏转角，做出极值偏转角与衍射光频率的关系曲线；衍射光频率（MHZ），零级衍射所在位置（cm），左右一级衍射所在位置30.4335.5040.4545.5350.4455.43 60.4412.8012.8012.8012.7812.7212.

29、81 12.7412.2012.1012.0311.9011.7811.73 11.6013.3513.4413.5413.6613.7013.85 13.93偏移(cm)0.570.670.750.870.961.061.16从关系曲线可以看出，当入射光强固定时，随着信号频率的增大，衍射光极值偏转角也增大，两者基本成线性的正比关系。5.固定入射光强，测量衍射光强与信号频率的关系曲线0级光强Im和信号频率f数据1级光强Im和信号频率f数据2级光强Im和信号频率f数据衍射光强Im和信号频率fs数据如表格。频率（MHz）30.4335.5040.4545.4350.4455.4360.440级光强

30、（mw）1.251.10.70.70.940.781.251级光强（mw）0.180.10.30.220.200.260.0142级光强（mw）0.0020.0010.0280.0380.0060.006七实验体会通过此次实验，我基本上了解声光作用的基本理论；观测了喇曼奈斯衍射和布喇格衍射现象。对具体的定量数据做了分析，验证了该理论的正确性，并且通过分析得到光强、频率、偏转角之间的曲线关系，了解了超声波传播方向及超声波频率对衍射光强及角度的影响，掌握了其原理及试验系统结构。 光抽运的观测、光磁共振1、 实验目的1. 了解光抽运的机理，用示波器观察光抽运信号。测出地磁场的大小方向（水平分量和垂直

31、分量）2. 了解光磁共振的机理，用示波器观察光磁共振现象，测量铷原子（87,85）的原子参数g.二、 实验原理1.铷原子基态及最低激发态的能级 本实验所研究的对象是碱金属原子铷(Rb)天然铷中含量大的同位素有两种：占72.15%，占27.85%。铷和其他碱金属原子一样，在紧紧束缚的满壳层中有一个电子，其能级图和氢的能级图很相似。 铷原子基态是，即轨道角动量数L=0，电子自旋量子数S=1/2。轨道角动量与自旋角动量耦合成总的自动量，其角动量为J。由于是LS耦合，。铷的基态只有J=1/2。 铷原子的最低光激发态是及双重态。它们是由LS耦合产生的精细结构，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。 态

32、，J=1/2。态，J=3/2。在5P与5S能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线。在铷灯的光谱中强度特别大。到的跃迁产生的谱线为线，波长是7948，到的跃迁产生的谱线为线，波长是7800。原子物理中已给出核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后角动量与原子总磁距的关系： 现在讨论的情况，的I=3/2，的I=5/2。设自旋角动量为，核磁距为。与耦合成，。耦合后的总量子数。当时，F有（）个可能值。当时，F有个可能值。的基态F有两个值F=2及F=1，的基态有F=3及F=2。由F量子数标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁距之间的关系为： 在磁场中原子的超精细能级产生塞曼分裂。磁量子

33、数。即分裂成个能量间距基本相等的塞曼子能级。（2）圆偏振光对铷原子的光抽运过程现考虑在磁场中原子吸收偏振光后的共振跃迁。它不但涉及能量问题，而且涉及角动量问题，光子所带的角动量，因光的偏振而异。右圆偏振光（光）其角动量为;左圆偏振光(光)，其角动量为；线偏振光可视为两旋转方向相反的圆偏振光的迭加，其总角动量为零。在磁场中的原子，当它吸收了一个沿Z轴方向传播的光后，原子角动量的Z分量量子数增加1，反之吸收一个光子，则减少1；吸收光子，原子角动量不变。在热平衡（无光照射）时，原子在任意两个能级，之间的分布，服从玻尔兹曼分布： （5）式中，为两能级差，是两能级上原子的数目，为玻尔兹曼常数。在本实验中

34、，吸收池的温度约C。在此温度下，铷原子的和态相比较，因，所以，。即原子主要分布在基态上，分布在上的原子数是很少的。但对超精细能级和及塞曼子能级，因，。所以原子在超精细能级或超精细塞曼子能级间的分布几乎是等几率的。实验时，我们以波长7948的光照射铷原子（装在充有缓冲气体的玻璃泡里，呈蒸气态，称之为吸收池或样品）。这时，的原子吸收7948的光，便产生从态中各塞曼子能级到各塞曼子能级的受激跃迁。跃迁遵循选择定则，。原子在激发态只能停留很短的时间（寿命约为秒）。随后便自发跃迁到基态，其选择定则为，原子以几乎相等的几率分布于基态各塞曼子能级上。落在子能级的原子不能再吸收光而被“存储”在那里。其它各子能

35、级的原子还可以再吸收光子重复上述过程。如果，通过反复的共振吸收和自发辐射，最后原子将集中在基态的的子能级上。这时我们说原子状态发生了“偏极化”。可以想象，这是从基态各塞曼子能级（除外）中取出一些原子，瞬时地通过激发态，把它们抽运到基态这个存储器中去。这样的过程，就是“光泵”的由来。如果用光照射，将发生类似上述的过程，最后原子将聚集在的子能级上。显然，用光照射是不可能发生光抽运过程的。（3） 驰豫过程在热平衡状态下，基态各子能级上的粒子服从玻尔兹曼分布（）。由于各子能级的能量差极小，近似地可认为各子能级上粒子数是相等的。光抽运造成的粒子数差使原子系统处于非热平衡分布状态。系统由非热平衡分布状态趋

36、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，使原子恢复到热平衡分布，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。当外磁场为塞曼子能级简并时这种驰豫使原子回到热平衡分布，失去失去偏极化。（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性很小（如），碰撞对铷原子磁能态扰动极小。这种碰撞对原子的极化基本没有影响。在光轴抽运最正确温度下，铷蒸汽的原子密度约为个/当样品泡直径为5cm时容器壁的原子面密度约为个/，因此铷原子与器壁碰撞是失去偏极化

37、的主要原因。在样品泡中充进10托左右的缓冲气体可大大减少这种碰撞，因为此强压下缓冲气体的密度约为个/，比铷蒸汽原子密度高6个数量级，大大减少了铷原子与器壁碰撞的机会，保持了原子高度的偏极化。温度升高铷蒸汽原子密度升高，铷原子与器壁及铷原子之间的碰撞都增加，使原子的偏极化减少。而温度过低时铷蒸汽原子数太少，信号幅度也很小，因此有个最正确温度范围，一般在4060之间。缓冲气体分子不可能将子能级之间的跃迁全部抑制，因此不可能把粒子全部抽运到子能级上。（充缓冲气体后，基态有非热平衡分布恢复到热平衡分布的驰豫时间约在的数量级）。处于态的原子需要与缓冲气体分子碰撞多次才有可能发生能量转移。由于所发生的过程

38、主要是无辐射跃迁，所以返回到基态八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还有将粒子更快地抽运到子能级的作用。一般情况下，光抽运造成塞曼子能级间的粒子数差比玻尔兹曼分布造成的粒子数差要大几个数量级。也有类似的结论，不同之处是光将原子光抽运到基态的子能级上。（4） 塞曼子能级间的磁共振前面讨论了光抽运的物理过程，它是电偶极子跃迁的过程，属于光共振性质。这里我们要引入磁共振的概念。原子具有磁距，在外加电磁波的交变电磁场作用下，磁距运动状态发生改变，使原子能量状态发生改变。这种在交变磁场作用下原子能量状态的改变称为磁偶极子的共振跃迁，或者叫磁共振。在弱磁场中相邻塞曼子能级的能量差为： （6）其中为玻

39、尔磁子尔格/高斯在垂直于恒定磁场的方向上加一圆频率为的射频场，此射频场可分解为一左旋圆偏振磁场与一右旋圆偏振场，当时，右旋进动，起作用的是右旋圆偏振磁场（图2）。当满足共振条件： （7）即 （8）塞曼子能级之间将产生磁共振。本实验中的一个主要过程是被抽运到基态子能级上的大量粒子由于射频场的作用产生磁偶极子的受激发跃迁，即由跃迁到（当然也有）。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的子能级上。磁共振与光抽运将达到一个新的动态平衡。在产生磁共振时使得原子能态在各塞曼子能级间重新分布，原有的偏极化被破坏了。在产生磁共振时各子能级上的粒子数比不共振时要大，从而使光学共振的光抽运过程

40、从头开始。因此对光的吸收增大。由于两种共振现象相互依存，故总称为光磁共振。（a）未发生磁共振时，上粒子数多；（b）发生磁共振时上粒子数减少。对光的吸收增加。由上可知使磁偶极子产生共振跃迁的外加电磁辐射有一定的条件：（1）电磁辐射的场的交变磁场频率必须和原子磁距绕静磁场进动的频率相等（对铷原子来说这一频率正好在射频范围内）。（2）必须和垂直必须是圆偏振场。其转动方向应该与原子角动量的进动方向一致。实际上我们正是通过一对亥姆霍兹线圈给吸收池加上个垂直射频场，使。由于。所以射频场对水平直流场来说，是一个含时间的微扰。当射频场的频率等于（8）式出的频率时，就产生了磁共振现象。（5） 光探测照射到样品上

41、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一束光起了抽运与探测作用。前面已提到与磁共振相伴随有对光吸收的变化，因此测光强的变化即可得到磁共振的信号，这就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）的变化转换成了一个高频光频光子（MHz）的变化，这就把信号强度提高了78个量级。三实验装置实验装置如图4。光源用高频无极放电铷灯，其优点是稳定性好、噪音小、光强大。滤波片用干涉滤波片，透过率大于60%，带宽小于150，能很好地滤去光（光不利于的光抽运）。偏振片用高碘硫酸奎宁偏振片。1/4波片用40左右厚的云母片。透镜将光源发出的光变为平行光，焦距较小为宜，可用凸透镜

42、。透镜将透过样品泡的平行光会聚到光电接受器上。 产生水平磁场的亥姆霍兹线圈的轴线应与地磁水平分量一致。产生垂直方向磁场的亥姆霍兹线圈以抵消地磁场的垂直分量。水平磁场由0至2（或更高）高斯连续可调。水平方向扫场需几十毫高斯至1高斯左右。扫场信号有方波及三角波。能与示波器的扫描同步。频率由几周至十几周均可，本实验的扫场频率为20Hz。射频线圈安放在样品泡两侧使方向垂直于方向。射频信号源用XD2A信号发生器。频率范围1Hz1MHz。输出功率0.5W。样品泡是一个充有适量天然铷的直径约为5cm的玻璃泡，泡内充有约10托的缓冲气体（氮、氦等），样品泡放在恒温室中，室内温度有3070可调，恒温时温度波动小

43、于。光探测器由光电接收元件及放大电路组成。本实验选用光电池作光接收元件。如所用示波器的灵敏度高于500时，可以不加放大器直接观察光电池的输出信号。四.实验步骤及内容（1）准备在辅助源加电之前。应检查各联线是否正确，将“垂直”、“水平”、“池温”、“幅度”旋钮调至最小，断开吸收池加温电流，“工作监视”置于“灯温”。然后接通电流，按下“预热”按键。监视“灯温”约90左右时（约30分钟），再按下“工作”按键。否则容易损坏铷灯的振荡电路。（2）观察光抽运信号先接通吸收池加温电流，同时监视池温，扫场选择“方波”。再将指南针置于吸收池附近，调节扫场的方向和幅度，使扫场与地磁水平分量方向相反。然后旋转偏振光

44、，调节扫场幅度及垂直场大小和方向，可观察到光抽运信号，如图5所示。再仔细调节光路聚焦，当池温约55时，光抽运幅度最大。图6反映了原子内部的驰豫过程。当池温改变时，及均有明显的变化。地磁场对光抽运信号有很大影响，特别是地磁场的垂直分量。为抵消地磁场的垂直分量，安装了一对垂直方向的亥姆霍兹线圈。当垂直方向磁场为零时，（地磁场的垂直分量被抵消）光抽运的信号有最大值。图5.光抽运信号 图6.驰豫过程示波轨迹（3）观测光磁共振谱线(1)测量g因子扫场选择三角波，射频信号发生器调到某一确定的频率。然后调节水平场电压，并使其磁场方向与地磁水平分量和扫场方向相同，对应图7（a）波形，可读出的电压数值。再波动水平场的方向开关，使其方向与地磁水平分量和扫场方向相反，仍用上述方向，可得到的电