光泵磁共振實驗

1、光泵磁共振光泵磁共振 華中師范大學物理科學與技術學院一、實驗目的1、了解光泵磁共振的基本原理，學習光抽運信號的觀測方法。 2、 測量銣原子的g因子。 3、 測量地磁場。 4、建立零磁場。 二、實驗原理二、實驗原理 光泵磁共振是利用光學抽運（optical pumping）效應來研究原子超精細結構塞曼子能級間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術。由于能應用光探測技術，使得它既保存了磁共振高分辨的特點，同時又將測量靈敏度提高了幾個數(shù)量級，是研究原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測量的有力工具，因此在激光物理、量子頻標、弱磁場探測等方面都有重要應用價值。本實驗觀測的對象是堿金屬，銣（rb）原子系統(tǒng)，以下簡要的討論其基本原理

2、。光抽運效應 為說明光抽運過程和效果，先舉一簡單的例子。假設某種原子的基態(tài)e1和激發(fā)態(tài)e2間的光譜線為d線，以及兩能級的角動量量子數(shù)j1=j2=1/2，則在外磁場中分裂為=1的兩個賽曼子能級，如圖所示。根據(jù)光躍遷選擇定則 原子從e2躍遷到e1的原d線將分裂成四條：二條光（）；一條；一條。 0, 1jmde0mj 反過來，如果用d光照射處于基態(tài)的該原子系統(tǒng)，則只有滿足選擇定則中的基態(tài)子能級上的原子吸收d光躍遷到激發(fā)態(tài)。光照前，外磁場中的原子服從波爾茲曼分布，幾乎均勻的分布于基態(tài)各賽曼子能級上，如圖1所示；d光的照射知識使基態(tài)能級上的原子躍遷到激發(fā)態(tài)能機上，如圖2所示：隨后激發(fā)態(tài)原子很快的按選擇定

3、則，等概率的躍遷到基態(tài)各子能級，如圖3所示.因此，在d光的持續(xù)作用下，將會使大部分原來分布于基態(tài)的原子被“抽運”到基態(tài)能級上，這就是光抽運效應。光抽運的結果使原子分布極大的偏熱平衡分布，即原子系統(tǒng)進入“偏極化”狀態(tài)，而這種偏極化狀態(tài)給觀測基態(tài)子級能級間的磁共振現(xiàn)象提供極有利的條件。三、實驗內(nèi)容（一）儀器與裝置1、儀器：光泵磁共振實驗儀，雙蹤示波器，射頻信號發(fā)生器，電子毫伏表等。2、裝置射頻信號發(fā)生器電源輔助源主體單元示波器fig.4 光磁共振實驗裝置方框圖銣光譜燈高頻振蕩器放大器rb干涉濾光鏡透鏡偏振片1/4波片水平磁場線圈射頻線圈恒溫槽垂直磁場線圈透鏡光電池光電探測器至示波器fig.5 主體

4、單元示意圖（二）步驟1、調整主題單元1）借助水平儀，調節(jié)地腳螺絲，使小霍姆赫茲線圈的平面成水平。2）將吸收池置于相互垂直的兩對霍姆赫茲線圈正中心磁場的均勻處，以為基準，調整等，使它們處于同一高度，其光軸平行水平直線。3）檢查各儀器之間的連接線：示波器的x軸接輔助源后在的“外接掃描”；y軸的一蹤接輔助源后面的“掃場輸出”用以顯示掃場波形；另一蹤用于監(jiān)測顯示光磁共振信號，接光電探測器的輸出。4）經(jīng)“預熱”點燃銣光譜等后，調節(jié)與的位置關系使銣光譜等和光電探測器內(nèi)的光電管分別處于和的焦平面內(nèi)，使光電管接收到的光強最大。5）借助指南針，仔細調整光具座使大霍姆赫茲線圈的軸線與地磁場的水平分量平行。方法是：

5、將指南針放在吸收池上，給線圈加以微弱的勵磁電流，根據(jù)指南針的偏移情況，整體的移動主體單元，使得霍姆赫茲線圈產(chǎn)生的中心磁場的方向與地磁場的水平分量平行。6）熟悉所用儀器，掌握各開關，旋鈕的操作使用方法。吸收池的溫度最佳為50-55.銣光譜燈的燈溫為90左右時才正常發(fā)光。2、觀測抽運信號1）調整完畢，待銣光譜燈正常發(fā)光后，接通吸收池加溫電流，監(jiān)視其溫度不要超過55.2）掃場方式選擇“方波”，調大掃場幅度，設置掃場方向與地磁場方向相反，調節(jié)時觀察光抽運信號，使光抽運信號幅度最大。 3）霍姆赫茲線圈上加以直流磁場，與地磁場垂直分量相反，當兩者相互抵消時，光抽運信號應具有最大值。 4）進一步調節(jié)光路，可

6、得到下圖所示的光抽運信號。光抽運信號波形掃場波形5）改變吸收池溫度，觀察光抽運信號的幅值和系統(tǒng)池豫時間的變化，如圖：6）將觀察到的光抽運信號變化情況記錄下來并加以證明或圖示。 3.測量銣原子超精細結構gf因子 實驗應用掃頻法，掃場方式選擇“三角波”，將水平場電流頂置為一確定值，調節(jié)射頻磁場的頻率，以觀測銣原子基態(tài)超精細結構子能級間的磁共振躍遷現(xiàn)象。1）先使水平磁場方向與地磁場水平分量和掃場方向相同。調節(jié)射頻頻率，可以觀察到共振信號如圖h1h00ttsi掃 場共 振 信 號1f1011(fbfgbbb這時的頻率值設為，則有）/h。繼續(xù)調節(jié)f，可在附近找到第二個滿足磁共振（對銣的另一個同位素）條件

7、的頻率。根據(jù)和基態(tài)超精細結構能級的不同，判斷和誰屬、誰屬的磁共振頻率。2）撥動水平磁場換向開關，只改變的方向，仍用步驟1）中的方法尋找磁共振頻率 （及 ）。則有 ）/h。如圖：共振信號2f1f2011(fbfgbbb2bbttoo共振信號3）為消除磁場對測量結果的影響，將步驟1）和2）得到的兩式相加取平均，則有：0122fbgbfffh式中 值由霍姆赫茲線圈中心處的磁場公式計算：0b710321610 ( )5nvbtrr其中n為每個線圈匝數(shù)；r為線圈繞線電阻，r為線圈有效半徑，1v為水平場直流電壓。4）根據(jù)測得的 和 及計算得到的值計算出rb87或rb85的gf因子值，計算理論值并與測量值進行比較和分析。122fff122fff四、思考題1）實驗中如何區(qū)分銣同位素和的共振譜線？根據(jù)