光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h銣原子的光泵磁共振實(shí)驗(yàn)學(xué)號(hào)姓名：實(shí)驗(yàn)日期：指導(dǎo)老師：【摘要】在本實(shí)驗(yàn)中我們運(yùn)用光泵磁共振技術(shù)，研究了銣原子的光抽運(yùn)信號(hào)和磁共振信號(hào)，最終測(cè)量得的朗德因子為0.4981，的朗德因子為0.3348，以及地磁場(chǎng)的大小為0.4245GS.關(guān)鍵詞：光抽運(yùn)、磁共振、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、塞曼子能級(jí)、朗德因子一、引言：光泵，也稱光抽運(yùn)，是借助于光輻射獲得原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)或塞曼子能級(jí)間粒子數(shù)的非熱平衡分布的實(shí)驗(yàn)方法。光泵磁共振技術(shù)實(shí)際上是將光抽運(yùn)技術(shù)和射頻或微波磁共振技術(shù)相結(jié)合的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它是1955年法國(guó)科學(xué)家卡斯特勒（A.Kastler）發(fā)明的。在光泵磁共振技術(shù)中，一方面光抽運(yùn)改變了磁能級(jí)上的粒子數(shù)分布，使更多的粒子參與磁共振；另一方面采取光探測(cè)的方法而不直接測(cè)量射頻量子，從而克服了磁共振信號(hào)弱的缺點(diǎn)，把探測(cè)靈敏度提高了七八個(gè)數(shù)量級(jí)。如今，光泵磁共振已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理研究，比如原子的磁矩、能級(jí)結(jié)構(gòu)和g因子測(cè)量。此外，在原子頻標(biāo)、激光及弱磁場(chǎng)測(cè)量等方面，這一方法也是極為有利的實(shí)驗(yàn)手段。本實(shí)驗(yàn)研究銣原子的光泵磁共振現(xiàn)象，并測(cè)量銣原子的朗德g因子和地磁場(chǎng)強(qiáng)度。原理:實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是Rb原子，其最外層有一個(gè)價(jià)電子，位于5s能級(jí)上，因此其電子軌道角動(dòng)量量子數(shù)L=0,電子自旋軌道角動(dòng)量量子數(shù)s=1/2.其總角動(dòng)量量子數(shù)。所以Rb原子的基態(tài)只有，標(biāo)記為。5P與基態(tài)5S之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線系的第一條譜線，譜線為雙線。到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D1線，波長(zhǎng)是794.8nm；到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D2線，波長(zhǎng)是780.0nm。在核自旋I=0時(shí)，原子的價(jià)電子經(jīng)L-S耦合后總角動(dòng)量和原子的總磁矩的關(guān)系為 當(dāng)I不為零時(shí)，核磁矩與電子自旋及軌道磁矩相互作用，使能級(jí)進(jìn)一步分裂，產(chǎn)生了超精細(xì)結(jié)構(gòu)。則耦合后的總量子數(shù)為，的，它的基態(tài)，具有和兩個(gè)狀態(tài)。的，它的基態(tài)，具有和兩個(gè)狀態(tài)。整個(gè)原子的總角動(dòng)量與總磁矩之間的關(guān)系可寫為： 在外加磁場(chǎng)作用下，超精細(xì)能級(jí)進(jìn)一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子數(shù)，即分裂成2F+1個(gè)能量間距基本相等的塞曼子能級(jí)。相鄰塞曼子能級(jí)間的能量差為： 在熱平衡條件下，各能級(jí)的粒子數(shù)遵守玻爾茲曼分布，而超精細(xì)結(jié)構(gòu)的塞曼子分裂能級(jí)相差很小，導(dǎo)致各子能級(jí)上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是相等的，因此我們采用光抽運(yùn)的方法，使粒子數(shù)聚集分布在某一能級(jí)從而實(shí)現(xiàn)偏極化。的態(tài)及態(tài)的磁量子數(shù)最大值都是+2，當(dāng)入射光是時(shí)，由于只能產(chǎn)生Δ=+1的躍遷，基態(tài)＝+2子能級(jí)的粒子不能躍遷，如REF_Ref399834245\h圖1示：圖圖SEQ圖\*ARABIC1（a）87Rb基態(tài)粒子吸收D1s+光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程；（b）87Rb激發(fā)態(tài)粒子通過自發(fā)輻射返回基態(tài)各子能級(jí)。由圖知該圓偏振光能把除＝+2以外的各子能級(jí)上的原子激發(fā)到的相應(yīng)子能級(jí)上，而向下輻射躍遷的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)后＝+2子能級(jí)上的粒子數(shù)就越來越多，這就是光抽運(yùn)。這時(shí)其它能級(jí)上的粒子數(shù)已大大減小，若加一個(gè)使電子從＝+2向=+1躍遷的頻射場(chǎng)，就產(chǎn)生了感應(yīng)躍遷。這樣，由于產(chǎn)生磁共振，對(duì)的吸收增大，故可以通過對(duì)的吸收強(qiáng)度的變化判斷是否產(chǎn)生了磁共振，而光的能量遠(yuǎn)大于射頻場(chǎng)的能量，這樣就提高了實(shí)驗(yàn)的精度，可以使信號(hào)功率提高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，從非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過程叫弛豫過程,在實(shí)驗(yàn)中為了保持原子分布的偏極化，我們要抑制弛豫過程。實(shí)驗(yàn)：1.實(shí)驗(yàn)裝置如REF_Ref399834363\h圖2示：圖SEQ圖\*ARABIC2光泵磁共振裝置2．實(shí)驗(yàn)裝置作用：光源采用高頻無極放電Rb燈，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，噪音小，光強(qiáng)大。由于D2線的存在不利于D1線的光抽運(yùn)，故用透過率大于60％，帶寬小于15nm的干涉濾光片就能很好地濾去D2線。用高碘硫酸奎寧偏振片和40μm左右的云母1／4波片可產(chǎn)生左旋圓偏振光。透鏡L1可將光源發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄猓浣咕喑２捎胒＝5～8cm的凸透鏡。透鏡L2將透過樣品泡的平行光會(huì)聚到光電接受器上。3.實(shí)驗(yàn)方法：a.將“垂直場(chǎng)”、“水平場(chǎng)”、“掃場(chǎng)幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關(guān)。然后接通電源線，按下電源開關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。b.掃場(chǎng)方式先選擇“方波”，適當(dāng)調(diào)大掃場(chǎng)幅度。設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反,預(yù)置垂直場(chǎng)電流為0.０７Ａ,方向與地磁場(chǎng)垂直方向相反然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度及垂直場(chǎng)大小和方向（綜合調(diào)節(jié)），使光抽運(yùn)信號(hào)（如圖3）幅度最大。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場(chǎng)剛好抵消地磁場(chǎng)。圖圖SEQ圖\*ARABIC3（上）光抽運(yùn)信號(hào)（下）掃場(chǎng)波形c.保持垂直場(chǎng)的大小和偏振片的位置不變,掃場(chǎng)方式改為“三角波”，打開頻率計(jì)，設(shè)置射頻頻率為650KHz，在0—1A的電流范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水平方向的電流，然后觀察共振信號(hào)，特別注意在三角波谷和波峰處的共振信號(hào)，然后對(duì)水平場(chǎng)和掃場(chǎng)信號(hào)與地磁場(chǎng)水平方向的不同組合情況下測(cè)量四個(gè)共振信號(hào)所對(duì)應(yīng)的水平場(chǎng)電流值，根據(jù)這些數(shù)值就可以算出銣原子的和地磁場(chǎng)。(測(cè)量數(shù)據(jù)如REF_Ref399834447\h表1所示)表SEQ表\*ARABIC1實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)垂直方向電流0.064ARb85Rb87射頻（kHz)掃場(chǎng)水平場(chǎng)較小值（A)較大值（A)較小值（A)較大值（A)650.000.1460.2300.0480.133650.000.3610.4450.2630.350650.000.2770.3610.1790.2644.注意事項(xiàng)a.通常樣品泡的溫度應(yīng)穩(wěn)定在40~60℃，而銣燈的溫度應(yīng)控制在90℃左右，所以要先預(yù)熱半小時(shí)才可以開始實(shí)驗(yàn)。b.實(shí)驗(yàn)中要用黑布蓋住主體單元，以免其它雜亂信號(hào)的干擾。c.掃場(chǎng)的時(shí)候要注意過零，否則既觀察不到光抽運(yùn)信號(hào)，也無法調(diào)出圓偏振光，也無法完全抵消垂直方向的地磁場(chǎng)。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論本實(shí)驗(yàn)用到的參數(shù)：（如表2示）表SEQ表\*ARABIC2實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)項(xiàng)目名稱水平場(chǎng)掃場(chǎng)垂直場(chǎng)線圈每邊匝數(shù)（N）250250100有效半徑r(m)0.23930.23600.1530實(shí)驗(yàn)具體過程：首先應(yīng)借助指南針將光具座與地磁場(chǎng)水平分量平行擱置，這樣我們算出來的地磁場(chǎng)才是準(zhǔn)確的。接下來將“垂直場(chǎng)”、“水平場(chǎng)”、“掃場(chǎng)幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關(guān)。然后接通電源線，按下電源開關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。掃場(chǎng)方式先選擇“方波”，適當(dāng)調(diào)大掃場(chǎng)幅度。設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反,這樣才可以使得加在銣原子上面的磁場(chǎng)B出現(xiàn)零點(diǎn)，隨著加入方波信號(hào)周期性的變化，這樣就可以反復(fù)出現(xiàn)光抽運(yùn)現(xiàn)象，再通過光電池將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)將信號(hào)輸送至示波器，我們就可以觀測(cè)到光抽運(yùn)信號(hào)。（就如圖3所示）預(yù)置垂直場(chǎng)電流為0.07Ａ,方向與地磁場(chǎng)垂直方向相反。然后我們通過一邊旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，一邊調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度及垂直場(chǎng)大小和方向，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場(chǎng)剛好抵消地磁場(chǎng)。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度達(dá)到最大。保持垂直場(chǎng)的大小和偏振片的位置不變,掃場(chǎng)方式改為“三角波”，打開頻率計(jì)，設(shè)置射頻頻率為650KHz，在0—1A的電流范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水平方向的電流，然后觀察共振信號(hào)，特別注意在三角波谷和波峰處的共振信號(hào)，然后對(duì)水平場(chǎng)和掃場(chǎng)信號(hào)與地磁場(chǎng)水平方向的不同組合情況下測(cè)量得四個(gè)共振信號(hào)所對(duì)應(yīng)的水平場(chǎng)電流值。現(xiàn)象：之前調(diào)光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)，我們已將掃場(chǎng)幅度調(diào)到一個(gè)最佳狀態(tài)，所以觀察磁共振信號(hào)時(shí)掃場(chǎng)幅度保持不變，只要調(diào)節(jié)水平場(chǎng)的電流大小。對(duì)于掃場(chǎng)與水平場(chǎng)正或負(fù)的不同組合下，測(cè)量電流與觀察共振信號(hào)時(shí)的步驟大致相同。首先將水平電流調(diào)到一個(gè)比較大的值使共振信號(hào)消失，即在示波器上表現(xiàn)為一條亮線，然后慢慢的調(diào)小水平方向的電流，直至在三角波的一個(gè)周期上剛好出現(xiàn)一個(gè)共振信號(hào)，先出現(xiàn)的是的，此時(shí)記錄下電流為I2，然后再慢慢調(diào)小電流直至在三角波的一個(gè)周期剛好出現(xiàn)兩個(gè)共振信號(hào)，此時(shí)記錄下電流為I1。接著重復(fù)述操作步驟，也分別記錄下的兩個(gè)電流。分析：由實(shí)驗(yàn)過程可知可以通過下面的計(jì)算得到：1.當(dāng)掃場(chǎng)為正，水平場(chǎng)為正時(shí)，總磁場(chǎng)、地磁場(chǎng)、水平場(chǎng)關(guān)系如REF_Ref399408513\h圖4所示：圖4掃場(chǎng)為正，水平場(chǎng)為正的磁場(chǎng)關(guān)系圖2.當(dāng)掃場(chǎng)為正，水平場(chǎng)為負(fù)時(shí)，總磁場(chǎng)、地磁場(chǎng)、水平場(chǎng)關(guān)系如5所示：圖5掃場(chǎng)為正，水平場(chǎng)為負(fù)的磁場(chǎng)關(guān)系圖從上面的關(guān)系可以看出 將H換為B，則 計(jì)算銣原子的因子：（將兩表格的數(shù)據(jù)代入下面的式子）：=0.9323GS=：理論上的的為1/2，的gF因子為1/3，將實(shí)驗(yàn)值和理論值作對(duì)比得到實(shí)驗(yàn)誤差為：通過計(jì)算可以得到實(shí)驗(yàn)值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)能夠很好吻合，這就為測(cè)量朗德g因子提供了一種辦法。實(shí)驗(yàn)中通過垂直方向的線圈消除了地磁場(chǎng)垂直分量帶來的影響。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意在主體裝置附近要避開其他鐵磁性物質(zhì)、強(qiáng)電磁場(chǎng)及大功率電源線等，避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。計(jì)算地磁場(chǎng)大?。海▽杀砀竦臄?shù)據(jù)代入下面式子）分析：地磁場(chǎng)對(duì)光抽運(yùn)信號(hào)有很大影響，特別是地磁場(chǎng)垂直分量，因此安裝了一對(duì)垂直方向的亥姆霍茲線圈以抵消其影響。實(shí)驗(yàn)中通過觀測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)的大小來判斷是否抵消了地磁場(chǎng)垂直分量，當(dāng)光抽運(yùn)信號(hào)最大時(shí)，消除了垂直分量的影響。實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)量光抽運(yùn)信號(hào)峰峰值來判斷信號(hào)何時(shí)最大。但由于示波器掃頻小于光抽運(yùn)信號(hào)變化頻率，故而得到的信號(hào)不能穩(wěn)定地在屏幕上顯示，這對(duì)光抽運(yùn)信號(hào)的觀測(cè)會(huì)造成一定影響，對(duì)地磁場(chǎng)垂直分量的測(cè)量會(huì)帶來一定誤差。B總==0.4245GS綜上：實(shí)驗(yàn)得到的87Rb的gF=0.4981實(shí)驗(yàn)得到的的gF=0.3348，與理論值的誤差為0.44測(cè)得地磁場(chǎng)的水平分量為：0.1972G