1、光泵磁共振,華中師范大學物理科學與技術(shù)學院,一、實驗?zāi)康?、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 光泵磁共振是利用光學抽運（Optical Pumping）效應(yīng)來研究原子超精細結(jié)構(gòu)塞曼子能級間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。由于能應(yīng)用光探測技術(shù)，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(yīng)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。,光抽運效應(yīng),為說

2、明光抽運過程和效果，先舉一簡單的例子。假設(shè)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。,E,D,E0,mJ,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則，等概率的躍遷到基態(tài)

3、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(yīng)。光抽運的結(jié)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,（二）步驟 1、調(diào)整主題單元 1）借助水平儀，調(diào)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(diào)整等，使它們處于同一高度，其光軸平行水平直線。 3）檢查各

4、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(diào)節(jié)與的位置關(guān)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(diào)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：講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(guān)，旋鈕的操作使用方法。吸收池的溫度最佳為5

5、0-55.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(diào)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(diào)大掃場幅度，設(shè)置掃場方向與地磁場方向相反，調(diào)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(yīng)具有最大值。 4）進一步調(diào)節(jié)光路，可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(jié)構(gòu)gF

6、因子 實驗應(yīng)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(diào)節(jié)射頻磁場的頻率，以觀測銣原子基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)射頻頻率，可以觀察到共振信號如圖,這時的頻率值設(shè)為,，則有,）/h。,繼續(xù)調(diào)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）條件的頻率。根據(jù)和基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)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(guān)，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,3）為消除磁場對測量結(jié)果的影響，將步驟1）和2）得到的兩式相加取平均，則有：,式中 值由霍姆赫茲線圈中心處的磁場公式計算：,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，,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。,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)是什么？ 2）,光