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光泵磁共振
实验报告
光信息31
张圳
2120905023
光泵磁共振实验是指把实验样品(原子,分子等)置于光频和射频电磁场的共同作用下,使之发生光频共振跃迁的一种实验技术。在探测磁共振时,不直接探测样品对射频量子的发射和吸收,而是采用光探测的方法,级探测样品对光量子的吸收和发射。由于光量子的能量比射频量子的能量高7~8个量级,所以这种方法即保持了磁共振的高分辨率又提高了探测信号的灵敏度。
近几十年来,用光抽运-磁共振-光探测技术对许多原子,分子能级的精细结构及其它各种参数进行了精密的测量,对研究微观粒子结构起了很大的推动作用。另外在量子频标、精确测定磁场等方面也有很大的实际应用价值。
本实验研究的对象是碱金属铷的气态自由原子。实验的物理内容很丰富,通过实验可加深对原子超精细结构,光跃迁及磁共振的理解,也将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。

观察光抽运,磁共振信号,加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
掌握光泵磁共振的原理及实验方法。
利用光泵磁共振测量,超精细结构因子及地磁场水平分量

(Rb)原子基态及最低激发态的能级
图B4-1 Rb原子精细结构的形成
铷(Z=37)是一价金属元素,天然铷中含量大的同位素有两种:87Rb, %和85Rb,%。它们的基态都是52S1/2。
在L—S耦合下,形成双重态:52P1/2和52P3/2,这两个状态的能量不相等,产生精细分裂。因此,从5P到5S的跃迁产生双线,分别称为D1和D2线,如图B4-1所示,。
通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ,与此相联系的核外电子的总磁矩为
(B4-1)
式中
(B4-2)
是著名的朗德因子,me是电子质量,e是电子电量。
原子核也有自旋和磁矩,核自旋量子数用I表示。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量,用符号表示,其量子数用F表示,则
(B4-3)
与此角动量相关的原子总磁矩为
(B4-4) 式中

是对应于与关系的朗德因子。在有外静磁场B的情况下,总磁矩将与外场相互作用,使原子产生附加的能量
(B4-6)
其中称为玻尔磁子,是在外场方向上分量的量子数,共有2F+1个值。可以看到,原子在磁场中的附加能量E随变化,原来对简并的能级发生分裂,称为超精细结构,一个F能级分裂成2F+1个子能级,相邻的子能级的能量差为

由此式可以看出塞曼子能级间距与B成正比。


图铷原子能级示意图



实验中已对铷光源进行了滤光和变换,只让D1σ+光(左旋圆偏振光)通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上,铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。
需要指出的是
(1)从常温对应的能量kBT来衡量,超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼分布
(B4-8)
由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布;同样,由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。
(2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1σ+光实际包含了连续频率的光,这些光使得D1线有一定的宽度,同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。
处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则
;
根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图,如图B4-3所示。
图B4-3 87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
可以看到,跃迁选择定则是
;
跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着,跃迁5S5P5S5P…这样的过程就会持续下去。这样,5S态中子能级上的原子数就会越积越多,而其余7个子能级上的原子数越来越少,相应地,对D1σ+光的吸收越来越弱,最后,差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上,其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光,这时光强测量值不再发生变化。
通过以上的分析可以得出这样的结论:在没有D1σ+光照射时,5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子,而当D1σ+光持续照着时,较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到
MF=+2的子能级上,出现了“粒子数反转”的现象(偏极化)。
在“粒子数反转”后,如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场,并且调整射频频率ν,使之满足
(B4-9)
这时将出现“射频受激辐射”,光吸收过程重又开始,光强测量值又降低。跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上,所以,用不了多久,5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再