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铷原子的光泵磁共振实验报告 摘要：本实验利用光泵磁共振技术实现了对Rb原子能级结构的探测。用光探测的方法在示波器上观察并记录核磁共振时光抽运信号，从而计算出了和的朗德g因子，并对地磁场进行了测量。 关键词：光泵磁共振 Rb原子 光探测 引言 光泵，也成光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。光泵次共振技术是由法国物理学家卡斯特勒在1950年首创的。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态塞曼能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的波尔兹曼分布。然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，使光的抽运速率变化。通过对抽运速率变化的探测来研究原子的能级结构。光泵磁共振技术巧妙地利用了光探测的高灵敏度和磁共振的高分辨率，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。 由于光磁共振在基础物理研究、量子频标技术和弱磁场测定等方面都有着重要的应用价值，因此卡斯特勒获得了1966年的诺贝尔奖。 实验原理 Rb原子基态及最低激发态能级 Rb是碱金属原子，其基态为。离5s能级最近的激发态是5p，此激发态是双重态：和。电子由5p跃迁到5s所产生的光辐射是Rb原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb灯光谱中特别高，其中到跃迁产生的谱线称为D1线，波长是794.8nm，而到跃迁产生的谱线称为D1线，波长为780.nm。 在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S耦合后总角动量与原子总磁矩的关系为 (1) 但当I0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。设核自旋角动量为，核磁矩为，和耦合成，于是有，耦合后总量子数。由于的，而的，因此，的基态；的基态。由量子数F标定的能级称为原子的超精细结构能级。原子角动量与总磁矩之间的关系为 (2) 在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，当磁场较弱时为反常塞曼分裂，磁量子数，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。如图1所示。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 1 铷原子能级图 圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应 当电子在原子能级之间发生跃迁时，需满足一定的条件，即原子和光子的总能量和总动量要守恒。能量守恒要求光子能量与跃迁能级间的能量变化相等，而动量守恒就要复杂得多，因为动量是矢量，在考虑动量守恒时通常还需要考虑光的偏振状态。 左旋偏振光的自旋角动量为，方向指向光的传播方向；右旋偏振光的自旋角动量为-，方向与光的传播方向相反。所以电子在吸收左旋偏振光后，量子力学给出的跃迁选择定则为 图 SEQ 图表 \* ARABIC 2基态粒子吸收光子跃迁到激发态的过程及激发态粒子通过自发辐射回到基态各能级的过程87Rb的52Sl/2态及52Pl/2态的磁量子数mF最大值都是+2，当入射光是(的角动量是+h)时，由于只能产生的跃迁，基态子能级的粒子不能跃迁，即其跃迁几率是零。由于的激发而跃迁到激发态52Pl/2的粒子可以通过自发辐射激回到基态当原子经历无辐射跃迁过程从52Pl/2回到52Sl/2时，则粒子返回基态各子能级的几率相等，这样经过若干循环之后,基态子能级上的粒子数就会大大增加,即大量粒子被“抽运”到基态的的子能级上。这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化”, 光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。光有同样的作用,它将大量的粒子拙运到 的子能级上。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 2基态粒子吸收光子跃迁到激发态的过程及激发态粒子通过自发辐射回到基态各能级的过程 与对光抽运有相反的作用。因此, 当入射光为线偏振光(等量与的混合)时，铷原子对光有强烈的吸收，但无光抽运效应；当入射光为椭圆偏振光(不等量的与的混合)时，光抽运效应较困偏振光小；当入射光为光(光的电场强度矢量与总磁场的方向平行)时，铷原子对光有强的吸收,但无光抽运效应。 弛豫过程 当光抽运使个别子能级上的粒子数大大增加时，系统处于非热平衡状态。系统由非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫弛豫过程。Rb原子系统中Rb原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因，所以要充入适当的缓冲气体分子，控制合适的温度。 塞曼子能级之间的磁共振 在恒定磁场B0下，相邻塞曼分裂能级间隔为 当圆频率为的射频场，并满足共振条件 （3） 使相邻磁能级之间发生跃迁，改变磁能级的粒子布居 图 SEQ 图表 \* ARABIC 3 磁共振过程塞曼子能级粒子数的变化 当发生磁共振时，对D1光的吸收大大增加。 光探测 发生磁共振时，样品对D1线的光吸收强度发生改变，因此测量其透过样品的光强变化，即可得到相关的磁共振信