光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

銣原子的光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要：在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過設(shè)置和調(diào)節(jié)水平磁場，豎直磁場和掃場觀察了抽運(yùn)信號(hào)和光泵磁共振現(xiàn)象。通過測(cè)量水平磁場的電流值并計(jì)算得到銣的朗德g因子。同時(shí)通過地磁場水平分量與總磁場和掃場的關(guān)系，計(jì)算出地磁場的水平分量大小。再者，由于裝置的擺放決定了總場沿水平方向時(shí)共振信號(hào)最強(qiáng)，由此測(cè)量了地磁場豎直分量的大小，從而測(cè)得了地磁場的大小和方向。在實(shí)驗(yàn)過程中掌握了光泵磁共振的基本原理。關(guān)鍵詞：抽運(yùn)，光泵磁共振引言：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)及塞曼子能級(jí)間粒子數(shù)的非平衡分布的實(shí)驗(yàn)方法。光泵磁共振技術(shù)于1955年由法國科學(xué)家卡斯特勒發(fā)明，它是將光抽運(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)，這種技術(shù)最早實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。氣體原子塞曼子能級(jí)之間的磁共振信號(hào)非常弱，普通方法很難探測(cè)。本實(shí)驗(yàn)利用光泵磁共振方法克服了磁共振信號(hào)弱的特點(diǎn)，將探測(cè)靈敏度提高了七八個(gè)數(shù)量級(jí)，能在弱磁場下精確檢測(cè)原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)研究Rb原子的光泵磁共振現(xiàn)象，天然Rb有兩種同位素：85Rb（豐度為72.15%）、87Rb（豐度為27.85%）。原理：1．Rb原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)在第一激發(fā)能級(jí)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，波長是794nm；到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D2線，波長是780nm。在核自旋I=0時(shí)，原子的價(jià)電子L-S耦合后總角動(dòng)量PJ與原子總磁矩μμJ=-gJ （2）I≠0時(shí)，對(duì)，I=3/2；對(duì)，I=5/2?？偨莿?dòng)量F=I+J,…,|I-J|。基態(tài)F有兩個(gè)值：F=2及F=1；基態(tài)有F=3及F=2。由F量子數(shù)表征的能級(jí)稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)。原子總角動(dòng)量PF與總磁矩μF之間的關(guān)系為：μF=-gF （4）在磁場中原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂，磁量子數(shù)＝F,F-1,…,-F，即分裂成2F＋1個(gè)能量間隔基本相等的塞曼子能級(jí)。在弱磁場條件下，通過解Rb原子定態(tài)薛定鍔方程可得能量本征值為 （5）由（5）式可得基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的能量差為 （6）相鄰塞曼子能級(jí)之間（Δ＝±1）的能量差為 （7）圓偏振光對(duì)Rb原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)電子在原子能級(jí)間發(fā)生躍遷時(shí)，需要滿足總能量和總角動(dòng)量守恒。一定頻率ν的光可引起能量差?ν為原子能級(jí)之間的躍遷（能量守恒）。而當(dāng)入射光是左旋圓偏振光（角動(dòng)量為?）時(shí)，量子力學(xué)給出的躍遷定則為（角動(dòng)量守恒）。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，當(dāng)原子經(jīng)歷無輻射躍遷過程從回到時(shí)，粒子返回到基態(tài)各子能級(jí)的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)之后，基態(tài)＝+2的子能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加，即大量粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)＝+2的子能級(jí)上，這就是光抽運(yùn)效應(yīng)。各子能級(jí)上粒子數(shù)的這種遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離玻爾茲曼分布的不均勻分布稱為“偏極化”，光抽運(yùn)的目的就是要造成偏極化，有了偏極化就可以在子能級(jí)之間進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)。弛豫過程在熱平衡狀態(tài)下，基態(tài)各子能級(jí)上的粒子數(shù)遵從玻爾茲曼分布 （8）由于各子能級(jí)能量差極小，可近似認(rèn)為各能級(jí)上的粒子數(shù)相等。光抽運(yùn)使能級(jí)之間的粒子數(shù)之差大大增加，使系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離熱平衡分布狀態(tài)。系統(tǒng)由偏離熱平衡分布狀態(tài)趨向熱平衡分布狀態(tài)的過程稱為弛豫過程。本實(shí)驗(yàn)涉及的幾個(gè)主要弛豫過程有以下幾種：1、銣原子與容器器壁的碰撞：導(dǎo)致子能級(jí)之間的躍遷，使原子恢復(fù)到熱平衡分布。2、銣原子之間的碰撞：導(dǎo)致自旋-自旋交換弛豫，失去偏極化。3、銣原子與緩沖氣體之間的碰撞：緩沖氣體的分子磁矩很?。ㄈ绲?dú)猓?，碰撞?duì)銣原子磁能態(tài)擾動(dòng)極小，對(duì)原子的偏極化基本沒有影響。塞曼子能級(jí)間的磁共振垂直于B0的方向所加一圓頻率為的射頻場，當(dāng)滿足共振條件 （9）時(shí)，塞曼子能級(jí)之間將發(fā)生磁共振。抽運(yùn)到基態(tài)子能級(jí)上的大量粒子，由于射頻場的作用產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，即由躍遷到。同時(shí)由于光抽運(yùn)的存在，處于子能級(jí)上的粒子又將被抽運(yùn)到子能級(jí)上，感應(yīng)躍遷與光抽運(yùn)將達(dá)到一個(gè)新的平衡。在發(fā)生磁共振時(shí)，由于子能級(jí)上的粒子數(shù)比未共振時(shí)多，因此對(duì)光的吸收增大。光探測(cè)射到樣品泡上線的光一方面起到光抽運(yùn)作用，另一方面透過樣品的光又可以兼作探測(cè)光。測(cè)量透過樣品的光強(qiáng)的變化即可得到磁共振的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了磁共振的光探測(cè)，巧妙地將一個(gè)低頻射頻光子（1―10MHz）轉(zhuǎn)換為一個(gè)光頻光子（MHz）,使信號(hào)功率提高了7－8個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)裝置：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主體單元、主電源、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器及示波器五部分組成，見圖1.主電源主電源射頻信號(hào)發(fā)生器輔助源主體單元示波器圖1光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置方框圖圖2圖1光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置方框圖主體如圖2所示。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D2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40微米左右的云母1/4波片可產(chǎn)生左旋偏振光б+，透鏡L1可將光源發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄?，透鏡L2將透過樣品泡的平行光匯聚到光電接收器上。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：預(yù)熱：加熱樣品泡及銣燈。觀察抽運(yùn)信號(hào)觀察共振信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在觀察抽運(yùn)信號(hào)時(shí)，設(shè)置“掃場”、“水平”和“垂直”的方向?yàn)樨?fù)，適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)旋鈕得到一個(gè)大小適中的掃場，在本次實(shí)驗(yàn)中，掃場幅度是ΔU=0.308V。從零開始調(diào)節(jié)水平磁場大小，調(diào)節(jié)過程中觀察到示波器顯示的波形如圖1示的順序依次出現(xiàn)：圖1抽運(yùn)信號(hào)以上abc圖都是光抽運(yùn)信號(hào)，至于形狀不同的原因是總磁場零點(diǎn)位置的不同造成的。當(dāng)總磁場為零時(shí)，抽運(yùn)信號(hào)最小，對(duì)應(yīng)于以上abc三圖中信號(hào)的最低位置。abc圖對(duì)應(yīng)的總磁場零點(diǎn)和方波的關(guān)系如圖2中ABC所示:圖2磁場零點(diǎn)位置由圖可以看出，b圖的抽運(yùn)信號(hào)最強(qiáng)最明顯，本次實(shí)驗(yàn)中此時(shí)的水平磁場對(duì)應(yīng)的電流為I=0.014A。從零開始調(diào)節(jié)垂直磁場，調(diào)節(jié)過程中觀察到示波器顯示的抽運(yùn)信號(hào)小變大達(dá)到最大值然后再變小。由于地磁場中存在垂直分量，使得樣品周圍總磁場指向偏離水平方向，導(dǎo)致抽運(yùn)信號(hào)減弱。所以當(dāng)觀察到的抽運(yùn)信號(hào)最大時(shí)，我們所加的垂直磁場的大小正好等于地磁場的垂直分量的大小，二者相互抵消保證了總磁場的指向?yàn)樗椒较?。本次?shí)驗(yàn)中測(cè)得與地磁場的垂直分量大小相等的垂直磁場對(duì)應(yīng)的電流為I=0.063A。觀察磁共振現(xiàn)象時(shí)，打開信號(hào)發(fā)生器及頻率計(jì)。觀測(cè)射頻頻率設(shè)為650KHz時(shí)的共振信號(hào)。保持垂直磁場不變，分別對(duì)掃場和水平場正負(fù)方向的所有組合重復(fù)實(shí)驗(yàn)。從零開始調(diào)節(jié)水平磁場的大小，觀察共振信號(hào)出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的電流范圍，具體數(shù)據(jù)如下：表1測(cè)量數(shù)據(jù)掃場“-”，水平“-”電流（A）0.1870.2200.2820.317共振位置峰谷峰谷掃場“+”，水平“-”電流（A）0.2580.2910.3540.386共振位置谷峰谷峰掃場“-”，水平“+”電流（A）0.1760.2090.2740.306共振位置谷峰谷峰掃場“+”，水平“+”電流（A）0.1080.1390.2040.235共振位置峰谷峰谷如上表前三行所示，當(dāng)掃場方向?yàn)椤?”，水平磁場方向?yàn)椤?”時(shí)，觀察到共振信號(hào)時(shí)的電流為0.187A到 0.220A之間和0.282A到0.317A之間，以上四個(gè)電流值對(duì)應(yīng)的共振位置分別為峰谷峰谷。其他同理。數(shù)據(jù)處理與分析：總磁場與地磁場的水平分量，水平磁場和掃場存在以下關(guān)系：掃場“-”，水平“-”：-B=B地水-B（1--）-B（掃直）-0.5（B掃交）（10）-B=B地水-B（2--）-B（掃直）+0.5（B掃交）（11）掃場“+”，水平“-”：-B=B地水-B（1+-）+B（掃直）-0.5（B掃交）（12）-B=B地水-B（2+-）+B（掃直）+0.5（B掃交）（13）掃場“-”，水平“+”：B=B地水+B（1-+）-B（掃直）+0.5（B掃交）（14）B=B地水+B（2-+）-B（掃直）-0.5（B掃交）（15）掃場“+”，水平“+”：B=B地水+B（1++）+B（掃直）+0.5（B掃交）（16）B=B地水+B（2++）+B（掃直）-0.5（B掃交）（17）由公式B水平場=16л/53/2*N/r*I*10-3計(jì)算出測(cè)量的電流對(duì)應(yīng)的磁場如表二所示：表2數(shù)據(jù)處理單位：GSB（1--）B（2--）B’（1--）B’（2--）0.87831.03331.324551.4889B（1+-）B（2+-）B’（1+-）B’（2+-）1.21181.36681.66271.813B（1-+）B（2-+）B’（1-+）B’（2-+）0.826650.981651.286951.43725B（1++）B（2++）B’（1++）B’（2++）0.507250.652850.958151.10375上表表示與表一中電流一一對(duì)應(yīng)的水平磁場的大小。由式（10）-（17）計(jì)算可得：B=0.932324GS，B’=1.384406GS，B地水=0.189018GS因此，我們得到了第一次共振處總磁場大小為0.932324GS，第二次共振處總磁場大小為1.384406GS，地磁場的水平分量的大小為0.189018GS的結(jié)論。87Rb計(jì)算結(jié)果為gF=hv/μBB=0.498。而從理論上計(jì)算，Rb原子的基態(tài)：L0,S1/2，J1/2可得：gj=2,對(duì)于87Rb，核自旋I=3/2，基態(tài)時(shí)，F(xiàn)=1或2。F=1時(shí)，gf=-0.5,F=2時(shí)gf=0.5。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的gf=0.498，與理論值的誤差為0.4%。85Rb計(jì)算結(jié)果為gF=hv/μBB=0.335而從理論上計(jì)算，核自旋I=5/2，基態(tài)時(shí)F=2或3.當(dāng)F=2時(shí)，gf=-1/3;當(dāng)F=3時(shí)，gf=1/3。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的gF=0.335，與理論值的誤差為0.5%。B地水=0.189018GS，B地垂=32л/53/2*N/r*I*10-3=0.3702GS，則B地=（B地水2+B地垂2）1