光泵磁共振浅析.ppt

光泵磁共振 前 言 铷原子的基态和最低激发态的能级 85Rb和87Rb二者的基态都是5 2S1/2，即主量字数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总轨道量子数J=1/2(LS耦合) 在LS耦合下，铷原子的最低激发态5P仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，形成双重态：5 2P1/2和5 2P3/2，这两个状态的能级不相等，产生精细分裂。因此，5P到5S的跃迁产生双重线，分别称为D1和D2线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm。 * Alfred Kastler 1966年诺贝尔物理学奖 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振结合起来的一种物理过程，是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是碱金属原子铷Rb。天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb占27.85%，85Rb占72.15%。 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振方法难于观察。用光探测方法，即保持了磁共振分辨率高的特点，同时将探测灵敏度提高了几个以致十几个数量级。光磁共振在研究原子结构、原子和其它粒子相互作用、量子频标、激光技术、磁场的精确测量等方面有极广泛的应用。 实验中D2线被滤波掉 I=3/2 电子的总角动量PJ和总磁矩μJ之间有如下关系式 原子核也有自旋角动量，核自旋量子数用I表示。核自旋角动量和电子角动量耦合形成更大的角动量，其量子数用F表示。 与此角动量相关的原子总磁矩为 总磁矩与外磁场的相互作用能量为 原子在磁场中的附加能量E随MF变化，原来MF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，相邻子能级的能量差为 87Rb：I=3/2与52S1/2耦合 F=I+J=2，F=I-J=1 同样与52P1/2耦合 F=I+J=2，F=I-J=1 铷原子对D1σ+(左旋圆偏振光)的吸收选择定则： ΔL=±1, ΔF=±1,0, ΔMF=+1 发出自然光，跃迁选择定则： ΔF=±1,0， ΔMF=±1,0 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+光持续照射时，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。 用方波观察光抽运 用三角波观察光磁共振 光泵磁共振实验装置 高频 振荡器 铷光谱灯 Rb 光电探测器 光电池 放大器 偏振片 1/4波片 透镜 透镜 垂直线圈 射频线圈 吸收池 恒温槽 扫场线圈 水平场线圈 干涉滤光片 至示波器 亥姆霍兹(Helmholtz )线圈 直流磁场BDC可以通过两个并联线圈的电流之和I来计算 当I=0.5A时BDC为 实验数据处理 铷原子g因子理论计算值 *