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光泵磁共振 光磁共振技术是20世纪50年代法国物理学家卡斯特勒（A．Kastler）提出的。他于1966年获诺贝尔物理学奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。 一 实验目的 １．掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。 ２．测定铷同位素和的因子，测定地磁场。 二 实验原理 光磁共振是根据角动量守恒原理，用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时，又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很高的应用价值。 1．铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：和。根据耦合产生精细结构，它们的基态是，最低激发态是和的双重态。对，－跃迁为线（＝7948）；－为Ｄ2线（λ2＝7800）。 铷原子具有核自旋I,相应的核自旋角动量为,核磁矩为。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即和电子总角动量耦合成总角动量，为总量子数：，。对，，因此的基态有两个值：和。对，，因此的基态有和。由量子数标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为： (1) 　　 (2) 在磁场中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某－值，磁量子数，即分裂为个能量???距相等（，为玻尔磁子）的塞曼子能级，见图（1）。 在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布（），由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。 2．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应 对塞曼效应原子能级跃迁，通常的选择定则是，但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对于左旋圆偏振的光子与原子相互作用，因它具有一个角动量，原子吸收了它就增加了一个角动量值，则只有的跃迁。 ???的和态的最大值都是，当入射光为时，由于只能产生的跃迁，基态中子能级的粒子跃迁概率为０，而粒子从返回的过程，由于是自发跃迁，按选择定则布居，从而使得粒子数增加（见图2）。这样经过若干循环后，基态子能级上粒子数大大增加，即的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到上，造成粒子数反转，这就是光抽运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，原子对光的吸收减弱，直至饱和不吸收。同时，每一表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。光有同样作用，不过它是将大量粒子抽运到子能级上。当为光时，由于，则无光抽运效应，此时原子对光有强的吸收。 3．弛豫过程 原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。 系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高光抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。 ４．射频诱导跃迁——光磁共振 光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为的右旋圆偏振射频场，并使等于相邻塞曼子能级差： (3) 则塞曼子能级之间将产生磁共振，使得被抽运到能级的粒子产生感应诱导跃迁，从依次跳到等子能级，结果使粒子趋于原来的均衡分布而破坏了偏极化。但是由于抽运光的存在，光抽运过程也随之出现。这样，感应跃迁与光抽运这两个相反的过程将达到一个新的动态平衡。 产生磁共振时除能量守恒外角动量也守恒。频率为的射频场是加在垂直于恒定水平磁场方向的线偏振场，此线偏振场可分解为一右旋和一左旋圆偏振场，为满足角动量守恒，只是与原子磁矩作拉摩尔进动