光泵磁共振实验.ppt

光泵磁共振 华中师范大学物理科学与技术学院 一、实验目的1、了解光泵磁共振的基本原理，学习光抽运信号的观测方法。 2、 测量铷原子的g因子。 3、 测量地磁场。 4、建立零磁场。 二、实验原理 光泵磁共振是利用光学抽运（Optical Pumping）效应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。由于能应用光探测技术，使得它既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。本实验观测的对象是碱金属，铷（Rb）原子系统，以下简要的讨论其基本原理。 光抽运效应 为说明光抽运过程和效果，先举一简单的例子。假设某种原子的基态E1和激发态E2间的光谱线为D线，以及两能级的角动量量子数J1=J2=1/2，则在外磁场中分裂为=±1的两个赛曼子能级，如图所示。根据光跃迁选择定则 原子从E2跃迁到E1的原D线将分裂成四条：二条光（）；一条；一条。 D E0 mJ 反过来，如果用D光照射处于基态的该原子系统，则只有满足选择定则中的基态子能级上的原子吸收D光跃迁到激发态。光照前，外磁场中的原子服从波尔兹曼分布，几乎均匀的分布于基态各赛曼子能级上，如图1所示；D光的照射知识使基态能级上的原子跃迁到激发态能机上，如图2所示：随后激发态原子很快的按选择定则，等概率的跃迁到基态各子能级，如图3所示.因此，在D光的持续作用下，将会使大部分原来分布于基态的原子被“抽运”到基态能级上，这就是光抽运效应。光抽运的结果使原子分布极大的偏热平衡分布，即原子系统进入“偏极化”状态，而这种偏极化状态给观测基态子级能级间的磁共振现象提供极有利的条件。 三、实验内容 （一）仪器与装置 1、仪器：光泵磁共振实验仪，双踪示波器，射频信号发生器，电子毫伏表等。 2、装置 （二）步骤 1、调整主题单元 1）借助水平仪，调节地脚螺丝，使小霍姆赫兹线圈的平面成水平。 2）将吸收池③置于相互垂直的两对霍姆赫兹线圈⑥⑦正中心磁场的均匀处，以③为基准，调整⑤④②①等，使它们处于同一高度，其光轴平行水平直线。 3）检查各仪器之间的连接线：示波器的x轴接辅助源后在的“外接扫描”；y轴的一踪接辅助源后面的“扫场输出”用以显示扫场波形；另一踪用于监测显示光磁共振信号，接光电探测器的输出。 4）经“预热”点燃铷光谱等后，调节④与②的位置关系使铷光谱等和光电探测器内的光电管分别处于④和②的焦平面内，使光电管接收到的光强最大。 5）借助指南针，仔细调整光具座使大霍姆赫兹线圈的轴线与地磁场的水平分量平行。方法是：将指南针放在吸收池上，给线圈⑥加以微弱的励磁电流，根据指南针的偏移情况，整体的移动主体单元，使得霍姆赫兹线圈产生的中心磁场的方向与地磁场的水平分量平行。 6）熟悉所用仪器，掌握各开关，旋钮的操作使用方法。吸收池的温度最佳为50-55℃.铷光谱灯的灯温为90℃左右时才正常发光。 2、观测抽运信号 1）调整完毕，待铷光谱灯正常发光后，接通吸收池加温电流，监视其温度不要超过55℃. 2）扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度，设置扫场方向与地磁场方向相反，调节时观察光抽运信号，使光抽运信号幅度最大。 3）霍姆赫兹线圈⑦上加以直流磁场，与地磁场垂直分量相反，当两者相互抵消时，光抽运信号应具有最大值。 4）进一步调节光路，可得到下图所示的光抽运信号。 光抽运信号波形 扫场波形 5）改变吸收池温度，观察光抽运信号的幅值和系统池豫时间的变化，如图： 6）将观察到的光抽运信号变化情况记录下来并加以证明或 图示。 3.测量铷原子超精细结构gF因子 实验应用扫频法，扫场方式选择“三角波”，将水平场电流顶置为一确定值，调节射频磁场的频率，以观测铷原子基态超精细结构子能级间的磁共振跃迁现象。 1）先使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同。调节射频频率，可以观察到共振信号如图 这时的频率值设为 ，则有 ∽）/h。 继续调节f，可在附近找到第二个满足磁共振（对铷的另一个同位素）条件的频率。根据和基态超精细结构能级的不同，判断和谁属、谁属的磁共振频率。 2）拨动水平磁场换向开关，只改变的方向，仍用步骤1）中的方法寻找磁共振频率 （及 ）。则有 ∽）/h。如图：共振信号 共振信号 3）为消除磁场对测量结果的影响，将步骤1）和2）得到的两式相加取平均，则有： 式中 值由霍姆赫兹线圈中心处的磁场公式计算： 其中N为每个线圈匝数；R为线圈绕线电阻，r为线圈有效半径， 为水平场直流电压。 4）根据测得的 和