1、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（AKastler）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
2、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。测定铷同位素 和 的 因子，测定地磁场。87bR5Fg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
3、位素： 和 。根据 耦合产生精细结构，它们的87bR5LS基态是 ，最低激发态是 和 的双重态。对 ， 跃迁为 线215S215P23S23211D（ 7948 ）； 为2 线（27800 ）。0A23 0A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IPI合，即 和电子总角动量 耦合成总角动量 ， 为总量子数： ， 。对 ，IPJPF JFJI,87bR，因此 的基态有两个值： 和 。对 ， ，因此 的基态有 和2387bR2185bR285b3F。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：FF FPF(1)F
4、pmehg4(2)(2)1()1(IJJF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0BFFMF,为 个能量间距相等（ ， 为玻尔磁子）的塞曼子能级，见图（1）。120BgEF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KTBeN/0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FM1,FM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
5、动量 ，原子吸收了它就增加了一个角动量 值，则只有的跃迁。1FM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87bR25S21PF21FM态 中 子能级的粒子跃迁概率为，而粒子从 返回 的过程，由于是自发跃迁，21F 215P21S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,0FM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，F 2F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87bR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
6、由各个F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2F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， 2FM由于 ，则无光抽运效应，此时 原子对光有强的吸收。0FM87bR3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
7、影响。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11B1h塞曼子能级差：(3)01BgEhF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2FM2FM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2,FM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11B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
8、摩尔进动同向的那个圆偏振场起作用。例如当用 光照射时，起作用的是角动量为 的右旋圆偏振射频场。5光探测射到样品上的 光一方面起光抽运的作用，另一方面透过样品的光兼作探测光，即一束光起了抽1D运与探测两个作用。由于磁共振使 对 光吸收发生变化，吸收强时到达探测器的光弱，因此通过测 透射光强bR1 1D的变化即可得到磁共振信号，从而实现磁共振的光探测。磁共振的跃迁信号是很微弱的，特别是对于密度非常低的气体样品的信号就更加微弱，由于探测功率正比于频率，直接观测是很困难的。利用磁共振触发光抽运，导致了探测光强的变化，就巧妙地将一个低频（射频，约 ）量子的变化转换成一个高频（光频，约为 ）量子的变化，这
9、就使观测信ZMH1 ZMH810号的功率及灵敏度得到提高。三 实验装置光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、双踪示波器、直流数字电压表。全部实验仪器与装置如图 3所示。具体说明如下：光泵磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。主体单元是该实验的核心部分，它由三部分组成： 抽运光源、吸收室区和光电探测器。1D抽运光源包括铷光谱灯、干涉滤色片、偏振片、 波片和透镜组成。铷光谱灯是一种高频无1D41极气体放电泡，处于高频振荡回路的电感线圈中，受高频电磁场的激励而发光。干涉滤色片能很好地滤去光（它不利于 光的光抽运）而只让 光通过，偏振片和 波片将该光输出左旋圆偏振的 光21 1D1D（或右
10、旋圆偏振的 光）。吸收室区的中心是充以天然铷和惰性缓冲气体的玻璃吸收泡。该泡两侧对称放置一对与水平场正交的射频线圈，为铷原子系统的磁共振提供射频场，射频场源由射频信号发生器提供，其信号频率由数字频率计显示。吸收泡和射频线圈都置于恒温槽内（称它们为吸收池），槽内温度从 40到 70连续可调。吸收池放在两对相互垂直的亥姆霍兹线圈的中心。较小的一对线圈产生的磁场用于抵消地磁场的垂直分量；较大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，为铷原子提供使超精细能级产生塞曼分裂的直流磁场 ，另一组为扫场线圈，它在水平直流磁场上叠加一个调制磁场，其扫场波形由双踪示波器的一踪0B显示。光电探测器是硅光电池，它
11、接收透过吸收泡的 光，转换成电信号，放大滤波后送到双踪示波1D器另一踪显示。铷光谱灯、恒温槽、各线圈绕组以及光电探测器的电源均由辅助源提供，其中水平线圈和垂直线圈的电压由直流数字电压表读出。四 实验内容1仪器调整（1） 揿进预热键，加热样品吸收泡约 50并控温，同时也加热铷灯约 90并控温，约需 30分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。（）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。2观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方
12、向。当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。同时旋转 波片，可获得最佳光抽运信号（图）。扫场是一交流调制场。当它过零并反向时，分41裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最
13、佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。测量基态的 值Fg由磁共振表达式得(4)HhBF可由频率计给出，因此如知 便可求出 。此处 是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可BFgB以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。实验采用将水平场换向的方法来消除地磁水平分量和扫场直流分量。先将水平场和扫场与地磁场水平方向相同，扫场为三角波，水平场电压调到一定值。调节射频信号频率，发生磁共振时将观察到图 5波形，此时频率为 （对应于总场为 ），再改变水平场方向，仍用1上述方法得到频率 （对应于总场为 ），如图 5所示。这样就排除了地磁场水平分量和扫场直流分22B量的影响。而水平场对应的频
14、率为 ，水平磁场的数值可由水平电压和水平亥姆霍兹线圈的/)(1参数来确定。由于 与 的 值不同，根据对 的 ，对 的 可87bR5Fg87bRTMHZ085bRTMHZ470知，当水平场不变时，频率高的为 共振信号，频率低的为 共振信号；当射频不变时，水平磁场大87b 85b的为 共振信号，水平磁场小的为 共振信号。还要注意的是，因为三角波扫场的波峰和波谷处的磁85b场强度不同，故对每一同位素将分别在波峰和波谷处观察到不同频率的磁共振信号。上述实验是固定水平磁场调节射频频率的方法（调频法），还可以采用固定射频频率调节水平磁场的方法（调场法）进行。测量地磁场同测 方法类似，先使扫场、水平场与地磁
15、场水平分量方向相同测得 ，然后同时改变扫场和水Fg 1平场的方向测得 ，这样得到地磁场水平分量对应的频率为 ，即排除了扫场和水平场的2 2/)(1影响，从而得到 ,而 已在实现最佳光抽运信号时测知，由此可得地磁场的大小和方向：FghB地 水 平 地 垂 直(5)22地 垂 直地 水 平地B（6）地 水 平地 垂 直tg选做实验改变入射光的强度、射频场的强度、吸收泡的温度，测量信号幅度及线宽的变化，并给予解释。注意事项本实验是在弱磁场中进行的，为保证测量的准确性，主体单元一定要远离其他带有电磁性物体、强电磁场及大功率电源线。磁场方向判断过后，务必取出指南针。为避免外界杂散光进入探测器，主体单元应
16、罩上黑布。在精测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响，可短时间关掉吸收池加温电流。亥姆霍兹线圈轴中心处磁场的运算公式为 TRNUB72310r56式中： -线圈每边匝数； -线圈线绕电阻（）；R-线圈有效半径（）； -场直流电压（）。U其中各线圈的 、 、 等参数实验室已给出， 由数字电压表读出。Nr思考题图中 的基态塞曼分裂 与 的排列相反，是何原因?87bR2F1测量 值时，将水平场换向得到的频率为 ,为什么不是 ?Fg 2/)(12/)(1为什么实验要在抵消地磁场垂直分量状态下进行? 扫场起何作用?如果射频信号频率是塞曼子能级的两倍，能否产生由 到 的磁共振?为什么?F0FM参考资料
