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1、光泵磁原理光泵,也称光抽运,是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
光泵磁共振技术则是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术,这种技术最早实现了粒子数反转。
由于气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱,普通方法很难探测。
光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点,将探测灵敏度提高了七八个数量级,能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。
2、Rb的丰度天然 Rb 有两种同位素: 85Rb (丰度为 72.15%)、87Rb (丰度为 27.85%)。
3、铷原子基态及最低激发态能级Rb 是碱金属原子,原子序数为 47,最外层有一个价电子,位于 5s 能级上, 因此 Rb 原子的轨道角动量量子数 L=0,自旋角动量量子数 S=1/2。
经过轨道角动量与自旋角动量间的 L-S 耦合后,其总角动量量子数为 J=|L-S|,…,L+S。
因此 Rb 原子的基态:L=0,S=1/2,J=1/2,记作 52S 。
离基态最 1/2 近的激发态是5p, 其 L=1,S=1/2,J=1/2 或 3/2,所以第一激发态为双重态,记为 52P1/2和52P3/2。
上面并没有考虑核自旋,由量子数 J 标定的能级称为原子的精细结构能级。
在核自旋 I = 0 时,原子的价电子 L-S 耦合后总角动量 PJ 与原子总磁矩µJ的关系为:I≠0时,原子总角动量还要考虑核的贡献。
记核自旋角动量为PI,核磁矩为µI ,PI与PJ耦合成PF,于是有PF=PI+PJ,耦合后总量子数F=|I-J|,…, I+J。
对于87Rb,核自旋 I =3/2,基态时 J =1/2,F =1 或 2;对于85Rb,核自旋 I=5/2,基态时 J =1/2,F =2 或 3。
由量子数 F 标定的能级称为原子的超精细结构能级。
原子总角动量 PF 与原子总磁矩µF的关系为:在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂(弱场时为反常塞曼效应),磁量子数 mF= -F,-F +1,…,F -1,F ,即分裂成 2F+1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级图：在弱磁场条件下,通过解铷原子的定态薛定谔方程可得其能量本征值为:E=E0+[F(F+1)-J(J+1)-I(I+1)]+gFµFµBB（其中µB 为玻尔磁矩,a 为磁偶极子相互作用常数， a87= 3417.34MHZ,a85= 1011.9MHZ )。
实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。
铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。
n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。
基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。
轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。
一、实验概述光泵磁共振实验是一种重要的物理实验，通过观察原子在特定磁场和光场作用下的能级跃迁，研究原子能级结构、磁共振现象以及光抽运效应等。
本次实验采用DH807型光泵磁共振实验装置，通过观察铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，加深对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，并测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、实验目的1. 观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。
2. 观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
3. 学会利用光磁共振的原理和实验方法，提高实验技能。
三、实验原理光泵磁共振实验基于以下原理：1. 光抽运效应：当原子处于激发态时，吸收特定频率的光子，原子会跃迁到更高能级。
通过调节光场强度，可以使原子处于高能级状态的粒子数增加。
2. 磁共振：当原子处于特定磁场中，能级发生塞曼分裂。
通过调节磁场强度，可以使原子能级发生跃迁，产生磁共振现象。
3. 光泵磁共振：光泵磁共振实验中，利用光抽运效应和磁共振原理，观察原子能级跃迁和磁共振信号。
四、实验结果与分析1. 光抽运信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的光抽运信号。
通过调节光场强度和频率，可以观察到不同能级跃迁的光抽运信号。
这表明光抽运效应在实验中得到了充分体现。
2. 磁共振信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的磁共振信号。
通过调节磁场强度，可以观察到不同能级跃迁的磁共振信号。
这表明磁共振现象在实验中得到了充分体现。
3. 塞曼子能级朗德因子测定根据实验数据，我们计算了铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
实验结果显示，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合。
五、实验结论1. 通过本次实验，我们成功地观察到了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，验证了光泵磁共振实验的原理。
2. 实验结果表明，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合，表明实验具有较高的准确性。
3. 通过本次实验，我们加深了对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，提高了实验技能。
光泵磁共振实验光抽运信号分析光信息科学与技术刘晋麟摘要：分析光抽运信号核磁共振信号图样形成原理，以及图像随磁场变化而变化的特点和原理。
关键词：光抽运 光泵磁共振光泵磁共振是利用磁共振研究物质内部结构的一种方法,普通的磁共振由于热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，偶极跃迁几率也较小，因此信息强度不足，只能用于研究样品浓度大的固体和液体，对于样品密度小的气体，需要提高信号强度才能进行研究（参考资料《近代物理实验讲义》）。
光抽运就是加强信号强度的一种办法，可以通过实验得到的图像分析物质的朗德因子等，实验中，我对于不同的水平磁场和垂直磁场对信号的影响进行了实验和分析。
一、简要实验原理以铷气态自由原子为例，铷最外层电子处于第五层，主量子数n=5。
对于基态L=0以及最低激发态L=1，由于电子的自旋与轨道运动的相互作用——L-S 耦合，以及核磁矩和电子总磁矩耦合，能级分裂为精细结构。
若此时加上磁场，则能级进一步发生赛曼分裂。
此时进行磁共振实验，由于信号强度不高，无法得到可靠数据，需要使用光抽运的方法使粒子偏极化，打破热平衡下波尔兹曼分布。
光抽运信号是使用圆偏振光来使得粒子形成偏极化，例如使用左旋圆偏振光，由于左旋圆偏振光具有+h 的角动量，根据角动量守恒，跃迁需满足⊿M F =+1。
因此，对于L=0到L=1的跃迁（如图所示），基态中M F =2的粒子将无法跃迁至第一激发态，故该子能级上的粒子数只增不减，从而形成偏极化分布。
在达到偏极化分布后，即可进行磁共振。
在垂直于产生赛曼分裂的磁场B 方向加上一个频率为v 的射频磁场，当频率和B 满足：F B h g B νμ=时，在赛曼分裂子能级间产生感应跃迁，即磁共振，跃迁遵守选择定则：⊿F=0,⊿M F =±1磁共振发生后，光抽运与磁共振将最后达到平衡状态。
二、实验仪器实验时，水平磁场线圈、扫场线圈和地磁场水平分量提供赛曼分裂的磁场，垂直磁场用于抵消地磁场垂直分量，射频磁场提供磁共振的射频场。
光泵磁共振一.实验目的(1)掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
(2)测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。
、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。
这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。
1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%,87Rb占27.85%。
由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，IL—SI。
铷的基态，轨道量子数1=0，自旋量子数S=1/2,只有J=1/2一个态52s l/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数1=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P l/2态J=1/2。
已知核自旋1=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量耳与原子总磁矩匕的关系为：咛-g J eP J/(2m e)(13-1)J(J+1)—L(L+1)+S(S+1)g J=1+(13-2)2J(J+1)但铷原子的核自旋I W0。
所以核自旋角动量P I与电子总角动量耳耦合成原子总角动量P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。
87Rb的基态J=1/2、1=3/2，有F=2和F=1两个状态。
85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。
把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。
原子总角动量P F与总磁矩P F之间的关系(见本实验附录)为：口F=-g F e P F/22m e)F(F+1)+J(J+1)—I(I+1)g F=g J(13-3)2F(F+1)铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数m F标定。
实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。
虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。
一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。
2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。
二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。
Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。
由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。
考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。
87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。
核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。
I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。
对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。
光泵磁共振实验陈骋0830*******摘要： 本实验介绍产生光抽运信号和磁共振信号的原理，测量分析了垂直磁感应强度对于信号幅度的影响原因。
关键字： 光抽运信号 磁共振信号 竖直方向磁场引言：光泵磁共振实验包括了原子物理中很多的内容，其中用光抽运-磁共振-光探测技术，对于原子、离子和 的研究有着非常重要的意义，使我们更加深刻了对于微观粒子结构的认识光泵磁共振实验装置示意图实验原理光抽运信号的产生当磁场扫过零（水平零场总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能及随之发生改变，简并随即再次分裂。
在这个时候，铷原子分布由于碰撞等导致自选方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后个塞曼子能级上的离子数又接近相等，对光的吸收又达到最大，就能观察到光抽运信号。
磁共振信号的产生磁共振波破坏了粒子分布的偏极化，引起新的光抽运信号。
也就是说如果磁场与射频信号满足F B hv g B μ=，那么铷原子分布又会失去偏极化，产生磁共振信号，而光抽运信号的跃迁速率比磁共振跃迁速率大，所以两者之间会达到一个动态平衡。
实验内容垂直磁感应强度对光抽运信号幅度的影响为了得到光磁共振信号，实验中先调节垂直场电流，使得垂直场合地磁场的垂直分量相互抵消，接着调整水平场，把扫场信号换成三角波。
水平场、扫场以及地磁场水平分量相互叠加作用，使得铷原子产生塞曼分裂。
在实验中垂直磁感应强度变化时，示波器的光抽运信号振幅是不一样的。
在先设定水平磁感应强度不变的情况下，消除地磁场垂直磁场的影响。
由此测得垂直磁场电流为0.070A ，由公式012()/(2)F B B v v h g μ=+，得到对应电流为0.070A ，计算所得磁感应强度0.21Gs 。
取水平磁感应强度电流为0.018A 、0.025A 和0.032A 。
在三种情况下，光抽运信号幅度和磁感应强度关系。
如果我们作一个归一化图像，做归一化的原因是由于地磁场有一个垂直于光线传播方向又垂直于分解地磁场竖直方向的分量，这个分量可能是因为仪器的放置造成的，也可能是竖直地磁场的影响并没有完全消除，因为我们并不能确定仪器的抵消地磁场竖直分量所用的垂直场和地磁场是完全在一条轴上，另外也有可能是测量造成的误差，但是可以确定的是这个分量是一个cos的角度，也就是说归一化以后可以消除这样的一个误差。
近代物理实验报告光磁共振实验学院班级姓名学号时间 2014年3月22日光磁共振实验实验报告【摘要】：本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。
在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(85Rb，87Rb)的超精细结构塞曼子能级的朗德因子（g）。
【关键词】：光抽运、光磁共振、铷原子、超精细结构、朗德因子【引言】：波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。
1950年法国物理学家A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。
这种光轴运——磁共振——光探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
这种方法很快就发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。
它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。
为此，Kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。
【正文】：一、实验原理1、能级分裂铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。
它们的基态都是52S1/2，即电子的主量子数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2（L—S 耦合）。
)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 在L —S 耦合下，铷原子的最低激发态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：52P 1/2和52P 3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。
因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm 。
