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光泵磁共振实验报告

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学生实验报告
内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结
果与分析、实验心得
一、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方法测量地磁场。
二、实验使用仪器与材料：
数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。
（核磁共振仪器连线图）
三、实验步骤：

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。
（３）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１
／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。扫场是一交流调制场。当它过零并反向时，分裂的塞曼子能
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佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。

３．测量基态的值
由磁共振表达式得

......(4)
υ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，它包括除了可以测知的水
2

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３．2-5ａ波形，此时频率为1（对应于总场为1），再改变水平场方向，仍用上述方法
得到频率2（对应于总场为2），如图３．2-5ｂ所示。这样就排除了地磁场水平分量和扫场直流分量的影响。
而水平场对应的频率为＝（1＋2）／2，水平磁场的数值可由水平电压和水平亥姆霍兹线圈的参数来确定。

由于与的值不同，根据对的／Ｈ，对的／Ｈ可知，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。

４．测量地磁场

同测方法类似，先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同测得，然后同时改变扫场和水平场的方
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：

．．．．．．（5） ．．．．．．（6）
四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）：
（核磁共振实验仪图） （光抽运信号图）
（核磁共振图像（1），1 =9.71×1000kHz） （核磁共振图像（2），2=10.84×1000kHz）
实验参数
核磁共振图像（1）1
9.71×100kHz

核磁共振图像（2）2
10.84×100kHz
垂直场电磁场B1 0.053T
加在线圈上的水平直流电I0 0.464A
线圈的有效半径r 0.2376m
线圈每边的匝数N 250
3

（1） 理论上的朗德因子gF计算：
1)2F(F)1I(I)1J(J)1F(FggJF


， （1）

1)2J(J)1S(S)1L(L)1J(J1gJ



（2）

1、计算Rb87理论上的朗德因子gF，
对于 Rb87，在原子态S2125中，核自旋量子数I = 3/2；Rb87基态原子角动量的量子数F ：F= 2 电子
的轨道量子数L=0，电子的自旋角动量量子数S=21，电子总角动量的量子数J=21。
2、计算Rb85理论上的朗德因子gF
对Rb85，在原子态S2125中，核自旋量子数I = 5/2；Rb85基态原子角动量的量子数F ：F= 2 ；电子的
轨道量子数L=0，电子的自旋角动量量子数S=21，电子总角动量的量子数J=21。
（2） 实际上测出理论上的朗德因子gF，

根据实验原理可知，铷原子的Fg为FBhgB共振
其中h为普朗克常数，B为玻尔磁子，ν为射频频率。
因为3133445.0gF实 ,即ggFF85实，当出现该共振信号时，为Rb85信号。
五、实验结果与分析：
本实验我们通过DH807型光泵磁共振的实验装置观察了铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，并通过测量得到
了下列的数值。
1.理论得到的87Rb的gF=0.50000；

2.实验得到的85Rb的33445.0gF实，与理论值的误差为0.335%。

符合实验要求。
六、思考题：
1、找和观察光抽运信号时，一开始可能找不到光抽运信号，试分析有哪几种可能的原因。
答：可能有四种原因：
（1）仪器未充分预热；
（2）可能是没有把水平磁场的方向调到与地磁场水平分量相反；
（3）电场电流设置不正确；
（4）没有加上遮光罩。
2.实验为了观察磁共振信号，在恒定磁场上叠加了直流分量不为零的三角波磁场信号，如果恒定磁场、地磁场的
4

水平分量和三角波磁场的方向组合合适，有时也会出现光抽运信号。这样产生的光抽运信号和磁共振信号有什么
不同？如何区别？如何避免在观测磁共振信号时出现光抽运信号？
答：该光抽运信号当磁场频率改变时信号变化不大，可以调节频率用以区别。为了避免出现这种情况的出现，实
验时需要先从低电流时的反向频率测起，保证在此时不会过零，这样才能保证以后测量数据的正确性。
3.实验装置中为什么要用垂直磁场线圈抵消地磁场的垂直分量？不抵消会有什么不良后果？
答：用垂直磁场线圈抵消地磁场的垂直分量是为了消除地磁场在垂直方向上对实验的影响，如不抵消，实验效果
将不明显，导致误差较大，甚至观察不到信号。
4.试计算出87Rb和85Rb的gF因子理论值。

答：（1）对于 Rb87，在原子态S2125中，核自旋量子数I = 3/2；Rb87基态原子角动量的量子数F ：F= 2 电

子的轨道量子数L=0，电子的自旋角动量量子数S=21，电子总角动量的量子数J=21。
（2）对Rb85，在原子态S2125中，核自旋量子数I = 5/2；Rb85基态原子角动量的量子数F ：F= 2 ；电子

的轨道量子数L=0，电子的自旋角动量量子数S=21，电子总角动量的量子数J=21。
5.铷原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振信号用什么方法检测的？实验过程中如何区分87Rb 和85Rb的磁共振
信号？
答：（1）铷原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振信号采用在光抽运的基础上，施加一恒定磁场的B0的射频场
B1作用于样品，并采用三角波作扫场。对应于射频场B1的频率值，调节B0大小使满足磁共振条件h=gFB B0 ，
便可观测到光汞磁共振信号。

（2）共振频率与磁场的关系为87Rb：04107006.0B ；85Rb：04107006.0B，因此对与同一磁
场值，两种同位素的共振磁场是不一样，即可以先固定某一频率，在由小到大调节B0，会先后两次出现共振信号，
根据上两式，即可区分87Rb 和85Rb的磁共振信号。
6.测定的gF因子的方法是否受到地磁场和扫场直流分量的影响？为什么？
答：测定的gF因子的方法是受到地磁场和扫场直流分量的影响很大的影响，（1）因为本测定方法是在弱磁场作
用下进行的，地磁场水平分量和扫场直流分量的影响相对于其弱磁场是比较大的。（2）观测到的扫场较弱，而地
磁场的大小也足可以产生很大影响。因此，在装置上，才要消除这种系统误差。
七、实验心得
通过本次实验，我了解了光泵磁共振原理，观察铷原子光抽运信号，加深了对原子超精细结构的理解,和知道如
何测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子,并学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

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光磁共振实验报告

光磁共振实验报告

近代物理实验题目光磁共振学院数理与信息工程学院班级物理071班学号07180132姓名骆宇哲指导教师斯剑宵浙江师范大学实验报告实验名称光磁共振班级物理071 姓名骆宇哲学号07180132同组人实验日期10/04/15 室温气温光磁共振摘要：光磁共振(光泵磁共振)利用光抽运（Optical PumPing）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。

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：85Rb占72．15％，87Rb占27．85％。

气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。

本实验应用光抽运、光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。

此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有很大的实际应用价值。

关键词：光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构引言：光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。

这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。

由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。

光磁共振方法现已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。

利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。

实验方案：一、实验目的1．加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。

2．测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子g。

二、实验仪器由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。

三、实验内容1．仪器的调节①在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。

再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。

光泵磁共振

光泵磁共振

七、塞曼子能级间磁共振
在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为 ?的射频磁场，
当满足
h? ? g ? BB
时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次发生光抽 运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。
八、光探测
照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一、产 生光抽运效应；二、可以通过测量透射光强得到磁共振信 号。当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强， 透射光最弱；当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。 这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量 灵敏度。
四、光磁共振概念
光造成期望布居数差，它基于光和原子间的相互作用。
如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采 用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收）， 因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵 敏度。
原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合） 发生能级分裂
铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数， J=L+S,L+S-1,…,|L-S|
图4 铷原子精细结构的形成
对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为52S1/2 ；对于最低激发 态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 52 P3/ 2 ,5，2 P如1/ 2 图4所示，形 成两条谱线。
M能F 级? 上? 2的粒子数会越来越多，形成粒子数
高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。
图5 Rb87原子的跃迁
（a） Rb87吸收光受激跃迁，MF=+2；粒子跃迁几率为0 （b） Rb87激发态无辐射跃迁，以相等几率返回基态
六、弛豫时间
粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平衡状态（玻尔兹 曼分布）所需的时间。本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较 小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失 去偏极化。另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小铷原 子与容器壁的碰撞。
光磁共振实验(revise)

光磁共振实验(revise)


h 3 g F B ( BDC BS B e⁄⁄)
(6)
4/7
光磁共振实验
图 6 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像
由（2）式加（6）式得：
Be⁄⁄= 三、实验仪器
h( 1 3 ) 2g F B
（7）
本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。见图 2：
光磁共振实验
一、实验目的 1．了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象; 2． 测量铷（Rb）原子的 g F 因子（和地磁场）. 二、实验原理 1． 光磁共振的概念 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁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。 2． 光抽运效应 处于磁场环境中的铷原子对 D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则： L 1， F 1,0 ， M F 1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 1 所 示 5S 能级中的 8 条子能级除了 MF=+2 的子能级 外， 都可以吸收 D1σ+光而跃迁到 5P 的有关子能级， MF=+2 的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没 有条件往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的； 另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途 径很快又跃迁回 5S 低能级，发出自然光，跃迁选 择定则是： ， 相应的跃迁见图 1 的右半部分。 ， 退激跃迁中有一部分的状态变成了 5S 能级中的 MF=+2 的状态（而这一部分原子是不会吸收光再跃 迁到 5P 去的，那些回到其它 7 个子能级的原子都 图 1 87Rb 原子对 D1σ+光的吸收和自发辐射跃迁 可以再吸收光重新跃迁到 5P 能级） 。这样经过若干 循环之后， 5S 态中 M F 2 子能级上的粒子数就会越积越多（而其余７个子能级上的原子数越来越少） ， 即大量粒子被“抽运”到基态的 MF=+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化” ，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就 可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。 3． 光磁共振跃迁 持续的光抽运，样品对 D1σ+光的吸收越来越弱，透过样品的光强度逐渐增加，当 M F 2 子能级上的 粒子数达到饱和，透过样品的光强达到最大值。 在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场 B 和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整 射频频率 ，使之满足 h g F B B （1） 这时将出现“射频受激辐射” ，在射频场的扰动下，处于 MF=+2 子能级上的原子会放出一个频率为 ν、 方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到 MF=+1 的子能级，MF=+2 上的原子数就会减少；同样， MF=+1 子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到 MF=0 的子能级上„如此下去，5S 态的上面 5 个子 能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到 5P 态的原子在退激过程中 可以跃迁到 5S 态的最下面的 3 个子能级上，所以，用不了多久，5S 态的 8 个子能级上全有了原子。由于此 时 MF=+2 子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转” 。 通过以上的分析得到了如下的结论： 处于静磁场中的铷原子对偏振光 D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时， 铷原子对 D1σ+光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（ 1）
实验 光泵磁共振实验

实验 光泵磁共振实验

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+=。