光泵磁共振

光泵磁共振

一般来说，要了解样品的物质结构可采用光谱分析法，用光谱仪定性及定量测定物质的原子、分子结构。但要搞清原子、分子内部更加精细的结构和变化，光谱仪的分辨力就

不够了。为了得到更高的分辨力，可采用波谱学方法，用微波或射频磁共振研究原子的精细、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能级。对于浓度较大的样品，电子自旋共振

和核磁共振，可以得到较强的共振信号；但是，对于浓度较低的气态样品，波谱学方法又无能为力了。

为了解决上述问题，1950年代法国科学家卡斯特莱（Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，

使得在低浓度下有较高的共振强度。这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前

进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。1966年卡斯特莱因发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。

实验目的

1． 掌握光抽运——磁共振——光探测的实验原理，学习近代物理的测量方法。 2． 测定铷原子的g因子。

3． 学习用光泵磁共振技术测量弱磁场。

实验原理

电子在原子中所处的位置，决定了原子状态，一般用能量来表示。原子的能量只能取一系列分立值，称之为能级。一个能级在一定条件下会发生分裂。我们把能级在LS耦合

下的分裂，分别叫做能级的精细结构和超精细结构。在外加磁场作用下，超精细结构能级再次分裂，叫塞曼子能级，本实验所研究的铷原子在弱磁场中塞曼能级间的跃迁，一般很

弱，不易观测，需要采用光抽运——磁共振——光探测方法，以提高信号强度。

1. 铷原子的最低激发态和朗德因子 铷原子是一价碱金属，其电子组态是：

轨道 KL M N O

能级 1s2s2p 3s3p 3d4s4p4d4f5s5p 5d 5f

电子数 22626 1026 1

由上表可见，铷原子基态是52S1/2能级，最低激发态为5p能级。在LS耦合下分裂为52P1/2和52P3/2能（L=0，S=1/2，J=1/2，3/2），称为铷原子的精细结构能级。5s和5p能级

间的跃迁产生两条波长相近的谱线D1 （794.2nm）和D2（780.0nm）。 原子的轨道磁矩为

)0.1(,2=−=LLLLgPmegvvμ (1)

自旋磁矩为

49)0023.2(,2=−=SSSSgPmegvvμ （2）

其中PL和PS分别为电子轨道角动量和电子自旋角动量，g L和g S为相应的g因子，e和m为电子的电荷和质量。

LS耦合时，合成的总磁矩为

)1(2)1()1()1(1,2++++−++=−=JJSSLLJJgPmegJJJJμ (3)

如果在LS耦合的基础上进一步考虑自旋对能级的影响，铷原子的两种同位素87Rb和85Rb的自旋量子数I分别为3/2和5/2，即在LI耦合下，5S和5P能级都将再次分裂，称为超精细结构能级。耦合后的总量子数F=I+J+,···∣I-J∣, 87 Rb的F=2,1，85Rb的F=3,2。

由于原子核的磁矩为

IIIIIPmegPMegvvv2'2==μ

其中

18361'==MmggII

因而

JIμμ<

由此可以得到

)1(2)1()1()1(

++−+++=FFIIJJFFggJF （5）

用上式可以计算出铷原子的g因子理论值。 当原子位于恒定外磁场B中，由于原子的总磁矩与磁场的相互作用，原子超精细结构

能级又会分裂为2F+1个等间距的塞曼子能级。Fμv与Bv的相互作用能级为

BMgBMmegBPmegBEBFFFFFFFμμ==•=•−=hvvvv22 （6）

其中FFFMF−−=,,1,L；Bμ是玻尔磁子。

塞曼子能级的能级间距为

BgEBFμ=Δ （7）

综上所述，图（1）给出了87Rb的原子能级图，85Rb的原子能级图与此类似，但有更多的塞曼能级。由于本实验只用D1线，而D2线用滤波片滤去，因此图中未画出52P3/2的能

级分裂状况。

2. 实现光泵磁共振的必要条件——粒子的偏极化

一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁，称为光跃迁。光跃迁的选择定则是

1,1,0±=Δ±=ΔFMF （8）

由此可知，用左旋圆偏振光入射时，对于87Rb来说，粒子在52S1/2 向52P1/2跃迁，需

服从的条件，这样基态能级上的粒子就不能跃迁。而当原子经过无辐

射跃迁由52S1/2 回到52P1/2时，粒子返回基态各子能级的几率相同。这样经过多次循环，基态的子能级上的粒子数只增不减，积聚形成各子能级上的粒子不均匀分布，称为

粒子的“偏极化”。形象地看，就向水泵一样将粒子抽到了+σ1D

1D1+=ΔFM

2+=F2+=FM

+σM

2+=FM的基态下的能级

50上。所以这种方法称为光抽运或光泵。有了偏极化就可以在子能级间得到较强的共振信号。

用右旋圆偏振光照射样品效果类似，这时粒子将积聚到基态−σ1D2−=FM子能级上。但

是，由于两者作用相反，如果用σ+和σ-构成的椭圆偏振光进行光抽运，效果就差多了。 对于85Rb来说，情况大致相同。

图（1）铷原子的分裂跃迁和辐射

3. 塞曼子能级间的磁共振

原子在光抽运产生偏极化后，就不在吸收入射光了。此时透射光最强。如果在垂直于恒定磁场B方向加一频率f可调的射频场；改变B或f，当满足

BgEhfBFμ=Δ=0 （9）

时，将产生磁共振。其塞曼子能级间发生跃迁。跃迁的选择定则是

1,0±=Δ=ΔFMF （10）

这一跃迁使粒子的偏极化受到破坏，样品对入射光吸收增强，投射减弱，重新开始光抽运。

这样循环往复，达到动平衡。将测出的f和B代入式（9），即可求出 gF的实验值，将其与理论值相比较，两者的一致性将证明上述分析是正确的。

由于87Rb和85Rb产生偏极化的塞曼子能级不同，磁共振的吸收频率也不同，可以用这一特点分别测出它们的g因子。

4. 光探测

入射到样品上的光，不但有光抽运的作用，而且透射光可作为探测光。上述光+σ1D

51抽运——磁共振过程，伴随样品对吸收的变化，光抽运时透射光最强，磁共振时最

弱。这样通过探测透射光就可以检测到磁共振。这就是本实验的光探测，它巧妙地将一个

较低频（1—10MHz）的光子转换成一个高频（108MHz）的光子。并使信号功率提高了7—8个数量级。 +σ1D

实验装置

实验装置如图（2）所示。

1. 光源部分：使用高频无极放电铷灯作为光源，灯泡置于通过高频电流线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。铷光谱含上述D1和D2两条谱线。D2不利于光

抽运，在灯光出口处加一滤波片将其滤去。这时铷只射出波长为7948A的D1谱线。 2. 偏振片、1/4波片和凸透镜组件：偏振片使D1谱线变成线偏振光，1/4波片再将

偏振光变成圆偏振光（σ+或σ-）。凸透镜L1（f=77mm）将入射光变成平行光。 3. 吸收池：由内充铷蒸汽和缓冲气体的样品泡、射频线圈和恒温槽组成。样品泡两

侧与入射光平行方向装有一对射频线圈，以激发磁共振。由于样品温度过高，会增强铷原子与容器壁的碰撞几率，引起退极化；温度过低又使铷蒸汽密度过小，减小信号幅度，所

以将样品泡置于恒温槽内，保持最佳温度。

恒温吸收池

偏振片1/4波片

铷灯

滤光片透镜1

垂直水平线圈线圈样品泡透镜2

光敏探测器射频线圈对

图（2）光泵磁共振实验仪主体单元 4. 亥姆霍兹线圈：由一对水平和一对垂直亥姆霍兹线圈组成。它们分别产生恒定水平磁场Bh和恒定垂直磁场Bv。水平线圈由两对绕组组成，一对提供直流磁场；另一对提

供扫场，它使直流磁场上迭加一个调制磁场。扫场信号可选用方波和三角波，示波器与扫场信号同步，频率为数十Hz，以便观察光探测器接收的光抽运——磁共振信号。恒定垂

直磁场Bv用于抵消地磁场。亥姆霍兹线圈中心的磁感应强度为：

rNIB0716.0μ= (11)

水平线圈对两绕组并联，并联电阻 R=26Ω，垂直线圈两对绕组串联，串联电阻R=26Ω；

N：线圈匝数，r：线圈平均半径，I：励磁电流。 扫场信号为单向交变信号，通过面板上的“方向”开关控制扫场线圈中的电流方向。

注意，示波器显示的扫场信号波形不随方向开关改变，波形底部应为0；但由于仪器制造

52方面的原因，扫场信号并非从0开始，即有一个附加直流分量。经过分析，只要在测量中合理掌控方向开关，这个附加直流分量的影响可以消除。

5． 光电探测器：凸透镜L2将透过吸收池（样品）的D1光聚焦到硅光电池接收面，光电流经电流——电压转换及放大后接入示波器。

此外，实验装置还包括示波器、频率计和“光磁实验装置辅助源”等。

实验步骤

1. 准

2.. 备工作

(1) 将辅助源的“池温”钮调到中间位置，打开池温开关，“工作监视”置于“灯温，按下“预热”键，此时辅助源接通电源，开始预热。待灯温达到80°C以上，按下“工作”

键，此时铷灯点亮。观察并调整“池温”钮，使池温为50°C左右，由于池温的变化较

为缓慢，调整时应留有足够的时间使温度稳定。一般池温要30——40分钟才能达到50°C左右。

(2) 调整主体单元光轴与地磁场水平分量平行。按实验要求调整光路。 (3) 按下“工作”键，利用放到恒温吸收池上的小磁针，以地磁场水平分量方向为正

方向，分别确定仪器扫场和水平磁场方向开关位置所对应的磁场方向。

观察光抽运信号

示波器CH1接光探测器信号，CH2接扫场信号，示波器选择“DC“档。水平和垂直

磁场调到零。扫场选“方波”，调节扫场的方向和幅度，当扫场方向与地磁场水平分量相反时，水平磁场将在B=0上下变化。

将方波加到扫场线圈上。出现磁场的一瞬间，基态各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡分布，各子能级上有大致相等的粒子数。因此这一瞬间有占总粒子数7/8的粒子可吸收

D1σ+光，吸收光最强，透过光最弱。随着粒子逐渐被抽运到mF= +2子能级上，能吸收D1σ+光的粒子减少，吸收光减弱，透过光增强。当mF = +2子能级上子能级上粒子数达到饱

和，不再有粒子吸收D1σ+光，透过光强到达并保持最大值。当外磁场过零并反向时，塞曼子能级发生简并及重新分裂，在简并时将失去偏极化。能级再分裂后，各塞曼子能级上

的粒子数又大致相等，对D1σ+光的吸收又到达最大值。这样周而复始，通过检测透过样品的光强变化，就能观察到光抽运信号。地磁场水平分量使得扫场方波不对称；而地磁场

垂直分量的使外磁场无法回零，对光抽运信号有较大影响。因此本实验装置有一对垂直方向的亥姆霍兹线圈，以抵消地磁场垂直分量。当外磁场垂直分量为零时，按上述方法观察

到的光抽运信号最强。 分析观察记录如下情况的光抽运信号：

(1) 垂直方向磁场不为零（注意地磁场的垂直分量）时，扫场正反向方波幅度不同时光吸收信号。

(2) 垂直方向磁场不为零时，扫场正反向方波幅度相同时光吸收信号。 (3) 垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）时，扫场正反向方波幅度不同时

光吸收信号。 (4) 垂直方向磁场为零时（地磁场的垂直分量被抵消），扫场正反向方波幅度相同时光

吸收信号，并确定地磁场的垂直分量的大小。下面的实验保持垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）。

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